La ligne de lumière HERACLES pour accélérer la recherche sur les cathodes

L'étudiant diplômé Sam Levenson, à gauche, et l'associé de recherche CLASSE Matt Andorf montrent la ligne de lumière HERACLES au Newman Lab.

Cornell innove dans la recherche sur les faisceaux d'électrons avec la ligne de lumière HERACLES, un canon à électrons de pointe qui imite les environnements difficiles des plus grands collisionneurs de particules du monde.

Conçu à l'origine dans le cadre du programme d'accélérateur linéaire de récupération d'énergie de l'université, le canon à électrons au cœur d'HERACLES (High ElectRon Average Current for Lifetime ExperimentS) permet aux chercheurs du Newman Laboratory d'étudier des cathodes pouvant être utilisées dans tous les domaines, de la fabrication de semi-conducteurs à l'électron proposé. -collisionneur d'ions.

La technologie des accélérateurs repose sur des photocathodes pour produire des faisceaux d'électrons à courant élevé pour une variété d'applications. Par exemple, une photocathode robuste peut supporter un faisceau d'électrons à courant élevé dans les collisionneurs de particules, où l'un des critères les plus importants est la luminosité du faisceau (le nombre de collisions de particules produites). Un courant de faisceau plus élevé produit une plus grande luminosité, ce qui pourrait accélérer de nouvelles découvertes en physique.

Cependant, l'efficacité de la photocathode est sensible à l'environnement de vide à l'intérieur de l'accélérateur et peut se dégrader rapidement à fort courant.

"L'intérieur d'un canon à électrons est un environnement difficile", a déclaré Matt Andorf, chercheur associé à la CLASSE (le laboratoire Cornell pour les sciences et l'éducation basées sur les accélérateurs). "Ainsi, nos photocathodes ne sont pas forcément défaillantes, c'est que nous en demandons beaucoup dans des conditions extrêmes."

Semblable aux lignes de lumière des grands collisionneurs, HERACLES est constamment maintenu en ultra-vide. Malgré cela, le gaz résiduel restant peut réagir chimiquement avec la cathode, dégradant son efficacité et endommageant le matériau.

Les chercheurs de Cornell étudient ces photocathodes en recréant un environnement difficile de collision de particules dans HERACLES, tout en essayant de minimiser les effets dégradants, tels que l'empoisonnement chimique et le bombardement ionique en retour.

À la tête de cette charge se trouvent des chercheurs et des étudiants diplômés de la CLASSE, qui ont construit HERACLES pour améliorer la résistance des photocathodes développées pour le fonctionnement des faisceaux à courant élevé.

"Maintenant que les photocathodes s'améliorent, nous pouvons les utiliser dans ces environnements industriels très brutaux", a déclaré Jared Maxson, Ph.D. '15, professeur adjoint de physique au Collège des arts et des sciences (A&S), qui dirige cet effort avec Ivan Bazarov, professeur de physique (A&S).

L'un de ces environnements, a déclaré Maxson, est le collisionneur électron-ion proposé qui sera construit au Brookhaven National Lab. Ce grand collisionneur cherchera les quarks et les gluons, les particules qui forment les protons et les neutrons dans la matière visible.

"Nous testons les sources d'électrons qui entrent dans ces machines, exactement dans les mêmes conditions dans lesquelles elles seront utilisées - pour la physique nucléaire ou pour la physique des hautes énergies", a déclaré Maxson.

Alors que HERACLES est principalement utilisé pour la recherche fondamentale, les connaissances acquises grâce à ces expériences ont le potentiel d'avoir un impact sur une gamme d'applications du monde réel. Par exemple, les accélérateurs d'électrons sont utilisés dans les installations médicales pour générer des rayons X pour l'imagerie et la radiothérapie. Les faisceaux d'électrons peuvent également être utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs, où la loi CHIPS a stimulé des investissements et de l'énergie supplémentaires dans ce secteur.

Les chercheurs utiliseront HERACLES pour faire progresser les photocathodes à courant élevé en testant rapidement leurs performances de la chambre de croissance à la démonstration à courant élevé. Cette recherche devrait conduire à des avancées fiables dans la technologie des cathodes robustes à courant élevé.

Cependant, la plus grande force d'HERACLES, a déclaré Maxson, n'est pas nécessairement sa puissance, mais l'implication des étudiants - à chaque étape du processus.

"Les étudiants peuvent faire fonctionner cette chose", a-t-il déclaré. "Les étudiants diplômés sont ceux qui mettent le faisceau dans le tuyau et collectent les données. Les étudiants sont vraiment les moteurs scientifiques d'HERACLES."

Sam Levenson est l'un de ces pilotes. Le doctorant en quatrième année prépare, développe et teste les photocathodes pour HERACLES.

"Sur le plan scientifique, il est vraiment percutant de tester les cathodes dans le même environnement que ces grands collisionneurs", a déclaré Levenson. "Nous en apprenons beaucoup sur la robustesse des cathodes de cette façon, sans les contraintes associées aux installations plus grandes."

Ce travail a été soutenu par le département américain de l'énergie et la National Science Foundation par le biais du Center for Bright Beams.

Une version plus longue de cette histoire apparaît sur le site Web de la CLASSE.

Rick Ryan est un communicateur scientifique pour le Cornell Laboratory for Accelerator-based ScienceS and Education (CLASSE).

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