Meilenstein für bERLinPro: Photokathode mit hoher Quanteneffizienz
Photokathode im supraleitenden Photoinjektorsystem. © J. Kühn/HZB
Das supraleitende Photoinjektorsystem (1): Die Photokathode (3) wird durch einen grünen Laser (2) angeregt und emittiert Elektronen (4), die in der supraleitenden RF-Kavität beschleunigt werden. © Britta Mießen
Photokathode nach Herstellung im Präparationssystem. © J. Kühn/HZB
Ein Team am HZB hat den Herstellungsprozess von Photokathoden optimiert, so dass diese nun hohe Quanteneffizienz besitzen. Damit stehen geeignete Photokathoden zur Verfügung, um 2019 den ersten Elektronenstrahl in bERLinPro zu erzeugen.
Am HZB entwickeln Teams aus der Beschleunigerphysik und SRF im Rahmen des Projekts bERLinPro einen supraleitenden Linearbeschleuniger mit Energierückgewinnung (Energy Recovery Linac). Darin wird ein intensiver Elektronenstrahl beschleunigt, der dann für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden kann – wie die Erzeugung brillanter Synchrotronstrahlung. Nach dieser Nutzung werden die Elektronenpakete zum Linearbeschleuniger zurückgeleitet, wo sie nahezu ihre gesamte restliche Energie abgeben. Diese Energie steht damit wieder für die Beschleunigung neuer Elektronenpakete zur Verfügung.
Photokathode als Elektronenquelle
Ein wichtiger Bestandteil des Konzepts ist die Elektronenquelle. Die Elektronen werden durch Beleuchtung einer Photokathode mit einem grünen Laserstrahl erzeugt. Dabei gibt die sogenannte Quanteneffizienz an, wie viele Elektronen das Photokathoden-Material bei einer bestimmten Laserwellenlänge und Laserleistung emittiert. Besonders hohe Quanteneffizienz im sichtbaren Bereich haben bialkalische Antimonide. Allerdings sind diese Dünnfilme hochreaktiv und damit sehr empfindlich, sodass sie nur im Ultrahochvakuum funktionieren.
Herstellung optimiert
Nun hat ein HZB-Team um Martin Schmeißer, Dr. Julius Kühn, Dr. Sonal Mistry und Prof. Thorsten Kamps die Photokathode soweit entwickelt, dass sie für bERLinPro einsatzbereit ist. Sie optimierten dafür den Herstellungsprozess für Photokathoden aus Cäsium, Kalium und Antimon auf einem Molybdän-Substrat. Der neue Prozess liefert die gewünschte hohe Quanteneffizienz und Stabilität. Auch bei niedrigen Temperaturen degradieren die Photokathoden nicht, zeigten die Untersuchungen. Das ist eine zentrale Voraussetzung für den Betrieb in einer supraleitenden Elektronenquelle, wo die Kathode bei Temperaturen weit unter dem Nullpunkt betrieben werden muss.
Quanteneffizienz übertrifft Anforderungen
Mit ausführlichen Untersuchungen konnten die Physiker belegen: Auch nach dem Transport und Einschleusen in das Photokathoden-Transfer-System des SRF-Photoinjektors war die Quanteneffizienz der Photokathode noch ca. fünfmal höher als nötig, um den maximalen Strahlstrom [RA1] bei bERLinPro zu erreichen.
Meilenstein für bERLinPro
„Ein wichtiger Meilenstein für bERLinPro ist damit erreicht. Wir haben nun die Photokathoden verfügbar, um in 2019 den ersten Elektronenstrahl aus unserem SRF Photoinjektor in bERLinPro zu erzeugen“, sagt Professor Dr. Andreas Jankowiak, der das HZB-Institut für Beschleunigerphysik leitet.
Publiziert in Physical Review Accelerators and Beams (2018): "Addressing challenges related to the operation of Cs-K-Sb photocathodes in SRF photoinjectors" ; M. A. H. Schmeisser, S. Mistry, H. Kirschner, S. Schubert, A. Jankowiak, T. Kamps, J. Kühn
doi:10.1103/PhysRevAccelBeams.21.113401
- Optische Innovationen für Solarmodule – Was bringt den Ausbau am meisten voran?Im Jahr 2023 erzeugten Photovoltaikanlagen weltweit mehr als 5% der elektrischen Energie und die installierte Leistung verdoppelt sich alle zwei bis drei Jahre. Optische Technologien können die Effizienz von Solarmodulen weiter steigern und neue Einsatzbereiche erschließen, etwa in Form von ästhetisch ansprechenden, farbigen Solarmodulen für Fassaden. Nun geben 27 Fachleute einen umfassenden Überblick über den Stand der Forschung und eine Einschätzung, welche Innovationen besonders zielführend sind. Der Bericht, der auch für Entscheidungsträger*innen in der Forschungsförderung interessant ist, wurde von Prof. Christiane Becker und Dr. Klaus Jäger aus dem HZB koordiniert.
- Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY IIAnders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.
- BESSY II: Magnetische „Mikroblüten“ verstärken Magnetfelder im ZentrumEine blütenförmige Struktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die nur wenige Mikrometer misst, kann Magnetfelder lokal verstärken. Der Effekt lässt sich durch die Geometrie und Anzahl der „Blütenblätter“ steuern. Das magnetische Metamaterial wurde von der Gruppe um Dr. Anna Palau am Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) mit Partnern aus dem CHIST-ERA MetaMagIC-Projekts entwickelt und nun an BESSY II in Zusammenarbeit mit Dr. Sergio Valencia untersucht. Die Mikroblüten ermöglichen vielfältige Anwendungen: Sie können die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren erhöhen, die Energie für die Erzeugung lokaler Magnetfelder reduzieren, und am PEEM-Messplatz an BESSY II die Messung von Proben unter deutlich höheren Magnetfeldern ermöglichen.