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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(hù) 來源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

保護(hù)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(hù)性涂層在許多要求嚴(yán)格的研究和工業(yè)應(yīng)用中也是必不可少的?，F(xiàn)在，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(cè)試了一種原子級(jí)厚度的石墨烯涂層——這也許是該技術(shù)最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，其成功證明了“原子裝甲”在一系列應(yīng)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(duì)可持續(xù)能源的追求，計(jì)算能力的持續(xù)擴(kuò)展，病原體的檢測(cè)和緩解，以及對(duì)生命件結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)的研究等等。而這些挑戰(zhàn)都需要有能力在電子運(yùn)動(dòng)的前沿時(shí)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(duì)材料進(jìn)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(huì)產(chǎn)生腐蝕性氣體，嚴(yán)重?fù)p害光電陰極，大大增加了研究的時(shí)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(jìn)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(hù)涂層。這是因?yàn)楣庾幼矒艄怆婈帢O發(fā)射電子的反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生腐蝕性氣體，這些氣體會(huì)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?yàn)樗哂械凸瘮?shù)。功函數(shù)是指從材料中取出一個(gè)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(gè)必要步驟。然而，這種低功函數(shù)是有代價(jià)的，其形式是增加了化學(xué)反應(yīng)的損害和對(duì)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(hù)光電陰極又能讓電子發(fā)射的材料。他們?cè)谑┲姓业搅舜鸢浮?/span>

“據(jù)我所知，沒有其他材料可以既傳輸電子，同時(shí)又保護(hù)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(hù)材料免受腐蝕性氣體的影響。石墨烯的獨(dú)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(jìn)去。”

為雙堿光電陰極鍍膜是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。分布在光電陰極上的涂層僅有一個(gè)原子厚度，石墨烯具有很高的氣體抗?jié)B性，這可以保護(hù)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(shí)，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(duì)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(gè)有希望的比率，表明該材料在得到保護(hù)的同時(shí)仍然可以產(chǎn)生電子束。

“這些結(jié)果表明，我們?cè)诶迷蛹?jí)厚度的保護(hù)層實(shí)現(xiàn)具有高QE和長(zhǎng)壽命的全封裝雙堿光電陰極方面取得了重要進(jìn)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(guó)著名的R&D 100創(chuàng)新獎(jiǎng)。以前人們對(duì)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(xiàng)技術(shù)有望更快地應(yīng)用于汽車、船舶、航天及其他領(lǐng)域。

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