Pour une grande variété d'instruments scientifiques de haute puissance, des lasers à électrons libres aux accélérateurs à champ de sillage en passant par les microscopes électroniques, générer un faisceau d'électrons brillant qui possède des propriétés spécifiques représente l'un des défis les plus importants. Ces instruments peuvent être utilisés pour étudier les propriétés au niveau atomique de la matière ou pour accélérer des particules à des énergies élevées.

Les scientifiques qui cherchent à créer les meilleurs faisceaux possibles s'intéressent à deux qualités particulières qui déterminent le bon fonctionnement des photocathodes qui génèrent des faisceaux :leur efficacité quantique et leur émittance intrinsèque.

L'efficacité quantique mesure le rapport entre le nombre de photoélectrons produits et les photons qui frappent la cathode. Émittance intrinsèque, d'autre part, décrit la divergence du faisceau lorsque les électrons émettent.

Les scientifiques sont plus intéressés par les cathodes qui ont une efficacité quantique élevée et une faible émittance intrinsèque. Mais ce n'est pas tout :ils veulent également que l'efficacité quantique et l'émittance intrinsèque soient constantes sur toute la cathode. "Vous pouvez penser à notre cathode comme à un écran de télévision, " a déclaré le physicien des accélérateurs Jiahang Shao du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE). " Notre cathode est composée de " pixels, ' et comme sur un écran de télévision, vous voulez que chaque pixel ait la même luminosité."

Dans une nouvelle étude d'Argonne, les chercheurs de l'installation Argonne Wakefield Accelerator ont trouvé un nouveau moyen plus rapide de mesurer simultanément la distribution de l'efficacité quantique et l'émissivité intrinsèque d'une photocathode, et ont mis en relation les distributions pour mieux comprendre le mécanisme d'émission des cathodes en tellurure de césium, un type principal de photocathode.

La mesure de l'émittance intrinsèque de chaque point de la cathode, essentiellement pixel par pixel, est un processus extrêmement long, dit Shao. Pour accélérer les choses, les chercheurs ont utilisé un dispositif appelé réseau de microlentilles pour créer plusieurs petits faisceaux qu'ils pouvaient mesurer simultanément, essentiellement créer un motif au lieu de faire des mesures individuelles.

"Le motif réduit considérablement le temps qu'il faut pour faire nos mesures de toute la surface de la cathode, car au lieu d'avoir à procéder étape par étape, nous pouvons échantillonner différentes régions en même temps, " dit Shao.

Pour effectuer des mesures de l'émittance des petits faisceaux, les chercheurs ont utilisé un appareil appelé solénoïde qui focalise le faisceau sur un écran. En ajustant la force de focalisation du solénoïde et en mesurant la taille de faisceau correspondante, les chercheurs peuvent construire à l'envers l'émittance du faisceau.

L'émittance intrinsèque est une composante de l'émittance totale mesurée, qui contient des facteurs de croissance dus soit à des effets résultant du regroupement d'électrons - appelé charge d'espace - soit à d'autres aberrations introduites lors de la propagation du faisceau. Les scientifiques qui cherchent à comprendre l'émittance intrinsèque de la cathode elle-même doivent en quelque sorte réduire ces effets cumulatifs. Dans cette étude, de tels effets ont été éliminés par une simulation minutieuse et un effort expérimental.

En étudiant les propriétés des différents faisceaux, les chercheurs ont remarqué que les faisceaux avec une efficacité quantique plus élevée avaient également tendance à avoir généralement une émittance intrinsèque plus élevée, compliquer les efforts pour concevoir les meilleures poutres possibles. "Il semble que nous aurons toujours une sorte de compromis entre l'efficacité quantique et l'émissivité intrinsèque, " Shao a déclaré. "La question est de savoir comment nous équilibrons les deux."

Un article basé sur l'étude, « Cartographie rapide de l'émissivité thermique et de l'efficacité quantique d'une cathode en tellurure de césium dans un photoinjecteur rf à l'aide de plusieurs faisceaux laser, " a été publié dans l'édition du 4 mai de Accélérateurs et faisceaux d'examen physique .