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Entwicklung, Aufbau und Charakterisierung einer variabel repetierenden, spinpolarisierten Elektronenkanone mit invertierter Isolatorgeometrie

Espig, Martin :
Entwicklung, Aufbau und Charakterisierung einer variabel repetierenden, spinpolarisierten Elektronenkanone mit invertierter Isolatorgeometrie.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung, Aufbau und Charakterisierung einer variabel repetierenden, spinpolarisierten Elektronenkanone mit invertierter Isolatorgeometrie
Language: German
Abstract:

Im Rahmen dieser Arbeit ist die gepulste Quelle spinpolarisierter Elektronen Photo-CATCH konzipiert, aufgebaut, charakterisiert und in Betrieb genommen worden. Diese Quelle basiert auf der Photoemission spinpolarisierter Elektronen aus GaAs-Photokathoden.

Die Elektronenkanone dieses Systems, bestehend aus einer Ultrahochvakuumkammer und einer Elektrode mit Pierce-Geometrie, sowie die Eigenschaften des Elektronenstrahls sind eingehend mit CST Studio simuliert worden. Daraus resultierte ein maximales elektrisches Feld von (0,064±0,001)MV/m/kV auf der Elektrodenoberfläche und eine Strahlemittanz in Abhängigkeit vom Radius des Laserflecks auf der Photokathode von ε n,x =(1,7478(4)·10−4·r/µm+2,8(18)·10−5)mm mrad bei einem Strahlstrom von 100µA. Photo-CATCH stellt Elektronenstrahlen mit einer Energie von aktuell 60keV zur Verfügung, was durch Aufrüsten des Hochspannungsnetzteils bis auf 100keV erweitert werden kann. Die Elektronenkanone verfügt über eine eigens für sie konzipierte invertierte Isolatorgeometrie, um einen kompakten Aufbau der Ultrahochvakuumkammer und eine maximale Personen- und Maschinensicherheit vorÜberschlägen zu gewährleisten.

Da die Eigenschaften des Laserlichts direkt die Eigenschaften des erzeugten Elektronenstrahls beeinflussen, ist ein eigens für Photo-CATCH entwickeltes gepulstes Halbleiterlasersystem aufgebaut worden. Dieses zeichnet sich durch eine hohe Variabilität seiner Betriebsparameter, im Besonderen dessen Wellenlänge und Repetitionsrate, aus, um der großen Vielfalt an Anforderungen durch verschiedenste kernphysikalische Experimente entsprechen zu können. Durch Wahl der Wellenlänge der eingebauten Laserdiode können hochpolarisierte oder auch hochstromige Elektronenstrahlen aus GaAs-Photokathoden generiert werden. Das zeitliche Laserprofil beeinflusst direkt das longitudinale Bunchprofil des Elektronenstrahls. Durch die hochfrequente Modulation des Pumpstroms des impedanzangepassten Halbleiterlasersystems, bestehend aus einer Gleichstromquelle und einem elektrischen Pulsgenerator mit 881ps langen Pumppulsen, konnten lorentzförmige Laserpulse mit einer minimalen Halbwertsbreiten von (43,8±1,2)ps bei einer Pulsenergie von (94,1±4,7)pJ erreicht werden. Das Verhalten des Lasersystems und der dafür ausgenutzte Spiking-Effekt beim Einschwingvorgang ist eingehend simuliert und experimentell bestätigt worden. Demnach sollten elektrische Pumppulse mit einer Länge von etwa 350ps ultrakurze Laserpulse von wenigen Pikosekunden erzeugen können. Die Repetitionsrate des Lasers wird direkt vom elektrischen Pulsgenerator vorgegeben, womit eine diskrete Variation von 0,61MHz bis 2,9971GHz für Flugzeitexperimente und kontinuierliche Elektronenstrahlen an Photo-CATCH möglich ist. Zudem war es möglich die Lebensdauer des angeregten Zustands der Laserdiode auf (53,0±4,7)ps zu bestimmen.

