Linea di luce HERACLES per accelerare la ricerca sui catodi

Lo studente laureato Sam Levenson, a sinistra, e il ricercatore associato di CLASSE Matt Andorf mostrano la linea di luce HERACLES nel Newman Lab.

Cornell sta aprendo nuove strade nella ricerca sui fasci di elettroni con la linea di luce HERACLES, un cannone elettronico all'avanguardia che imita gli ambienti difficili dei più grandi collisori di particelle del mondo.

Progettato originariamente durante il programma Energy Recovery Linear Accelerator dell'università, il cannone elettronico nel cuore di HERACLES (High ElectRon Average Current for Lifetime ExperimentS) consente ai ricercatori del Newman Laboratory di studiare catodi che possono essere utilizzati in qualsiasi cosa, dalla produzione di semiconduttori alla proposta elettrone collisore di ioni.

La tecnologia degli acceleratori si basa sui fotocatodi per produrre fasci di elettroni ad alta corrente per una varietà di applicazioni. Ad esempio, un fotocatodo robusto può sostenere un fascio di elettroni ad alta corrente nei collisori di particelle, dove uno dei criteri più importanti è la luminosità del fascio (il numero di collisioni di particelle prodotte). Una corrente del fascio più elevata produce una luminosità maggiore, che potrebbe accelerare nuove scoperte fisiche.

Tuttavia, l'efficienza del fotocatodo è sensibile all'ambiente di vuoto all'interno dell'acceleratore e può degradarsi rapidamente a corrente elevata.

"L'interno di un cannone elettronico è un ambiente ostile", ha affermato Matt Andorf, ricercatore associato presso CLASSE (il Cornell Laboratory for Accelerator-based ScienceS and Education). "Quindi i nostri fotocatodi non necessariamente si guastano: è il fatto che li chiediamo molto in condizioni estreme."

Similmente alle linee di luce dei grandi collisori, HERACLES è costantemente mantenuto nel vuoto ultra-alto. Nonostante ciò, il gas residuo rimanente può reagire chimicamente con il catodo, degradandone l’efficienza e danneggiando il materiale.

I ricercatori della Cornell University studiano questi fotocatodi ricreando un ambiente ostile di collisione di particelle all'interno di HERACLES, cercando al contempo di ridurre al minimo gli effetti degradanti, come l'avvelenamento chimico e il bombardamento ionico.

A guidare questo incarico sono i ricercatori e gli studenti laureati di CLASSE, che hanno costruito HERACLES per migliorare la resistenza dei fotocatodi sviluppati per il funzionamento con fasci ad alta corrente.

"Ora che i fotocatodi stanno migliorando, possiamo usarli in questi ambienti industriali molto brutali", ha affermato Jared Maxson, Ph.D. '15, assistente professore di fisica presso il College of Arts and Sciences (A&S), che guida questo sforzo insieme a Ivan Bazarov, professore di fisica (A&S).

Uno di questi ambienti, ha detto Maxson, è il proposto collisore di elettroni-ioni da costruire presso il Brookhaven National Lab. Questo grande collisore cercherà quark e gluoni, le particelle che formano i protoni e i neutroni nella materia visibile.

"Stiamo testando le fonti di elettroni che entreranno in queste macchine, esattamente nelle stesse condizioni in cui verranno utilizzate: per la fisica nucleare o per la fisica delle alte energie", ha detto Maxson.

Anche se HERACLES viene utilizzato principalmente per la ricerca fondamentale, la conoscenza acquisita da questi esperimenti ha il potenziale di avere un impatto su una serie di applicazioni nel mondo reale. Ad esempio, gli acceleratori di elettroni vengono utilizzati nelle strutture mediche per generare raggi X per l’imaging e la radioterapia. I fasci di elettroni possono essere utilizzati anche nella produzione di semiconduttori, dove il CHIPS Act ha stimolato ulteriori investimenti ed energie in questo settore.

I ricercatori utilizzeranno HERACLES per far avanzare i fotocatodi ad alta corrente testando rapidamente le loro prestazioni dalla camera di crescita alla dimostrazione ad alta corrente. Si prevede che questa ricerca porterà a progressi affidabili nella tecnologia dei catodi robusti e ad alta corrente.

Tuttavia, la forza più grande di HERACLES, ha affermato Maxson, non è necessariamente la sua potenza, ma il coinvolgimento degli studenti in ogni fase del percorso.

"Gli studenti possono gestire questa cosa", ha detto. "Sono gli studenti laureati a mettere il raggio nel tubo e a raccogliere i dati. Gli studenti sono davvero i motori scientifici di HERACLES."

Sam Levenson è uno di quegli autisti. Lo studente di dottorato del quarto anno prepara, coltiva e testa i fotocatodi per HERACLES.