Nadprzewodząca fotokatoda nowatorskiej konstrukcji będzie zasilać PolFEL

Data dodania: poniedziałek, 12 października 2020, autor: ncbj.gov.pl

Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych opracowują nowatorską nadprzewodzącą fotokatodę, dzięki której budowany obecnie polski laser na swobodnych elektronach PolFEL będzie mógł efektywnie pracować w modzie fali ciągłej, wyróżniając się tym na tle innych tego typu urządzeń na świecie. Publikacja dotycząca przygotowania w pełni nadprzewodzącej, tzw "hybrydowej" fotokatody działa elektronowego ukazała się we wrześniowym numerze czasopisma Vacuum.

PolFEL to polski laser na swobodnych elektronach, który powstaje w Narodowym Centrum Badań Jądrowych. Jego budowa rozpoczęła się w 2019 roku i powinna zakończyć się w 2023 roku. Laser będzie mógł wytwarzać spójne promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali sięgającej 55 nanometrów, a więc wchodzącej po części w zakres ultrafioletu próżniowego. Badacze będą mieli do dyspozycji także promieniowanie o większej długości fali, w tym terahercowe i podczerwone. Dużym atutem tego urządzenia będzie też możliwość pracy w trybie fali ciągłej, a nie tylko impulsowym jak to jest w niemal wszystkich istniejących obecnie laserach na swobodnych elektronach. Urządzenia tego typu pozwalają badać z ogromną precyzją materiały, molekuły chemiczne, cząsteczki biologiczne i dynamikę procesów, w których one uczestniczą. Wyniki badań prowadzonych przy użyciu takich urządzeń mogą mieć ogromny wpływ na rozwój medycyny, chemii czy elektroniki.

- W konstrukcji naszego lasera na swobodnych elektronach można wydzielić cztery zasadnicze elementy – mówi dr Paweł Krawczyk, kierownik projektu PolFEL. - Pierwszy z nich to źródło elektronów wyposażone w nadprzewodzącą fotokatodę. Kolejne, to cztery nadprzewodzące kriomoduły przyspieszające elektrony do energii osiągającej maksymalnie 180 MeV. Na drodze wiązek rozpędzonych elektronów zostaną umieszczone trzy undulatory, w których elektrony będą poruszać się slalomem w niejednorodnym, specjalnie ukształtowanym polu magnetycznym. W czasie wymuszonego ruchu oscylacyjnego nastąpi akcja laserowa i elektrony będą emitować fotony układające się w niezwykle krótkie, lecz intensywne impulsy spójnego promieniowania elektromagnetycznego, czyli światła. Na końcu układu znajdą się trzy stanowiska eksperymentalne, do których będą wyprowadzone wiązki fotonów i jedno wykorzystujące wiązkę elektronów - wyjaśnia naukowiec.

To właśnie pierwszy element, o którym wspomniał dr Krawczyk jest przedmiotem badań grupy naukowców z Zakładu Technologii Plazmowych i Jonowych NCBJ oraz Zakładu Fizyki i Techniki Akceleracji Cząstek NCBJ. Grupa badawcza zajęła się przygotowaniem specjalnej, "hybrydowej" fotokatody składającej się z cienkiej warstwy ołowiu umieszczonej na podłożu z niobu o wysokiej czystości. - Oba te materiały są nadprzewodnikami w temperaturach poniżej 7.2 K dla ołowiu i 9,26 K dla niobu, jednak to ołów wykazuje wyraźnie wyższą zdolność do fotoemisji elektronów przy pobudzeniu materiału wiązką promieniowania ultrafioletowego – opisuje dr inż. Jerzy Lorkiewicz, współautor publikacji. - Wykonanie takiej fotokatody umożliwi zbudowanie w pełni nadprzewodzącej wyrzutni elektronowej dla liniowych akceleratorów elektronowych, takiej która znajdzie się również w powstającym laserze PolFEL - dodaje Lorkiewicz.

Do wytworzenia cienkiej warstwy ołowiu na podłożu niobowym naukowcy wykorzystali m.in. działo plazmowe IBIS, które znajduje się w Zakładzie Technologii Plazmowych i Jonowych NCBJ. Jest to unikatowe urządzanie, zaprojektowane i wykonane w Świerku, pozwalające na modyfikację powierzchni za pomocą nowatorskich technologii. - Przedstawiona metoda nakładania i obróbki warstwy ołowiu na niobie została opracowana w całości przez naszych naukowców – mówi Lorkiewicz. - Opiera się ona na technice łuku próżniowego połączonej z wykorzystaniem obróbki powierzchni ołowiu w impulsowym, wieloprętowym iniektorze plazmowym IBIS. W pracy opisaliśmy technikę pokrycia i zabiegów optymalizacyjnych stosowanych w celu uzyskania wiązki fotoelektronów o pożądanej geometrii (emitancji) przy stabilnej pracy wyrzutni. Artykuł podsumowuje pewien istotny etap prac nad przygotowaniem i rozwojem fotokatody, które są nadal kontynuowane - wyjaśnia Lorkiewicz.

Nadprzewodzaca wyrzutnia elektronowa powstaje we współpracy z ośrodkiem DESY w Hamburgu. - Będzie to nowatorska konstrukcja, w której nie tylko katoda, ale wszystkie istotne elementy działa będą wykonane z materiałów nadprzewodzących – wyjaśnia prof. Jacek Sekutowicz (DESY i NCBJ), współautor artykułu. - Nad tym rozwiązaniem pracujemy w laboratorium w Hamburgu. PolFEL będzie najprawdopodobniej pierwszym FELem wykorzystującym tę technologię. Mod pracy z falą ciągłą jest dostępny w akceleratorze w Dreźnie, ale przy znacznie niższych energiach. Działo nadprzewodzące pracujące na dużo niższej częstotliwości ma być również wykorzystane w drugim etapie budowy lasera w Stanford, a to budowane wspólnie z DESY ma być zastosowane w przyszłości w laserze E- XFEL, gdy planowana modernizacja tego lasera umożliwi też pracę z falą ciągłą - dodaje Sekutowicz.

W swojej wieloletniej pracy naukowcy współpracowali z szeregiem europejskich ośrodków m.in. DESY, oddziałami Helmholtz Zentrum w Berlinie i w Dreźnie, oraz z jednostkami amerykańskimi m.in. Brookhaven National Laboratory, Thomas Jefferson National Accelerator Facility, Uniwersytet w Stony Brook). Ich praca "Coating in ultra-high vacuum cathodic-arc and processing of Pb films on Nb substrate as steps in preparation of Nb-Pb photocathodes for radio-frequency, superconducting e-guns" została opublikowana w czasopiśmie “Vacuum”.