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
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.