Intense electron beams from GaAs photocathodes as a tool for molecular and atomic physics [Elektronische Ressource] / put forward by Claude Krantz

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of the Natural SciencesPut forward byDipl.-Phys. Claude Krantzborn in LuxembourgOral examination: 28th October 2009Intense Electron Beams fromGaAs Photocathodes as a Tool forMolecular and Atomic PhysicsClaude KrantzReferees:Prof. Dr. Andreas WolfProf. Dr. Thomas St¨ohlkerElektronenstrahlen hoher Intensit¨at aus GaAs Photokathoden als Werk-zeug der Molekul-¨ und Atomphysik — C¨asium-beschichtete GaAs Pho-tokathoden werden als Quellen quasi-monoenergetischer Elektronenstrahlen in derAtom- und Molekulph¨ ysik vorgestellt. Im Langzeitbetrieb des Elektronen-Targetsdes Ionenspeicherrings TSR in Heidelberg konnten kalte stetigh¨ohererIntensit¨atundZuverl¨assigkeitproduziertwerden. DurchgezielteUnterdruc¨ k-ung von Prozessen, die zur Verminderung der Quanteneffizienz fuhren,¨ konnte derExtraktionsstrom–beiKathodenlebensdauernvon24hoderangerl¨ –aufub¨ er1mAerh¨oht werden. Die Vorzuge¨ des kalten Elektronenstrahls bezuglic¨ h Elektronen-kuhlung¨ und Elektron-Ion Rekombinationsexperimenten werden diskutiert. Dedi-zierteExperimentezeigen,dasssowohlKuhlkraft¨ alsauchEnergieaufl¨osungdesPho-toelektronenstrahls einem thermisch erzeugten Strahl deutlich ub¨ erlegen sind.
Publié le : jeudi 1 janvier 2009
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of the Natural Sciences
Put forward by
Dipl.-Phys. Claude Krantz
born in Luxembourg
Oral examination: 28th October 2009Intense Electron Beams from
GaAs Photocathodes as a Tool for
Molecular and Atomic Physics
Claude Krantz
Referees:
Prof. Dr. Andreas Wolf
Prof. Dr. Thomas St¨ohlkerElektronenstrahlen hoher Intensit¨at aus GaAs Photokathoden als Werk-
zeug der Molekul-¨ und Atomphysik — C¨asium-beschichtete GaAs Pho-
tokathoden werden als Quellen quasi-monoenergetischer Elektronenstrahlen in der
Atom- und Molekulph¨ ysik vorgestellt. Im Langzeitbetrieb des Elektronen-Targets
des Ionenspeicherrings TSR in Heidelberg konnten kalte stetig
h¨ohererIntensit¨atundZuverl¨assigkeitproduziertwerden. DurchgezielteUnterdruc¨ k-
ung von Prozessen, die zur Verminderung der Quanteneffizienz fuhren,¨ konnte der
Extraktionsstrom–beiKathodenlebensdauernvon24hoderangerl¨ –aufub¨ er1mA
erh¨oht werden. Die Vorzuge¨ des kalten Elektronenstrahls bezuglic¨ h Elektronen-
kuhlung¨ und Elektron-Ion Rekombinationsexperimenten werden diskutiert. Dedi-
zierteExperimentezeigen,dasssowohlKuhlkraft¨ alsauchEnergieaufl¨osungdesPho-
toelektronenstrahls einem thermisch erzeugten Strahl deutlich ub¨ erlegen sind. Das
Langzeitverhalten der GaAs-Kristalle, insbesondere bezuglic¨ h wiederholter Ober-
fl¨achenreinigung mittels Wasserstoffradikalen, konnte untersucht werden. Ein Auf-
bau zur Elektronen-Emissions-Spektroskopie wurde der Pr¨aparationskammer am
Elektronen-Target hinzugefugt.¨ Diese Messapparatur erlaubte unter anderem, Un-
tersuchungen an GaAs-Photokathoden durchzufuhren,¨ die zu einer neuartigen An-
wendung letzterer als stabile Elektronenemitter im ultravioletten Spektralbereich
fuhrten.¨ Der Prototyp einer auf diesem Prinzip basierenden Elektronenkanone zur
Verwendung an der HITRAP-Anlage der GSI wurde konstruiert und erfolgreich in
Betrieb genommen.
Intense Electron Beams from GaAs Photocathodes as a Tool for Molecu-
larandAtomicPhysics — Wepresentcesium-coatedGaAsphotocathodesas
reliablesourcesofintense,quasi-monoenergeticelectronbeamsinatomicandmolec-
ular physics experiments. In long-time operation of the Electron Target of the ion
storageringTSRinHeidelberg,coldelectronbeamscouldberealisedatsteadilyim-
proving intensity and reliability. Minimisation of processes degrading the quantum
efficiency allowed to increase the extractable current to more than 1mA at usable
cathodelifetimesof24hormore. Thebenefitsofthecoldelectronbeamwithrespect
toitsapplicationtoelectroncoolingandelectron-ionrecombinationexperimentsare
discussed. Benchmark experiments demonstrate the superior cooling force and en-
ergy resolution of the photoelectron beam compared to its thermionic counterparts.
The long period of operation allowed to study the long-time behaviour of the GaAs
samplesduringmultipleusagecyclesattheElectronTargetandrepeatedin-vacuum
surface cleaning by atomic hydrogen exposure. An electron emission spectroscopy
setup has been implemented at the photocathode preparation chamber of the Elec-
tron Target. Among others, this new facility opened the way to a novel application
of GaAs(Cs) photocathodes as robust, ultraviolet-driven electron emitters. Based
onthis principle, a prototype ofan electron gun, designed for implementationat the
HITRAP setup at GSI, has been built and taken into operation successfully.Intense Electron Beams from GaAs Photocathodes
as a Tool for Molecular and Atomic Physics
Claude KrantzContents
1 Introduction 1
2 GaAs Semiconductor Photocathodes 5
2.1 Electron Emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Field Emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 Thermionic Cathodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3 Photocathodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Negative Electron Affinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Handling of NEA Photocathodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.1 Cathode Activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 Cathode Lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.3 Surface Cleaning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Spectral Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 GaAs Photocathodes in PEA Regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 The Photoelectron Target of the TSR 23
3.1 The Electron Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Photocathode Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
iii CONTENTS
3.2.1 Photoelectron Gun Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.2 Cathode Preparation Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.3 Cathode Loading and Atomic Hydrogen Chambers . . . . . . 34
3.3 Photocathode Currents and Lifetimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.1 Lifetime-limiting Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.2 Electron Target Beam Performance . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Long-Time Photocathode Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.1 Atomic Hydrogen Cleaning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2 Calibration of the Atomic Hydrogen Source . . . . . . . . . . 50
3.4.3 Spectroscopic Diagnostics of the Cleaning Procedure . . . . . 54
3.4.4 Stability of the GaAs Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4 Merged-Beam Physics with Cold Electrons 61
4.1 Electron Beam Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.1 Statistical Energy Distribution. . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.2 Temperatures of Magnetised Beams . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.3 Plasma Relaxation Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1.4 Space-Charge Induced Velocity Distribution . . . . . . . . . . 69
4.1.5 Misalignment Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2 Low-Temperature Electron Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.1 The Binary Collision Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.2 Relaxation Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.3 Electron Cooling of Slow Molecular Ions . . . . . . . . . . . . 76
+4.2.4 CF as a Benchmark for Low-Energy Electron Cooling . . . . 78

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