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Erzeugung und Untersuchung gepulster polarisierter Elektronenstrahlen am S-DALINAC

Wagner, Markus :
Erzeugung und Untersuchung gepulster polarisierter Elektronenstrahlen am S-DALINAC.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Erzeugung und Untersuchung gepulster polarisierter Elektronenstrahlen am S-DALINAC
Language: German
Abstract:

Zur Erzeugung und Untersuchung gepulster polarisierter Elektronenstrahlen am supraleitenden Darmstädter Elektronenlinearbeschleuniger S-DALINAC sind gepulste Lasersysteme mit Bunchlängen <20ps nötig, welche spinpolarisierte Elektronen (SPE) mit Hilfe des Photoeffektes aus GaAs-Halbleitern erzeugen. An der Quelle polarisierter Elektronen des S-DALINAC werden zurzeit Laserdioden und ein Titan:Saphir-Lasersystem dafür verwendet. Während das Titan:Saphir-Lasersystem durch Modenkopplung Pulse erzeugt, basiert das Modulieren der Diodenlasersysteme auf der direkten Ankopplung von Hochfrequenz-(HF-)Leistung. Während mit der 780nm-Laserdiode nur eine minimale Pulslänge von 50ps und mit der 415nm-Laserdiode eine minimale Pulslänge von 20ps gemessen werden konnte, liefert das Titan:Saphir-Lasersystem Laserpulse von wenigen hundert Femtosekunden.

Die Laserdioden gewährleisten einen zuverlässigen Langzeitbetrieb der Quelle spinpolarisierter Elektronen am S-DALINAC im Dauerstrichbetrieb (continuous wave mode) mit der Fundamentalfrequenz des S-DALINAC von 3 GHz. Das Titan:Saphir-Lasersystem arbeitet bei einer Wiederholfrequenz von 75 MHz (40. Subharmonische der Grundfrequenz) und ist deutlich anfälliger für Störungen durch kleinste Änderungen äußerer Parameter. So findet man zum Beispiel temperaturabhängige Ausfälle des Pulsbetriebs. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Änderung der laserspezifischen Parameter mit Bezug zur Temperatur untersucht und eine Temperaturstabilisierung von besser als ±0,015K über den Zeitraum einer Woche erreicht. Mit Hilfe einer weichen Apertur konnte die Stabilität des Modenkoppelns weiter gesteigert werden. Der Einfluss der weichen Apertur wurde simuliert und experimentell nachgewiesen. Pulslängendrifts im Bereich von 200fs fs bis 330fs wurden beobachtet trotz des temperaturstabilisierten Resonators. Allerdings scheint es eine Korrelation zwischen Laserpulslänge und äußerer Raumtemperatur zu geben. Die Korrelationswahrscheinlichkeit hierfür wurde zu 81%ige bestimmt.

Des Weiteren beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Lasertransport von ultrakurzen Laserpulsen über eine Strecke von etwa 40m. Dazu wurde eine 50m lange Glasfaser benutzt, deren Einkoppeleffizienz bei <40% lag. Die hier gemessene Bandbreitenvergrößerung des Titan:Saphir-Lasers konnte auf bis zu 50nm in Abhängigkeit von der Intensität bestimmt werden. Dabei verlängert sich der optische (260±20)fs lange Laserpuls chromatisch auf (80±6)ps. Durch theoretische Betrachtungen der gemessenen spektralen Verteilungen konnten Rückschlüsse auf den Polarisationsgrad des extrahierten Strahls aus einer Strained-Superlattice-Kathode geschlossen werden. Hierfür wurde ein intensitätsabhängiges Verhalten der mittleren Elektronenpolarisation in Abhängigkeit der Laserleistung und der Mittenwellenlänge λ0 gefunden. Zur Reduzierung dieser Effekte wurde des Weiteren ein 40m langer Freistrahltransfer aufgebaut. Mit Hilfe eines Piezospiegels und einer entwickelten Regelung konnte eine Posi- tionsgenauigkeit von <10µm am Ort der Kathode bei einer Regelfrequenz von 2Hz über 66h erreicht werden.

