Design einer spinpolarisierten Gallium-Arsenid-Elektronenquelle mit verkippter Strahlführung

Design einer spinpolarisierten Gallium-Arsenid-Elektronenquelle mit verkippter Strahlführung

Bachelorarbeit

Zur Erzeugung von spinpolarisierten Elektronen, eignen sich Gallium-Arsenid-Kathoden. Diese nutzen den photoelektrischen Effekt um Elektronen aus dem Halbleiter zu lösen. Die Lebensdauer einer solcher Quellen ist aufgrund einer Beschichtung der Kathode, welche nötig ist um den Elektronen das verlassen der Oberfläche zu ermöglichen, beschränkt. Diese Beschichtung, bestehend aus einigen wenigen Monolagen Cäsiumoxid, ist anfällig für chemische und physische Schäden. Um die Lebensdauer der polarisierten Elektronenquelle zu verlängern, ist eine Richtungsumlenkung des Elektronenstrahls durch ein elektrostatisches Feld in der Elektronenquelle selbst geplant. Die Quelle soll in einer thermischen Umgebung von 20 K betrieben werden, dadurch soll durch den Effekt des Kryopumpens das Vakuum und die Lebensdauer der Quelle verbessert werden. Die Richtungsumlenkung des Strahls erfolgt um 90 ° und soll die Zeit verringern, in der Rückstoßionen auf die Kathode treffen können. Im ersten Schritt werden hierfür die geometrischen Dimensionen des Quellenzylinders und des Ausgangsrohres festgelegt. Die Bewertung erfolgt anhand der Emittanzen am Ausgangsrohr, sowie dem Austrittswinkel des Elektronenstrahls. Die Dimensionierung berücksichtigt dabei die Höhe des Kristalls in dem Quellenzylinder h, den Abstand zwischen Ausgangsrohrmittelpunkt und Quellenzylindermittelpunkt r, sowie den Durchmesser des Ausgangsrohres d. Anschließend wird die Stabilität der entwickelten Quelle gegenüber ungewollten und beabsichtigten Variationen der Inertialbedingungen getestet. Dabei ergibt sich eine Schwankung der Emittanz von 22,3% und des Winkels von 21,7% für verschiedene Bestrahlungspunkte auf der Kristalloberfläche bei konstanter Quellenhöhe. Weiterhin wird nachgewiesen, dass der inertiale Emissionswinkel der Kathode einen erheblichen Einfluss auf die Strahlqualität hat. Für die Fokussierung des Lasers konnte kein kausaler Zusammenhang zu den Messgrößen gefunden werden, ebenso bei der Variation des Laserstrahlprofils. Das Einkoppeln des Laserstrahls in die Quellenkammer ist mit einem Loch in der Seitenwand möglich. Zudem wird die statistische Streuung der Simulationsergebnisse untersucht. Bei der Quelle treten im Bereich des Isolators sehr hohe Feldgradienten auf. Es wird empfohlen, den genauen Herstellungsprozess der Elektronenquelle, die thermischen Eigenschaften, die Konstruktion der Quellenhalterung, die Dimensionierung des Isolators und die erwartbare Lebensdauer der Elektronenquelle weiterführend zu untersuchen.