A - Elektronenquellen und Photokathoden

Elektronenquellen und Photokathoden

ERLs zielen darauf ab, Elektronenstrahlen mit hoher Leistung und Strahlströmen von mehreren mA bereitzustellen. Die dafür benötigte Elektronenquelle muss hohen Anforderungen an Emittanz und Strahlstabilität genügen. Die Vorraussetzung hierfür bieten Elektronenquellen, die den Prozess der Photoemission aus Halbleiter-basierten Photokathoden, z.B. aus GaAs, nutzen. Das Projektgebiet A von AccelencE befasst sich mit theoretischen und praktischen Studien dieses Emissionsprozesses und seiner relevanten Parameter.

Teilprojekte

  • Zeitaufgelöste Untersuchungen der Emission polarisierter Elektronen aus GaAs-Photokathoden

    Time-resolved investigations on the emission of polarized electrons from GaAs photocathodes

    Halbleiter-Photokathoden werden für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet. In der Beschleuniger-, Kern- und Teilchenphysik besteht ein besonderes Interesse an GaAs, da es zur Erzeugung polarisierter Elektronenstrahlen mit hohem Strahlstrom unter anderem an ERLs eingesetzt werden kann. Dabei ist die Optimierung des Emissionsprozesses von großer Bedeutung. Bei GaAs muss die Oberfläche mit einer dünnen Beschichtung versehen werden, um eine efffiziente Elektronenemission zu gewährleisten. Der Ablauf dieses sogenannten Aktivierungsprozesses sowie die dabei verwendeten chemischen Elemente sind Gegenstand von Studien am Teststand Photo-CATCH, die im Rahmen dieses Projekts durchgeführt werden. Die experimentelle Analyse beinhaltet systematische, zeitaufgelöste Untersuchungen des Emissionsprozesses in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern wie Quanteneffizienz, Kathodenlebensdauer, Laser-Pulslänge und -Intensität oder Bunchladung.

    Bearbeiter/in: M.Sc. Maximilian Herbert

    Betreuer/innen: Prof. Dr. Joachim Enders, Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Norbert Pietralla

  • Aufbau und Test einer Kühleinrichtung für GaAs-Photokathoden (Match)

    Construction and test of a cooling setup for GaAs photocathodes (match)

    Für Hochstrom-Anwendungen von spinpolarisierten Elektronenstrahlen, die aus GaAs-Photokathoden emittiert werden, ist eine Erhöhung der Ladungslebensdauer der Kathode notwendig, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Durch die Verwendung eines kryogenen Teilvolumens wird eine Verbesserung der Vakuumbedingungen an der emfpindlichen Kathodenoberfläche erwartet. Des weiteren erlaubt die Kühlung der Kathode das Deponieren einer höheren Laserleistung, wodurch ein höherer Strahlstrom erreicht werden kann. Um die Lebensdauer noch weiter zu erhöhen, wird zur Reduktion des Ionen-Rückbombardments eine elektrostatische Ablenkung des Elektronenstrahls eingesetzt. Eine solche Elektronenquelle wird zur Zeit am Teststand Photo-CATCH in Darmstadt entwickelt.

    Bearbeiter/in: M.Sc. Tobias Eggert

    Betreuer/innen: Prof. Dr. Joachim Enders, Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Norbert Pietralla

  • Modellierung und Simulation von auf Photoemission basierenden Elektronenquellen

    Modeling and simulation of photoemission based electron sources

    Moderne Elektronenquellen, wie z.B. der PITZ Photoinjektor, der am European XFEL bei DESY verwendet wird, erreichen Bunchladungen von bis zu einem Nanocoulomb. Simulationsstudien des PITZ Photoinjektors zeigten signifikante Abweichungen von den experimentellen Ergebnissen. Das weist darauf hin, dass die gewöhnlich verwendeten Simulationscodes die Physik der Stahlerzeugung nicht vollständig abdecken können. Insbesondere in Bereichen niedriger Strahlenergie dominiert der Einfluss von Raumladungseffekten die Dynamik des Elektronenbunches.

    In diesem Projekt entwickeln wir einen relativistischen, dreidimensionalen Simulationscode, der die Raumladungswechselwirkung basieren auf der Fast Multipole Methode (FMM) berechnet. Die FMM ist flexibler bezüglich der Wahl der Wechselwirkungsmodelle und berechnet die Nahfeldwechselwirkungen zwischen Partikeln mit maximaler Genauigkeit. Aus diesem Grund eignet sich die FMM besonders zur Simulation von Raumladungseffekten in hochbrillanten Elektronenquellen wie dem PITZ Photoinjektor.

    Bearbeiter/in: M.Sc. Steffen Schmid

    Betreuer/innen: Prof. Dr. Herbert De Gersem, Prof. Dr. Kurt Aulenbacher

  • Emission mit hoher Brillanz durch Anregung von GaAs nahe der Bandlücke (Match)

    High brightness emission by near band-gap excitation of GaAs (match)

    Die Small Thermalized Electron source At Mainz (STEAM) ist eine Photoemissionsquelle, die für eine Betriebsspannung von 200kV konzipiert ist, und GaAs Photokathoden mit negativer Elektronenaffinität, angeregt mit Laserwellenlängen nahe der Bandkantenenergie, verwendet.

    Bei 100kV ist der Feldgradient an der Photokathodenoberfläche etwa zweieinhalb Mal größer im Vergleich zur Mainzer Microtron (MAMI) Quelle, was es erlaubt hohe Bunchladungen zu extrahieren und damit die Brillanz zu erhöhen.

    Es wurden Ströme von bis zu 10mA erreicht, die bei hohen Quanteneffizienzen (QE) durch das Hochspannungsnetzteil limitiert waren. Mit abnehmenden QEs – u.a. aufgrund von Ionen-Rückbombardements, Gasdesorption in der Diagnosestrahlführung – konnte der Oberflächenladungseffekt für Laserpulslängen im Submillisekundenbereich untersucht werden.

    Die STEAM hat ein gegenüber der MAMI Quelle verbessertes Vakuumsystem, die sie den niedrigen Ultrahochvakuumbereich erreichen lässt und damit mehrere tausend Stunden Vakuumlebensdauer zur Verfügung stellt.

    Bearbeiter/in: M.Sc. Simon Friederich

    Betreuer/innen: Prof. Dr. Kurt Aulenbacher, JProf. Dr. Florian Hug