Los enfoques de aceleración de wakefield impulsados ​​por haces son candidatos prometedores para futuras máquinas a gran escala, incluyendo láseres de rayos X de electrones libres y colisionadores lineales, ya que tienen el potencial de mejorar la eficiencia y reducir los costos de operación.

Uno de los factores clave que impulsa esta mejora de la eficiencia consiste en manipular la distribución temporal de haces de electrones. Durante las ultimas décadas, Los investigadores han investigado varios mecanismos diferentes que producen con éxito haces de electrones de forma temporal de variada calidad con diferentes limitaciones.

En un nuevo estudio de los laboratorios nacionales Argonne y Los Alamos del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Los científicos utilizaron un fenómeno llamado emisión de campo para explorar el uso de matrices de diminutas puntas de diamantes para producir lo que esperaban que fuera un haz de electrones de forma transversal. Luego, el haz se enviará a una línea de intercambio de emitancia para convertir la distribución transversal en la temporal.

La emisión de campo funciona al disminuir las barreras cuánticas que pueden hacer los electrones, según las leyes de la probabilidad, ocasionalmente túnel a través. "Es como si aplicando estos campos pudiéramos convertir una pared de ladrillos en un panel de yeso; es mucho más fácil atravesarlo, "dijo el físico del acelerador Argonne Jiahang Shao, un autor del estudio.

Otros métodos para generar electrones habían involucrado cátodos termoiónicos, que utilizan filamentos calientes, análogos a los que se utilizan en las bombillas incandescentes, para expulsar electrones de un sólido, o cátodos fotoeléctricos, que utilizan pulsos de láser ultracortos para soltar electrones.

La ventaja de los cátodos de emisión de campo, según Shao, es que no requieren una fuente de calor ni una costosa instalación láser. "Estamos usando campos eléctricos independientemente de cuándo llegue el momento de acelerar los electrones, "Dijo Shao." No es mucho más inconveniente usarlos para generarlos en primer lugar ".

Para utilizar con éxito la técnica de emisión de campo, los investigadores necesitaban aplicar un campo eléctrico muy concentrado directamente sobre la superficie del cátodo. Para hacerlo crearon una película de diamante que contenía pirámides de diamantes de aproximadamente 10 micrómetros de lado con puntas de escala nanométrica en la parte superior que estaban dispuestas en un triángulo equilátero de un milímetro.

El estudio experimental se lleva a cabo en la línea de luz del banco de pruebas de cátodos de Argonne (ACT) en las instalaciones de Argonne Wakefield Accelerator. "Generar un haz de forma transversal por emisión de campo es el primer paso del proyecto, y estamos explorando diferentes geometrías de emisores, así como parámetros de funcionamiento de la pistola de rf (radiofrecuencia), "Dijo Shao.

Según el científico del acelerador de Argonne Manoel Conde, otro autor del estudio, los investigadores estaban tratando de equilibrar dos fenómenos separados pero en competencia mediante el uso de estas matrices de emisores de campo de diamantes. Los científicos necesitaban generar una corriente lo más alta posible de electrones que abandonaran el material; sin embargo, querían mitigar la fuerza de expulsión entre electrones para mantener la forma de triángulo durante la emisión y el transporte.

Un artículo basado en el estudio, "Demostración del transporte de un haz de electrones modelado producido por un cátodo piramidal de diamante en una pistola de rf, "apareció en la edición de enero de 2020 de Letras de física aplicada e informó sobre la demostración exitosa de la generación y el transporte de un haz de electrones de forma transversal desde un cátodo de matrices de emisores de campo de diamante en una pistola de rf. Otro articulo "Vigas en forma de cátodos de matriz de emisores de campo de diamante, "apareció en la edición de julio de 2020 de Transacciones IEEE sobre ciencia del plasma e informó sobre la optimización continua de la geometría de las matrices de emisores de campos de diamantes.