Photokathode mit hoher Quanteneffizienz

Am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie ent­wickeln Teams aus den Bereichen Beschleu­niger­physik und supra­lei­tender Hoch­frequenz­technik (super­conduc­ting radio frequency, SRF) im Rahmen des Projekts bERLinPro einen supra­lei­tenden Linear­beschleu­niger mit Energie­rück­ge­win­nung. Darin wird ein inten­siver Elek­tronen­strahl beschleu­nigt, der dann für unter­schied­liche An­wen­dungen genutzt werden kann – wie die Erzeu­gung bril­lanter Synchro­tron­strah­lung. Nach dieser Nutzung werden die Elek­tronen­pakete zum Linear­beschleu­niger zurück­ge­leitet, wo sie nahezu ihre gesamte rest­liche Energie abgeben. Diese Energie steht damit wieder für die Beschleu­ni­gung neuer Elek­tronen­pakete zur Ver­fügung.

Ein wichtiger Bestandteil dieses Konzepts ist die Elek­tronen­quelle. Die Elek­tronen werden durch Beleuch­tung einer Photo­kathode mit einem grünen Laser­strahl erzeugt. Dabei gibt die Quanten­effi­zienz an, wie viele Elek­tronen das Photo­kathoden-Material bei einer bestimmten Laser­wellen­länge und Laser­leistung emit­tiert. Beson­ders hohe Quanten­effi­zienz im sicht­baren Bereich haben bialka­lische Anti­monide. Aller­dings sind diese Dünn­filme hoch­reaktiv und damit sehr empfind­lich, sodass sie nur im Ultra­hoch­vakuum funktio­nieren.

Jetzt hat ein HZB-Team um Martin Schmeißer, Julius Kühn, Sonal Mistry und Thorsten Kamps die Photo­kathode soweit ent­wickelt, dass sie für bERLinPro ein­satz­bereit ist. Sie opti­mierten dafür den Her­stel­lungs­pro­zess für Photo­kathoden aus Cäsium, Kalium und Antimon auf einem Molybdän-Substrat. Der neue Prozess liefert die gewünschte hohe Quanten­effi­zienz und Stabi­lität. Auch bei nied­rigen Tempe­ra­turen degra­dieren die Photo­kathoden nicht, zeigten die Unter­suchungen. Das ist eine zentrale Voraus­setzung für den Betrieb in einer supra­lei­tenden Elek­tronen­quelle, wo die Kathode bei Tempe­ra­turen weit unter dem Null­punkt betrieben werden muss.

Mit ausführlichen Untersuchungen konnten die Forscher belegen, dass auch nach dem Trans­port und Ein­schleusen in das Photo­kathoden-Transfer-System des SRF-Photo­injektors die Quanten­effi­zienz der Photo­kathode noch etwa fünf­mal höher war als nötig, um den maxi­malen Strahl­strom bei bERLinPro zu erreichen. „Ein wich­tiger Meilen­stein für bERLinPro ist damit erreicht“, sagt Andreas Janko­wiak, der das HZB-Institut für Beschleu­niger­physik leitet. „Wir haben nun die Photo­kathoden ver­füg­bar, um in 2019 den ersten Elek­tronen­strahl aus unserem SRF-Photo­injektor in bERLinPro zu erzeugen.“

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. A. H. Schmeisser et al.: Addressing challenges related to the operation of Cs-K-Sb photocathodes in SRF photoinjectors, Phys. Rev. Accel. Beams 21, 113401 (2018); DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.21.113401
• Institut für Beschleunigerphysik (A. Jankowiak), Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH, Berlin