Development and optimization of a carbon-nanotube based electron gun

Abstract

Feldemissions-(FE)-basierte Kathoden haben sich zu einer vielversprechenden Alternative zu thermionischen Quellen entwickelt, da letztere mit einer hohen transversalen Energiebreite und hohem Stromverbrauch behaftet sind. In der dieser Arbeit wurde eine auf Kohlenstoffnanoröhren (CNT) basierende Elektronenkanone als potenzieller Ersatz für die derzeit im Elektronenkühler des Extra Low ENergy Antiproton (ELENA)-Decelerators am CERN verwendete thermionische Kanone untersucht. Frühere Studien an einer so genannten Cold Cathode Test Bench (CCTB1) zeigten, dass wabenförmig angeordnete, vertikal ausgerichtete CNTs (VACNT), mit einer Fläche von 1x1cm2, eine geeignete FE-Quelle darstellen können. Darauf aufbauend wurde ein Prototyp für eine zweifach gegitterte Elektronenkanone vorgeschlagen. Diese Untersuchung hatte drei Hauptziele: Erstens wurde die Fertigung und Charakterisierung größerer (bis zu 4x4cm2) VACNT-Proben für den Einsatz in der Elektronenkanone durchgeführt. Zweitens wurde die CCTB1 modifiziert, um ein Strahltransportsystem und entsprechende Diagnoseinstrumente zu integrieren und so das Proof-of-Concept des Prototyps zu testen. Drittens wurden die experimentellen Ergebnisse mit bereits durchgeführten Simulationen abgeglichen, um das Strahlverhalten vorhersagen zu können. Die Fowler-Nordheim-Analyse bestätigte, dass für alle Proben Ströme basierend auf Feldemission gemessen wurden, wobei größere Proben eine bessere FE-Leistung aufwiesen. Allerdings fiel die Stromdichte deutlich geringer aus als erwartet. Mit einer großen Probe, die in den verbesserten Prototyp integriert wurde, konnte erfolgreich ein Elektronenstrahl erzeugt werden, jedoch zeigte dieser eine stärkere Divergenz und einen größeren Radius als die Simulationen vorhergesagt hatten. Insgesamt bestätigen die Resultate, dass VACNT-basierte Kathoden eine brauchbare Quelle in einer gegitterten Elektronenkanone darstellen können und rechtfertigen weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu dem Thema.

Field emission (FE)‐based cathodes have become a promising alternative to thermionic sources, which suffer from high transverse energy spread and high power consumption. Here, a carbon‐nanotube (CNT)‐based electron gun was studied as a potential replacement for the thermionic gun currently used in the electron cooler of the Extra Low ENergy Antiproton (ELENA) decelerator at CERN. Earlier investigations on a cold cathode test bench (CCTB1) found that honeycomb‐patterned, vertically aligned CNT (VACNT) arrays (1x1cm2 surface area) could function as a feasible FE source, leading to the proposal of a dual‐gridded electron gun prototype. This study focuses on three core objectives: (1) fabricate and characterize larger (up to 4x4cm2) patterned VACNT samples for use in the electron gun; (2) modify CCTB1 to include a beam transport and diagnostic system to test the prototype’s proof of concept; (3) compare experimental findings with previously conducted simulations to anticipate beam behavior. Fowler-Nordheim analysis confirmed field‐emission‐based operation in all samples, with larger samples showing better FE performance. However, the current density was significantly lower than expected. An electron beam was successfully generated from a large sample implemented the improved prototype, but it exhibited greater divergence and a larger radius than simulations predicted. Overall, the results confirm that VACNT‐based cold cathodes can serve as viable source in a gridded electron gun configuration, warranting future research and development efforts.