25.04.2023

Mehr Quanteneffizienz für höchste Brillanz

Neuartige Photokathode für Elektronenbeschleuniger.

Jana Schaber vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat eine neuartige Photokathode untersucht, mit der die Hochleistungs-Strahlenquelle „Elbe“ in Zukunft noch leistungsfähiger, energie­effizienter und nachhaltiger betrieben werden könnte. Sie hat heraus­gefunden, dass sich die Bauelemente im Labor einfach herstellen lassen, dass aber typische Verun­reinigungen im Material die Qualität der Photokathode noch herabsetzen. Da sie den dahinter­stehenden Prozess ebenfalls entschlüsselt hat, ist nun der Weg für weitere Verbesserungen frei, sodass in Zukunft vielleicht alle Teilchen­beschleuniger von den Vorteilen profitieren könnten.

Abb.: Herzstück der „Elbe“ ist der Elektronen­beschleuniger, der einen...
Abb.: Herzstück der „Elbe“ ist der Elektronen­beschleuniger, der einen Elektronenstrahl von höchster Brillanz erzeugt. (Bild: J. Jeibmann, HZDR)

Die Photokathode ist das Herzstück des Elbe-Beschleunigers. Um einen Elektronenstrahl an der Anlage zu produzieren, schießt ein Laser ultraviolettes Licht auf ein kaum daumennagel­großes Bauteil. Die Energie entreißt den Atomen einige ihrer Elektronen, die dank einer hauchdünnen Schicht aus Cäsium der Kathode entkommen und Teil des Elektronenstrahls werden. Der Elektronen­strahl vom Beschleuniger erzeugt wiederum Strahlung im Infrarot-, im Gamma- oder im Terahertz-Bereich. Damit lassen sich nicht nur biologische und medizinische Frage­stellungen untersuchen, sondern auch die Physik, die Material­forschung oder die Datenübertragungs­technik voranbringen.

Bisher bestehen Photo­kathoden meist aus einem Kupfersubstrat, auf dem die Forschenden in einem arbeits­intensiven Prozess eine Schicht aus Cäsiumkristallen züchten. „Ich bin einen anderen Weg gegangen und habe einen handels­üblichen Galliumnitrid-Wafer mit einer ultradünnen Schicht aus Cäsium überzogen“, sagt Jana Schaber, die die Photokathode in ihrer Dissertation untersucht hat. „Solche Wafer sind Standard in der Mikro­elektronik. Sie werden im Industriemaßstab gefertigt und auf Wunsch in der passenden Größe geliefert.“ Das bringt einerseits wirt­schaftliche Vorteile. Doch die neue Material­kombination kann noch mehr.

„Unsere bisherigen Photokathoden haben eine Quanten­effizienz von etwa fünf Prozent“, erklärt die Chemikerin. Das bedeutet, von hundert Lichtteilchen aus dem Laser schaffen es am Ende nur fünf, ein Elektron aus dem Material zu schlagen. „Mit der neuartigen Photo­kathode aus Galliumnitrid liegen wir hingegen bei rund zehn Prozent. Wir sind also etwa doppelt so effizient.“ Auch in puncto Nachhaltigkeit zeigt ihr Ansatz in die richtige Richtung. Denn Photokathoden sind Verbrauchs­materialien. Je länger sie benutzt werden, umso weniger Elektronen kann man ihnen entlocken. Irgendwann sind sie erschöpft und müssen ausgetauscht werden. Bisher werden sie entsorgt. „Wenn hingegen die Kathode aus Gallium­nitrid stirbt, können wir sie einfach wieder aufarbeiten“, betont Jana Schaber. „Dazu reinigen wir sie thermisch und scheiden anschließend einfach eine neue Schicht Cäsium drauf ab. Schon erreichen sie wieder hohe Quanten­effizienzen.“

Das innovative Material könnte außerdem noch ein weiteres Problem lösen, wie die Chemikerin feststellt: „Viele Forscherinnen und Forscher, die zu uns kommen und an Elbe experi­mentieren, wünschen sich eine höhere Brillanz. Also mehr Elektronen pro Puls. Das könnten wir mit den Galliumnitrid-Photo­kathoden erreichen. Die einfache Herstellung und die Wiederverwend­barkeit machen sie dann sogar noch nachhaltiger.“ Noch bedarf es allerdings einiger Anstrengungen, bis die neuartige Photokathode zum Standard am Beschleuniger werden kann. Denn bei ihren Unter­suchungen ist Jana Schaber auf einen limi­tierenden Faktor gestoßen. „Das indus­trielle Galliumnitrid ist fast immer minimal mit Kohlenstoff verun­reinigt. Im Betrieb geht dieser mit der Zeit eine Verbindung mit dem Cäsium ein. Das zerstört die Schicht und damit die Kathode.“

Jetzt ist sie auf der Suche nach Unternehmen, die alter­native Herstellungs­methoden für ihr Ausgangs­material anwenden. Denn sie ist überzeugt, dass sich mit Wafern ohne Kohlenstoff-Verun­reinigungen die Quanten­effizienz noch weiter steigern und auch die Lebensdauer der Photokathode erhöhen lässt. Grundsätzlich könnten sogar alle Teilchen­beschleuniger von der Rossendorfer Entdeckung profitieren – unabhängig davon, um welchen Beschleuniger­typ es sich handelt. „Außerdem arbeiten wir daran, das neue Material für supraleitende Elektronen­quellen nutzbar zu machen.“ 

HZDR / JOL

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