コーネル大学の研究者が HERACLES ビームラインで光電陰極の将来を明らかに

ニューマン研究所/コーネル大学

HERACLES ビームラインの視覚的表現。最大の粒子衝突器の過酷な環境をエミュレートするマシンです。

ニューマン研究所の研究者は現在、過酷な環境における耐久性を向上させるために、さまざまな光電陰極材料とその劣化について実験を行っています。 そうすることで、イオンの逆衝突など、高電流でのみ発生する現象をより深く理解できるようになります。

光が当たると電子を放出する表面である光電陰極は、X 線装置、自由電子レーザー、半導体製造、電子顕微鏡など、今日多くの科学機器に使用されています。 これらの光電陰極に特定の種類のレーザーを照射すると、レーザーと光電陰極の特性に基づいて電子が放出されます。 しかし、光電陰極はこれらのレーザー光に長時間さらされると損傷します。

High ElectRon Average Current for Lifetime ExperimentS (HERACLES) ビームラインは、世界最大級の粒子衝突型加速器の一部で使用されている光入射器と同様の環境を作り出すことができる試験用加速器です。 HERACLES は、主に粒子加速器における光電陰極の挙動に関する基礎知識の開発に使用される試験施設です。

「一般に、この環境は光電面にとって信じられないほど過酷で、性能の低下につながります」とニューマン研究所で働くサム・レベンソン大学院生は語る。 「これらの条件を制御された方法で再現することで、光電陰極の堅牢性の向上を目的とした研究を行うことができます。」

光電陰極は、金属光電陰極と半導体光電陰極の 2 つのファミリーに分けることができます。 金属光電陰極は、銅やマグネシウムなどの金属で構成される光電陰極の一種です。 半導体光電陰極は通常、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、アンチモン化セシウムで構成されています。

ニューマン研究所は、量子効率 (放出された電子の数と光子の数の比率を評価するために使用される指標) を使用して、光に対する光電陰極の感度を測定しました。

彼らの研究では、金属陰極は長期間持続しますが、高い量子効率を示さない、つまり光子を電子に変換するのにあまり効果的ではないことがわかりました。 しかし、半導体の陰極は非常に高い量子数を持っていますが、寿命はそれほど長くありません。 光電陰極が寿命を迎えると量子効率が低下するため、陰極は光を感知できなくなり、光子を電子に効果的に変換できなくなり、光電陰極は無効になります。

HERACLES は、強力なレーザーを使用して高電流で動作することにより、粒子加速器のこれらの過酷な環境をエミュレートします。 ただし、これは光電陰極に悪影響を与える可能性があります。

「放出された[HERACLES]ビームが残留ガス分子と衝突すると、ガス分子はプラスに帯電します。 イオンは逆の電荷を持っているため、陰極に向かって加速されます」とレベンソン氏は述べた。

この相互作用はイオンバックボンバードメントと呼ばれ、光電陰極に損傷を与えます。

Newman Lab は現在、高度な光電面成長を促進するために、HERACLES に関連する成長チャンバーのさまざまな場所とさまざまな光電面コーティングをテストしています。 高効率の光電陰極は、光電陰極が急速に劣化する可能性があるガス分子による化学中毒の影響を軽減するために真空中に維持する必要があります。

光電陰極は、化学中毒の影響を軽減するために研究室の別の階にある真空チャンバーで成長し、HERACLES の後部に接続された真空スーツケースで輸送する必要があります。 このプロセスには時間がかかり、光電陰極の劣化につながります。 付属の成長チャンバーを構築すると、成長直後に光電陰極をテストできるようになります。

研究者らはまた、感度を決定するためにさまざまな半導体光電陰極コーティングをテストしています。 たとえば、ガリウムヒ素は表面にセシウムの層を必要とします。セシウムは非常に敏感な化学元素であり、すぐに簡単に酸化します。 そのため、光電陰極を劣化させるイオンの逆衝撃に対して非常に脆弱になります。