近日，美國阿爾貢國立實(shí)驗(yàn)室納米中心和歐幾里得科技實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研究出一種即插即用式方案，在高強(qiáng)電子束的高電場環(huán)境下利用納米金剛石材料的微波電子槍制造電子。

       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。

       為簡化微波電子槍的工作原理，科學(xué)家們采用場發(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納米微晶金剛石（UNCD）。

       材料專家Sergey Baryshev介紹，場發(fā)射是強(qiáng)電場作用下電子從固態(tài)材料被釋放到真空狀態(tài)下的一種現(xiàn)象。一個較強(qiáng)的材料表面的電場可以促成表面勢壘的隧道傳播。所以，從本質(zhì)上講，場發(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)激光或者高溫來釋放電子。

       微波電子槍的電子發(fā)射器中需要內(nèi)置一個銅片，而該銅片通常會受到強(qiáng)烈的電場動蕩影響。鑒于此，科學(xué)家們便采用超級納米微晶金剛石（UNCD）薄膜來替代銅片。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，UNCD不僅提供了一個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。Sumant說，UNCD的平面幾何屬性能夠助其分布整體的電場，大約是每平方厘米1萬億窄晶界。

       超級納米微晶金剛石-場發(fā)射陰極（UNCD FEC）在未來可能會替代傳統(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，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，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，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)熱的問題。