科学家为下一代电子束加速器开发“原子装甲”

实验室Sigma-2小组的成员Hisato Yamaguchi说：“加速器是解决人类面临的一些重大挑战的重要工具。这些挑战包括对可持续能源的追求，计算能力的持续扩展，病原体的检测和缓解，以及对生命构件的结构和动态的研究。而这些挑战都需要有能力在电子运动的前沿时间尺度和原子键的空间尺度上访问、观察和控制物质。”

目前的电子束加速器通常使用热离子发射--对材料进行加热以释放电子。下一代加速器将从光子中产生电子源，使用光电阴极--能够将光子转化为自由电子从而产生电子束的材料。该过程的性质会产生腐蚀性气体，给光电阴极增加大量的磨损，中断研究服务，增加项目的时间和成本。

“未来的加速器需要越来越高性能的电子束，”Yamaguchi说。“但是这些性能要求大大超出了目前最先进的电子源的能力。”

为了使光电阴极在下一代加速器中发挥作用，需要找到一种合适的保护涂层。这是因为光子撞击光电阴极发射电子的反应也会产生腐蚀性气体，这些气体会迅速降解由锑、钾和铯制成的双碱光电阴极。

铯是加速器的理想材料，因为它具有低功函数。功函数是指从材料中取出一个电子并将其置于真空中所需要的能量，这是电子束生产的一个必要步骤。然而，这种低功函数是有代价的，其形式是增加了化学反应的损害和对离子反击的敏感性。即使在超高真空状态下，薄膜光电阴极的寿命也是有限的。

石墨烯提供了有希望的结果

研究人员寻求一种既能保护光电阴极又能让电子发射的材料。他们在石墨烯中找到了他们的答案。

“据我所知，没有其他材料可以既传输电子，同时又保护材料，”Yamaguchi说。“一种非常多孔的材料将允许电子传输，但这样你就不能保护材料免受腐蚀性气体的影响。石墨烯的独特之处在于，它的原子厚度足以传输电子，但原子结构也恰到好处地包装起来，使任何腐蚀性气体都无法渗透进去。”

为双碱光电阴极镀膜是一项雄心勃勃的技术挑战。分布在光电阴极上的一层仅有一个原子厚，石墨烯具有很高的气体抗渗性，这可以保护光电阴极不受光子到自由电子转换所产生的气体的损害。同时，石墨烯的高量子效率（衡量一种材料将光子转化为电子的程度）意味着电子仍然可以通过涂层--这对于创造和加速研究用的电子束至关重要。研究人员发现，光电子的传输效率为5%，理论上有提高到约50%的空间，这是一个有希望的比率，表明该材料在得到保护的同时仍然可以产生电子束。

“这些结果表明，在利用原子级薄的保护层实现具有高QE和长寿命的全封装双碱光电阴极方面取得了重要进展，”Yamaguchi说。

该光电阴极涂层建立在 “原子装甲”技术的基础上，该技术在2019 年入选著名的 R&D 100。以前对石墨烯技术的研究已经探索了它作为腐蚀屏障的用处，有可能应用于汽车、船舶、飞机和其他物品。

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