微波電子槍在X射線源領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛,同傳統(tǒng)直流電子槍相比,它能夠提供更高電流和更強(qiáng)的電子束,從而用于自由電子激光器、同步加速器、直線對(duì)撞機(jī)和韋克菲爾德加速器等技術(shù)。但由于電子發(fā)射原理包括光電陰極材料的激光放射、熱陰極材料的加熱等一系列復(fù)雜繁瑣的技術(shù)和參數(shù)等,使得微波電子槍技術(shù)極為復(fù)雜棘手,研究和應(yīng)用成本也相當(dāng)昂貴。
為簡(jiǎn)化微波電子槍的工作原理,科學(xué)家們采用場(chǎng)發(fā)射技術(shù)研究出了一種即插即用,也即熱插拔方案。而該技術(shù)應(yīng)用到的材料則是超級(jí)納米微晶金剛石(UNCD)。
材料專家Sergey Baryshev介紹,場(chǎng)發(fā)射是強(qiáng)電場(chǎng)作用下電子從固態(tài)材料被釋放到真空狀態(tài)下的一種現(xiàn)象。一個(gè)較強(qiáng)的材料表面的電場(chǎng)可以促成表面勢(shì)壘的隧道傳播。所以,從本質(zhì)上講,場(chǎng)發(fā)射陰極(FEC)就是光電陰極和熱陰極的電子源可替代物。Sergey Baryshev補(bǔ)充道,F(xiàn)EC利用強(qiáng)激光或者高溫來(lái)釋放電子。
微波電子槍的電子發(fā)射器中需要內(nèi)置一個(gè)銅片,而該銅片通常會(huì)受到強(qiáng)烈的電場(chǎng)動(dòng)蕩影響。鑒于此,科學(xué)家們便采用超級(jí)納米微晶金剛石(UNCD)薄膜來(lái)替代銅片。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),UNCD不僅提供了一個(gè)較大的電荷和峰值電流,而且角度分散非常低,電子束的能量擴(kuò)散也很弱。后兩者參數(shù)的優(yōu)越性要比傳統(tǒng)的光電陰極材料高出許多。使用UNCD材料的電子槍發(fā)射出的電子束,其能量也更強(qiáng)。

此外,UNCD能夠經(jīng)受微波電子槍惡劣的使用環(huán)境,使用壽命也比預(yù)期的要長(zhǎng)。Sumant說(shuō),UNCD的平面幾何屬性能夠助其分布整體的電場(chǎng),大約是每平方厘米1萬(wàn)億窄晶界。
超級(jí)納米微晶金剛石-場(chǎng)發(fā)射陰極(UNCD FEC)在未來(lái)可能會(huì)替代傳統(tǒng)的銅材料加速器,用于日常電子源設(shè)備。而科學(xué)家們則更加關(guān)注這種材料在超導(dǎo)無(wú)線電頻率(SRF)加速器方面的應(yīng)用。
SRF系統(tǒng)能夠提供更高的工作負(fù)荷循環(huán),也即工作續(xù)航力,它相當(dāng)于工業(yè)生產(chǎn)中更高的生產(chǎn)速度。歐幾里得科技實(shí)驗(yàn)室的Chunguang Jing說(shuō),截至目前為止,SRF系統(tǒng)并不為行業(yè)看好,因?yàn)樗哪芰哭D(zhuǎn)換效率低。而這種低效率正是由于使用了光電陰極激光和熱陰極而造成的。
Baryshev指出,SRF系統(tǒng)和傳統(tǒng)的銅制材系統(tǒng)在制造電子時(shí),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費(fèi)掉了。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的推測(cè),如果SRF系統(tǒng)能夠被控制在液氮溫度的理想低溫環(huán)境下,那么它的能量轉(zhuǎn)換效率要明顯提升50%-60%左右。而這種超級(jí)納米微晶金剛石(UNCD)則很好地解決了SRF系統(tǒng)中部件升溫發(fā)熱的問(wèn)題。