German Title: Elektronenstrahlen hoher Intensität aus GaAs Photokathoden als Werkzeug der Molekül- und Atomphysik

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Abstract

We present cesium-coated GaAs photocathodes as reliable sources of intense, quasi-monoenergetic electron beams in atomic and molecular physics experiments. In long-time operation of the Electron Target of the ion storage ring TSR in Heidelberg, cold electron beams could be realised at steadily improving intensity and reliability. Minimisation of processes degrading the quantum efficiency allowed to increase the extractable current to more than 1mA at stable cathode lifetimes of 24 h or more. The benefits of the cold electron beam with respect to its application to electron cooling and electron-ion recombination experiments are discussed. Benchmark experiments demonstrate the superior cooling force and energy 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 samples during multiple usage cycles at the Electron Target and repeated in-vacuum surface cleaning by atomic hydrogen exposure. An electron emission spectroscopy setup has been implemented at the photocathode preparation chamber of the Electron Target. Among others, this new facility opened the way to a novel application of GaAs (Cs) photocathodes as robust, ultraviolet-driven electron emitters. Based on this principle, a prototype of an electron gun, designed for implementation at the HITRAP setup at GSI, has been built and taken into operation successfully.

Translation of abstract (German)

Cäsium-beschichtete GaAs Photokathoden werden als Quellen quasi-monoenergetischer Elektronenstrahlen in der Atom- und Molekülphysik vorgestellt. Im Langzeitbetrieb des Elektronen-Targets des Ionenspeicherrings TSR in Heidelberg konnten kalte Elektronenstrahlen stetig höherer Intensität und Zuverlässigkeit produziert werden. Durch gezielte Unterdrückung von Prozessen, die zur Verminderung der Quanteneffizienz führen, konnte der Extraktionsstrom – bei Kathodenlebensdauern von 24 h oder länger – auf über 1mA erhöht werden. Die Vorzüge des kalten Elektronenstrahls bezüglich Elektronenkühlung und Elektron-Ion Rekombinationsexperimenten werden diskutiert. Dedizierte Experimente zeigen, dass sowohl Kühlkraft als auch Energieauflösung des Photoelektronenstrahls einem thermisch erzeugten Strahl deutlich überlegen sind. Das Langzeitverhalten der GaAs-Kristalle, insbesondere bezüglich wiederholter Oberflächenreinigung mittels Wasserstoffradikalen, konnte untersucht werden. Ein Aufbau zur Elektronen-Emissions-Spektroskopie wurde der Präparationskammer am Elektronen-Target hinzugefügt. Diese Messapparatur erlaubte unter anderem, Untersuchungen an GaAs-Photokathoden durchzuführen, die zu einer neuartigen Anwendung letzterer als stabile Elektronenemitter im ultravioletten Spektralbereich führten. Der Prototyp einer auf diesem Prinzip basierenden Elektronenkanone zur Verwendung an der HITRAP-Anlage der GSI wurde konstruiert und erfolgreich in Betrieb genommen.