As abordagens de aceleração de wakefield orientadas por feixe são candidatos promissores para futuras máquinas de grande escala, incluindo lasers de elétrons livres de raios-X e aceleradores lineares, pois têm o potencial de melhorar a eficiência e reduzir o custo de operação.

Um dos principais fatores que impulsionam essa melhoria de eficiência envolve a manipulação da distribuição temporal de feixes de elétrons. Nas ultimas decadas, pesquisadores investigaram uma série de mecanismos diferentes que produzem com sucesso feixes de elétrons de forma temporal de qualidade variada com limitações diferentes.

Em um novo estudo dos laboratórios nacionais de Argonne e Los Alamos do Departamento de Energia dos EUA (DOE), os cientistas usaram um fenômeno chamado emissão de campo para explorar o uso de arranjos de minúsculas pontas de diamante para produzir o que eles esperavam ser um feixe de elétrons de formato transversal. O feixe será então enviado para uma linha de luz de troca de emitâncias para converter a distribuição transversal em temporal.

A emissão de campo funciona diminuindo as barreiras quânticas que os elétrons podem, de acordo com as leis da probabilidade, ocasionalmente, túnel através. "É como se, aplicando esses campos, pudéssemos transformar uma parede de tijolos em drywall - é muito mais fácil atravessá-la, "disse o físico do acelerador de Argonne Jiahang Shao, um autor do estudo.

Outros métodos para gerar elétrons envolveram catodos termiônicos, que usam filamentos quentes - análogos aos usados ​​em lâmpadas incandescentes - para expelir elétrons de um sólido, ou cátodos fotoelétricos, que usam pulsos de laser ultracurtos para liberar elétrons.

A vantagem dos cátodos de emissão de campo, de acordo com Shao, é que eles não exigem uma fonte de calor nem uma configuração cara de laser. "Estamos usando campos elétricos independentemente da hora de acelerar os elétrons, "Shao disse." Não é muito mais inconveniente usá-los para gerá-los em primeiro lugar. "

Para usar com sucesso a técnica de emissão de campo, os pesquisadores precisaram aplicar um campo elétrico fortemente concentrado diretamente na superfície do cátodo. Para fazer isso, eles criaram um filme de diamante que continha pirâmides de diamante de aproximadamente 10 micrômetros de um lado com pontas em escala nanométrica no topo que foram organizadas em um triângulo equilátero de um milímetro.

O estudo experimental é conduzido na linha de luz da bancada de teste de cátodo de Argonne (ACT) nas instalações do Acelerador de Argonne Wakefield. "Gerar um feixe de formato transversal por emissão de campo é a primeira etapa do projeto, e estamos explorando diferentes geometrias de emissor, bem como parâmetros de operação de canhão rf (radiofrequência), "Shao disse.

De acordo com o cientista do acelerador de Argonne, Manoel Conde, outro autor do estudo, os pesquisadores estavam tentando equilibrar dois fenômenos separados, mas concorrentes, usando essas matrizes de emissores de campo de diamante. Os cientistas precisavam gerar a corrente mais alta possível de elétrons deixando o material; Contudo, eles queriam mitigar a força de expulsão entre os elétrons para manter a forma triangular durante a emissão e transporte.

Um artigo baseado no estudo, "Demonstração do transporte de um feixe de elétrons padronizado produzido por catodo de pirâmide de diamante em um canhão de rf, "apareceu na edição de janeiro de 2020 da Cartas de Física Aplicada e relatou a demonstração bem-sucedida de geração e transporte de um feixe de elétrons de forma transversal a partir de um cátodo de matrizes emissoras de campo de diamante em um canhão de rf. Outro artigo, "Feixes moldados de catodos de matriz emissora de campo de diamante, "apareceu na edição de julho de 2020 da IEEE Transactions on Plasma Science e relatou a otimização da geometria contínua de matrizes emissoras de campo de diamante.