Effect of Surface Potential Barrier on the Electron Energy Distribution of NEA Photocathodes

By calculating the energy distribution of electrons reaching the photocathode surface and solving the Schrodinger equation that describes the behavior of an electron tunneling through the surface potential barrier,we obtain an equation to calculate the emitted electron energy distribution of transmission-mode NEA GaAs photocathodes. Accord- ing to the equation,we study the effect of cathode surface potential barrier on the electron energy distribution and find a significant effect of the barrier-Ⅰ thickness or end height,especially the thickness,on the quantum efficiency of the cath- ode. Barrier Ⅱ has an effect on the electron energy spread, and an increase in the vacuum level will lead to a narrower electron energy spread while sacrificing a certain amount of cathode quantum efficiency. The equation is also used to fit the measured electron energy distribution curve of the transmission-mode cathode and the parameters of the surface barri- er are obtained from the fitting. The theoretical curve is in good agreement with the experimental curve.

High-Integrated-Photosensitivity Negative-Electron-Affinity GaAs Photocathodes with Multilayer Be-Doping Structures

The effect of changing Be doping concentration in GaAs layer on the integrated photosensitivity for nega- tive-electron-affinity GaAs photocathodes is investigated. Two GaAs samples with the monolayer structure and the muhilayer structure are grown by molecular beam epitaxy. The former has a constant Be concentration of 1 × 10^19 cm^-3, while the latter includes four layers with Be doping concentrations of 1 × 10^19, 7 × 10^18, 4 × 10^18, and 1 × 10^18 cm^-3 from the bottom to the surface. Negative-electron-affinity GaAs photocathodes are fabricated by exciting the sample surfaces with alternating input of Cs and O in the high vacuum system. The spectral response results measured by the on-line spectral response measurement system show that the integrated photosensitivity of the photocathode with the muhilayer structure enhanced by at least 50% as compared to that of the monolayer structure. This attributes to the improvement in the crystal quality and the increase in the surface escape probability. Different stress situations are observed on GaAs samples with monolayer structure and muhilayer structure, respectively.

Electron trapping materials for use in a picosecond infrared streak camera

We describe our research on the employment of an infrared upconversion screen made of electron trapping material (ETM) in combination with the high sensitivity of the S-20 photocathode responsive to visible radiation to produce a streak camera arrangement capable of viewing and recording infrared incident pulses. The ETM-based upconversion screen converts 800-1600 nm infrared radiation to visible light which is viewed or recorded by the S-20 photocathode. The peak values of the upconversion efficiency are located at 1165 nm for CaS:Eu, Sm and 1060 nm for CaS:Ce, Sm. The present experiment showed time resolution was 12.3 ps for a CaS:Eu, Sm screen and 8.4 ps for a CaS:Ce, Sm screen. The minimum detectability is 4.8 x 10(-9) J/mm(2) (minimum detectability of the coupled visible streak camera is 8.3x10(-10) J/mm(2)). Other parameters, such as spatial resolution and dynamic range, have also been measured and analyzed. The results show ETM can be used in the measurement of infrared ultrafast phenomena up to picosecond time domain. In consideration of the limited number of trapped electrons in ETM, the infrared-sensitive streak camera consisting of an ETM-based upconversion screen is suitable to operate in the single shot mode. (C) 1999 American Institute of Physics. [S0034-6748(99)00112-4].

Hole-type gaseous detectors for medical imaging and HEP experiments

This work presents the results on the development of a high pressure Xe gaseous detector envisaging medical imaging. The detector uses two VUV photosensors operating face-to-face, based on the CsI-MHSP with position discrimination capability. The known effect of the charge gain decrease with the gas pressure is compensated with a light gain using the electroluminescence process. Studies of signal amplitude, energy and position resolution are presented. On the second part, gaseous detectors based on THGEM where studied in order to fulfill the requirements of present and future high energy physics experiments. The work is focused on the application of THGEM in RICH detectors elements: a triple THGEM detector using CsI photocathodes in Ne mixtures was suggested. The ion backflow to the photocathode remains a concern and a limitation; to minimize it, the application of a new hole-structure, THCOBRA, was suggested. Preliminary results foresee good perspectives for the successful application of THCOBRA in ion back-flow suppression. This work contains several methods and measurements of the CsI photocathodes behaviour in radiation gaseous detectors. A long discussion on its issues and possible solutions are presented.

Thick-microstructures for MPGDs: simulations and experimental studies

Cherenkov Imaging counters require large photosensitive areas, capable of single photon detection, operating at stable high gains under radioactive backgrounds while standing high rates, providing a fast response and a good time resolution, and being insensitive to magnetic fields. The development of photon detectors based in Micro Pattern Gaseous detectors (MPGDs), represent a new generation of gaseous photon detectors. In particular, gaseous detectors based on stacked Thick-Gaseous Electron Multipliers (THGEMs), or THGEM based structures, coupled to a CsI photoconverter coating, seem to fulfil the requirements imposed by Cherenkov imaging counters. This work focus on the study of the THGEM-based detectors response as function of its geometrical parameters and applied voltages and electric fields, aiming a future upgrade of the Cherenkov Imaging counter RICH-1 of the COMPASS experiment at CERN SPS. Further studies to decrease the fraction of ions that reach the photocathode (Ion Back Flow – IBF) to minimize the ageing and maximize the photoelectron extraction are performed. Experimental studies are complemented with simulation results, also perfomed in this work.

Efficient Photoelectrochemical Reduction of Nitrite to Ammonium and Nitrogen Containing Gaseous Species Using Ti/TiO2 Nanotube Electrodes

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Modificação de eletrodos de carbono vítreo e nanotubos de Ti/TiO2 com aspirinato de cobre (II) para detecção eletroquímica e redução fotoeletrocatalítica de íons nitrito

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Untersuchung von NEA-Photokathoden mittels zeitlich hochauflösender Vermessung von Intensitäts- und Spinpolarisationsverteilungen

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von Photokathoden mit negativer Elektronenaffinität (NEA) mittels zeitlich hochauflösender Vermessung der emittierten Ladungs- und Spinpolarisationsverteilungen nach Anregung mit einem ultrakurzen Laserpuls. Untersucht wurden uniaxial deformierte GaAsP-Photokathoden mit dünnen emittierenden Schichten (≤150nm), sowie undeformierte GaAs-Photokathoden mit unterschiedlichen Schichtdicken. Die Untersuchungen wurden an einer 100keV-Elektronenquelle durchgeführt, wie sie am Mainzer Mikrotron (MAMI) zur Erzeugung eines Spinpolarisierten Elektronenstrahls verwendet wird. Mit der Apparatur konnte eine Zeitauflösung von 2,5ps erreicht werden. Es zeigte sich, dass die tatsächliche Antwortzeit der Photokathoden die erreichte Zeitauflösung noch unterschreitet. Eine Depolarisation in den kurzen, wegen der Zeitauflösung auf 2,5ps begrenzten, Elektronenpulsen konnte aber nachgewiesen werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass der Polarisationsverlust der emittierten Elektronen bei dünnen Schichten im Wesentlichen auf eine energiekorrelierte Depolarisation beim Durchqueren der Bandbiegungszone zurückzuführen ist. Als weiteres Resultat wird, für die GaAsP-Photokathoden mit einer Schichtdicke von 150nm, eine Obergrenze für die mittlere Emissionszeit von ≤1,25ps angegeben. Daraus ergibt sich nach dem hier verwendeten Diffusionsmodell eine Untergrenze für die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Bandbiegungszone von S≥1,2·10^7 cm/s.

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.