Beschleunigerphysik: Erster Elektronenstrahl im SEALab
Auf dem Bildschirm ist der „Beweis“ zu sehen: Der kleine Fleck ist der Elektronenstrahl. Die „große Wolke“ links davon entsteht durch die Reflektion des Laserstrahls von der Photokathode. © SEALab/HZB
Das SEALab-Team hat diesen Durchbruch nach jahrelanger Arbeit erreicht. Im Bild das Commissioning Team. © SEALab/HZB
Weltweit zum ersten Mal hat das SEALab-Team am HZB in einem supraleitenden Hochfrequenzbeschleuniger (SRF Photoinjektor) einen Elektronenstrahl aus einer Multi-Alkali-Photokathode (Na-K-Sb) erzeugt und auf relativistische Energien beschleunigt. Dies ist ein echter Durchbruch und eröffnet neue Optionen für die Beschleunigerphysik.
Dieser Erfolg ebnet den Weg für die Weiterentwicklung von supraleitenden Hochfrequenzbeschleunigern (SRF Photoinjektoren) für hochbrillante Elektronenquellen. Die Errungenschaft birgt ein erhebliches Potenzial für Anwendungen in Freie-Elektronen-Lasern, Beschleunigern der ERL-Klasse (Energy Recovery Linac) und der Nutzung in den Bereichen Detektorentwicklung und Ultraschnelle Elektronenstreuexperimente (UED).
Möglich wurde diese Leistung durch jahrelange engagierte Arbeit, zunächst im Rahmen des bERLinPro-Projekts, dann im SEALab-Team. Dabei gab es zahlreiche Herausforderungen, darunter Verzögerungen durch die COVID-19-Pandemie und den Cyberangriff. Dennoch hat das Team große Fortschritte gemacht. Der erfolgreiche Test erzeugte einen mittleren Strom im Mikroampere-Bereich bei einer Wiederholrate von 1 MHz, was die Möglichkeiten der Natrium-basierten Photokathode in einem SRF System demonstriert.
Axel Neumann, Projektleiter von SEALab, betont: "Dieser große Erfolg ist das Ergebnis vieler engagierter Einzelpersonen, die in den letzten Jahren unter oft hohem Stress an bERLinPro und SEALab mitgearbeitet haben. Wir danken auch allen ehemaligen Teammitgliedern, die an dem ursprünglichen Projekt mitgewirkt haben."
Thorsten Kamps, stellvertretender Projektleiter, sieht nun die Früchte der intensiven Arbeiten für den Photoinjektor: “Wir haben die Präparation und Charakterisierung von Photokathoden in den letzten Jahren komplett auf neue Beine gestellt und sehen nun den Erfolg. Das wird signifikanten Einfluss auf ähnliche Projekte haben.”
Mit dem erfolgreichen Test hat das SEALab-Team bewiesen, dass es mit einer robusten Multi-Alkali Photoemissionsquelle möglich ist, einen Elektronenstrahl in einem SRF-Photoinjektor auf relativistische Energien zu beschleunigen, und zwar mit einer hohen Wiederholrate. Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, die Leistung von Elektroneninjektoren der nächsten Generation weiter zu verbessern . Das SEALab-Team wird nun auch die unterschiedlichen Strahlparameter untersuchen und so die Möglichkeiten der SRF-Photoinjektoren erweitern.
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.
- Elegantes Verfahren zum Auslesen von Einzelspins über PhotospannungDiamanten mit spezifischen Defekten können als hochempfindliche Sensoren oder Qubits für Quantencomputer genutzt werden. Die Quanteninformation wird dabei im Elektronenspin-Zustand der Defekte gespeichert. Allerdings müssen die Spin-Zustände bislang optisch ausgelesen werden, was extrem aufwändig ist. Nun hat ein Team am HZB eine elegantere Methode entwickelt, um die Quanteninformation über eine Photospannung auszulesen. Dies könnte ein deutlich kompakteres Design von Quantensensoren ermöglichen.