Für die erste Untersuchung der Struktur der erzeugten Elektronenbunche bei niedrigen Elektronenenergien am S-DALINAC wurde das Chopper-System im Injektor des Beschleunigers verwendet. Durch einen zusätzlich installierten schmalen Schlitz konnte die Bunchlänge mit einer Auflösung von (7,0±3,5)ps charakterisiert werden. Dabei wurde ein Phasenjitter des Elektronenstrahls von 2,2ps über eine Messzeit von 30min ermittelt. Durch die Laufzeitunterschiede des Laserstrahls innerhalb des Strahltransfers welcher durch die Strahllagestabilisierung bedingt ist, ergibt sich eine weiterer vernachlässigbarer Jitter mit einem Wert von 1,6fs. Die Messungen weisen auf die wahrscheinliche Anregung einer zusätzlichen Mode in der Chopperkavität hin, so dass sich die Phasenlage des Laserpulses in Bezug auf die Chopperphase ändert. Dieser Effekt wurde mit der 780nm-Laserdiode vermessen und auf einen Wert von 30ps bis 80ps bestimmt. Der experimentelle Befund konnte durch eine Simulation modelliert und reproduziert werden, so dass aus den Daten eine unverfälschte Bunchlänge von (50±0,2)ps ermittelt werden konnte.

Die Messungen des longitudinalen (Bunchlänge) und transversalen (Strahldurchmesser) Strahlprofils weisen auf den Einfluss von Raumladungseffekten bereits ab einer Bunchladung von 1fC hin. Zur Kompensation der Pulsverlängerung über die 50m lange Glasfaser wurde darüber hinaus ein Pulskompressor aufgebaut. Mit dessen Hilfe konnten Elektronenbunchlängen am Beschleuniger zwischen 30ps bis zu 80ps mit einer Bulk-GaAs-Kathode variabel eingestellt werden. Innerhalb dieser Messung konnte die Auflösungsbegrenzung der Chopper-Spalt-Methode bestätigt werden.

Die Intensität und Polarisation der Elektronenbunche wurde mit guter Phasenauflösung mittels der Chopper-Spalt-Methode für eine Bulk-GaAs und eine Superlattice-Kathode vermessen. Im Falle der Bulk-Kathode ergibt sich eine mittlere Polarisation von (31±3,5)% und eine Spitzenpolarisation von (49,1±5,6)%, welches mit den Literaturwerten gut übereinstimmt. Im Falle der Superlattice-Kathode konnte nur eine mittlere Polarisation von (38,4±4,4)% und eine Spitzenpolarisation von (65,7±7,5)% erreicht werden, welches deutlich unterhalb etablierter Erfahrungswerte liegt.

