Stråldrivna wakefield-accelerationsmetoder är lovande kandidater för framtida storskaliga maskiner, inklusive röntgenfria elektronlasrar och linjärkolliderare, eftersom de har potential att förbättra effektiviteten och minska driftskostnaderna.

En av nyckelfaktorerna som driver denna effektivitetsförbättring är att manipulera den tidsmässiga fördelningen av elektronstrålar. Under de senaste decennierna, forskare har undersökt ett antal olika mekanismer som framgångsrikt producerar tidsformade elektronstrålar av varierande kvalitet med olika begränsningar.

I en ny studie från det amerikanska energidepartementets (DOE) nationella laboratorier i Argonne och Los Alamos, forskare använde ett fenomen som kallas fältemission för att utforska användningen av arrayer av små diamantspetsar för att producera vad de hoppades skulle vara en transversellt formad elektronstråle. Strålen kommer sedan att skickas till en emittansutbytesstrållinje för att omvandla den tvärgående fördelningen till den tidsmässiga.

Fältemission fungerar genom att minska kvantbarriärerna som elektroner kan, enligt sannolikhetens lagar, tunnel igenom ibland. "Det är som om vi genom att applicera dessa fält kan ändra en tegelvägg till gipsvägg - det är mycket lättare att gå igenom den, " sa Argonne accelerator fysiker Jiahang Shao, en författare till studien.

Andra metoder för att generera elektroner hade involverat antingen termioniska katoder, som använder varma glödtrådar - analoga med de som används i glödlampor - för att driva ut elektroner från ett fast ämne, eller fotoelektriska katoder, som använder ultrakorta laserpulser för att lossa elektroner.

Fördelen med fältemissionskatoder, enligt Shao, är att de varken kräver en värmekälla eller en dyr laserinstallation. "Vi använder elektriska fält oavsett när det är dags att accelerera elektronerna, " Sao Shao. "Det är inte mycket mer obekvämt att använda dem för att generera dem i första hand."

För att framgångsrikt använda fältemissionstekniken, forskarna behövde applicera ett mycket starkt koncentrerat elektriskt fält direkt på katodens yta. Att göra så, de skapade en film av diamant som innehöll diamantpyramider cirka 10 mikrometer på en sida med nanometerskala spetsar på toppen som var arrangerade i en en millimeter liksidig triangel.

Den experimentella studien utförs på Argonne Cathode Test-Stand (ACT) strållinje vid Argonne Wakefield Accelerator-anläggningen. "Att generera en tvärformad stråle genom fältemission är det första steget i projektet, och vi utforskar olika sändargeometrier såväl som (radiofrekvens) rf-pistoldriftsparametrar, sa Shao.

Enligt Argonne-acceleratorforskaren Manoel Conde, en annan författare till studien, forskarna försökte balansera två separata men konkurrerande fenomen genom att använda dessa diamantfältutsändare. Forskarna behövde generera en så hög ström som möjligt av elektroner som lämnar materialet; dock, de ville mildra utdrivningskraften mellan elektroner för att bibehålla triangelformen under emission och transport.

En artikel baserad på studien, "Demonstration av transport av en mönstrad elektronstråle producerad av diamantpyramidkatod i en rf-pistol, " dök upp i januarinumret 2020 av Bokstäver i tillämpad fysik och rapporterade den framgångsrika demonstrationen av generering och transport av en transversellt formad elektronstråle från en katod med diamantfältutsändare i en rf-kanon. En annan artikel, "Formade strålar från katoder med diamantfältsändare, " dök upp i julinumret 2020 av IEEE-transaktioner på plasmavetenskap och rapporterade den kontinuerliga geometrioptimeringen av diamantfältsändarmatriser.