Authors:	Friederich, Simon
Title:	Entwicklung einer hochbrillanten Photoemissionsquelle für spinpolarisierte Strahlen
Online publication date:	18-Nov-2019
Year of first publication:	2019
Language:	german
Abstract:	Die Anforderung hoher Strahlströme spinpolarisierter Elektronen in energierückgewinnenden Linearbeschleunigern (ERL) wie MESA treibt die Entwicklung von Gleichstrom-Photoemissionsquellen zu hohen Extraktionsfeldern und Beschleunigungsspannungen weiter an. Dabei gilt es, kollektive Effekte wie die im Niederenergiebereich dominante Raumladungskraft zu unterdrücken, sodass eine außerordentlich hohe Strahlqualität für Hochpräzisionsexperimente, z.B. die Suche nach Evidenzen Dunkler Materie oder Tests des Standardmodells durch Beobachtung paritätsverletzender Streuprozesse, zur Verfügung steht. Gleichzeitig erfordert der spinpolarisierte Betrieb den herausfordernden Einsatz von GaAs-basierten Photokathoden mit negativer Elektronenaffinität (NEA) in einer Ultrahochvakuumumgebung (UHV). Um eine hohe Betriebsbereitschaft für Langzeitexperimente wie P2 zu gewährleisten, gilt es, lebensdauervermindernde Effekte, u.a. die Wechselwirkung von Restgas mit der Photokathode, zu minimieren. Die vorliegende Arbeit umfasst die Entwicklung der 200kV-Photoemissionsquelle STEAM basierend auf den spinpolarisierten MAMI-Quellen und dem am JLab erfolgreich etablierten Prinzip des invertierten Isolators, das es erlaubt, eine kompakte Hochspannungs- und Ultrahochvakuumapparatur zu bauen. Mit Hilfe von Computersimulationen wurde das Design dahingehend angepasst, dass ein Extraktionsfeld von bis zu 5MV/m an der Photokathodenoberfläche anliegt, während das maximale elektrische Feld in der Quelle 8MV/m nicht überschreitet. Damit soll parasitäre Feldemission, die die Lebensdauer einer GaAs-Photokathode massiv beeinflusst, unterdrückt werden. Particle-in-Cell-Simulationen zeigen, dass die STEAM mit ihrem hohen elektrischen Feld die Emission hoher Bunchladungen in der für MESA geforderten Strahlqualität, d.h. mit normierten transversalen Emittanzen <1mm mrad und relativen Energiebreiten <10e-4, erlaubt. Die Inbetriebnahme der STEAM an der Niederenergiestrahlführung MELBA wurde dazu genutzt, Erkenntnisse und Erfahrungen im Umgang mit der invertierten Isolatorgeometrie zu sammeln. Diese Arbeit stellt die Ergebnisse zusammen, die beim Hochspannungskonditionieren im Zusammenhang mit Feldemissionsuntersuchungen gewonnen werden konnten. Aus dem ersten Strahlbetrieb mit bis zu 150kV wurden u.a. die Strahldivergenz gemessen und Quanteneffizienzverläufe aufgezeichnet, anhand derer die negativen Einflüsse des Strahlbetriebs auf die Lebensdauer der Photokathode diskutiert werden. Es konnten viele hundert Mikrosekunden lange Pulse mit mehr als 10mA aus den GaAs-Photokathoden extrahiert werden. Die hohen Ströme boten eine Möglichkeit, Erkenntnisse bezüglich der negativen Elektronenaffinität und des bei NEA-Photokathoden auftretenden Oberflächenladungslimits abzuleiten. The requirement for high-intensity spin-polarized electron beams in energy-recovery linear accelerators (ERL) like MESA pushes on the further development of DC photoemission sources with high extracting fields and accelerating voltages. Hence, collective effects like the space charge force, which dominates the low-energy beam operation, have to be suppressed in order to provide an exceptionally high beam quality for high precision experiments, e.g. the search for evidences of dark matter or tests of the standard model by observations of parity-violating scattering processes. At the same time, the spin-polarized operation demands the challenging application of photocathodes based on GaAs with negative electron affinity (NEA) in an ultra-high-vacuum environment (UHV). To guarantee a sufficient operational availability for long-term experiments like P2, it is essential to minimize lifetime-reducing effects i.a. the interaction between residual gas and the photocathode. The present work comprises the development of the 200kV photoemission electron source STEAM, which is based on the spin-polarized MAMI sources and on the concept of the inverted insulator, which has been successfully established at JLab and which offers the possibility to build a compact high voltage and UHV apparatus. With the aid of computer simulations, the design was adopted so that an extracting field of up to 5MV/m is at the photocathode surface while the maximum electric field does not exceed 8MV/m in the source. Thereby, parasitic field emission that massively affects the lifetime of the GaAs photocathode is suppressed. Particle-in-cell simulations show that STEAM with its high electric field allows the emission of high bunch charges with the beam quality demanded for MESA, i.e. normalized transverse emittances <1mm mrad and relative energy spreads <10e-4. The commissioning of STEAM at the low-energy beam transport system MELBA was utilized to gather experience and knowledge in handling the inverted insulator geometry. This work summarizes the results of field emission studies that were carried out during high voltage commissioning. Within the first period of beam operation of up to 150kV the beam divergence was measured and quantum efficiency trends were traced, by means of which the negative influence of the beam operation on the lifetime of the photocathode is discussed. Long pulses with several hundreds of microseconds and more than 10mA from GaAs photocathodes could be extracted. These high currents offered the possibility to retrieve insights concerning the negative electron affinity and about the surface charge limit that emerges from the emission from NEA photocathodes.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2370
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000031635
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xii, 162 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen