Authors:	Bechthold, Victor
Title:	Untersuchung von Multi-Alkali-Verbindungen im Hinblick auf ihre Eignung zur Erzeugung hochbrillanter Elektronenpulse
Online publication date:	6-May-2019
Year of first publication:	2019
Language:	german
Abstract:	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. Photocathodes play an increasingly important role in present and future electron accelerators due to their ability to produce highly bright electron beams. For this purpose, suitable materials must have a high quantum efficiency (QE) and a small intrinsic emittance. In addition, a reasonable value of the work function is required to ensure an effective photoemission with visible laser light and high tolerance to possible field emission effects. Furthermore, a long beam time requires a high robustness of the photocathode both to residual gases in the source chamber and increased laser powers. Of particular interest for high current accelerators, is that the emitted electrons are able to satisfy the longitudinal accelerator acceptance. Otherwise, there is the risk of beam losses, which, for example, lead to quenching effects on the superconducting acceleration structures. The photocathode used must be characterized by a fast time response in the sub-picosecond range with the lowest possible longitudinal halo. The described conditions can be achieved in the current state of the art only by semiconducting photocathodes with positive electron affinity (PEA). For ERLs such as MESA or bERLinPro, the bi-alkali antimonide compound K2CsSb is favored to produce an average current of 10mA or 100mA, respectively. Although this photocathode has already been used for many years e.g. in the photomultiplier industry, not all figures of merit regarding accelerator physics have been investigated. The present work contributes to this by carrying out measurements of the lifetime during laser heating, the work function, and the pulse response of K2CsSb. With regard to the experiments, a preparation chamber was put into operation, which allows to produce K2CsSb photocathodes with QE values of up to QE(404 nm) = 20%. In a separate analysis chamber, on the one hand, the behavior of the 1/e -lifetime during laser heating was quantified and, on the other hand, the work function was determined using a UHV-Kelvin probe. Furthermore, the laser heating showed a change in the work function as well as a correlation to a falling QE. For the first time, the FWHM peak width of the pulse response at < 2ps as well as the longitudinal halo at a level of < 10e−4 compared to the intensity maximum were measured. The results obtained for K 2 CsSb show a higher robustness and faster time response with at least an order of magnitude lower longitudinal halo compared to CsO:GaAs and thus demonstrate the advantages of the investigated photocathode for use in high-current operation.
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-4827
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000027501
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	ix, 150 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen