Pesquisadores da Cornell revelam o futuro dos fotocátodos com linha de luz HERACLES

Laboratório Newman/Universidade Cornell

Uma representação visual da linha de luz HERACLES, uma máquina que emula ambientes hostis dos maiores colisores de partículas.

Pesquisadores do Laboratório Newman estão atualmente fazendo experiências com diferentes materiais fotocátodos e sua degradação para melhorar sua durabilidade em ambientes agressivos. Ao fazer isso, eles compreenderão melhor fenômenos, como bombardeios iônicos, que só ocorrem em altas correntes.

Fotocátodos, superfícies que emitem elétrons quando atingidas pela luz, são usados ​​atualmente em muitos instrumentos científicos — como máquinas de raios X, lasers de elétrons livres, fabricação de semicondutores e microscopia eletrônica. O brilho de tipos específicos de lasers nesses fotocátodos emitirá elétrons com base nas propriedades do laser e do fotocátodo. Os fotocátodos, entretanto, ficam danificados quando expostos a esses feixes de laser por longos períodos de tempo.

A linha de luz High Electron Average Current for Lifetime ExperimentS (HERACLES) é um acelerador de teste que pode criar um ambiente semelhante ao dos fotoinjetores usados ​​em alguns dos maiores colisores de partículas do mundo. HERACLES é uma instalação de testes usada principalmente no desenvolvimento de conhecimentos básicos sobre o comportamento de fotocátodos em aceleradores de partículas.

“Geralmente, esse ambiente é incrivelmente severo para o fotocátodo, levando à degradação do desempenho”, disse Sam Levenson, graduado, que trabalha no Laboratório Newman. “Ao replicar essas condições de forma controlada, podemos realizar pesquisas que visam melhorar a robustez dos fotocátodos.”

Os fotocátodos podem ser divididos em duas famílias: fotocátodos metálicos e fotocátodos semicondutores. Fotocátodos de metal são uma família de fotocátodos compostos de metais, como cobre e magnésio. Os fotocátodos semicondutores são normalmente compostos de arsenieto de gálio, nitreto de gálio e antimoneto de césio.

O Laboratório Newman usou a eficiência quântica – uma métrica usada para avaliar a razão entre o número de elétrons emitidos e o número de fótons – para medir a sensibilidade do fotocátodo à luz.

O estudo descobriu que os cátodos metálicos duram longos períodos de tempo, mas não apresentam alta eficiência quântica, o que significa que não são muito eficazes na conversão de fótons em elétrons. Os cátodos semicondutores, entretanto, têm números quânticos muito elevados, mas não duram muito. À medida que o fotocátodo morre, a eficiência quântica diminui, de modo que o cátodo não é mais sensível à luz ou capaz de converter efetivamente os fótons em elétrons, deixando o fotocátodo ineficaz.

HERACLES emula esses ambientes agressivos de aceleradores de partículas, operando em altas correntes com lasers poderosos. Isto, no entanto, pode ter efeitos negativos nos fotocátodos.

“Quando o feixe emitido [HERACLES] colide com moléculas de gás residual, isso as tornará carregadas positivamente. Como os íons têm carga oposta, eles são acelerados em direção ao cátodo”, disse Levenson.

Essa interação, chamada de bombardeio de retorno de íons, causa danos ao fotocátodo.

O Laboratório Newman está atualmente testando diferentes locais de uma câmara de crescimento em relação ao HERACLES, bem como diferentes revestimentos de fotocátodos, para promover o crescimento avançado de fotocátodos. Fotocátodos de alta eficiência devem ser mantidos no vácuo para mitigar os efeitos do envenenamento químico por moléculas de gás, que podem degradar rapidamente um fotocátodo.

Os fotocátodos são cultivados em uma câmara de vácuo localizada em outro andar do laboratório para mitigar os efeitos da intoxicação química, e devem ser transportados em uma mala a vácuo que se conecta à parte traseira do HERACLES. Este processo leva tempo, levando à degradação dos fotocátodos. A construção de uma câmara de crescimento anexa permitirá que os fotocátodos sejam testados imediatamente após o crescimento.

Os pesquisadores também estão testando diferentes revestimentos fotocátodos semicondutores para determinar sua sensibilidade. Por exemplo, o arsenieto de gálio requer uma camada de césio na superfície, que é um elemento químico extremamente sensível que se oxida rápida e facilmente. Isso o deixa extremamente vulnerável ao bombardeio de íons que degrada esses fotocátodos.