Fotoinyector

Un fotoinyector ^{[ 1 ]} es un tipo de fuente de haces de electrones intensos que se basa en el efecto fotoeléctrico . Un pulso láser incidente sobre el cátodo de un fotoinyector expulsa electrones hacia el campo acelerador del cañón de electrones . ^{[ 2 ]} En comparación con el cañón de electrones termoiónico , ampliamente utilizado , los fotoinyectores producen haces de electrones de mayor brillo, lo que significa más partículas concentradas en un volumen menor del espacio de fase ( emisancia del haz ). Los fotoinyectores sirven como fuente principal de electrones para fuentes de luz de sincrotrón de paso único , como los láseres de electrones libres ^{[ 3 ]} y para configuraciones de difracción de electrones ultrarrápidas . ^{[ 4 ]} El primer fotoinyector de RF se desarrolló en 1985 en el Laboratorio Nacional de Los Alamos y se utilizó como fuente para un experimento de láser de electrones libres. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Los haces de electrones de alto brillo producidos por fotoinyectores se utilizan directa o indirectamente para sondear la estructura molecular, atómica y nuclear de la materia para la investigación fundamental, así como para la caracterización de materiales.

Un fotoinyector consta de un fotocátodo, un cañón de electrones (CA o CC), fuentes de alimentación, un sistema láser de control, un sistema de temporización y sincronización, y magnetos de compensación de emitancia. Puede incluir un sistema de vacío y un sistema de fabricación o transporte del cátodo. Generalmente, se complementa con sistemas de diagnóstico del haz y aceleradores de alta energía.

El componente clave de un fotoinyector es un fotocátodo , ubicado dentro de la cavidad del cañón de electrones (generalmente, una celda fraccionaria de 0,6 para una distribución óptima del campo acelerador). El haz de electrones extraído sufre de sus propios campos de carga espacial que deterioran su brillo. Por esta razón, los cañones de fotoelectrones suelen tener una o más celdas de refuerzo de tamaño completo para aumentar la energía del haz y reducir el efecto de la carga espacial. El campo acelerador del cañón es una onda de radiofrecuencia ( RF ) proporcionada por un klistrón u otra fuente de potencia de RF. Para haces de baja energía, como los utilizados en difracción de electrones y microscopía, la aceleración electrostática (CC) es adecuada.

La fotoemisión en el cátodo se inicia mediante un pulso incidente del láser impulsor . Dependiendo del material del fotocátodo , la longitud de onda del láser puede variar desde 1700  nm ( infrarrojo ) hasta 100-200  nm ( ultravioleta ). La emisión desde la pared de la cavidad es posible con una longitud de onda láser de aproximadamente 250  nm para paredes o cátodos de cobre. Los cátodos semiconductores suelen ser sensibles a las condiciones ambientales y pueden requerir una cámara de preparación limpia ubicada detrás del cañón de fotoelectrones. El sistema óptico del láser impulsor suele diseñarse para controlar la estructura del pulso y, en consecuencia, la distribución de electrones en el haz extraído. Por ejemplo, un pulso láser de escala de femtosegundos con un perfil transversal elíptico crea un haz de electrones delgado en forma de "panqueque", que evoluciona en un elipsoide uniformemente lleno bajo sus propios campos de carga espacial. ^{[ 7 ]} Un pulso láser más sofisticado con un perfil longitudinal en forma de peine genera un haz de electrones en forma de peine de forma similar. ^{[ 8 ] [ 9 ]}