DE102009005620B4

DE102009005620B4 - Verfahren und Anordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls

Info

Publication number: DE102009005620B4
Application number: DE200910005620
Authority: DE
Inventors: Jochen Dipl.-Phys. Wüppen; Peter Dr. rer. nat. Rußbüldt; Dieter Dipl.-Ing. Hoffmann; Torsten Dr. rer. nat. Mans; Michael Dipl.-Phys. Strotkamp; Rolf Dr. rer. nat. Wester
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2029-01-23
Also published as: DE102009005620A1; WO2010084020A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit einer Anordnung, die mindestens eine Kathode (1), ein elektrisch leitfähiges Gitter (2) und eine Anode (3) umfasst, bei dem
– in einem an die Kathode (1) und das Gitter (2) angrenzenden Bereich ein Plasma (6) erzeugt wird,
– durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Gitter (2) und der Kathode (1) Elektronen (7) durch das Gitter (2) hindurch aus dem Plasma (6) ausgekoppelt werden und
– durch Anlegen einer weiteren elektrischen Spannung zwischen dem Gitter (2) und der Anode (3) die ausgekoppelten Elektronen (7) in Richtung der Anode (3) beschleunigt werden,
wobei das Plasma (6) durch Fokussieren von Laserpulsen auf eine Oberfläche der Kathode (1) erzeugt wird.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit einer Anordnung, die mindestens eine Kathode, ein elektrisch leitfähiges Gitter und eine Anode umfasst, bei dem in einem an die Kathode und das Gitter angrenzenden Bereich ein Plasma erzeugt wird, durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Gitter und der Kathode Elektronen durch das Gitter hindurch aus dem Plasma ausgekoppelt werden und durch Anlegen einer weiteren elektrischen Spannung zwischen dem Gitter und der Anode die ausgekoppelten Elektronen in Richtung der Anode beschleunigt werden. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung, die für die Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist. Das Verfahren und die Anordnung betreffen somit allgemein das Gebiet der Elektronenquellen, die auf der Emission freier Elektronen aus einem Plasma basieren.
Derartige Elektronenquellen lassen sich in vielen technischen Bereichen einsetzen, in denen Elektronenstrahlen benötigt werden, bspw. zur Erzeugung von Röntgenstrahlung.
Stand der Technik
Zur Elektronenstrahlerzeugung werden häufig thermische Kathoden verwendet. Sie eignen sich vor allem für den Gleichstrom(DC)-Betrieb. Für schnelle zeitliche Modulationen werden Steuergitter eingesetzt, die die Emission der Elektronen regeln, indem die zum Austritt der Elektronen benötigte Feldstärke ein- oder abgeschaltet wird. Für einen gepulsten Betrieb muss die Kathode aber auch während der Pulspausen mit einem Heizstrom versorgt werden. Zudem hat das Steuergitter einen entscheidenden Einfluss auf die Feldverteilung und damit auf die Elektronenbahnen.
Zur Erzeugung hoher Elektronenströme, sowohl gepulst als auch DC, werden auch Plasmahohlkathoden eingesetzt, bei denen die Elektronen aus dem Plasma ausgekoppelt werden. Das benötigte Plasma wird dabei durch eine Gasentladung erzeugt. Dadurch sind diese Vorrichtungen jedoch nicht für einen Betrieb im Hoch- oder Ultrahochvakuum geeignet.
Weiterhin sind Anordnungen zur Erzeugung von Elektronenstrahlen bekannt, die auf einem elektrisch gezündeten Plasma basieren. Ein Beispiel für eine derartige Anordnung findet sich in M. G. Grothaus et al., „Experimental investigation of a plasma edge cathode scheme for pulsed electron beam extraction”, J. Appl. Phys. 70 (12), 1991, Seiten 7223–7226. Mit einer derartigen Anordnung sind allerdings aufgrund fehlender Steuermöglichkeiten weder ein DC-Betrieb noch beliebige Pulslängen und Abfolgen von Pulsen möglich.
Weitere Techniken zur Erzeugung von Elektronenstrahlen nutzen Photokathoden, bei denen die Emission der Elektronen auf dem Photoeffekt beruht. Diese liefern entweder kurze starke Strompulse oder sehr kleine DC-Ströme. Für hohe Ströme und Stromdichten wird sehr intensives Laserlicht möglichst im UV-Bereich benötigt, welches beispielsweise von Ultrakurzpulslasern geliefert wird. Allerdings folgt die Elektronenemission zeitlich der Laserpulsdauer. Für die Erzeugung von DC-Strömen im Ampere-Bereich wären cw-Laser mit einer entsprechend hohen mittleren Leistung im UV erforderlich, die es allerdings bisher nicht gibt.
