Gli approcci di accelerazione di wakefield guidati dal raggio sono candidati promettenti per le future macchine su larga scala, inclusi laser a elettroni liberi a raggi X e collisori lineari, poiché hanno il potenziale per migliorare l'efficienza e ridurre i costi operativi.

Uno dei fattori chiave che guida questo miglioramento dell'efficienza comporta la manipolazione della distribuzione temporale dei fasci di elettroni. Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno studiato una serie di meccanismi diversi che producono con successo fasci di elettroni di forma temporale di varia qualità con limitazioni diverse.

In un nuovo studio dei laboratori nazionali Argonne e Los Alamos del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti, gli scienziati hanno utilizzato un fenomeno chiamato emissione di campo per esplorare l'uso di matrici di minuscole punte di diamante per produrre quello che speravano fosse un fascio di elettroni di forma trasversale. Il fascio sarà quindi inviato in una linea di scambio di emittanza per convertire la distribuzione trasversale in quella temporale.

L'emissione di campo funziona diminuendo le barriere quantistiche che gli elettroni possono, secondo le leggi della probabilità, di tanto in tanto tunnel attraverso. "È come se applicando questi campi potessimo trasformare un muro di mattoni in un muro a secco:è molto più facile attraversarlo, " ha detto il fisico dell'acceleratore di Argonne Jiahang Shao, un autore dello studio.

Altri metodi per generare elettroni avevano coinvolto catodi termoionici, che utilizzano filamenti caldi, analoghi a quelli utilizzati nelle lampadine a incandescenza, per espellere gli elettroni da un solido, o catodi fotoelettrici, che utilizzano impulsi laser ultracorti per liberare gli elettroni.

Il vantaggio dei catodi ad emissione di campo, secondo Shao, è che non richiedono né una fonte di calore né una costosa configurazione laser. "Stiamo usando campi elettrici indipendentemente da quando arriva il momento di accelerare gli elettroni, "Ha detto Shao. "Non è molto più scomodo usarli per generarli in primo luogo."

Per utilizzare con successo la tecnica dell'emissione di campo, i ricercatori avevano bisogno di applicare un campo elettrico molto fortemente concentrato direttamente sulla superficie del catodo. Fare così, hanno creato un film di diamante che conteneva piramidi di diamanti di circa 10 micrometri su un lato con punte su scala nanometrica sulla parte superiore che erano disposte in un triangolo equilatero di un millimetro.

Lo studio sperimentale è condotto sulla linea di luce dell'Argonne Cathode Test-stand (ACT) presso l'impianto di Argonne Wakefield Accelerator. "La generazione di un fascio sagomato trasversalmente per emissione di campo è il primo passo del progetto, e stiamo esplorando diverse geometrie dell'emettitore e parametri di funzionamento della pistola rf (a radiofrequenza), "Ha detto Shao.

Secondo Manoel Conde, scienziato dell'acceleratore di Argonne, un altro autore dello studio, i ricercatori stavano cercando di bilanciare due fenomeni separati ma in competizione utilizzando questi array di emettitori di campo di diamanti. Gli scienziati avevano bisogno di generare una corrente quanto più alta possibile di elettroni in uscita dal materiale; però, volevano mitigare la forza di espulsione tra gli elettroni per mantenere la forma triangolare durante l'emissione e il trasporto.

Un articolo basato sullo studio, "Dimostrazione del trasporto di un fascio di elettroni modellato prodotto da un catodo a piramide di diamante in un cannone a radiofrequenza, " apparso nel numero di gennaio 2020 di Lettere di fisica applicata e ha riportato la riuscita dimostrazione della generazione e del trasporto di un fascio di elettroni di forma trasversale da un catodo a schiera di emettitori di campo di diamanti in un cannone a radiofrequenza. Un altro articolo, "Fasci sagomati da catodi a schiera di emettitori di campo diamantati, " apparso nel numero di luglio 2020 di Transazioni IEEE sulla scienza del plasma e ha riportato l'ottimizzazione della geometria continua di array di emettitori di campo diamantati.