这种新型涂层为下一代电子束加速器提供完美的防腐蚀“原子装甲”
2022-02-07 18:16:40
作者：腐蚀与防护 来源：腐蚀与防护
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保护性涂层在我们的日常生活中很常见，例如在木地板上涂抹面漆，给汽车的油漆上再增加涂层，甚至在医疗设备上使用金刚石涂层等。保护性涂层在许多要求严格的研究和工业应用中也是必不可少的。现在，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的研究人员已经为下一代电子束加速器设备开发并测试了一种原子级厚度的石墨烯涂层——这也许是该技术最具挑战性的应用，其成功证明了“原子装甲”在一系列应用中的潜力。
研究小组成员Hisato Yamaguchi说道：“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，以及对生命件结构和动态的研究等等。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，即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，这是一种能将光子转化为自由电子从而产生电子束的材料。但是该过程会产生腐蚀性气体，严重损害光电阴极，大大增加了研究的时间和成本。
“未来的加速器需要越来越高性能的电子束，”Yamaguchi说道：“但是这些性能要求大大超出了目前最先进的电子源所具有的能力。”
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。
石墨烯带来了希望
研究人员试图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说道：“一种非常多孔的材料将允许电子传输，但这样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裹起来，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技术挑战。分布在光电阴极上的涂层仅有一个原子厚度，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，这对于创造和加速电子束是至关重要的。
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，我们在利用原子级厚度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说道。
建立在 “原子装甲”基础上的光电阴极涂层技术，早在2019年就入选了美国著名的R&D 100创新奖。以前人们对石墨烯技术的研究已经初探到它作为腐蚀屏障的作用，而现在的最新研究成果使得这项技术有望更快地应用于汽车、船舶、航天及其他领域。
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