In geeigneter Anordnung können auch Ferroelektrika als Elektronenemitter dienen. Bei dieser Technik wird ein äußeres Feld schnell entgegen der Polarisationsrichtung im ferroelektrischen Material angelegt. Die dadurch entstehenden Feldüberhöhungen an den Randflächen reichen aus, um Elektronen energetisch über die Austrittsarbeit zu heben. Diese Elektronenquellen sind jedoch durch den physikalischen Effekt bedingt nur für Pulsbetrieb geeignet.
Feldemitter können ebenfalls als Elektronenquelle dienen. Damit können sehr feine Elektronenstrahlen erzeugt werden, allerdings zunächst mit sehr kleinen Stromwerten. Werden diese einzelnen Feldemitter in größerer Zahl auf einer Fläche angeordnet, so lassen sich auch höhere Ströme erzeugen.
Die JP 2007-033437 A und die US 2004/0245933 A1 beschreiben Verfahren und Anordnungen, bei denen Elektronenstrahlen mit Hilfe eines lasergenerierten Plasmas als Elektronenquelle erzeugt werden.
Aus T. Ohmori et al., „Laser-Produced-Plasma-Initiated Intense Pulsed Ion-Beam Generator”, Jap. J. Appl. Phys. 19 (1980), S. L728–L730, sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung von Ionenstrahlen bekannt, bei denen mit einem intensiven Laserpuls zunächst ein laserinduziertes Plasma zwischen einer gitterförmigen Anode und einer gitterförmigen Kathode erzeugt und anschließend eine Hochspannung zwischen Anode und Kathode angelegt wird, durch die die Ionen aus dem Plasma extrahiert werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls anzugeben, die sich auch im Hochvakuum- und Ultrahochvakuumbereich problemlos einsetzen lassen und sowohl einen DC-Betrieb als auch Elektronenstrahlpulse mit Pulsdauern im sub-μs-Bereich ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Die vorgeschlagene Elektronenquelle basiert auf der Emission von Elektronen aus einem laserinduzierten Entladungsplasma. Bei dem Verfahren wird mit einer Anordnung, die mindestens eine Kathode, ein elektrisch leitfähiges Gitter und eine Anode umfasst, in einem an die Kathode und das Gitter angrenzenden Bereich ein Plasma erzeugt. Das Plasma wird hierbei durch Fokussieren von Laserpulsen auf eine Oberfläche der Kathode erzeugt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Gitter und der Kathode werden Elektronen durch das Gitter hindurch aus dem Plasma ausgekoppelt und durch Anlegen einer weiteren elektrischen Spannung zwischen dem Gitter und der Anode werden die ausgekoppelten Elektronen dann in Richtung der Anode beschleunigt. Sollen die Elektronenstrahlen außerhalb der Anordnung weiter verwendet werden, so kann der Elektronenstrahl bspw. durch ein Loch in der Anode hindurchtreten und der weiteren Verwendung zugeführt werden. In einer anderen Ausgestaltung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung ist keinerlei Loch oder Öffnung in der Anode vorhanden. Hier stellt die Anode das Röntgentarget dar, auf das die Elektronen zur Erzeugung der Röntgenstrahlen auftreffen.
Die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Anordnung umfasst entsprechend eine Kathode und ein elektrisch leitfähiges Gitter, die an den Bereich der Plasmaerzeugung angrenzen, sowie eine Anode, die durch das Gitter und ggf. eine zusätzliche Trennwand von dem Bereich der Plasmaerzeugung getrennt ist. Weiterhin umfasst die Anordnung ein Lasersystem, durch das Laserimpulse erzeugbar sind, die bei einer geeigneten Fokussierung auf eine Oberfläche der Kathode ein Plasma im Bereich der Plasmaerzeugung erzeugen, und durch das die Laserpulse zur Plasmaerzeugung auf die Oberfläche der Kathode fokussiert werden. Das Lasersystem weist damit zumindest einen Laser und eine Fokussieroptik auf. Eine oder mehrere Hochspannungsquellen sind so ausgebildet und angeschlossen, dass sie eine steuerbare elektrische Spannung zwischen dem Gitter und der Kathode erzeugen, durch die Elektronen durch das Gitter hindurch aus dem Plasma ausgekoppelt werden, und eine weitere elektrische Spannung zwischen dem Gitter und der Anode erzeugen, durch die die ausgekoppelten Elektronen in Richtung der Anode beschleunigt werden.
