Linha de luz HERACLES para acelerar a pesquisa de cátodo

O aluno de pós-graduação Sam Levenson, à esquerda, e o associado de pesquisa CLASSE, Matt Andorf, exibem a linha de luz HERACLES no Newman Lab.

Cornell está abrindo novos caminhos na pesquisa de feixes de elétrons com a linha de luz HERACLES, um canhão de elétrons de última geração que imita os ambientes hostis dos maiores colisores de partículas do mundo.

Originalmente projetado durante o programa Acelerador Linear de Recuperação de Energia da universidade, o canhão de elétrons no coração do HERACLES (High ElectRon Average Current for Lifetime Experiments) permite que os pesquisadores do Laboratório Newman estudem cátodos que podem ser usados ​​em tudo, desde a fabricação de semicondutores até o elétron proposto colisor de íons.

A tecnologia do acelerador depende de fotocátodos para produzir feixes de elétrons de alta corrente para uma variedade de aplicações. Por exemplo, um fotocátodo robusto pode sustentar um feixe de elétrons de alta corrente em colisores de partículas, onde um dos critérios mais importantes é a luminosidade do feixe (o número de colisões de partículas produzidas). Uma corrente de feixe mais alta produz uma luminosidade maior, o que pode acelerar novas descobertas da física.

No entanto, a eficiência do fotocátodo é sensível ao ambiente de vácuo dentro do acelerador e pode degradar rapidamente em alta corrente.

"O interior de uma arma de elétrons é um ambiente hostil", disse Matt Andorf, pesquisador associado do CLASSE (o Cornell Laboratory for Accelerator-based ScienceS and Education). "Portanto, nossos fotocátodos não falham necessariamente - é que exigimos muito deles em condições extremas."

Semelhante às linhas de luz em grandes colisores, o HERACLES é constantemente mantido em ultra-alto vácuo. Apesar disso, o gás residual remanescente pode reagir quimicamente com o cátodo, degradando sua eficiência e danificando o material.

Os pesquisadores da Cornell estudam esses fotocátodos recriando um ambiente de colisor de partículas severo dentro do HERACLES, enquanto tentam minimizar os efeitos degradantes, como envenenamento químico e bombardeio de íons.

Liderando essa carga estão os pesquisadores e estudantes de pós-graduação do CLASSE, que construíram o HERACLES para melhorar a resistência dos fotocatodos desenvolvidos para operação de feixe de alta corrente.

"Agora que os fotocátodos estão melhorando, podemos usá-los nesses ambientes industriais muito brutais", disse Jared Maxson, Ph.D. '15, professor assistente de física na Faculdade de Artes e Ciências (A&S), que lidera esse esforço junto com Ivan Bazarov, professor de física (A&S).

Um desses ambientes, disse Maxson, é o proposto colisor de íons de elétrons a ser construído no Brookhaven National Lab. Este grande colisor irá procurar por quarks e glúons, as partículas que formam os prótons e nêutrons na matéria visível.

“Estamos testando as fontes de elétrons que vão para essas máquinas, exatamente nas mesmas condições em que serão usadas – para física nuclear ou para física de alta energia”, disse Maxson.

Embora o HERACLES seja usado principalmente para pesquisas fundamentais, o conhecimento obtido com esses experimentos tem o potencial de impactar uma variedade de aplicações do mundo real. Por exemplo, aceleradores de elétrons são usados ​​em instalações médicas para gerar raios X para geração de imagens e radioterapia. Os feixes de elétrons também podem ser usados ​​na fabricação de semicondutores, onde a Lei CHIPS estimulou investimentos e energia adicionais neste setor.

Os pesquisadores usarão o HERACLES para avançar fotocátodos de alta corrente, testando rapidamente seu desempenho desde a câmara de crescimento até a demonstração de alta corrente. Espera-se que esta pesquisa leve a avanços confiáveis ​​na tecnologia robusta de cátodo de alta corrente.

No entanto, a maior força do HERACLES, disse Maxson, não é necessariamente seu poder, mas o envolvimento dos alunos – a cada passo do caminho.

"Os alunos conseguem operar essa coisa", disse ele. "Alunos de pós-graduação são os únicos a colocar o feixe no cano e coletar os dados. Os alunos são realmente os condutores científicos do HERACLES."

Sam Levenson é um desses pilotos. O aluno de doutorado do quarto ano prepara, cultiva e testa os fotocátodos do HERACLES.