正極研究を加速する HERACLES ビームライン

Newman Lab で HERACLES ビームラインを披露する大学院生の Sam Levenson 氏（左）と CLASSE 研究員の Matt Andorf 氏。

コーネル大学は、世界最大の粒子衝突型加速器の過酷な環境を模倣した最先端の電子銃である HERACLES ビームラインにより、電子ビーム研究の新境地を開拓しています。

もともと大学のエネルギー回収線形加速器プログラム中に設計された HERACLES の中心部にある電子銃 (生涯実験のための高電子平均電流) により、ニューマン研究所の研究者は、半導体製造から提案されている電子まであらゆるものに使用できる陰極を研究することができます。 -イオン衝突型加速器。

加速器技術は、さまざまな用途向けに大電流の電子ビームを生成するために光電陰極に依存しています。 たとえば、堅牢な光電陰極は粒子衝突器内で大電流の電子ビームを維持できます。最も重要な基準の 1 つはビームの明るさ (生成される粒子衝突の数) です。 ビーム電流が高くなると光度も大きくなり、新しい物理学の発見が加速する可能性があります。

ただし、光電陰極の効率は加速器内の真空環境の影響を受けやすく、大電流では急速に低下する可能性があります。

「電子銃の内部は過酷な環境です」と、CLASSE（コーネル大学加速器科学教育研究所）の研究員マット・アンドーフ氏は言う。 「したがって、私たちの光電陰極は必ずしも故障するわけではありません。それは、極端な条件下で多くの光電陰極が故障するということです。」

大型衝突型加速器のビームラインと同様に、HERACLES は常に超高真空に維持されています。 それにもかかわらず、残った残留ガスはカソードと化学反応を起こし、その効率を低下させ、材料に損傷を与える可能性があります。

コーネル大学の研究者らは、化学中毒やイオンの逆衝撃などの劣化効果を最小限に抑えながら、HERACLES 内に過酷な粒子衝突器環境を再現することで、これらの光電陰極を研究しています。

この取り組みを主導しているのは、大電流ビーム動作用に開発された光電陰極の強度を向上させるために HERACLES を構築した CLASSE の研究者と大学院生です。

ジャレッド・マクソン博士は「光電陰極の性能が向上したため、非常に過酷な産業環境でも光電陰極を使用できるようになった」と述べた。 '15 年、芸術科学大学 (A&S) の物理学助教授。物理学教授 (A&S) のイワン・バザロフ氏とともにこの取り組みを主導しています。

マクソン氏によると、そのような環境の1つは、ブルックヘブン国立研究所に建設される予定の電子イオン衝突型加速器だという。 この大型衝突型加速器は、目に見える物質の中で陽子や中性子を形成する粒子であるクォークやグルーオンを探索します。

「私たちはこれらの機械に導入される電子源を、核物理学や高エネルギー物理学で使用されるのとまったく同じ条件でテストしています」とマクソン氏は語った。

HERACLES は主に基礎研究に使用されますが、これらの実験から得られた知識は、現実世界のさまざまなアプリケーションに影響を与える可能性があります。 たとえば、電子加速器は医療施設で画像処理や放射線治療用の X 線を生成するために使用されます。 電子ビームは半導体製造にも使用でき、CHIPS 法によりこの分野への追加投資とエネルギーが投入されています。

研究者は、HERACLES を使用して、成長チャンバーから高電流実証までの性能を迅速にテストすることにより、高電流光電陰極を進歩させる予定です。 この研究は、堅牢な大電流カソード技術の信頼できる進歩につながることが期待されています。

しかし、HERACLES の最大の強みは必ずしもその力ではなく、あらゆる段階での学生の参加であるとマクソン氏は言いました。

「学生たちはこれを操作できるようになります」と彼は言いました。 「パイプにビームを落としてデータを収集するのは大学院生です。まさに学生たちが HERACLES の科学的推進者です。」

サム・レベンソンもそうしたドライバーの一人だ。 博士課程 4 年生は、HERACLES 用の光電面を準備、成長させ、テストします。

「科学的に見て、これらの大型衝突型加速器と同じ環境で陰極をテストすることは非常に影響力がある」とレベンソン氏は述べた。 「この方法により、大規模な施設に伴う制約を受けることなく、陰極の堅牢性について多くのことを学ぶことができます。」

この研究は、ブライトビームセンターを通じて米国エネルギー省と国立科学財団によって支援されました。

このストーリーの長いバージョンが CLASSE の Web サイトに掲載されています。

Rick Ryan は、コーネル大学加速器科学教育研究所 (CLASSE) の科学コミュニケーターです。。

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