Der für die Plasmaerzeugung eingesetzte Laser sollte mindestens eine Repetitionsrate von 10 MHz aufweisen, um ein zeitlich fortwährendes Plasma zu erhalten. Die einzelnen Laserpulse weisen bei dieser oder höheren Repetitionsraten einen ausreichend geringen Pulsabstand auf. Die Plasmalebensdauer bei Einzelschüssen beträgt einige 10 ns. Die Pulsdauer der Laserpulse sollte im Bereich von einigen 100 fs bis 100 ps liegen. Dies kann durch Modenkopplung im eingesetzten Laser erreicht werden. Die mittlere Leistung muss je nach Repetitionsrate, Pulsdauer und verwendetem Kathodenmaterial im Bereich von einigen 100 mW bis zu einigen 10 W liegen, um eine ausreichend hohe Pulsspitzenleistung der Laserpulse für den Materialabtrag von der Kathode bzw. für die Plasmaerzeugung zu erreichen.
Für die Plasmaerzeugung ist es von Vorteil, wenn das Kathodenmaterial eine niedrige Ionisierungsenergie und eine niedrige photoelektrische Austrittsarbeit aufweist. Die Laserstrahlung sollte im Plasma möglichst wenig absorbiert werden. Für die Plasmaerzeugung wird der Laserstrahl auf die Oberfläche der Kathode fokussiert, wobei ein Fokusradius von wenigen Mikrometern, insbesondere ≤ 10 μm, sehr gut geeignet ist. Die Leistungsdichte im Fokus muss dabei über der Abtragsschwelle für das Kathodenmaterial liegen.
Das auf diese Weise erzeugte Plasma breitet sich in dem Halbraum oberhalb bzw. vor der Kathodenoberfläche aus. Die Hauptausbreitungsrichtung mit der höchsten Plasmadichte verläuft dabei parallel zur Flächennormalen auf die Oberfläche der Kathode. Das Gitter ist in einem geringen Abstand von dieser Kathodenoberfläche angebracht. Unter geringem Abstand wird hierbei ein Abstand von ≤ 3 cm verstanden. Größere Abstände sind prinzipiell auch möglich, führen jedoch zu höheren Schaltzeiten bei der zeitlichen Steuerung der Elektronenemission.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das ebene Gitter unter einem flachen Winkel (< 45°) oder parallel zur Hauptausbreitungsrichtung des abgetragenen Materials, d. h. des erzeugten Plasmas, positioniert. Durch diese Anordnung wird vermieden, dass das sich in erster Linie geradlinig ausbreitende abgetragene Material, hauptsächlich Ionen, Atome und Moleküle, durch das Gitter hindurch gelangt und elektrische Kurzschlüsse oder Durchbrüche verursacht. Die Elektronen lassen sich aufgrund ihrer geringen Masse sehr einfach durch elektrische Felder ablenken und können daher auch senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des abgetragenen Materials bzw. des Plasmas extrahiert werden. Dadurch wird die Hochspannungsfestigkeit bei dem Verfahren und der Anordnung deutlich erhöht.
Das Gitter befindet sich auf einem im Vergleich zur Kathode positiven Potential von bis zu einigen kV und ist über einen Vorwiderstand von einigen 100 Ω, vorzugsweise von > 1 kΩ bis zu einigen MΩ, mit der Hochspannungsquelle verbunden. Das Gitter muss isoliert gegenüber der Kathode angebracht sein. Der Isolator kann dabei gleichzeitig als Trennwand dienen, die eine Plasmaausbreitung in Richtung der Anode unterbindet.
