HERACLES-Beamline zur Beschleunigung der Kathodenforschung

Der Doktorand Sam Levenson (links) und CLASSE-Forschungsmitarbeiter Matt Andorf führen die HERACLES-Beamline im Newman Lab vor.

Mit der HERACLES-Beamline, einer hochmodernen Elektronenkanone, die die rauen Umgebungen der größten Teilchenbeschleuniger der Welt nachahmt, geht Cornell neue Wege in der Elektronenstrahlforschung.

Die ursprünglich im Rahmen des Energy Recovery Linear Accelerator-Programms der Universität entwickelte Elektronenkanone im Herzen von HERACLES (High ElectRon Average Current for Lifetime ExperimentS) ermöglicht es Forschern am Newman Laboratory, Kathoden zu untersuchen, die in allen Bereichen von der Halbleiterherstellung bis zum vorgeschlagenen Elektron eingesetzt werden können -Ionen-Collider.

Die Beschleunigertechnologie basiert auf Photokathoden, um Hochstrom-Elektronenstrahlen für eine Vielzahl von Anwendungen zu erzeugen. Beispielsweise kann eine robuste Fotokathode einen Hochstrom-Elektronenstrahl in Teilchenbeschleunigern aufrechterhalten, bei denen eines der wichtigsten Kriterien die Strahlleuchtkraft (die Anzahl der erzeugten Teilchenkollisionen) ist. Ein höherer Strahlstrom führt zu einer größeren Leuchtkraft, was neue physikalische Entdeckungen beschleunigen könnte.

Allerdings ist die Effizienz der Photokathode empfindlich gegenüber der Vakuumumgebung im Beschleuniger und kann bei hohem Strom schnell nachlassen.

„Das Innere einer Elektronenkanone ist eine raue Umgebung“, sagte Matt Andorf, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei CLASSE (dem Cornell Laboratory for Accelerator-based ScienceS and Education). „Unsere Fotokathoden versagen also nicht zwangsläufig – es liegt daran, dass wir ihnen unter extremen Bedingungen viel abverlangen.“

Ähnlich wie Strahllinien an großen Kollidern wird HERACLES ständig im Ultrahochvakuum gehalten. Dennoch kann verbleibendes Restgas chemisch mit der Kathode reagieren, deren Effizienz beeinträchtigen und das Material schädigen.

Forscher von Cornell untersuchen diese Fotokathoden, indem sie in HERACLES eine raue Umgebung für einen Teilchenbeschleuniger nachbilden und gleichzeitig versuchen, schädliche Auswirkungen wie chemische Vergiftung und Ionenrückbeschuss zu minimieren.

Angeführt wird diese Aufgabe von CLASSE-Forschern und Doktoranden, die HERACLES gebaut haben, um die Festigkeit von Fotokathoden zu verbessern, die für den Hochstromstrahlbetrieb entwickelt wurden.

„Jetzt, da Fotokathoden immer besser werden, können wir sie in diesen sehr brutalen Industrieumgebungen einsetzen“, sagte Jared Maxson, Ph.D. '15, Assistenzprofessor für Physik am College of Arts and Sciences (A&S), der diese Bemühungen zusammen mit Ivan Bazarov, Professor für Physik (A&S), leitet.

Eine solche Umgebung, sagte Maxson, sei der geplante Elektronen-Ionen-Beschleuniger, der im Brookhaven National Lab gebaut werden soll. Dieser große Collider wird nach Quarks und Gluonen suchen, den Teilchen, die in der sichtbaren Materie die Protonen und Neutronen bilden.

„Wir testen die Elektronenquellen, die in diese Maschinen eingebaut werden, unter genau den gleichen Bedingungen, unter denen sie eingesetzt werden – für die Kernphysik oder die Hochenergiephysik“, sagte Maxson.

Während HERACLES hauptsächlich für die Grundlagenforschung genutzt wird, haben die aus diesen Experimenten gewonnenen Erkenntnisse das Potenzial, sich auf eine Reihe realer Anwendungen auszuwirken. Beispielsweise werden Elektronenbeschleuniger in medizinischen Einrichtungen eingesetzt, um Röntgenstrahlen für Bildgebung und Strahlentherapie zu erzeugen. Elektronenstrahlen können auch in der Halbleiterfertigung eingesetzt werden, wo das CHIPS-Gesetz zu zusätzlichen Investitionen und Energie in diesem Sektor geführt hat.

Forscher werden HERACLES nutzen, um Hochstrom-Fotokathoden weiterzuentwickeln, indem sie ihre Leistung von der Wachstumskammer bis zur Hochstrom-Demonstration schnell testen. Es wird erwartet, dass diese Forschung zu zuverlässigen Fortschritten in der robusten Hochstrom-Kathodentechnologie führt.

Allerdings sei die größte Stärke von HERACLES, so Maxson, nicht unbedingt seine Macht, sondern die Einbeziehung der Studenten – bei jedem Schritt des Weges.

„Die Schüler dürfen dieses Ding bedienen“, sagte er. „Doktoranden sind diejenigen, die den Strahl durch das Rohr führen und die Daten sammeln. Studenten sind wirklich die wissenschaftlichen Treiber von HERACLES.“

Sam Levenson ist einer dieser Fahrer. Der Doktorand im vierten Jahr bereitet die Fotokathoden für HERACLES vor, züchtet sie und testet sie.

„Aus wissenschaftlicher Sicht ist es wirklich wirkungsvoll, die Kathoden in der gleichen Umgebung wie diese großen Kollider zu testen“, sagte Levenson. „Auf diese Weise lernen wir viel über die Robustheit der Kathode, ohne die Einschränkungen, die mit größeren Anlagen verbunden sind.“

Diese Arbeit wurde vom US-Energieministerium und der National Science Foundation durch das Center for Bright Beams unterstützt.

Eine längere Version dieser Geschichte erscheint auf der CLASSE-Website.

Rick Ryan ist Wissenschaftskommunikator für das Cornell Laboratory for Accelerator-based ScienceS and Education (CLASSE)..

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