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.
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- MXene als Energiespeicher: Vielseitiger als gedachtMXene-Materialien könnten sich für eine neue Technologie eignen, um elektrische Ladungen zu speichern. Die Ladungsspeicherung war jedoch bislang in MXenen nicht vollständig verstanden. Ein Team am HZB hat erstmals einzelne MXene-Flocken untersucht, um diese Prozesse im Detail aufzuklären. Mit dem in situ-Röntgenmikroskop „MYSTIIC” an BESSY II gelang es ihnen, die chemischen Zustände von Titanatomen auf den Oberflächen der MXene-Flocken zu kartieren. Die Ergebnisse zeigen, dass es zwei unterschiedliche Redox-Reaktionen gibt, die vom jeweils verwendeten Elektrolyten abhängen. Die Studie schafft eine Grundlage für die Optimierung von MXene-Materialien als pseudokapazitive Energiespeicher.
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