Zur Charakterisierung des erzeugten Elektronenstrahls ist eine Strahlführung konzipiert und aufgebaut worden. Die Bestimmung der Strahlemittanz ist über zwei Drahtscanner zugänglich. Die elektromagnetischen Felder eines Wienfilters und eines Solenoiden ermöglichen die Rotation des Elektronenspins über den gesamten Raumwinkel bis zu einer Elektronenenergie von 100keV, während ein Doppel-Mott-Polarimeter zur Bestimmung des Polarisationsgrades zum Einsatz kommt. Eine Deflektorkavität mit einer unbelasteten Güte von 10577 ± 175 bei einem Koppelfaktor von 1,0038 ± 0,0002 dient zur Überführung des longitudinalen Elektronenbunchprofils in die transversale Ebene, womit Polarisations- und Stromprofile der Elektronenbunche mit einer Auflösung unter 1ps vermessen werden können. Ein optisches System zur Erzeugung eines Superkontinuums ermöglicht eine wellenlängenabhängige Quanteneffizienz- und Polarisationsvermessung von GaAs-Photokathoden in einem Bereich von 480nm bis 1000nm.

Zum Ansteuern und Auslesen aller Komponenten von Photo-CATCH und des Lasersystems ist ein Kontrollsystem entwickelt worden, welches durch eine LabVIEW-basierte Benutzeroberfläche und einem Gamepad dem Operateur eine übersichtliche und intuitive Steuerung ermöglicht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Within the scope of this thesis a pulsed source of spin polarized electrons Photo-CATCH was designed, constructed, characterized and has been put into operation. This source is based on the photoemission of spin-polarized electrons from GaAs-photocathodes. Both the design of the electron gun, consisting of an ultra-high vacuum chamber and an electrode with Pierce geometry, as well as the properties of the electron beam have been simulated with CST Studio. Results were a maximum electric field of (0.064±0.001)MV/m/kV on the electrode surface and a beam emittance as a function of the radius of the laser spot on the photocathode of ε n,x=(1.7478(4)·10−4·r/µm+2.8(18)·10−5)mm mrad at a beam current of 100µA. Currently Photo-CATCH provides electron beams with an energy of 60keV, which can be expanded up to 100keV by upgrading the high-voltage power supply. The electron gun has an inverted-geometry insulator to ensure a compact design of the ultra-high vacuum chamber and a maximum person- and machine-safety from sparkovers. Since the properties of the laser light directly affect the properties of the generated electron beam a pulsed semiconductor laser system has been specially developed and built for Photo-CATCH. This is characterized by a high variability of its operating parameters, in particular its wavelength and repetition rate, in order to fulfill the broad variety of requirements of various nuclear physics experiments. By selecting the wavelength of the used laser diode highly polarized or high-current electron beams can be generated from GaAs-photocathodes. The time profile of the laser has direct influence to the longitudinal profile of the electron bunch. Through the radiofrequency modulation of the pumping current of the impedance-matched semiconductor laser system, consisting of a DC power source and an electrical pulse generator with 881ps broad pump pulses, Lorentz shaped laser pulses with a minimum FWHM of (43.8±1.2)ps at a pulse energy of (94.1±4.7)pJ could be achieved. The behavior of the laser system and the used spiking effect of the transient response has been simulated and experimentally confirmed. Thus electric pump pulses with a length of about 350ps are capable of generating ultrashort laser pulses of a few picoseconds. The repetition rate of the laser is directly determined by the electrical pulse generator, which gives a discrete variation of 0.61MHz to 2.9971GHz for time-of-flight experiments and continuous electron beams at Photo-CATCH. In addition, it was possible to determine the excited state lifetime of the laser diode to (53.0±4.7)ps. To characterize the electron beam a beamline has been designed and built. The determination of the beam emittance is accessible via two wirescanners. The electromagnetic fields of a Wien filter and a solenoid are capable of rotating the electron spin throughout the entire solid angle up to an electron energy of 100keV, while a double-Mott-polarimeter is used to determine the degree of polarization. A deflector cavity with an unloaded quality of 10577±175 and a coupling factor of 1.0038±0.0002 is used for the transfer of the longitudinal electron bunch profile in the transverse plane, thus polarization and current profiles of the electron bunches can be measured with a resolution of less than 1ps. An optical system to generate a supercontinuum enables wavelength-dependent quantum efficiency and polarization measurements of GaAs-photocathodes in a range of 480nm to 1000nm. In order to control and read out all of the components of Photo-CATCH and the laser system, a control system has been developed, which allows the operator a clearly arranged and intuitive control through a LabVIEW-based user interface and a gamepad.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 03 Mar 2016 07:14
Last Modified: 03 Mar 2016 07:14
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-53289
Referees: Enders, Professor Joachim and Roth, Professor Markus
Refereed: 15 February 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5328
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