Les approches d'accélération de champ de sillage par faisceau sont des candidats prometteurs pour les futures machines à grande échelle, y compris les lasers à électrons libres à rayons X et les collisionneurs linéaires, car ils ont le potentiel d'améliorer l'efficacité et de réduire les coûts d'exploitation.

L'un des facteurs clés de cette amélioration de l'efficacité consiste à manipuler la distribution temporelle des faisceaux d'électrons. Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont étudié un certain nombre de mécanismes différents qui produisent avec succès des faisceaux d'électrons de forme temporelle de qualité variée avec différentes limitations.

Dans une nouvelle étude des laboratoires nationaux Argonne et Los Alamos du département américain de l'Énergie (DOE), les scientifiques ont utilisé un phénomène appelé émission de champ pour explorer l'utilisation de réseaux de minuscules pointes de diamant pour produire ce qu'ils espéraient être un faisceau d'électrons de forme transversale. Le faisceau sera ensuite envoyé dans une ligne de lumière à échange d'émittance pour convertir la distribution transversale en distribution temporelle.

L'émission de champ fonctionne en diminuant les barrières quantiques que les électrons peuvent, selon les lois de probabilité, parfois tunnel à travers. "C'est comme si en appliquant ces champs, nous pouvions changer un mur de briques en cloison sèche - c'est beaucoup plus facile de le traverser, " a déclaré Jiahang Shao, physicien de l'accélérateur d'Argonne, un auteur de l'étude.

D'autres méthodes pour générer des électrons avaient impliqué soit des cathodes thermoioniques, qui utilisent des filaments chauds - analogues à ceux utilisés dans les ampoules à incandescence - pour expulser les électrons d'un solide, ou cathodes photoélectriques, qui utilisent des impulsions laser ultracourtes pour libérer les électrons.

L'avantage des cathodes à émission de champ, selon Shao, est qu'ils ne nécessitent ni source de chaleur ni installation laser coûteuse. "Nous utilisons des champs électriques peu importe quand vient le temps d'accélérer les électrons, " a déclaré Shao. " Ce n'est pas beaucoup plus gênant de les utiliser pour les générer en premier lieu. "

Pour utiliser avec succès la technique d'émission de champ, les chercheurs devaient appliquer un champ électrique très fortement concentré directement sur la surface de la cathode. Faire cela, ils ont créé un film de diamant qui contenait des pyramides de diamant d'environ 10 micromètres de côté avec des pointes à l'échelle nanométrique sur le dessus qui étaient disposées en un triangle équilatéral d'un millimètre.

L'étude expérimentale est menée sur la ligne de lumière du banc d'essai de la cathode d'Argonne (ACT) à l'installation de l'accélérateur d'Argonne Wakefield. "La génération d'un faisceau de forme transversale par émission de champ est la première étape du projet, et nous explorons différentes géométries d'émetteur ainsi que les paramètres de fonctionnement du canon rf (radio-fréquence), " dit Shao.

Selon Manoel Conde, scientifique de l'accélérateur d'Argonne, un autre auteur de l'étude, les chercheurs essayaient d'équilibrer deux phénomènes distincts mais concurrents en utilisant ces réseaux d'émetteurs de champ en diamant. Les scientifiques devaient générer un courant aussi élevé que possible d'électrons quittant le matériau; cependant, ils voulaient atténuer la force d'expulsion entre les électrons pour maintenir la forme triangulaire pendant l'émission et le transport.

Un article basé sur l'étude, "Démonstration du transport d'un faisceau d'électrons à motifs produit par une cathode pyramidale en diamant dans un canon rf, " paru dans le numéro de janvier 2020 de Lettres de physique appliquée et a rapporté la démonstration réussie de la génération et du transport d'un faisceau d'électrons de forme transversale à partir d'une cathode à matrices d'émetteurs de champ en diamant dans un canon à haute fréquence. Un autre article, « Faisceaux en forme de cathodes à matrice d'émetteurs de champ en diamant, " paru dans le numéro de juillet 2020 de Transactions IEEE sur la science du plasma et a rapporté l'optimisation continue de la géométrie des réseaux d'émetteurs de champ de diamant.