Sobald sich das Plasma zwischen Kathode und Gitter ausgebreitet hat, bildet sich aufgrund der leitenden Eigenschaft des Plasmas eine Entladung zwischen den beiden Elektroden aus, d. h. zwischen Kathode und Gitter. Der Entladungsstrom kann durch eine Kombination geeigneter Werte für den Abstand zwischen Kathode und Gitter, den Vorwiderstand, die Elektrodenflächen sowie Drahtdurchmesser und Maschenweite des Gitters für die Dauer der Emission konstant gehalten werden. Die Dauer der Emission wird dabei durch die Dauer der Einstrahlung von Laserpulsen, auch als Laserburstdauer bezeichnet, bei gleichzeitig anliegender Gitterspannung festgelegt. Die Höhe des Elektronenstromes ist dabei ebenso von den obigen Werten abhängig, zusätzlich jedoch noch von der Potentialdifferenz zwischen Kathode und Gitter. Damit kann durch die elektrische Spannung zwischen Kathode und Gitter der Stromwert zwischen Null und einem Maximalwert eingestellt werden.
Die Entladung ist zum Teil selbstregelnd. Wenn der Strom, der über das Gitter abfließt, größer wird, sinkt gleichzeitig die Spannung zwischen Gitter und Kathode durch den Gittervorwiderstand, was eine Verringerung des Entladungsstromes zur Folge hat und umgekehrt. Die Entladung startet bei anliegender Gitterspannung mit dem Laserburst – oder bei eingestrahltem Laserburst mit dem Anlegen der Gitterspannung – und wird mit dem Ausschalten entweder des Lasers oder der Gitterspannung beendet.
Die Emission der Elektronen erfolgt am Gitter. Die Anode befindet sich auf einem positiveren Potential als das Gitter, so dass hier ein elektrisches Feld ausgebildet ist, das die Elektronen zur Anode beschleunigt.
Das Plasma bildet im Allgemeinen am Rand eine Schicht aus, die positiv geladen ist und die Elektronen gegen ein entsprechendes, außen angelegtes elektrisches Feld abschirmt. Somit könnten keine Elektronen aus dem Plasma ausgekoppelt oder emittiert werden. Bei geeigneter Wahl der Maschenweite und des Drahtdurchmessers des eingesetzten Gitters, das in Kontakt mit der Plasmaoberfläche ist, kann die positiv geladene Randschicht zwischen den Gitterdrähten soweit verringert werden, dass ein partiell offenes Plasma zwischen den Gitterdrähten erreicht wird. Die Wahl der Maschenweite und des Drahtdurchmessers des Gitters ist dabei abhängig von den Plasmaparametern, dem Gitterpotential und dem Gittervorwiderstand. An den offenen Stellen des Plasmas können die Elektronen im Feld beschleunigt werden. Dabei müssen die Randbedingungen so gewählt werden, dass es zu einem konstanten und nach Möglichkeit hohen Elektronenfluss kommt und nicht zu kurzen, sehr starken Pulsen, wie im Folgenden noch näher erläutert wird. Der Teil des Entladungsstromes, der über das Gitter abfließt, ist dabei weitaus geringer, als der Teil, der aus dem Plasma emittiert und zur Anode beschleunigt wird.
Für einen gleichmäßigen Stromfluss ist es notwendig, die Prozessparameter sinnvoll zu wählen. Wenn die Maschenweite des Gitters gering ist, werden zwar sehr gleichmäßige Ströme erreicht, die aber nur sehr geringe Stromstärken aufweisen. Bei zu großen Maschenweiten sind die Ströme zwar hoch, aber nicht mehr gleichmäßig. Es kommt sogar dazu, dass nur einzelne Strompeaks emittiert werden. Als vorteilhafte Abmessungen des Gitters haben sich Maschenweiten von unter 100 μm bis zu wenigen mm bei Gitterdrahtdurchmessern von einigen 10 μm bis zu einigen 100 μm erwiesen. Die Vorwiderstände des Gitters können im Bereich von einigen 100 Ω bis zu einigen MΩ liegen. Bei kleineren Widerständen kommt es wie bei zu großen Maschenweiten zu Strompeaks. Bei zu großen Widerständen werden nur sehr wenige Elektronen emittiert.
Die Elektrodenflächen werden für gleichmäßige und hohe Ströme vorzugsweise etwa gleich groß gewählt, bspw. im Bereich zwischen 1 und 10 mm², wobei beim Gitter nur die Fläche der Gitterdrähte zählt.
Die Abmessungen des auf diese Weise erzeugten Elektronenstrahls sind in erster Linie abhängig von der offenen Emissionsfläche, können aber aufgrund der niedrigen Divergenz problemlos durch bekannte elektronenoptische Elemente verändert werden.
