HOPE II
Contact:
Dr. Michael
Vogel, +49 271 740 2594, michael.vogel@uni-siegen.de
Hochbrillante photoinduzierte Hochfrequenz-Elektronenquellen II
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Verbundforschungsprojekt: |
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Künftigen Lichtquellen wie Synchrotronstrahlungsquellen, die durch einen Energy Recovery Linac (ERL) getrieben werden, Freie Elektronen-Laser (FEL) oder THz-Strahlungsquellen ist gemeinsam, dass sie Injektoren erfordern, die hochbrillante Elektronenstrahlen mit hohem Strom bei nahezu kontinuierlichem Betrieb liefern. Damit stellt die Entwicklung geeigneter hochbrillanter Elektronenquellen einen zentralen Faktor dar. Bisher zeigt der Einsatz von Photoemissionsquellen das größte Erfolgspotential, obwohl noch einige wichtige Aspekte geklärt werden müssen, bevor solche Quellen dieses Potential ausschöpfen können und für den Routinebetrieb geeignet sind.
Dieser Verbund, der im Wesentlichen auf dem Verbund HOPE der vorhergehenden Förderperiode 2013-2016 aufbaut, wird einige wichtige offene Fragen untersuchen und Lösungen zusammenführen. Einerseits werden neuartige GaN-Kathodenmaterialien und deren mögliche Strukturierung untersucht, um Photokathoden mit einer hohen Quanteneffizienz, einer langen Lebensdauer, einer geringen thermischen Emittanz sowie einem niedrigen Dunkelstrom entwickeln zu können. Andererseits werden NEA-Photokathoden und die GaN-Kathoden in einer 100 keV d.c.-Apparatur auf ihre Toleranz gegen hohe Feldstärken und Potentiale untersucht. Weiterhin werden Untersuchungen zur Reinigung von Kathodenoberflächen mittels Ionensputtern oder gepulstem Laserstrahl in-situ sowie zeitabhängige Messungen der Laser- und Elektronenpulse als Funktion der Kathodentemperatur u.w.m. durchgeführt, um die Limitierungen durch Feldemissionen oder unzureichende Oberflächenqualität zu überwinden.
Die Expertise der bereits im HOPE-Verbund eng kooperierenden Arbeitsgruppen lässt erwarten, dass die vorgeschlagenen Arbeiten aus dem universitären Bereich einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung hochbrillanter photoinduzierter Hochfrequenz-Elektronenquellen und deren Einsatz für Großforschungsprojekte beitragen werden. Als Beispiele seien der European XFEL, bERLinPro und FELBE genannt. Die Ergebnisse werden u.a. in die Fertigung zweier neuer Resonatoren für die SRF-Gun am HZDR und den Prototyp einer neuartigen Photokathode einfließen.
GaN-basierte Photokathoden für hochbrilliante Elektronenstrahlen
Künftigen Lichtquellen wie Synchrotronstrahlungsquellen, die durch einen Energy Recovery Linac (ERL) getrieben werden, Freie Elektronen-Laser (FEL) oder THz-Strahlungsquellen ist gemeinsam, dass sie Injektoren erfordern, die hochbrillante Elektronenstrahlen mit hohem Strom bei nahezu kontinuierlichem Betrieb liefern. Das erfordert Photokathoden mit einer hohen Quanteneffizienz (QE), einer langen Lebensdauer, einer geringen thermischen Emittanz sowie einem niedrigen Dunkelstrom. In Bezug auf die vorrangegangen Anforderungen weist GaN ein hohes Erfolgspotential auf. GaN ist thermisch und chemisch stabil und kann aufgrund der großen Bandlücke von 3,4 eV mit einer UV-Lichtquelle angeregt werden. Am Lehrstuhl für Oberflächentechnik sollen GaN-Schichten mittels RF Magnetronsputtern synthetisiert und anschließend durch reaktives Ionenätzen modifiziert werden. Abschließend sollen Wachstumsstruktur, chemische Bindungsstruktur, Oberflächen-morphologie und die QE der Schichten untersucht werden.
Abbildung 1: Prinzip photoelektrischer Effekt
Basierend auf dem in Abbildung 1 dargestellten photoelektrischen Effekt, wird die QE durch das Verhältnis von absorbierten Photonen zu emittierten Elektronen definiert. Die Schicht wird mit einer Lichtquelle angeregt. Damit ein Elektron emittiert wird, muss die Energie der absorbierten Photonen größer als die Bandlücke der GaN-Schicht sein. Halbleiterkathoden weisen eine höhere QE als Metallkathoden auf. Nachteilig wirken sich die geringere Lebensdauer und das Risiko einer Kontaminierung der Elektronenbeschleuniger aus. Diesbezüglich ist, neben QE und Lebensdauer, die Adhesion zwischen Schicht und Substrat ein relevanter Forschungsschwerpunkt.