Sintesi, caratterizzazione e testing di fotocatodi metallici basati su film sottili di ittrio

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1 Sintesi, caratterizzazione e testing di fotocatodi metallici basati su film sottili di ittrio Facoltà di Scienze MM.FF.NN. Corso di Laurea Specialistica in Fisica Laboratorio di Fisica delle radiazioni Relatore: Chiar.mo Prof. Alessio Perrone Correlatore: Dott.ssa Antonella Lorusso 23 Luglio 2010

2 Fotoemissione ed efficienza quantica Modello di Fowler-Dubridge: J = n J n J n (hν) = a n A ( e ) n(1 R(ν)) n Ii n Te 2 F ( nhν eφ 0 ) hν k B T e Efficienza quantica: Effetto Schottky: QE = N e N γ QE = β [ hν Φ 0 + QE = I P ee hc λe ] 4πɛ 0

3 Fotocatodi: caratteristiche λ QE Lifetime Tempo di Pressione Campo (nm) risposta (mbar) (MV /m) Cs 3 Sb 527 4% > 4h 1ps 10 9 > 20 CsI 209 2% > 150h > ps Cs 2 Te % > 100h 3ps 10 9 > 20 K 2 CsSb 527 8% < 4h 1ps 10 9 > 20 Cu 266 1, mesi,anni < ps 10 7 Cu 193 1, mesi,anni < ps 10 7 Pb 250 6, h 10 9 Y 266 3, mesi < ps < 10 7 Y 248 7, < Mg 266 1, > 5000h < ps ,7 Ba h < ps < Sm mesi < ps < LaB mesi < ps < 10 7

4 Perché l ittrio? lavoro di estrazione: φ = 2,9 ev ; drive laser nel range del visibile λ = 400 nm E γ = 3,0 ev (seconda armonica del laser Ti:Sa); utilizzo di ottiche più semplici; possibilità di produrre fasci elettronici con bassa emittanza termica: ɛ k = R 0 2(Eγ φ) 2 mc 2 ; è utile realizzare film sottili di ittrio su un substrato in rame per ottimizzare l accoppiamento elettrico all interno del fotoiniettore.

5 Sintesi di fotocatodi metallici La tecnica della deposizione di film sottili mediante ablazione laser (PLD) presenta numerosi vantaggi fra cui: versatilità; purezza dei film; elevata aderenza del film al substrato; ma presenta alcuni svantaggi fra cui: la presenza di goccioline sulla superficie del film.

6 Ottimizzazione delle condizioni di deposito Per ottimizzare la morfologia del film di ittrio si è effettuato uno studio parametrico in funzione della fluenza laser. ablation rate deposition rate densità superficiale di goccioline Fluenza Spessore Velocità di Velocità di Laser film ablazione deposizione (J/cm 2 ) (nm) (µg/pulse) (Å/pulse) 0, ,07 0,04 2, ,12 0,10 3, ,15 0,13 5, ,19 0,19 7, ,26 0,22

7 Ablation rate ed deposition rate A b la tio n ra te m e d io (µg /im p u ls o ) F lu e n z a la s e r (J /c m ) É presente una saturazione dovuta all effetto del plasma shielding.

8 Introduzione PLD Caratterizzazione e studio parametrico Testing Conclusioni e sviluppi futuri MatLab per il calcolo della densità superficiale di goccioline (a) Immagine B/N Fluenza laser (J/cm2 ) 0,9 2,0 3,0 5,3 7,6 Densità goccioline (mm 2 ) 7, , , , ,8 103 (b) Immagine con soglia

9 Analisi statistica sulle goccioline superficiali d = 1,18 µm V d V f = 0,17% ρ f = 4,3 g/cm 3 ρ Y = 4,5 g/cm 3

10 Introduzione PLD Caratterizzazione e studio parametrico Testing Conclusioni e sviluppi futuri Condizioni sperimentali per la realizzazione del campione Target Substrato Distanza target-substrato Numero di colpi laser Colpi laser per situ Spot laser Fluenza laser Temperatura di deposizione Livello di vuoto Spessore film stimato Dimensione film ittrio rame 50 mm 30 Hz 250 1,1 mm2 7,6 J/cm2 300 K 10 8 mbar 680 nm 13 mm

11 Collaborazione con i Laboratori Nazionali di Frascati (LNF ) Il testing del fotocatodo è stato effettuato presso il laboratorio Sviluppo Fotocatodi dei LNF 1. 1 Si ringrazia il Dott. Luca Cultrera

12 Fotodiodo di Frascati

13 Misura di QE (λ = 406 1,67 MV /m

14 QE vs TIME (λ = 406 1,67 MV /m

15 Calcolo della fattore di enhancement β

16 Conclusioni I risultati più importanti ottenuti durante questo lavoro di Tesi sono stati: ottimizzazione del processo di ablazione e di deposizione di film sottili di ittrio, implementazione di una routine in MatLab per la determinazione della densità delle goccioline superficiali, studio per la prima volta della fotoemissione di ittrio con λ = 406 nm, QE pari a 1,9 10 5, processo di laser cleaning, esso è necessario per un periodico ringiovanimento della caratteristiche fotoemissive del film di ittrio, determinazione del fattore di enhancement β dell ittrio pari a 2,

17 Introduzione PLD Caratterizzazione e studio parametrico Testing Conclusioni e sviluppi futuri Sviluppi futuri Deposizione un film sottile di ittrio su flangia di rame per il testing in un cannone a radio frequenza come è stato fatto in precedenza per il magnesio.