Per un'ampia varietà di strumenti scientifici ad alta potenza, dai laser a elettroni liberi agli acceleratori di wakefield ai microscopi elettronici, generare un fascio di elettroni luminosi con proprietà specifiche rappresenta una delle sfide più significative. Questi strumenti possono essere utilizzati per studiare le proprietà a livello atomico della materia o per accelerare le particelle ad alte energie.

Gli scienziati che cercano di creare i migliori fasci possibili sono interessati a due qualità particolari che determinano il funzionamento dei fotocatodi che generano i fasci:la loro efficienza quantica e la loro emittanza intrinseca.

L'efficienza quantistica misura il rapporto tra il numero di fotoelettroni prodotti e i fotoni che colpiscono il catodo. Emittanza intrinseca, d'altra parte, descrive la divergenza del fascio quando gli elettroni emettono.

Gli scienziati sono più interessati ai catodi che hanno un'elevata efficienza quantica e una bassa emittanza intrinseca. Ma non è tutto:vogliono anche che l'efficienza quantica e l'emittanza intrinseca siano costanti su tutto il catodo. "Puoi pensare al nostro catodo come a uno schermo televisivo, " ha detto il fisico dell'acceleratore Jiahang Shao del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory. "Il nostro catodo è costituito da "pixel, ' e come su uno schermo TV, vuoi che ogni pixel abbia una luminosità simile."

In un nuovo studio di Argonne, i ricercatori della struttura di Argonne Wakefield Accelerator hanno trovato un modo nuovo e più veloce per misurare simultaneamente la distribuzione dell'efficienza quantistica e dell'emittanza intrinseca di un fotocatodo, e hanno correlato le distribuzioni per comprendere meglio il meccanismo di emissione dei catodi di tellururo di cesio, un tipo principale di fotocatodo.

Misurare l'emittanza intrinseca di ogni punto sul catodo, essenzialmente andando pixel per pixel, è un processo che richiede molto tempo, disse Shao. Per accelerare le cose, i ricercatori hanno utilizzato un dispositivo chiamato array di microlenti per creare più piccoli fasci che potevano misurare contemporaneamente, essenzialmente creando uno schema invece di fare misurazioni individuali.

"Il modello riduce drasticamente il tempo necessario per eseguire le nostre misurazioni dell'intera superficie del catodo, perché invece di procedere per gradi possiamo campionare diverse regioni contemporaneamente, "Ha detto Shao.

Per misurare l'emittanza dei beamlet, i ricercatori hanno utilizzato un dispositivo chiamato solenoide che focalizza il raggio su uno schermo. Regolando la forza di messa a fuoco del solenoide e misurando la dimensione del raggio corrispondente, i ricercatori possono costruire al contrario l'emittanza del fascio.

L'emittanza intrinseca è una componente dell'emittanza totale misurata, che contiene fattori di crescita dovuti o agli effetti risultanti dal raggruppamento di elettroni, chiamato carica spaziale, o ad altre aberrazioni introdotte durante la propagazione del fascio. Gli scienziati che cercano di comprendere l'emittanza intrinseca del catodo stesso devono in qualche modo ridurre questi effetti compositivi. In questo studio, tali effetti sono stati eliminati da un'attenta simulazione e sforzo sperimentale.

Nello studio delle proprietà dei diversi beamlet, i ricercatori hanno notato che i beamlet con una maggiore efficienza quantica tendevano anche ad avere in genere un'emittanza intrinseca più elevata, complicare gli sforzi per progettare le migliori travi possibili. "Sembra che avremo sempre una sorta di compromesso tra efficienza quantistica ed emittanza intrinseca, " Shao ha detto. "La domanda è come bilanciamo i due".

Un documento basato sullo studio, "Emittanza termica rapida e mappatura dell'efficienza quantistica di un catodo di tellururo di cesio in un fotoiniettore rf utilizzando più fasci laser, " è stato pubblicato nell'edizione del 4 maggio di Acceleratori e fasci di revisione fisica .