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這種新型涂層為下一代電子束加速器提供完美的防腐蝕“原子裝甲”

2022-02-07 18:16:40 作者：腐蝕與防護來源：腐蝕與防護分享至：

保護性涂層在我們的日常生活中很常見，例如在木地板上涂抹面漆，給汽車的油漆上再增加涂層，甚至在醫(yī)療設(shè)備上使用金剛石涂層等。保護性涂層在許多要求嚴格的研究和工業(yè)應用中也是必不可少的。現(xiàn)在，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）的研究人員已經(jīng)為下一代電子束加速器設(shè)備開發(fā)并測試了一種原子級厚度的石墨烯涂層——這也許是該技術(shù)最具挑戰(zhàn)性的應用，其成功證明了“原子裝甲”在一系列應用中的潛力。

研究小組成員Hisato Yamaguchi說道：“加速器是解決人類面臨的一些重大挑戰(zhàn)的重要工具。這些挑戰(zhàn)包括對可持續(xù)能源的追求，計算能力的持續(xù)擴展，病原體的檢測和緩解，以及對生命件結(jié)構(gòu)和動態(tài)的研究等等。而這些挑戰(zhàn)都需要有能力在電子運動的前沿時間尺度和原子鍵的空間尺度上訪問、觀察和控制物質(zhì)。”

目前的電子束加速器通常使用熱離子發(fā)射，即對材料進行加熱以釋放電子。下一代加速器將從光子中產(chǎn)生電子源，使用光電陰極，這是一種能將光子轉(zhuǎn)化為自由電子從而產(chǎn)生電子束的材料。但是該過程會產(chǎn)生腐蝕性氣體，嚴重損害光電陰極，大大增加了研究的時間和成本。

“未來的加速器需要越來越高性能的電子束，”Yamaguchi說道：“但是這些性能要求大大超出了目前最先進的電子源所具有的能力。”

為了使光電陰極在下一代加速器中發(fā)揮作用，需要找到一種合適的保護涂層。這是因為光子撞擊光電陰極發(fā)射電子的反應也會產(chǎn)生腐蝕性氣體，這些氣體會迅速降解由銻、鉀和銫制成的雙堿光電陰極。

銫是加速器的理想材料，因為它具有低功函數(shù)。功函數(shù)是指從材料中取出一個電子并將其置于真空中所需要的能量，這是電子束生產(chǎn)的一個必要步驟。然而，這種低功函數(shù)是有代價的，其形式是增加了化學反應的損害和對離子反擊的敏感性。即使在超高真空狀態(tài)下，薄膜光電陰極的壽命也是有限的。

石墨烯帶來了希望

研究人員試圖尋求一種既能保護光電陰極又能讓電子發(fā)射的材料。他們在石墨烯中找到了答案。

“據(jù)我所知，沒有其他材料可以既傳輸電子，同時又保護材料，”Yamaguchi說道：“一種非常多孔的材料將允許電子傳輸，但這樣就不能保護材料免受腐蝕性氣體的影響。石墨烯的獨特之處在于，它的原子厚度足以傳輸電子，但原子結(jié)構(gòu)也恰到好處地包裹起來，使任何腐蝕性氣體都無法滲透進去。”

為雙堿光電陰極鍍膜是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。分布在光電陰極上的涂層僅有一個原子厚度，石墨烯具有很高的氣體抗?jié)B性，這可以保護光電陰極不受光子到自由電子轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的氣體的損害。同時，石墨烯的高量子效率（衡量一種材料將光子轉(zhuǎn)化為電子的程度）意味著電子仍然可以通過涂層，這對于創(chuàng)造和加速電子束是至關(guān)重要的。

研究人員發(fā)現(xiàn)，光電子的傳輸效率為5%，理論上有提高到約50%的空間，這是一個有希望的比率，表明該材料在得到保護的同時仍然可以產(chǎn)生電子束。

“這些結(jié)果表明，我們在利用原子級厚度的保護層實現(xiàn)具有高QE和長壽命的全封裝雙堿光電陰極方面取得了重要進展。”Yamaguchi說道。

建立在 “原子裝甲”基礎(chǔ)上的光電陰極涂層技術(shù)，早在2019年就入選了美國著名的R&D 100創(chuàng)新獎。以前人們對石墨烯技術(shù)的研究已經(jīng)初探到它作為腐蝕屏障的作用，而現(xiàn)在的最新研究成果使得這項技術(shù)有望更快地應用于汽車、船舶、航天及其他領(lǐng)域。

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