Untersuchung von Multi-Alkali-Verbindungen im Hinblick auf ihre Eignung zur Erzeugung hochbrillanter Elektronenpulse
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Photokathoden spielen in gegenwärtigen und zukünftigen Elektronenbeschleunigern aufgrund ihrer Fähigkeit, einen hochbrillanten Elektronenstrahl zu erzeugen, eine immer wichtigere Rolle. Hierzu müssen geeignete Materialien eine hohe Quanteneffizienz (QE) und eine kleine intrinsische Emittanz aufweisen. Zudem muss die Austrittsarbeit einen angemessenen Wert besitzen, um eine effektive Photoemission mit sichtbarem Laserlicht sowie eine hohe Toleranz gegenüber möglichen Feldemissionseffekten zu gewährleisten. Darüber hinaus setzt eine lange Strahlzeit eine hohe Robustheit der Photokathode sowohl gegenüber Restgasen in der Quellenkammer als auch gesteigerten Laserleistungen voraus. Von besonderem Interesse ist für Hochstrombeschleuniger, dass die emittierten Elektronen der longitudinalen Beschleuniger-Akzeptanz genügen. Ansonsten besteht hierbei die Gefahr von Strahlverlusten, welche bspw. zu Quencheffekten an den supraleitenden Beschleunigungsstrukturen führen. Die verwendete Kathode muss sich dafür durch eine schnelle Zeitantwort im Sub-Pikosekundenbereich mit einem möglichst geringen longitudinalen Halo auszeichnen. Die beschriebenen Rahmenbedingungen können beim heutigen Stand der Technik nur von halbleitenden Photokathoden mit positiver Elektronenaffinität (PEA) erzielt werden. Für ERLs wie MESA oder bERLinPro wird die Bi-Alkali-Antimonid-Verbindung K2CsSb zur Erzeugung eines mittleren Stromes von 10mA bzw. 100mA favorisiert. Obwohl sie bereits seit vielen Jahren bspw. in der Photomultiplier-Industrie zum Einsatz kommt, konnten bisweilen noch nicht alle für die Beschleunigerphysik maßgebenden Kenngrößen erforscht werden. Die vorliegende Arbeit leistet hierzu einen Beitrag, indem unter anderem Messungen zur Bestimmung der Lebensdauer bei Lasererwärmung, der Austrittsarbeit sowie der Impulsantwort dieser Kathode durchgeführt wurden.
Dafür konnte eine Präparationskammer in Betrieb genommen werden, die es ermöglicht, K2CsSb-Photokathoden mit QE-Werten von bis zu QE(404 nm) = 20% herzustellen. In einer gesonderten Analysekammer wurde einerseits das Verhalten der 1/e-Lebensdauer gegen die Erwärmung mit einem Laser quantifiziert sowie anderseits die Austrittsarbeit mithilfe einer UHV-Kelvin-Sonde bestimmt. Weiterhin konnte durch die Lasererwärmung eine Änderung der Austrittsarbeit festgestellt sowie die Korrelation zur dabei abfallenden QE erwiesen werden. Erstmals wurde im Rahmen dieser Arbeit zudem die FWHM-Peakbreite der Impulsantwort zu < 2ps sowie der longitudinale Halo auf einem Niveau von < 10e−4 im Vergleich zum Intensitätsmaximum vermessen.
Die erzielten Resultate für K2CsSb zeigen insbesondere im Vergleich zu CsO:GaAs eine höhere Robustheit sowie schnellere Zeitantwort mit einem um mindestens eine Größenordnung geringeren longitudinalen Halo und belegen somit die Vorteile der untersuchten Photokathode für die Anwendung im Hochstrombetrieb.