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纳米金刚石材料在微波电子枪中的新应用
2014年11月24日 发布 分类:技术前沿 点击量:2129
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      近日,美国阿尔贡国立实验室纳米中心和欧几里得科技实验室联合研究出一种即插即用式方案,在高强电子束的高电场环境下利用纳米金刚石材料的微波电子枪制造电子。


      微波电子枪在X射线源领域的应用十分广泛,同传统直流电子枪相比,它能够提供更高电流和更强的电子束,从而用于自由电子激光器、同步加速器、直线对撞机和韦克菲尔德加速器等技术。但由于电子发射原理包括光电阴极材料的激光放射、热阴极材料的加热等一系列复杂繁琐的技术和参数等,使得微波电子枪技术极为复杂棘手,研究和应用成本也相当昂贵。


       为简化微波电子枪的工作原理,科学家们采用场发射技术研究出了一种即插即用,也即热插拔方案。而该技术应用到的材料则是超级纳米微晶金刚石(UNCD)。


       材料专家Sergey Baryshev介绍,场发射是强电场作用下电子从固态材料被释放到真空状态下的一种现象。一个较强的材料表面的电场可以促成表面势垒的隧道传播。所以,从本质上讲,场发射阴极(FEC)就是光电阴极和热阴极的电子源可替代物。Sergey Baryshev补充道,FEC利用强激光或者高温来释放电子。


      微波电子枪的电子发射器中需要内置一个铜片,而该铜片通常会受到强烈的电场动荡影响。鉴于此,科学家们便采用超级纳米微晶金刚石(UNCD)薄膜来替代铜片。研究结果发现,超级纳米微晶金刚石UNCD不仅提供了一个较大的电荷和峰值电流,而且角度分散非常低,电子束的能量扩散也很弱。后两者参数的优越性要比传统的光电阴极材料高出许多。使用UNCD材料的电子枪发射出的电子束,其能量也更强。


工作人员在钇-铝-石榴石荧光屏上制造出的电子束


      此外,超级纳米微晶金刚石能够经受微波电子枪恶劣的使用环境,使用寿命也比预期的要长。Sumant说,UNCD的平面几何属性能够助其分布整体的电场,大约是每平方厘米1万亿窄晶界。


      超级纳米微晶金刚石-场发射阴极(UNCD FEC)在未来可能会替代传统的铜材料加速器,用于日常电子源设备。而科学家们则更加关注这种材料在超导无线电频率(SRF)加速器方面的应用。


      SRF系统能够提供更高的工作负荷循环,也即工作续航力,它相当于工业生产中更高的生产速度。欧几里得科技实验室的Chunguang Jing说,截至目前为止,SRF系统并不为行业看好,因为它的能量转换效率低。而这种低效率正是由于使用了光电阴极激光和热阴极而造成的。


      Baryshev指出,SRF系统和传统的铜制材系统在制造电子时,其能耗是UNCD材料能耗的10倍之多,其中有百分之九十的能耗都被浪费掉了。根据实验数据的推测,如果SRF系统能够被控制在液氮温度的理想低温环境下,那么它的能量转换效率要明显提升50%-60%左右。而这种超级纳米微晶金刚石(UNCD)则很好地解决了SRF系统中部件升温发热的问题。


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