Authors:	Dehn, Monika
Title:	Transportprozesse in Photokathoden und ihr Beitrag zum longitudinalen Halo von Elektronenbeschleunigern
Online publication date:	24-Nov-2018
Year of first publication:	2018
Language:	german
Abstract:	Im Hinblick auf neue Hochleistungselektronenbeschleuniger — wie in zahlreichen ERL-Projekten (zum Beispiel MESA oder bERLinPro) — sind zum einen eine hohe Strahlqualität (Brillanz) und zum anderen die Minimierung von Strahlverlusten von besonderem Interesse. Gerade in (supraleitenden) hochfrequenten Beschleunigungsstrukturen können Strahlverluste von wenigen Watt sehr problematisch sein, wenn der Elektronenstrahl nicht der longitudinalen Beschleuniger-Akzeptanz genügt. Solche Strahlverluste können zu einer Aufaktivierung und gegebenenfalls auch zur Zerstörung des umliegenden Materials führen. In ERLs kommen Photoemissionsquellen zum Einsatz, weil diese eine höhere Brillanz liefern können als konventionelle thermische Kathoden. Wird als Bauform die (supraleitende) HF-Photoemissionsquelle gewählt, so befindet sich die Photokathode schon direkt im hochfrequenten Beschleunigungsfeld und eine spätere Anpassung an die Akzeptanz ist nicht mehr möglich. Daher ist es wichtig, dass die Photokathoden Impulsantwortfunktionen aufweisen, die der Akzeptanz möglichst entsprechen. In dieser Arbeit wurde als Vertreter der Gruppe der III-V-Halbleiter-Photokathoden mit negativer Elektronenaffinität (NEA) eine Bulk-(Cs,O)-GaAs-Photokathode auf ihr Antwortverhalten untersucht. Bei einer Anregung mit 800nm und erstmals mit 400nm wurden zeitaufgelöste Messungen der Impulsantwort durchgeführt. Schon in früheren Arbeiten konnten die Transportprozesse in (Cs,O)-GaAs durch die Diffusion der Elektronen beschrieben werden, und ein Angleichen des Diffusionsmodells an die gewonnenen Messdaten bei einer 800nm-Anregung war möglich. Die Anwendung des Diffusionsmodells auf die 400nm -Anregung lässt theoretisch erwarten, dass die Pulsantwort der Photokathode nach 5ps ab Pulsmaximum einen Faktor von 10 und nach 30ps einen Faktor von 20 unterhalb der 800nm-Verteilung liegt. Dies rührt hauptsächlich aus der oberflächennahen Anregung aufgrund des hohen Absorptionskoeffizienten, was zu einer stärkeren Konzentration in Oberflächennähe und kürzeren Diffusionsstrecken führt. Die Ergebnisse in dieser Arbeit bei der bisher gut verstandenen 800nm-Anregung konnten ebenso wie die Ergebnisse bei 400nm nur qualitativ durch das bisherige Diffusionsmodell beschrieben werden. Diese unerwartete Diskrepanz kann plausibel erklärt werden, wenn angenommen wird, dass die Elektronenaffinität schwach positiv (PEA) war. Eine Emission ist auch unter PEA-Verhältnissen möglich, sofern der Betrag der Affinität etwa der mittleren thermischen Energie der angeregten Elektronen entspricht. Die Intensitätsverteilung wird nach der Thermalisationszeit um einen Boltzmann-Faktor geschwächt und die Erweiterung des Diffusionsmodells um diesen Faktor ermöglicht wieder ein Angleichen an die Messdaten. With respect to novel high performance electron accelerators — like recent ERL projects (for example MESA or bERLinPro) — high beam quality (i.e. brilliance) and least beam losses are required to operate the accelerators successfully. Particularly, in (superconducting) RF accelerating structures beam losses as low as a few watts only can lead to major problems if the electron beam is not matched to the longitudinal acceptance of the accelerator. Such beam losses can also lead to remanent activation or even destruction of the surrounding material. Most ERLs use photoemission sources because of the higher brilliance than conventional thermionic electron sources. If (superconducting) RF guns are chosen, the photocathode is directly exposed to the accelerating RF fields so that longitudinal matching is not possible separately. For that reason, it is important that the intrinsic pulse response function of the photocathode meets the required parameters directly. In this work, bulk (Cs,O)-GaAs photocathodes of the group of III-V-semiconductors with negative electron affinity (NEA) have been studied for their pulse responses at different laser wavelengths. Time-resolved measurements have been conducted at 800nm excitation and for the first time at 400nm excitation under the same conditions. In previous works a diffusion model was developed to describe the transport process of the electrons with the measured results at 800nm excitation. At 400nm this model predicts pulse response functions which decay much faster than at 800nm : 5ps after the maximum the emission is lower by a factor of 10 and after 30ps already by a factor of 20. This is caused mainly by the large absorption coefficient that leads to a higher concentration near the surface, and to very short diffusion distances. However, this model showed discrepancies at 400nm excitation as well as at 800nm excitation and thus required major improvements. Best agreement was achieved by assuming a tiny positive electron affinity (PEA) in the order of thermal energies. The Boltzmann-like distribution of the energies of the electrons allows otherwise forbidden emission even in this case. Extending the model with this newly observed effect, the measured data can now be described after the time of thermalization, which now predicts the behavior of photo cathodes under a wide range of conditions.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1202
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000023907
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	iv, 109 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen