코넬 연구원, HERACLES Beamline을 통해 광전 음극의 미래 공개

뉴먼 연구소/코넬 대학교

가장 큰 입자 충돌기의 가혹한 환경을 에뮬레이트하는 기계인 HERACLES 빔라인을 시각적으로 표현한 것입니다.

Newman Lab의 연구원들은 현재 가혹한 환경에서 내구성을 향상시키기 위해 다양한 광전 음극 재료와 그 열화를 실험하고 있습니다. 그렇게 함으로써 그들은 고전류에서만 발생하는 이온 역폭격과 같은 현상을 더 잘 이해하게 될 것입니다.

빛에 닿으면 전자를 방출하는 표면인 광전 음극은 오늘날 엑스레이 기계, 자유 전자 레이저, 반도체 제조 및 전자 현미경과 같은 많은 과학 장비에 사용됩니다. 이러한 광전 음극에 특정 유형의 레이저를 비추면 레이저와 광전 음극의 특성에 따라 전자가 방출됩니다. 그러나 광음극은 이러한 레이저 빔에 장기간 노출되면 손상됩니다.

HERACLES(High ElectRon Average Current for Lifetime ExperimentS) 빔라인은 세계 최대 입자 충돌기에 사용되는 포토 인젝터와 유사한 환경을 만들 수 있는 테스트 가속기입니다. HERACLES는 입자 가속기의 광전 음극 거동에 대한 기초 지식 개발에 주로 사용되는 테스트 시설입니다.

Newman Lab에서 근무하는 Sam Levenson 졸업생은 “일반적으로 이러한 환경은 광전 음극에 엄청나게 가혹하여 성능 저하를 초래합니다.”라고 말했습니다. "제어된 방식으로 이러한 조건을 복제함으로써 우리는 광전 음극의 견고성을 향상시키기 위한 연구를 수행할 수 있습니다."

광전 음극은 금속 광전 음극과 반도체 광전 음극의 두 가지 제품군으로 나눌 수 있습니다. 금속 광전 음극은 구리 및 마그네슘과 같은 금속으로 구성된 광전 음극 계열입니다. 반도체 광전 음극은 일반적으로 갈륨 비소, 갈륨 질화물 및 세슘 안티몬화물로 구성됩니다.

뉴먼 연구소는 빛에 대한 광전 음극의 감도를 측정하기 위해 방출된 전자 수와 광자 수의 비율을 평가하는 데 사용되는 측정법인 양자 효율을 사용했습니다.

그들의 연구에 따르면 금속 음극은 오랜 시간 동안 지속되지만 높은 양자 효율을 나타내지 않습니다. 즉, 광자를 전자로 변환하는 데 그다지 효과적이지 않다는 것을 의미합니다. 그러나 반도체 음극은 양자수가 매우 높지만 오래 지속되지는 않습니다. 광음극이 죽으면 양자 효율이 감소하므로 음극은 더 이상 빛에 민감하지 않거나 광자를 전자로 효과적으로 변환할 수 없어 광음극이 효과가 없게 됩니다.

HERACLES는 강력한 레이저를 사용하여 고전류에서 실행함으로써 입자 가속기의 이러한 가혹한 환경을 에뮬레이트합니다. 그러나 이는 광전 음극에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

“방출된 [HERACLES] 빔이 잔류 가스 분자와 충돌하면 양전하를 띠게 됩니다. 이온은 반대 전하를 갖기 때문에 음극을 향해 가속됩니다.”라고 Levenson은 말했습니다.

이온 역 충격(ion back Bombardment)이라고 하는 이러한 상호 작용은 광전 음극을 손상시킵니다.

Newman 연구소는 현재 고급 광전 음극 성장을 촉진하기 위해 HERACLES와 관련된 성장 챔버의 다양한 위치와 다양한 광전 음극 코팅을 테스트하고 있습니다. 고효율 광전 음극은 광전 음극을 빠르게 저하시킬 수 있는 가스 분자의 화학적 중독 효과를 완화하기 위해 진공 상태로 유지되어야 합니다.

광전 음극은 화학 중독의 영향을 완화하기 위해 연구실의 다른 층에 위치한 진공 챔버에서 재배되며, HERACLES 뒷면에 연결되는 진공 가방으로 운반해야 합니다. 이 과정에는 시간이 걸리며, 이로 인해 광음극이 저하됩니다. 부착된 성장 챔버를 구성하면 성장 후 즉시 광전 음극을 테스트할 수 있습니다.

연구원들은 또한 감도를 결정하기 위해 다양한 반도체 광전 음극 코팅을 테스트하고 있습니다. 예를 들어, 갈륨 비소는 표면에 세슘 층이 필요하며, 이는 빠르고 쉽게 산화되는 매우 민감한 화학 원소입니다. 이로 인해 광음극을 저하시키는 이온 역폭격에 극도로 취약해집니다.