近日，美國阿爾貢國立實驗室納米中心和歐幾里得科技實驗室聯合研究出一種即插即用式方案，在高強電子束的高電場環境下利用納米金剛石材料的微波電子槍制造電子。

       微波電子槍在X射線源領域的應用十分廣泛，同傳統直流電子槍相比，它能夠提供更高電流和更強的電子束，從而用于自由電子激光器、同步加速器、直線對撞機和韋克菲爾德加速器等技術。但由于電子發射原理包括光電陰極材料的激光放射、熱陰極材料的加熱等一系列復雜繁瑣的技術和參數等，使得微波電子槍技術極為復雜棘手，研究和應用成本也相當昂貴。

       為簡化微波電子槍的工作原理，科學家們采用場發射技術研究出了一種即插即用，也即熱插拔方案。而該技術應用到的材料則是超級納米微晶金剛石（UNCD）。

       材料專家Sergey Baryshev介紹，場發射是強電場作用下電子從固態材料被釋放到真空狀態下的一種現象。一個較強的材料表面的電場可以促成表面勢壘的隧道傳播。所以，從本質上講，場發射陰極（FEC）就是光電陰極和熱陰極的電子源可替代物。Sergey Baryshev補充道，FEC利用強激光或者高溫來釋放電子。

       微波電子槍的電子發射器中需要內置一個銅片，而該銅片通常會受到強烈的電場動蕩影響。鑒于此，科學家們便采用超級納米微晶金剛石（UNCD）薄膜來替代銅片。研究結果發現，UNCD不僅提供了一個較大的電荷和峰值電流，而且角度分散非常低，電子束的能量擴散也很弱。后兩者參數的優越性要比傳統的光電陰極材料高出許多。使用UNCD材料的電子槍發射出的電子束，其能量也更強。


       此外，UNCD能夠經受微波電子槍惡劣的使用環境，使用壽命也比預期的要長。Sumant說，UNCD的平面幾何屬性能夠助其分布整體的電場，大約是每平方厘米1萬億窄晶界。

       超級納米微晶金剛石-場發射陰極（UNCD FEC）在未來可能會替代傳統的銅材料加速器，用于日常電子源設備。而科學家們則更加關注這種材料在超導無線電頻率（SRF）加速器方面的應用。

       SRF系統能夠提供更高的工作負荷循環，也即工作續航力，它相當于工業生產中更高的生產速度。歐幾里得科技實驗室的Chunguang Jing說，截至目前為止，SRF系統并不為行業看好，因為它的能量轉換效率低。而這種低效率正是由于使用了光電陰極激光和熱陰極而造成的。

       Baryshev指出，SRF系統和傳統的銅制材系統在制造電子時，其能耗是UNCD材料能耗的10倍之多，其中有百分之九十的能耗都被浪費掉了。根據實驗數據的推測，如果SRF系統能夠被控制在液氮溫度的理想低溫環境下，那么它的能量轉換效率要明顯提升50%-60%左右。而這種超級納米微晶金剛石（UNCD）則很好地解決了SRF系統中部件升溫發熱的問題。