Transportprozesse in Photokathoden und ihr Beitrag zum longitudinalen Halo von Elektronenbeschleunigern
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Im Hinblick auf neue Hochleistungselektronenbeschleuniger — wie in zahlreichen ERL-Projekten (zum Beispiel MESA oder bERLinPro) — sind zum einen eine hohe Strahlqualität (Brillanz) und zum anderen die Minimierung von Strahlverlusten von besonderem Interesse. Gerade in (supraleitenden) hochfrequenten Beschleunigungsstrukturen können Strahlverluste von wenigen Watt sehr problematisch sein, wenn der Elektronenstrahl nicht der longitudinalen Beschleuniger-Akzeptanz genügt. Solche Strahlverluste können zu einer Aufaktivierung und gegebenenfalls auch zur Zerstörung des umliegenden Materials führen.
In ERLs kommen Photoemissionsquellen zum Einsatz, weil diese eine höhere Brillanz liefern können als konventionelle thermische Kathoden. Wird als Bauform die (supraleitende) HF-Photoemissionsquelle gewählt, so befindet sich die Photokathode schon direkt im hochfrequenten Beschleunigungsfeld und eine spätere Anpassung an die Akzeptanz ist nicht mehr möglich. Daher ist es wichtig, dass die Photokathoden Impulsantwortfunktionen aufweisen, die der Akzeptanz möglichst entsprechen.
In dieser Arbeit wurde als Vertreter der Gruppe der III-V-Halbleiter-Photokathoden mit negativer Elektronenaffinität (NEA) eine Bulk-(Cs,O)-GaAs-Photokathode auf ihr Antwortverhalten untersucht. Bei einer Anregung mit 800nm und erstmals mit 400nm wurden zeitaufgelöste Messungen der Impulsantwort durchgeführt. Schon in früheren Arbeiten konnten die Transportprozesse in (Cs,O)-GaAs durch die Diffusion der Elektronen beschrieben werden, und ein Angleichen des Diffusionsmodells an die gewonnenen Messdaten bei einer 800nm-Anregung war möglich.
Die Anwendung des Diffusionsmodells auf die 400nm -Anregung lässt theoretisch erwarten, dass die Pulsantwort der Photokathode nach 5ps ab Pulsmaximum einen Faktor von 10 und nach 30ps einen Faktor von 20 unterhalb der 800nm-Verteilung liegt. Dies rührt hauptsächlich aus der oberflächennahen Anregung aufgrund des hohen Absorptionskoeffizienten, was zu einer stärkeren Konzentration in Oberflächennähe und kürzeren Diffusionsstrecken führt. Die Ergebnisse in dieser Arbeit bei der bisher gut verstandenen 800nm-Anregung konnten ebenso wie die Ergebnisse bei 400nm nur qualitativ durch das bisherige Diffusionsmodell beschrieben werden. Diese unerwartete Diskrepanz kann plausibel erklärt werden, wenn angenommen wird, dass die Elektronenaffinität schwach positiv (PEA) war. Eine Emission ist auch unter PEA-Verhältnissen möglich, sofern der Betrag der Affinität etwa der mittleren thermischen Energie der angeregten Elektronen entspricht. Die Intensitätsverteilung wird nach der Thermalisationszeit um einen Boltzmann-Faktor geschwächt und die Erweiterung des Diffusionsmodells um diesen Faktor ermöglicht wieder ein Angleichen an die Messdaten.