Ein besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens und der zugehörigen Anordnung besteht darin, dass eine derartige Elektronenquelle im Hochvakuum und Ultrahochvakuum betrieben werden kann. Selbst für den Hochvakuumbereich wird keine permanent laufende Vakuumpumpe benötigt, da das durch die lasergestützte Plasmaerzeugung abgetragene Material direkt wieder kondensiert und somit keine gasförmigen Bestandteile zurückbleiben. Ein weiterer sehr großer Vorteil des Verfahrens und der Anordnung besteht darin, dass Pulsdauern des Elektronenstrahls vom sub-μs-Bereich bis hin zu DC-Strömen erzeugt werden können. Insbesondere lassen sich durch geeignete Steuerung des Lasers, bspw. über den Einsatz einer Pockelszelle, sowohl die Pulsdauern als auch die Pulsabstände des Elektronenstrahls während des Betriebs beliebig variieren. Durch die Kombination aus hochrepetierendem Laser, Entladung und Steuerung der Elektronenquelle mit Gitter und Vorwiderstand wird daher eine hohe zeitliche Modulierbarkeit mit Schaltzeiten kleiner 1 μs erreicht. Durch die Anregung mit dem Laser sind, wie oben kurz erläutert, beliebige Pulsfolgen des Elektronenstrahls (beliebig in Dauer und Abstand der Pulse) und auch Gleichströme erzeugbar. Es werden Ströme bis zu einigen Ampere bei Stromdichten bis zur Raumladungsgrenze erreicht. Der Stromwert ist bei entsprechender Wahl der Parameter während der Emissionszeit konstant. Auch bei den Pulsen ergeben sich keine Peaks sondern rechteckförmige Stromsignale.
In einer besonderen Ausgestaltung, bei der das Gitter parallel zur Ausbreitungsrichtung des Plasmas bzw. zur Flächennormalen auf die für die Plasmaerzeugung genutzte Oberfläche der Kathode angeordnet ist, wird vermieden, dass das Plasma zwischen Gitter und Anode gelangt. Dadurch liegt die Hochspannungsfestigkeit in einem Bereich, der elektrische Felder von bis zu 10 kV/mm zulässt.
Desweiteren können mit dem eingesetzten Laser auch nacheinander einzelne Emitter angesteuert werden. Unter einem Emitter wird hierbei eine erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls verstanden. Es können also ohne mechanische Vorgänge an verschiedenen Orten Elektronenstrahlen erzeugt werden. Die jeweils nicht genutzten Kathoden verbrauchen während der Pausenzeit keine Energie. Bei einer Anordnung mehrerer Emitter im selben Vakuum erhöht sich die Anzahl der elektrischen Durchführungen nicht. Das Umschalten zwischen den einzelnen Emittern erfolgt mit dem Laser.
Die mit dem Verfahren und der Anordnung erzeugten Elektronenstrahlen lassen sich bspw. zur Erzeugung von Röntgenstrahlung für den medizinischen und material wissenschaftlichen Bereich, als Elektroneninjektor für Beschleuniger und für die Materialbearbeitung mit Elektronenstrahlen einsetzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren sowie die vorgeschlagene Anordnung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Elektronenquelle gemäß der Erfindung;
2 eine Darstellung einer elektrischen Verschaltung von Kathode, Anode und Gitter der erfindungsgemäßen Anordnung;
3 eine schematische Darstellung der Verhältnisse am Gitter;
4 ein Beispiel für einen Strompuls, wie er mit dem Verfahren und der Anordnung erzeugt wurde;
5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Elektronenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Elektronenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Elektronenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Elektronenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
9 zwei Ausführungsbeispiele der Elektronenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung mit unterschiedlichem Abstand zwischen Gitter und Kathode;
10 ein Ausführungsbeispiel der Elektronenquelle der vorliegenden Erfindung für senkrechten Einfall der Laserstrahlung auf die Kathodenoberfläche;
11 zwei Ausführungsbeispiele der Elektronenquelle der vorliegenden Erfindung, bei denen mehrere Laserstrahlen zur Plasmaerzeugung eingesetzt werden;
12 ein Ausführungsbeispiel der Elektronenquelle der vorliegenden Erfindung mit schräg verlaufender Kathodenoberfläche; und
13 ein Ausführungsbeispiel der Elektronenquelle der vorliegenden Erfindung mit flüssigem Kathodenmaterial.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Der prinzipielle Aufbau sowie die prinzipielle Funktionsweise der vorgeschlagenen Anordnung sowie des vorgeschlagenen Verfahrens werden zunächst anhand der 1 bis 3 nochmals näher erläutert. 1 zeigt hierzu einen vorteilhaften Aufbau der Anordnung zur Erzeugung von Elektronenstrahlen, der besondere Vorteile hinsichtlich der Hochspannungsfestigkeit aufweist. Das Plasma wird hierbei durch Fokussieren des dargestellten Laserstrahls 5 auf eine Oberfläche der Kathode 1 erzeugt. Das Plasma 6 breitet sich mit seiner Hauptausbreitungsrichtung 18 im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Kathode 1 aus, auf die der Laserstrahl 5 fokussiert wird. Der Laser und die für die Fokussierung erforderliche Optik sind in dieser und den weiteren Figuren nicht dargestellt. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, wie ein Laserstrahl eines Lasers mit einem Fokusradius von wenigen μm auf die Oberfläche eines Objekts fokussiert werden kann. Als Laser kann hierbei bspw. ein modengekoppelter Laser mit einer Repetitionsrate von 50 MHz und Pulsdauern von einer Picosekunde eingesetzt werden. Ein für die lasergestützte Plasmaerzeugung gut geeignetes Kathodenmaterial ist bspw. WTh (Wolfram-Thorium).
