Paolo Michelato, Laura Monaco, Carlo Pagani,  Daniele Sertore

Attività sui fotocatodi ad alta QE per sorgenti di elettroniad alta brillanza al LASA

Fotocatodi ad alta QE in cannoni RF• Catodi ad alta QE sono necessari data, la 

potenza media limitata degli attuali sistemi laser, per sorgenti che richiedono: • alta carica• impulsi lunghi• alto rate di ripetizionePer esempio FLASH a DESY o XFELutilizzano decine di migliaia di impulsi per secondo, ciascuno da 1nC. NGLS a LBNL utilizzaun fascio a 1 MHz continuo con bunch fino a 1 nC

• I fotocatodi a semiconduttore sono gli unici a garantire queste richieste, tuttavia richiedono condizioni di Ultra Alto Vuoto (UHV) durante l’utilizzo.

• L’utilizzo nelle sorgenti ad alta brillanza richiede inoltre– Uniformità della QE– Bassa corrente di buio– Lunga vita operativa

(24h/24 7d/7) > qualche mese– Caratteristiche costanti lungo

il treno d’impulsi– Veloce tempo di risposta ≤ ps– Bassa emittanza termica

2FLASH @ DESY 

• L’attività sui fotocatodi è iniziata alla fine degli anni ‘80, studiando i composti di antimonio e metalli alcalini anche con la collaborazione dell’Univ. di Modena. 

• Negli anni ’90, abbiamo selezionato il tellururo dicesio (Cs2Te). Questo composto è stato studiato sia dal punto di vista delle caratteristiche di QE sia, in collaborazione con Modena, delle proprietà della superficie durante la crescita e durante l’inquinamento. Questo catodo lo utilizziamo da molti anni a FLASH, PITZ, FNAL e a recentemente a LBNL.

Laboratorio Fotocatodi al LASA

3

1 Langmuir = 10‐6 mbar s

A. di Bona et al., JAP80(1996)3024

Cs/Te

b) 0.6

c) 1.2

d) 1.9

e) 2.5

Cs2Te Mo

Hg lamp

Filter wheel

Shutter

Remote controllerPhotocurrent signal

Prep. chamber viewport

Photodiode

Apparati Sperimentali

4

Transport Box

PreparationChamber

Preparation Chamber

‐metal and TOF

Nd:Glass laser

Caratterizzazione fotocatodi

5

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

0 10 20 30 40 50 60 70 80

QE

(%)

Evaporated Cs thickness (nm)

Cathode 104.2

QE @ 239 QE @ 254QE @ 297 QE @ 334QE @ 365 QE @ 405QE @ 436 stop deposition

0

10

20

30

40

50

60

‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

R @

254

nm

(%)

Evaporated Cs Thickness (nm)

Cathode 113.2 (Te 5.1 nm)

Cathode 149.1 (Te 10.1 nm)

Cathode 146.1 (Te 15.4 nm)

Te dep. Cs deposition

220nm

5 10 150

5

10

15

0

0.5

1

1.5

2

2.5239nm

5 10 150

5

10

15

2

4

6

8

254nm

5 10 150

5

10

15

2

4

6

297nm

5 10 150

5

10

15

0.2

0.4

0.6

0.8

1

334nm

5 10 150

5

10

15

0

0.02

0.04

0.06365nm

5 10 150

5

10

15

2

4

6

8

10

x 10-3

405nm

5 10 150

5

10

15

2

4

6

x 10-3 436nm

5 10 150

5

10

15

1

2

3

4

x 10-3

-4-2

02

4

-4-2

0

24

-5

0

5

10

15

0 0.5 1 1.5 2 2.50

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

Electron Energy (eV)

Arb

. Uni

ts

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

5th harmonic 4th harmonic

Ther

mal

Em

ittan

ce E

stim

atio

n (m

m m

rad)

Bias Voltage (V)

• Caratterizzazione durante la crescita del fotocatodo

• QE a diverse lunghezza d’onda per valutare massimo QE

• Misure di riflettività

• Caratterizzazione post crescita• Risposta spettrale per 

determinare soglia fotoelettrica

• Mappe QE per valutare uniformità

• Attività di R&D• Misura delle proprietà 

ottiche• Misura della distribuzione in 

energia, risolta in angolo, degli elettroni emessi Rs

Rp

250 300 350 4000.1

0.2

0.3

0.4

250 300 350 4001.6

1.7

1.8

1.9

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

[nm]

k

nm

n

Cs2Te Reflectivity

Direzioni future

• Fotocatodi con risposta nel visibile– Nuovi sviluppi e test su antimoniuri di metalli alcalini mostrano la possibilità di un utilizzo di questi catodi nei cannoni

• Riduzione «emittanza termica»– Studio e sviluppo di fotocatodi con emissione prevalente nella direzione normale al catodo

• Miglioramenti– Corrente di buio– Danneggiamenti– Vita operativa

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