Characterization of Cs-Sb cathodes for high charge RF photoinjectors

Future accelerators such as CLIC (Compact LInear Collider), require high brightness electron beams that could be produced with a photoinjector (laser-driven electron source). Cs2Te photocathodes in combination with ultra-violet (UV) laser beams are currently used in many photoinjector facilities, but requirements to the electron sources for future accelerators like CLIC are more demanding. The main challenge for the CLIC drive beam photoinjector is to achieve high bunch charges (8.4 nC), high bunch repetition rates (500 MHz) within long trains (140 us) and with sufficiently long cathode lifetimes. In particular the laser pulse energy in UV, for such long pulse trains, is currently limited due to a degradation of the beam quality during the 4th harmonic frequency conversion process. Using the 2nd harmonic (green laser beam), provided it is matched with a low photoemission threshold photocathode material, would overcome this limitation. Cesium antimonide (Cs3Sb), being a photoemissive material in the visible range, could be a good candidate for this purpose. The main goal of this PhD thesis is to provide a comprehensive experimental investigation of the use of this delicate material for photoinjector applications. The experimental activities, devoted to asses the feasibility of producing high quality Cs3Sb cathodes, include production by thin film deposition and characterization of the photoemissive properties in a DC gun beam line. The performance of Cs-Sb photocathodes was tested in a high charge RF photoinjector setup allowing to measure their main features. X-ray photoelectron spectroscopy analyses were used to correlate the measured photoemissive properties with the cathode composition as well as to investigate the cathode deterioration observed during operation. A close comparison with the Cs2Te cathodes performance is also discussed. This study represents a step forward in the development of photocathodes for applications in high charge RF photoinjectors, providing a valuable characterization of the Cs-Sb photocathode performance.

Acceleratori di particelle di nuova generazione, come CLIC (Compact LInear Collider), necessitano di fasci di elettroni ad elevata brillanza che potrebbero essere generati attraverso l'uso di un fotoiniettore (sorgente di fotoelettroni attivata da un fascio laser). Fotocatodi di Cs2Te illuminati con fasci laser nell'ultravioletto (UV) sono attualmente utilizzati in diversi fotoiniettori, ma le specifiche tecniche delle sorgenti di elettroni per acceleratori innovativi come CLIC sono significativamente piu' difficili da realizzare. In particolare, il requisito piu' stringente per il drive beam di CLIC e' quello di riuscire ad ottenere allo stesso tempo impulsi di elettroni ad elevata carica (8.4 nC) ed alta frequenza di ripetizione (500 MHz), treni di impulsi di lunga durata (140 us) e fotocatodi con una vita utile ragionevolmente estesa. In particolare l'energia del treno di impulsi laser nel UV, per una tale estesione temporale, e' al momento limitata a causa del deterioramento del fascio laser durante il processo di generazione di quarta armonica. L'utilizzo della seconda armonica (fascio laser nel verde), a condizione che questa sia accoppiata ad un fotocatodo con una soglia di fotoemissione bassa, rappresenterebbe una soluzione a questa limitazione. L'antimoniuro di Cesio (Cs3Sb), essendo un materiale con buone proprieta' fotoemissive nelle lunghezze d'onda del visibile, risulta essere un materiale di interesse in questo ambito. L'obiettivo principale di questa tesi di dottorato e' quello di fornire uno studio sperimentale approfondito dell'uso di tale materiale per applicazioni in fotoiniettori. Le attivita' sperimentali volte a studiare la possibilita' di produrre catodi Cs3Sb di elevata qualita', comprendono la produzione, attraverso tecniche di deposizione di film sottili, e la caratterizzazione delle proprieta' fotoemissive in una linea di accelerazione DC. Le prestazioni dei fotocatodi di Cs-Sb sono state studiate all'interno di un fotoiniettore a radiofrequenza, permettendo cosi' di caratterizzarne le funzionalita' piu' rilevanti per queste applicazioni. Analisi di spettroscopia di fotoemissione a raggi x (XPS) sono state svolte per correlare le proprieta' fotoemissive osservate alla composizione chimica dei fotocatodi e per studiare i processi di deterioramento del catodo, a cui esso e' soggetto durante il funzionamento del fotoiniettore. Inoltre, e' stato condotto un confronto con le prestazioni raggiunte da catodi di Cs2Te. Questo lavoro di tesi fornisce una dettagliata caratterizzazione delle prestazioni di fotocatodi in Cs-Sb e rappresenta percio' un importante contributo allo sviluppo di fotocatodi per applicazioni in fotoiniettori a radiofrequenza ed elevata carica.