Untersuchungen zur Lebensdauer von NEA-Photokathoden bei der Extraktion sehr hoher mittlerer Ströme

Die Produktion eines spinpolarisierten Strahls mit hohem mittleren Strom ist sowohl für den Betrieb von existierenden polarisierten Quellen als auch in noch stärkerem Maße für geplante zukünftige Projekte wichtig. Die Betriebszeit solcher Quellen wird durch die Abnahme der Quantenausbeute der Photokathode mit der Zeit begrenzt. Die Problematik der Abnahme der Quantenausbeute konnte durch die Reaktion der Kathodenoberfläche mit sauerstoffhaltigen Molekülen sowie durch Ionenbombardement geklärt werden. Im Laufe dieser Arbeit wurden, teilweise zum ersten Mal, Mechanismen untersucht, die zur Entstehung der chemisch aktiven Moleküle und der Ionen beitragen und weitere Effekte, die die Betriebszeit der polarisierten Quellen reduzieren. Die Experimente wurden an einer genauen Kopie der an MAMI vorhandenen polarisierten Quelle durchgeführt. Es wurde demonstriert, dass Erwärmung der Photokathode, Ioneneinfang und Strahlverlust aufgrund der Raumladungskräfte die Kathodenlebensdauer begrenzen können. Der erste Effekt ist Erwärmung der Photokathode. Die Laserleistung wird fast vollständig in Wärmeleistung umgesetzt, was zur Absenkung der Verfügbarkeit der polarisierten Quellen führen kann, und zwar unabhängig davon, ob der Photostrom produziert wird oder nicht. Der zweite Effekt ist Ionenbombardement mit den sowohl in der Beschleunigungsstrecke als auch in der Strahlführung entstehenden Ionen. Es wurde demonstriert, dass der in der Strahlführung entstehende Ionenstrom sogar größer ist als der in der Kanone. Unter bestimmten Bedingungen können die gebildeten Ionen durch das Potenzial des Elektronenstrahls eingefangen werden und die Kanone erreichen und damit zusätzlich zur Zerstörung der negativen Elektronenaffinität beitragen. Der dritte Effekt ist Strahlverlust. Es wurde demonstriert, dass die relativen Strahlverluste kleiner als 1*10-6 sein sollten, um eine Lebensdauer von mehr als 1000 Stunden beim Strom von 100 A zu erreichen, was für die vorhandene Apparatur möglich ist. Zur Erzeugung extrem hoher Ströme wurde zum ersten Mal im Bereich der spinpolarisierten Quellen das Prinzip der „Energierückgewinnung“ eingesetzt. Experimente bei einer mittleren Stromstärke von 11.4 mA und einer Spitzenstromstärke von 57 mA bei 1% Tastverhältnis wurden bereits durchgeführt.

The production of a polarized electron beam with high average current is important for operation of existing polarized sources as well as for future projects. The operation lifetime of the polarized electron sources is limited through decrease of the quantum efficiency. It was found that two mechanisms limit the lifetime of the negative electron affinity photocathode, which are ion backbombardment (created by the ionisation of the residual gas) and chemical poisoning of the photocathode surface by H2O and CO2 gases. In this work explanations are provided for the mechanisms which contribute to the generation of the ions and chemically active molecules and other effects which reduce the operation lifetime of the polarized electron sources. Experiments with high current beams were carried out with an exact copy of the MAMI source. It was demonstrated that cathode heating, ion trapping and increased relative beam loss due to space charge lead to reduction of the lifetime of the photocathode. The first effect is heating of the photocathode. Most of the laser intensity will be transferred to the crystal lattice of the photocathode, causing heating. This can lead to a decrease of the lifetime of the polarized source, regardless, whether the electron beam is produced or not. The second effect is ion backbombardment with ions, produced in both: the cathode-anode gap and the beam line. It was shown that the flux of trapped ions from the beam line can exceed the flux of ions produced in the gun. The ions created in the gun can destroy the photocathode directly. Ions produced in the beam line can be captured in the potential well generated by the space charge of the electrons and reach the gun. The third effect is current loss. It was demonstrated that the relative current loss should be less than 1*10-6 in order to achieve a lifetime of more than 1000 hours at current of 100 A. This is possible for the available apparatus. “Energy Recovery” was applied to overcome the current limit of the gun power supply of 3 mA. With this device were achieved a d.c. current of 11 mA and a pulse current of 57 mA at 1% duty cycle.