Entwicklung einer hochbrillanten Photoemissionsquelle für spinpolarisierte Strahlen
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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.