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Development of a Cryogenic DC Photoelectron Gun for GaAs Cathodes with Increased Charge Lifetime

Eggert, Tobias (2023)
Development of a Cryogenic DC Photoelectron Gun for GaAs Cathodes with Increased Charge Lifetime.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023275
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Development of a Cryogenic DC Photoelectron Gun for GaAs Cathodes with Increased Charge Lifetime
Language: English
Referees: Enders, Prof. Dr. Joachim ; Pietralla, Prof. Dr. Norbert
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxviii, 162 Seiten
Date of oral examination: 23 January 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023275
Abstract:

Electron beams can be generated by utilizing the internal photoelectric effect. In this matter, a special photocathode material is necessary for generating polarized electrons. Gallium arsenide (GaAs) proved to be the best choice. However, the production of polarized electrons requires a photo-emission close to the band gap, which in turn requires a negative-electron-affinity (NEA) coating consisting of caesium (Cs) and either oxygen or nitrogen trifluoride (NF3). This layer limits the possible operation time of the electron source as the layer deteriorates over time due to interactions with residual gas particles, with contamination through desorption and degradiation through ionized particles hitting the surface being the two main mechanisms. The latter is called ion back-bombardment (IBB) and is the main lifetime-limiting factor during high-current electron emission. Therefore, a reduction of IBB in order to increase operational lifetime and performance of electron sources is of great interest for many accelerator-based applications with polarized electrons.

In this dissertation the design, assembly and first experimental results of a new kind of electron source is presented, which aims at reducing IBB by placing the cathode inside an almost closed cryogenic sub-volume. The inner walls of this volume are coated with activated charcoal making them act as a cryopump, reducing the local pressure significantly. The closed design limits the flux of particles from the outer, higher vacuum into the volume. Simulations of the hydrogen partial pressure, which contributes the most to IBB, shows a reduction of up to two magnitudes compared to conventional sources. As IBB intensity directly scales with the amount of residual gas molecules, a significant increase in lifetime can is anticipated. In addition, the cooling of the cathode itself compensates the heat load deposited by the laser beam, hence reducing heat-induced desorption of the NEA layer that would otherwise severely limit cathode lifetime for high-current applications.

A pressure below 1 ⋅ 10^-11 mbar outside the sub-volume could be achieved after a four-week bake-out at 120 °C inside an aluminum vacuum chamber equipped with a 45 l/s ion-getter pump and four 430 l/s non-evaporable getter panels.

Electrostatic field simulations for electrode voltages ranging from -5 kV to -30 kV have been conducted, showing a maximum field gradient of 11.1(1) MV/m at -30 kV. Experimentally, a stable voltage of -12 kV without and -14 kV with cooling of the electrode has be achieved. Simulations of the electron beam at potentials from -12 kV to -30 kV showed no beam loss for currents from 10 µA to 1 mA.

The required cooling power was provided by a 1.1 W closed-cycle cryostat. A temperature of 21.3(1) K at the far end of the sub-volume has be reached allowing an effective pumping of hydrogen.

A dedicated test stand was designed and setup at the Institut für Kernphysik of the Technische Universität Darmstadt to conduct measurements evaluating a potential lifetime enhancing effect. It does not feature a chamber to conduct the process of applying the NEA layer to the photocathode surface, also called photocathode activation, hence requiring the use of the existing test stand for Photo-Cathode Activation, Testing, and Cleaning using atomic Hydrogen (Photo-CATCH) for the cleaning and activation procedure. A measurement series demonstrated that a transport chamber, equipped with a NEG pump, is capable of retaining enough of the NEA layer, to allow a transfer of activated cathode from Photo-Catch to the new electron source. After transferring and storing for 20 h a quantum efficiency (QE) of up to 67 % using a re laser with 780 nm and 99 % with a blue 450 nm laser could be maintained. For a foreseen integration of the source into Photo-CATCH, simulations show that with minor modifications of the beamline an operation of both the cryogenic and the conventional source, already in place, is possible.

A measurement demonstrating a life time enhancing effect could not be conducted, as the beam was lost at an unknown location in the system. Multiple approaches were conducted to identify the origin of the beam loss, offering room for further exploration.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

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.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-232755
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Technische Kernphysik und Beschleunigerphysik
TU-Projects: Bund/BMBF|05H15RDRB1|ILC-Polarisierte Ele
Bund/BMBF|05H18RDRB1|05H2018 HIRING
DFG|GRK2128|TP Enders
Date Deposited: 14 Mar 2023 13:05
Last Modified: 15 Mar 2023 07:09
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23275
PPN: 505930196
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