Erzeugung polarisierter Elektronen an SPIN & Photo-CATCH
Zur lasergestützen Erzeugung von Elektronenstrahlen können Kathoden aus verschiedenen Materialien verwendet werden. Wir verwenden Kathoden aus GaAs, und zwar als sogenannte Bulk-Kathoden für die Erzeugung unpolarisierter Elektronenstrahlen und speziell aus verschiedenen Schichten mit leicht unterschiedlicher Zusammensetzung aufgebaute Strained-Layer-Superlattice-Kathoden, die Polarisationsgrade von über 90% erreichen können.
Wir untersuchen die grundlegenden physikalischen Mechanismen bei der Präparation der Kathodenmaterialien und der Elektronenbuncherzeugung und entwickeln technische Lösungen, die für diese Untersuchungen und den zuverlässigen Betrieb der (polarisierten) Quellen sicherstellen zu können. Die Zahl pro Laserphoton freigesetzter Elektronen (Quanteneffizienz) ist sehr vom erreichten Enddruck und von der Zusammensetzung des Restgases abhängig.
GaAs-Kathoden besitzen eine empfindliche CsO-Beschichtung, die für die Emission der Elektronen nötig ist. Die Zerstörung dieser Schicht sorgt für eine eingeschränkte Lebensdauer. Für die Erzeugung von hoch intensiven polarisierten Elektronenstrahlen für „Energy Recovery Linacs“, Positronenerzeugung oder zukünftige Beschleuniger im Allgemeinen ist jedoch eine höhere Lebensdauer unerlässlich. Die Effekte, die zur Limitierung der Lebensdauer beitragen, beinhalten einerseits chemische Reaktionen, die die Beschichtung allmählich zersetzen, andererseits ionisieren die austretenden Elektronen Moleküle des Restgases. Die entstehenden Ionen werden dann zur Kathode hin beschleunigt, treffen diese und zerstören die Oberfläche. Eine neue Quelle soll am Teststand Photo-CATCH aufgebaut werden, die diese beiden Effekte adressiert. Hierfür wird die Kathode in einem kryogenen Subvolumen platziert. Dieses verbessert das lokale Vakuum durch Adsorption der Restgasmoleküle an den umliegenden Kammerwänden. Zudem sorgt eine elektrostatische Krümmung dafür, dass die ionisierten Gasmoleküle nun die Kathode verfehlen.
Für die Beschleunigung der Elektronen am S-DALINAC wird ein gepulster Elektronenstrahl mit einer Zeitstruktur von 3 GHz benötigt. Dies wird bei kontinuierlichen erzeugten Elektronenstrahlen am S-DALINAC durch eine Chopper-Prebuncher Sektion durch zerteilen in 30 ps lange Elektronenbunche erreicht. Hierbei treten jedoch Stromverluste von bis zu 90% auf. Durch die Verwendung gepulster Laserstrahlen können direkt gepulste Elektronenstrahlen erzeugt werden. An SPIN und Photo-CATCH werden zwei verschiedene Lasertypen verwendet: Laserdioden, welche mittels Verstärkungsschaltung gepulst werden können und die minimale Pulslängen von einigen ps und Pulsenergien im Bereich von 100 pJ erzeugen können, und ein Titan:Saphir-Lasersystem, das modengekoppelt mit Pulslängen < 1 ps liefern kann.
Die Lasersysteme müssen langzeitstabil in Frequenz und Phase zum Beschleuniger S-DALINAC sein müssen, um einen unterbrechungsfreien Betrieb gewährleisten zu können. Um dennoch eine Wartung der Lasersysteme während der Strahlzeit zu realisieren, ist das Laserlabor unabhängig vom Beschleuniger. Dies hat allerdings zur Folge, dass ein Strahltransfer von 40 m Länge durch das Gebäude realisiert werden musste.