Zur Beschreibung von Elektronenbunchverläufen aus GaAs-Kathoden wurde bisher das Drei-Stufen-Modell von Spicer verwendet, welches allerdings die in dieser Arbeit gemessenen Daten nicht adäquat beschreibt. Daher wurde in einem eigenen Modell, welches nicht nur den Intensitätsverlauf der Elektronenbunche beschreiben, sondern auch darüber hinaus auch Aussagen über den Polarisationsverlauf machen soll, weitere Terme zur Rekombination von Elektron-Loch-Paaren einschließlich des Polarisationszustandes berücksichtigt. Dieses Modell ergänzt die bisherige Rekombinationsrate (gemessene Werte für Bulk-GaAs) (1/A=(40±10)ps) des Spicer-Drei-Stufen-Modells um die optische Rekombination (B=(1±3)·10−10cm³/s), Auger-Effekte (C=(5±2)·10−28cm^6/s) und einem Spin-Flip-Term (1/K=(61,6±2)ps). Die hierbei gefundenen Parameter für optische- sowie Auger-Rekombination stimmen sehr gut mit den Literaturwerten überein. Eine Diskrepanz zeigt sich allerdings in den Parameter A und K. Die Abweichungen könnten von einer unzureichenden Aktivierung der verwendeten Kathode nach vorausgegangener Schädigung durch zu intensiven Laserbeschuss hervorgerufen sein. Mit Hilfe dieses Modells konnten darüber hinaus Vorhersagen über das Verhalten von Bulk-GaAs-Kathoden getätigt werden, die das Auftreten von Sättigungseffekten und nichtlineares Verhalten bei hohen Ladungsträgerdichten erwarten lassen, welches im Hinblick auf Hochstromexperimente an vielen Beschleunigeranlagen von Interesse sein sollte.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
For production and investigation of pulsed polarized electron beams at the superconducting accellerator S-DALINAC pulsed laser-systems with bunch lengths of smaller than 20ps are required. These enable production of spin polarized electrons from GaAs semiconductors by photo-effect. Therefore the source of polarized electrons uses laser-diodes and a Titanium:Saphire-laser-system. While pulses from Titanium:Saphire-laser-system are generated by modelocking, the modulation of the two diode-laser-systems is based on direct coupling of high frequency. The minimal pulse length of two diode-laser-systems was measured to be 50ps for the 780nm diode and 20ps for the 415nm diode. On the other hand the Titanium:Saphire- laser-system delivers a pulse length of several hundreds femtoseconds. A long term operation mode for the S-DALINAC polarized injector (Spin) is provided by the laser-diodes using continuous wave mode at the accelerator fundamental frequency of 3GHz. The Titanium:Saphire-laser-system works at a repetition rate of 75MHz and causes on the contrary temperature dependent failures in the pulsed operation mode. This dissertation took investigations of changes in intrinsic laser paramters related to the temperature. Temperature stabilization of better than ±0,015K over one week was achieved. Furthermore with soft aperture the stability of the modelocking could be increased. This effect has been simulated and proven experimentelly. Although the laser was temperatur stabilized, pulse length deviations of 200fs to 330fs were observed. It seems to be related to a correlation between laser pulse length and room temperature. This correlation probability is determined to be 81%. Furthermore, this work deals with the transport of ultra short laser pulses over a distance of approximately 40m. A fiber with a length of about 50m was used and a coupling efficiency of smaller 40% was achieved. Here the bandwidth enlargement of the Titanium:Sapphire-laser up to 50nm as a function of intensity was determined. In this case the optical laser pulse with the length of (260±20)fs will be extended chromatically to (80±6)ps. By comparing of the theoretical calculations with measured spectral distribution conclusions about the degree of polarization of the extracted beam from the strained superlattice cathode could be made. Therefore an intensity-dependent behavior of the electron polarisation has been found. It de- pends on the laser power and on the center wavelength λ0. To reduce these effects a free laser beam transfer has been build up, too. By using a Piezo mirror and a developed feedback control system it was possible to achieve a positional accuracy of <10µm at a control frequency of 2Hz over 66h at the location of the cathode. For the first investigations of the structure of the generated electron bunches at the S-DALINAC at low electron energies the chopper system at the injector part of the accelerator has been used. With an additionally installed narrow slit the bunch length could be characterized with a resolution of (7,0±3,5)ps. Here, a phase jitter of the electron beam of 2,2ps at a measuring time of 30min was determined. Due to the run time differences of the laser beam during transfer, which are caused by the feedback control system, one more negligible jitter of 1,6fs appeared. The measurements indicate an additional mode inside the chopper cavity. This changes the position of phase of the laser pulse with respect to the chopper state. This effect was measured with the 780nm laser-diode and to be between 30ps and to 80ps. From experimentel results, that was modeled and reproduced by a simulation, a genuine bunch length of (50,0±0,2)ps could be determined. The measurements of the longitudinal (bunch length) and of the transverse (beam diameter) beam profile have shown space charge effects already at a bunch charge of 1fC. To compensate the pulse broadening in the 50m long fiber, a pulse compressor was built. With the aid of it and the usage of a bulk GaAs photo-cathode the lengths of the electron bunch could be varied between 30ps to 80ps. In this measurement, the minimal resolution of the chopper-slit-method was confirmed. The intensity and polarization of the electron bunches from a bulk- and a superlattice GaAs cathode were measured with good phase resolution using the chopper-slit-method. In the case of bulk cathode, an average polarization of (31,0±3,5)% and a peak polarization of (49,1±5,6)% was yielded, that agree well with the literature values. In the case of superlattice cathode an average polarization of only (38,4±4,4)% and a peak polarization of (65,7±7,5)% were achieved,that is significantly below established experienced data. For the description of electron bunch characteristics from GaAs-cathodes the three-stage model of Spicer was used so far. Unfortunately this model does not adequately describe measured in this work data. Therefore the new modell that was developed in this work takes into account not only intensity deviations in the electron bunch but also can describe polarization changes. To enable this higher order of recombination terms for electron-hole pairs was needed. This model adds to the recombination rate (measured values for bulk GaAs) (1/A=(40±10)ps) of Spicer three-step model, the effect of optical recombination (B=(1±3)·10−10cm³/s), Auger recombination (C=(5±2)·10−28cm^6/s) and the spin-flip term (1/K=(61,6±2)ps). The founded parameter for optical- and Auger recombination are in good agreement with literature values. However, a discrepancy in values for the parameters A and K have been seen. The difference could be caused by insufficient activation of a used cathode after previous damage by irradiation by intence laser light. With this model, predictions about the behavior of bulk GaAs cathode could be made, that promise the appearence of saturation effects and non-linear behavior at high carrier densities. It could be a matter of interest for many accelerator facilities with regard to high-current experiments.English
UNSPECIFIEDGerman
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Dissertation, Laser, polarisierte Elektronen
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
Date Deposited: 03 Sep 2013 12:01
Last Modified: 03 Sep 2013 12:01
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-35851
Referees: Enders, Prof. Joachim and Roth, Prof. Markus and Walther, Prof. Thomas and Alber, Prof. Gernot
Refereed: 27 May 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3585
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  • Erzeugung und Untersuchung gepulster polarisierter Elektronenstrahlen am S-DALINAC. (deposited 03 Sep 2013 12:01) [Currently Displayed]
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