I ricercatori della Cornell rivelano il futuro dei fotocatodi con la linea di luce HERACLES

Il Newman Lab/Cornell University

Una rappresentazione visiva della linea di luce HERACLES, una macchina che emula gli ambienti difficili dei più grandi collisori di particelle.

I ricercatori del Newman Lab stanno attualmente sperimentando diversi materiali fotocatodici e la loro degradazione per migliorarne la durabilità in ambienti difficili. In tal modo, comprenderanno meglio fenomeni, come i bombardamenti ionici, che avvengono solo a correnti elevate.

I fotocatodi, superfici che emettono elettroni quando colpiti dalla luce, vengono oggi utilizzati per molti strumenti scientifici, come macchine a raggi X, laser a elettroni liberi, produzione di semiconduttori e microscopia elettronica. Facendo brillare tipi specifici di laser su questi fotocatodi emetteranno elettroni in base alle proprietà del laser e del fotocatodo. I fotocatodi, tuttavia, si danneggiano se esposti a questi raggi laser per lunghi periodi di tempo.

La linea di luce High ElectRon Average Current for Lifetime ExperimentS (HERACLES) è un acceleratore di test in grado di creare un ambiente simile a quello dei fotoiniettori utilizzati in alcuni dei più grandi collisori di particelle del mondo. HERACLES è un impianto di prova, utilizzato principalmente per lo sviluppo di conoscenze fondamentali sul comportamento dei fotocatodi negli acceleratori di particelle.

"In generale, questo ambiente è incredibilmente duro per il fotocatodo, portando a un degrado delle prestazioni", ha affermato Sam Levenson laureato, che lavora nel Newman Lab. “Replicando tali condizioni in modo controllato, possiamo eseguire ricerche volte a migliorare la robustezza dei fotocatodi”.

I fotocatodi possono essere suddivisi in due famiglie: fotocatodi metallici e fotocatodi semiconduttori. I fotocatodi metallici sono una famiglia di fotocatodi costituiti da metalli, come rame e magnesio. I fotocatodi dei semiconduttori sono tipicamente costituiti da arseniuro di gallio, nitruro di gallio e antimoniuro di cesio.

Il Newman Lab ha utilizzato l’efficienza quantistica – una metrica utilizzata per valutare il rapporto tra il numero di elettroni emessi e il numero di fotoni – per misurare la sensibilità del fotocatodo alla luce.

Il loro studio ha scoperto che i catodi metallici durano per lunghi periodi di tempo ma non mostrano un’elevata efficienza quantistica, il che significa che non sono molto efficaci nel convertire i fotoni in elettroni. I catodi dei semiconduttori, tuttavia, hanno numeri quantici molto elevati ma non durano molto a lungo. Quando il fotocatodo muore, l’efficienza quantica diminuisce, quindi il catodo non è più sensibile alla luce o in grado di convertire efficacemente i fotoni in elettroni, lasciando il fotocatodo inefficace.

HERACLES emula questi ambienti difficili degli acceleratori di particelle funzionando a correnti elevate con potenti laser. Ciò, tuttavia, può avere effetti negativi sui fotocatodi.

“Quando il raggio emesso [HERACLES] si scontra con le molecole di gas residuo, le renderà cariche positivamente. Poiché gli ioni hanno carica opposta, vengono accelerati verso il catodo”, ha detto Levenson.

Questa interazione, chiamata bombardamento ionico, provoca danni al fotocatodo.

Il Newman Lab sta attualmente testando diverse posizioni di una camera di crescita in relazione a HERACLES, nonché diversi rivestimenti del fotocatodo, per promuovere la crescita avanzata del fotocatodo. I fotocatodi ad alta efficienza devono essere mantenuti sotto vuoto per mitigare gli effetti dell'avvelenamento chimico da parte delle molecole di gas, che possono degradare rapidamente un fotocatodo.

I fotocatodi vengono coltivati ​​in una camera a vuoto situata su un piano diverso del laboratorio per mitigare gli effetti dell'avvelenamento chimico e devono essere trasportati con una valigia a vuoto che si collega al retro di HERACLES. Questo processo richiede tempo e porta alla degradazione dei fotocatodi. La costruzione di una camera di crescita collegata consentirà di testare i fotocatodi immediatamente dopo la crescita.

I ricercatori stanno anche testando diversi rivestimenti fotocatodici di semiconduttori per determinarne la sensibilità. Ad esempio, l'arseniuro di gallio richiede uno strato di cesio sulla superficie, che è un elemento chimico estremamente sensibile che si ossida rapidamente e facilmente. Ciò lo rende estremamente vulnerabile al bombardamento ionico che degrada questi fotocatodi.