Elektronenstrahlen können durch Nutzung des internen photoelektrischen Effekts erzeugt werden. Hinsichtlich polarisierter Elektronen ist dafür ein spezielles Photokathodenmaterial erforderlich. Galliumarsenid (GaAs) hat sich hierfür als die beste Wahl erwiesen. Jedoch erfordert die Erzeugung von polarisierten Elektronen eine Photoemission nahe der Bandlücke, was wiederum eine Beschichtung mit negativer Elektronenaffinität (NEA) erfordert, die aus Cäsium (Cs) und entweder Sauerstoff (O) oder Stickstofftrifluorid (NF3) besteht. Diese Schicht begrenzt die mögliche Betriebsdauer der Elektronenquelle, da sich die Schicht im Laufe der Zeit aufgrund von Wechselwirkungen mit Restgas-Molekülen verschlechtert, wobei die beiden wichtigsten Mechanismen die Kontamination durch Desorption und der Abbau durch ionisierte Teilchen sind, die auf die Oberfläche aufschlagen. Letzteres wird als Ionen-Rückbombardement (eng. ion back-bombardment, IBB) bezeichnet und ist der wichtigste lebensdauerbegrenzende Faktor bei der Elektronenemission mit hohen Strömen. Daher ist eine Verringerung des IBB zur Erhöhung der Lebensdauer und Leistung von Elektronenquellen für viele beschleunigerbasierte Anwendungen mit polarisierten Elektronen von großem Interesse.

In dieser Dissertation werden der Entwurf, der Aufbau und die ersten experimentellen Ergebnisse einer neuartigen Elektronenquelle vorgestellt, die darauf abzielt, IBB zu verringern, indem die Kathode in einem nahezu geschlossenen kryogenen Teilvolumen untergebracht wird. Die Innenwände dieses Volumens sind mit Aktivkohle beschichtet, so dass sie wie eine Kryopumpe wirken und den lokalen Druck erheblich reduzieren. Durch die geschlossene Bauweise wird der Fluss von Partikeln aus dem äußeren, höheren Vakuum in das Teilvolumen begrenzt. Simulationen des Wasserstoffpartialdrucks, der am stärksten zum IBB beiträgt, zeigen eine Verringerung um bis zu zwei Größenordnungen im Vergleich zu herkömmlichen Quellen. Da die IBB-Intensität direkt mit der Menge der Restgasmoleküle skaliert, ist eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer zu erwarten. Darüber hinaus kompensiert die Kühlung der Kathode selbst die durch den Laserstrahl verursachte Wärmebelastung und verringert so die wärmebedingte Desorption der NEA-Schicht, die ansonsten die Lebensdauer der Kathode bei Hochstromanwendungen stark einschränken würde.

Nach einem vierwöchigen Ausheizen bei 120 °C einer Aluminium Kammer, die mit einer 45 l/s Ionengetter-Pumpe und vier 430 l/s nicht evaporierbaren Getterpumpen Panelen (NEG) ausgestattet ist, konnte außerhalb des Teilvolumens ein Druck von unter 1 ⋅ 10^-11 mbar erreicht werden.

Es wurden elektrostatische Feldsimulationen für Elektrodenspannungen von -5 kV bis -30 kV durchgeführt, die einen maximalen Feldgradienten von 11,1(1) MV/m bei -30 kV zeigten. Experimentell wurde eine stabile Spannung von -12 kV ohne und -14 kV mit Kühlung der Elektrode erreicht. Simulationen des Elektronenstrahls mit Potentialen von -12 kV bsi -30 kV zeigten keinen Strahlverlust für Ströme von 10 µA bis 1 mA.

Die erforderliche Kühlleistung wurde von einem 1,1 W Kryostaten mit geschlossenem Kreislauf bereitgestellt. Am Ende des Teilvolumens wurde eine Temperatur von 21,3(1) K gemessen, die ein effektives Pumpen von Wasserstoff ermöglicht.

Am Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt wurde ein Teststand entworfen und aufgebaut, um Messungen zur Bewertung eines potenziellen lebensdauerverlängernden Effekts durchzuführen. Er verfügt über keine Kammer für das Aufbringen der NEA-Schicht auf die Photokathodenoberfläche, auch Photokathodenaktivierung genannt, so dass für das Reinigungs- und Aktivierungsverfahren der bestehende Teststand für Photokathodenaktivierung, -prüfung und -reinigung mit atomarem Wasserstoff (eng. Photo-Cathode Activation, Testing, and Cleaning using atomic Hydrogen, Photo-CATCH) verwendet werden muss. Eine Messreihe zeigte, dass eine mit einer NEG-Pumpe ausgestattete Transportkammer in der Lage ist die NEA-Schicht ausreichend zu erhalten, um einen Transfer der aktivierten Kathode von Photo-Catch zur neuen Elektronenquelle zu ermöglichen. Nach dem Transfer und der Lagerung für 20 h konnte eine Quanteneffizienz (QE) von bis zu 67 % mit einem roten 780 nm Laser und 99 % mit einem blauen 450 nm-Laser aufrechterhalten werden. Für die vorgesehene Integration der Quelle in Photo-CATCH zeigen Simulationen, dass mit geringfügigen Änderungen an der Strahlführung ein Betrieb sowohl der kryogenen als auch der bereits vorhanden konventionellen Quelle möglich ist.

Eine Messung, die eine lebensdauerverlängernde Wirkung nachweisen sollte, konnte nicht durchgeführt werden, da der Strahl an einer unbekannten Stelle im System verloren ging. Es wurden mehrere Versuche durchgeführt, um den Ursprung des Strahlverlustes zu ermitteln, die Raum für weitere Untersuchungen bietet.