Cornell-Forscher enthüllen die Zukunft von Photokathoden mit HERACLES Beamline

Das Newman Lab/Cornell University

Eine visuelle Darstellung der HERACLES-Strahllinie, einer Maschine, die die rauen Umgebungen der größten Teilchenbeschleuniger nachahmt.

Forscher am Newman Lab experimentieren derzeit mit verschiedenen Fotokathodenmaterialien und deren Abbau, um ihre Haltbarkeit in rauen Umgebungen zu verbessern. Dadurch werden sie Phänomene besser verstehen, wie zum Beispiel Ionenrückbombardierungen, die nur bei hohen Strömen ablaufen.

Fotokathoden, Oberflächen, die beim Auftreffen von Licht Elektronen emittieren, werden heute für viele wissenschaftliche Instrumente verwendet – etwa für Röntgengeräte, Freie-Elektronen-Laser, Halbleiterfertigung und Elektronenmikroskopie. Wenn bestimmte Lasertypen auf diese Fotokathoden gerichtet werden, werden je nach den Eigenschaften des Lasers und der Fotokathode Elektronen emittiert. Fotokathoden werden jedoch beschädigt, wenn sie diesen Laserstrahlen über einen längeren Zeitraum ausgesetzt sind.

Die Strahllinie „High ElectRon Average Current for Lifetime ExperimentS“ (HERACLES) ist ein Testbeschleuniger, der eine Umgebung erzeugen kann, die der der Photoinjektoren ähnelt, die in einigen der größten Teilchenbeschleuniger der Welt verwendet werden. HERACLES ist eine Testeinrichtung, die hauptsächlich zur Entwicklung grundlegender Erkenntnisse über das Verhalten von Photokathoden in Teilchenbeschleunigern dient.

„Im Allgemeinen ist diese Umgebung unglaublich hart für die Fotokathode, was zu Leistungseinbußen führt“, sagte Sam Levenson, Absolvent, der im Newman Lab arbeitet. „Durch die kontrollierte Replikation dieser Bedingungen können wir Forschungen durchführen, die darauf abzielen, die Robustheit der Fotokathoden zu verbessern.“

Fotokathoden können in zwei Familien unterteilt werden: Metallfotokathoden und Halbleiterfotokathoden. Metallfotokathoden sind eine Familie von Fotokathoden, die aus Metallen wie Kupfer und Magnesium bestehen. Halbleiter-Fotokathoden bestehen typischerweise aus Galliumarsenid, Galliumnitrid und Cäsiumantimonid.

Das Newman Lab nutzte die Quanteneffizienz – eine Metrik zur Bewertung des Verhältnisses der Anzahl der emittierten Elektronen zur Anzahl der Photonen –, um die Lichtempfindlichkeit der Photokathode zu messen.

Ihre Studie ergab, dass Metallkathoden lange halten, aber keine hohe Quanteneffizienz aufweisen, was bedeutet, dass sie Photonen nicht sehr effektiv in Elektronen umwandeln können. Halbleiterkathoden haben allerdings sehr hohe Quantenzahlen, halten aber nicht sehr lange. Wenn die Fotokathode stirbt, nimmt die Quanteneffizienz ab, sodass die Kathode nicht mehr lichtempfindlich ist oder die Photonen nicht mehr effektiv in Elektronen umwandeln kann, sodass die Fotokathode wirkungslos bleibt.

HERACLES ahmt diese rauen Umgebungen von Teilchenbeschleunigern nach, indem es mit leistungsstarken Lasern bei hohen Strömen läuft. Dies kann jedoch negative Auswirkungen auf die Photokathoden haben.

„Wenn der emittierte [HERAKLES]-Strahl mit Restgasmolekülen kollidiert, werden diese positiv geladen. Da die Ionen die entgegengesetzte Ladung haben, werden sie zur Kathode hin beschleunigt“, sagte Levenson.

Diese Wechselwirkung, Ionenrückbombardierung genannt, verursacht Schäden an der Fotokathode.

Das Newman Lab testet derzeit verschiedene Standorte einer Wachstumskammer in Bezug auf HERACLES sowie verschiedene Photokathodenbeschichtungen, um ein fortgeschrittenes Photokathodenwachstum zu fördern. Hocheffiziente Fotokathoden müssen im Vakuum gehalten werden, um die Auswirkungen einer chemischen Vergiftung durch Gasmoleküle zu mildern, die eine Fotokathode schnell schädigen kann.

Die Fotokathoden werden in einer Vakuumkammer auf einer anderen Etage des Labors gezüchtet, um die Auswirkungen einer chemischen Vergiftung zu mildern. Sie müssen mit einem Vakuumkoffer transportiert werden, der an der Rückseite von HERACLES befestigt wird. Dieser Prozess braucht Zeit und führt zur Verschlechterung der Fotokathoden. Durch die Konstruktion einer angeschlossenen Wachstumskammer können die Photokathoden unmittelbar nach dem Wachstum getestet werden.

Außerdem testen die Forscher verschiedene Halbleiter-Fotokathodenbeschichtungen auf deren Empfindlichkeit. Beispielsweise erfordert Galliumarsenid eine Schicht aus Cäsium auf der Oberfläche, einem äußerst empfindlichen chemischen Element, das schnell und leicht oxidiert. Dies macht es äußerst anfällig für den Ionenrückbeschuss, der diese Fotokathoden schädigt.

Dieser Forschungsbereich bietet Einblicke in die Leistungsfähigkeit von Fotokathodenquellen für Röntgenstrahlen, Elektronenmikroskopie und andere Geräte, die auf Fotokathoden basieren. Mit Fotokathoden, die raueren Umgebungen längere Zeit standhalten, werden nicht nur in Einrichtungen der Teilchenphysik, sondern auch in Krankenhäusern, Labors und anderen Institutionen, die auf diese Technologie angewiesen sind, effektivere Instrumente entstehen.