Línea de luz HERACLES para acelerar la investigación de cátodos

El estudiante de posgrado Sam Levenson, a la izquierda, y el investigador asociado de CLASSE, Matt Andorf, muestran la línea de luz HERACLES en Newman Lab.

Cornell está abriendo nuevos caminos en la investigación de haces de electrones con la línea de haz HERACLES, un cañón de electrones de última generación que imita los duros entornos de los colisionadores de partículas más grandes del mundo.

Originalmente diseñado durante el programa del Acelerador Lineal de Recuperación de Energía de la universidad, el cañón de electrones en el corazón de HERACLES (High ElectRon Average Current for Lifetime ExperimentS) permite a los investigadores del Laboratorio Newman estudiar cátodos que se pueden usar en todo, desde la fabricación de semiconductores hasta la generación de electrones propuesta. -colisionador de iones.

La tecnología de aceleradores se basa en fotocátodos para producir haces de electrones de alta corriente para una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, un fotocátodo robusto puede soportar un haz de electrones de alta corriente en colisionadores de partículas, donde uno de los criterios más importantes es la luminosidad del haz (el número de colisiones de partículas producidas). Una corriente de haz más alta produce una luminosidad mayor, lo que podría acelerar nuevos descubrimientos físicos.

Sin embargo, la eficiencia del fotocátodo es sensible al ambiente de vacío dentro del acelerador y puede degradarse rápidamente a alta corriente.

"El interior de un cañón de electrones es un entorno hostil", dijo Matt Andorf, investigador asociado de CLASSE (Laboratorio de Ciencias y Educación basado en Aceleradores de Cornell). "Entonces, nuestros fotocátodos no fallan necesariamente, es que les pedimos mucho en condiciones extremas".

Al igual que las líneas de luz en los grandes colisionadores, HERACLES se mantiene constantemente en un vacío ultraalto. A pesar de esto, el gas residual restante puede reaccionar químicamente con el cátodo, degradando su eficiencia y dañando el material.

Los investigadores de Cornell estudian estos fotocátodos recreando un duro entorno de colisionador de partículas dentro de HERACLES, mientras intentan minimizar los efectos degradantes, como el envenenamiento químico y el bombardeo de iones.

Al frente de esta carga están los investigadores y estudiantes de posgrado de CLASSE, que han construido HERACLES para mejorar la resistencia de los fotocátodos desarrollados para la operación de haces de alta corriente.

"Ahora que los fotocátodos están mejorando, podemos usarlos en estos entornos industriales brutales", dijo Jared Maxson, Ph.D. '15, profesor asistente de física en la Facultad de Artes y Ciencias (A&S), quien lidera este esfuerzo junto con Ivan Bazarov, profesor de física (A&S).

Uno de esos entornos, dijo Maxson, es el colisionador de iones de electrones propuesto que se construirá en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Este gran colisionador buscará quarks y gluones, las partículas que forman los protones y neutrones en la materia visible.

"Estamos probando las fuentes de electrones que van a estas máquinas, exactamente en las mismas condiciones en las que se utilizarán, para física nuclear o física de alta energía", dijo Maxson.

Si bien HERACLES se utiliza principalmente para la investigación fundamental, el conocimiento obtenido de estos experimentos tiene el potencial de impactar en una variedad de aplicaciones del mundo real. Por ejemplo, los aceleradores de electrones se utilizan en instalaciones médicas para generar rayos X para imágenes y radioterapia. Los haces de electrones también se pueden utilizar en la fabricación de semiconductores, donde la Ley CHIPS ha estimulado inversiones y energía adicionales en este sector.

Los investigadores utilizarán HERACLES para hacer avanzar los fotocátodos de alta corriente probando rápidamente su rendimiento desde la cámara de crecimiento hasta la demostración de alta corriente. Se espera que esta investigación conduzca a avances confiables en tecnología de cátodos robustos y de alta corriente.

Sin embargo, la mayor fortaleza de HERACLES, dijo Maxson, no es necesariamente su poder, sino la participación de los estudiantes, en cada paso del camino.

"Los estudiantes pueden operar esta cosa", dijo. "Los estudiantes de posgrado son los que colocan el rayo en la tubería y recopilan los datos. Los estudiantes son verdaderamente los impulsores científicos de HERACLES".

Sam Levenson es uno de esos conductores. El estudiante de doctorado de cuarto año prepara, cultiva y prueba los fotocátodos para HERACLES.

"Desde el punto de vista científico, es realmente impactante probar los cátodos en el mismo entorno que estos grandes colisionadores", dijo Levenson. "Aprendemos mucho sobre la robustez del cátodo de esta manera, sin las limitaciones asociadas con las instalaciones más grandes".

Este trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencias a través del Centro de Haces Brillantes.

Una versión más larga de esta historia aparece en el sitio web de CLASSE.

Rick Ryan es comunicador científico del Laboratorio de Ciencias y Educación basado en Aceleradores de Cornell (CLASSE).

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