Experimente mit polarisierten Elektronen am S-DALINAC
Polarisationsfreiheitsgrade im Energiebereich des S-DALINAC sind praktisch noch nicht studiert worden. Die neue polarisierte Elektronenquelle erlaubt erstmals den Zugang zu bestimmten Polarisationsgrößen. Einige Ideen für Experimente sind im Folgenden kurz skizziert. Alle Projekte beinhalten sorgfältige Planung, Simulationen und die Entwicklung von Datenaufnahmekomponenten.
Elektronenstreuung gibt Aufschluss über die Struktur von Atomkernen. Die Wirkungsquerschnitte bzw. Streuwahrscheinlichkeiten hängen von Form, Spin- und Stromverteilungen im Atomkern ab, die andererseits von theoretischen Modellen vorhergesagt werden. Ist der einfallende Elektronenstrahl polarisiert, wird eine Asymmetrie der Winkelverteilung erwartet. Bei den Energien, die am S-DALINAC zur Verfügung stehen, tritt die erwartete Asymmetrie aber ganz nahe bei 180° auf. Das weltweit einzigartige 180°-Streusystem am S-DALINAC kann in diesem Energiebereich möglicherweise erstmals diese Größe vermessen.
Wird bei der Elektronenstreuung so viel Energie auf den Kern übertragen, dass er sich über die Emission eines Protons oder eines Neutrons abregt, wird eine Korrelation zwischen der Emissionsrichtung des Protons oder Neutrons und der Spinrichtung des Elektrons erwartet, die Informationen über die Wechselwirkung zwischen dem Restkern und dem abgedampften Nukleon enthalten sollte.
Was genau bei der Kernspaltung passiert, ist sehr komplex. Wir haben zwar hinreichende Kenntnisse, um Kernreaktoren zu betreiben, aber die Vorgänge im Innern des Kerns sind noch nicht genau untersucht. Wir untersuchen Kernspaltung, die von (z.T. polarisierten) Photonenstrahlen induziert wird. Dabei wollen wir lernen, in welche Fragmente der Kern zerplatzt, welche Rolle langlebige Zustände mit größerer Deformation bei der Spaltung spielen und wie wahrscheinlich die Spaltereinisse sind. Mit polarisierten Strahlen kann man evtl. Zugang zur Untersuchung der Paritätsverletzung in der Kernspaltung bekommen, die eine Signatur der schwachen Wechselwirkung in der Kernstruktur darstellen würde. Dazu wollen wir u.a. ein aktives Target verwenden.
Beim Zahnarzt wird Röntgenstrahlung beim Abbremsen von Elektronenstrahlen produziert. Was passiert, wenn die Elektronen polarisiert sind? Das ist interessanterweise noch nicht genau untersucht. Gemeinsam mit Kollegen aus Heidelberg und anderswo arbeiten wir an diesen Fragen und messen den Zusammenhang zwischen der Polarisation der produzierten Bremsstrahlung in Abhängigkeit von der Richtung der Polarisation des einfallenden Elektronenstrahls.
Gefördert von der DFG im Rahmen des SFB 634 und vom Land Hessen durch das LOEWE-Zentrum HIC for FAIR
A successful establishment of the new ERL mode currently under development at S-DALINAC requires an improved beam quality of the injector, especially in regard to bunch length and energy spread. Furthermore, to re-enable an usage of the spin-polarized photo-gun, the low-energy acceptance has to be expanded. To address these issues, the first superconducting injector cavity will be replaced by a beta-adapted capture structure in order to improve the acceleration of electrons from the normal-conducting low-energy transport section. The project focuses on the technical implementation of the upgrade, including cavity manufacturing, modifications of the cryomodule, testing, installation and commissioning of the structure. Additionally, a new diagnostics beamline was installed upstream of the capture cavity. This setup allows for an detailed characterization of the bunches entering the superconducting injector, which supports refined beam dynamics simulations and a reliable setup of the machine.
The project is in the final phase before completion, with the cavity ready for installation and the diagnostics line commissioned. First beam in the upgraded injector is expected in spring 2021.
