Nadprzewodząca fotokatoda nowatorskiej konstrukcji będzie zasilać PolFEL

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 r. 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” – wyjaśnia 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.”

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.”

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” – dodaje dr inż. 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.”

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."

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”.

Całą publikację można znaleźć pod adresem: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109524