Photokathode mit hoher Quanteneffizienz
Auf dem Weg zu einem supraleitenden Linearbeschleuniger mit Energierückgewinnung.
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
