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在YAG屏幕上觀察到的電子小束，距陰極源的距離不同

       光束驅動的尾場加速方法有望成為未來大型機器（包括X射線自由電子激光器和線性對撞機）的候選者，因為它們具有提高效率和降低運營成本的潛力。

       推動效率提高的關鍵因素之一是涉及操縱電子束的時間分布。在過去的幾十年中，研究人員研究了許多不同的機制，這些機制成功地產生了具有不同局限性，質量各不相同的時間形電子束。

       在美國能源部（DOE）的阿貢大學和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一項新研究中，科學家們使用一種稱為場發(fā)射的現(xiàn)象來探索使用微小的鉆石尖端陣列來產生他們希望的橫向形狀電子束。然后，光束將被發(fā)送到一個發(fā)射交換光束線上，以將橫向分布轉換為時間上的分布。
       場發(fā)射通過降低電子可以根據概率定律偶然穿過的量子勢壘而起作用。該研究的作者物理學家邵嘉航說：“通過應用這些領域，我們似乎可以將一堵磚墻變成干墻了。其他產生電子的方法包括使用熱絲（類似于白熾燈泡中的熱絲）從固體中驅除電子的熱電子陰極，或使用超短激光脈沖使電子松動的光電陰極。
       據邵嘉航說，場發(fā)射陰極的優(yōu)勢在于它們既不需要熱源，也不需要昂貴的激光器。邵嘉航說：“無論何時需要加速電子，我們都在使用電場。” “首先使用它們來生成它們并不會帶來太多不便。”
       為了成功使用場發(fā)射技術，研究人員需要在陰極表面上直接施加非常強的集中電場。為此，他們制作了一層金剛石薄膜，該金剛石薄膜的側面大約有10微米的金剛石金字塔，頂部有納米級尖端，這些尖端排列成一個1毫米的等邊三角形。
       實驗研究是在Argonne Wakefield Accelerator工廠的Argonne陰極測試臺（ACT）光束線上進行的。“通過場發(fā)射產生橫向成形的光束是該項目的第一步，我們正在探索不同的發(fā)射器幾何形狀以及射頻槍操作參數，”邵嘉航說。
       根據該研究的另一位作者Argonne的加速器科學家Manoel Conde的說法，研究人員正試圖通過使用這些鉆石場發(fā)射體陣列來平衡兩個獨立但相互競爭的現(xiàn)象。科學家們需要產生盡可能高的電流，使電子離開材料。但是，他們希望減輕電子之間的排出力，以在發(fā)射和傳輸過程中保持三角形形狀。
       基于該研究的文章“在射頻槍中鉆石金字塔陰極產生的圖案化電子束的傳輸的演示”發(fā)表在2020年1月的《應用物理快報》上，并成功地證明了橫向形狀的產生和傳輸來自鉆石場發(fā)射器的電子束在RF槍中排列陰極。另一篇文章“來自鉆石場發(fā)射器陣列陰極的成形光束”發(fā)表在2020年7月的IEEE Transactions on Plasma Science上 并報告了鉆石場發(fā)射器陣列的連續(xù)幾何優(yōu)化。