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Design and construction of a test stand for photocathode research and experiments

Kurichiyanil, Neeraj (2017):
Design and construction of a test stand for photocathode research and experiments.
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Design and construction of a test stand for photocathode research and experiments
Language: English

Within the scope of this thesis, a test stand Photo-CATCH for research on semiconductor photocathodes used at the spin-polarized electron injector of the superconducting Darmstadt electron linear accelerator S-DALINAC is constructed and brought into operation. Ultra-high vacuum conditions are achieved in all parts of the system. Atomic-hydrogen assisted low-temperature cleaning of cathodes in a chamber with base pressure better than 3 E-11 mbar is used for preparing clean cathode surfaces for negative electron affinity (NEA) activation. Using a standardised activation procedure, atomic-hydrogen cleaning of heavily contaminated bulk-GaAs samples is optimized to an upper limit of 10 kL hydrogen-dosage. Cleaning of samples has been performed with a dosage as low as 0.7 kL. Activation of photocathodes with Cs+O2 and Cs+Li+O2 have been studied in a dedicated vacuum chamber with base pressure better than 2 E-11 mbar. By using a 405 nm laser, quantum efficiencies above 25 % have been achieved from an NEA-GaAs photocathode. Oxygen-induced quantum-efficiency degradation of NEA cathodes has been investigated. A vacuum lifetime of (298+/-35) hours was observed in the activation chamber for a novel two-stage activation using Cs, O2 and Li. This system can provide photocathodes with high quantum efficiency and lifetime for polarized and unpolarized beam production at the 60 keV electron beamline of Photo-CATCH. Additionally, atomic-hydrogen cleaned cathode samples can be transported to the photoelectron source at S-DALINAC using a transport-vessel conceptualized in this work.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Teststand Photo-CATCH zur Untersuchung von Halbleiter-Photokathoden, welche am spin-polarisierten Elektroneninjektor des supraleitenden Darmstädter Elektronenlinearbeschleunigers S-DALINAC genutzt werden, entwickelt und instandgesetzt. Ultrahochvakuumbedingungen wurden in allen Teilen des Systems erreicht. Atomare Wasserstoff unterstützte Niedertemperaturreinigung von Kathoden in einer Kammer mit einem Basisdruck von weniger 3 E-11 mbar wurde für die Präparation sauberer Kathodenoberflächen für negative Elektronenaffinitätsaktivierung (NEA) genutzt. Durch Nutzung einer standardisierten Aktivierungsprozedur wurde die atomare Wasserstoffreinigung von stark kontaminierten bulk-GaAs Proben auf ein oberes Limit von 10kL Wasserstoffdosierung optimiert. Die Reinigung der Proben wurde mit einer Dosis bis zu 0.7 kL durchgeführt. Die Aktivierung von Photokathoden mit Cs+O2 und Cs+Li+O2 wurden in einer dafür vorgesehenen Vakuumkammer mit einem Basisdruck von <2 E-11 mbar untersucht. Durch die Nutzung eines 405 nm Lasers wurden Quanteneffizienzen von über 25 % aus NEA-GaAs Photokathoden erreicht. Sauerstoff induzierte Quanteneffizienzverschlechterung der NEA Kathoden wurde untersucht. Eine Vakuumlebensdauer von (298+/-35) Stunden wurde in der Aktivierungskammer für eine neuwertige Zwei-Stufen-Aktivierung mit Cs, O2 und Li beobachtet. Das System kann Photokathoden mit hoher Quanteneffizienz und Lebensdauer für polarisierte und unpolarisierte Strahlerzeugung bei der 60 keV Elektronenstrahlführung von Photo-CATCH liefern. Zusätzlich können mit atomarenWasserstoff gereinigte Kathoden zu der Photoelektronenquelle des S-DALINAC durch die Verwendung eines Transportgefäßes, welches in dieser Arbeit entworfen wurde, transportiert werden.

Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Photocathode, GaAs, Polarized electrons, Electron gun, Atomic-hydrogen, NEA Activation
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Technische Kernphysik und Beschleunigerphysik
Date Deposited: 20 Jan 2017 10:29
Last Modified: 16 Jul 2020 10:24
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-59037
Referees: Enders, Prof. Dr. Joachim ; Roth, Prof. Dr. Markus
Date of oral examination: 14 November 2016
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5903
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