Parallel zur Hauptausbreitungsrichtung 18 des Plasmas 6 – und somit parallel zur Flächennormalen auf die zur Plasmaerzeugung genutzte Oberfläche der Kathode 1 – ist ein elektrisch leitfähiges Gitter 2 in einem geringen Abstand von etwa 1 bis 3 cm von der Oberfläche der Kathode 1 angeordnet. Das Gitter 2 ist durch einen Isolator 4 gegenüber der Kathode 1 isoliert. Dieser Isolator 4 stellt gleichzeitig eine Trennwand dar, die eine Plasmaausbreitung des Plasmas 6 in Richtung der Anode 3 verhindert. Die Anode 3 ist so angeordnet, dass sie durch das Gitter 2 und den Isolator 4 von dem Bereich getrennt wird, in dem die Plasmaerzeugung stattfindet.
Die elektrische Verschaltung von Kathode 1, Gitter 2 und Anode 3 ist in 2 angedeutet. Sowohl zwischen Kathode 1 und Gitter 2 als auch zwischen Gitter 2 und Anode 3 wird jeweils über Hochspannungsquellen 8 eine elektrische Spannung angelegt. Das Gitter 2 befindet sich hierbei auf einem im Vergleich zur Kathode 1 positiven Potential von bis zu einigen kV. Das Gitter 2 ist über einen Vorwiderstand 9 von bis zu einigen MΩ mit der Hochspannungsquelle 8 verbunden. Dieser Vorwiderstand 9 ist in einer geeigneten Größe erforderlich, um einen konstanten Elektronenfluss und somit eine reproduzierbare Betriebsweise der Elektronenquelle zu erreichen, wie bereits weiter oben erläutert wurde. Die Anode 3 befindet sich auf einem gegenüber dem Gitter 2 positiven Potential, um eine Beschleunigung der ausgekoppelten Elektronen 7 zur Anode 3 zu erreichen.
Durch die Fokussierung der Laserpulse auf die Oberfläche der Kathode 1 wird das Plasma 6 erzeugt. Sobald sich dieses Plasma 6 zwischen Kathode 1 und Gitter 2 ausgebreitet hat, bildet sich aufgrund der elektrisch leitenden Eigenschaft des Plasmas 6 eine Entladung zwischen Kathode 1 und Gitter 2 aus. Die Höhe des Entladungsstroms ist dabei abhängig vom Abstand d zwischen Kathode 1 und Gitter 2, der Höhe des Vorwiderstandes 9, den Elektrodenflächen sowie dem Drahtdurchmesser und der Maschenweite des Gitters 2. Zum anderen hängt die Höhe des Stromes ebenso von der Potentialdifferenz zwischen Kathode 1 und Gitter 2 ab, die über die Hochspannungsquelle 8 gesteuert werden kann. Damit lässt sich der Stromwert über die Steuerung dieser Spannung zwischen Null und einem Maximalwert einstellen oder steuern. Elektronenstrahlpulse können entweder durch An- und Abschalten der Spannung zwischen Gitter 2 und Kathode 1 oder durch An- und Abschalten der Laseremission erzeugt werden.
3 zeigt stark schematisiert die Verhältnisse am Gitter 2, die zur Auskopplung von Elektronen 7 aus dem Plasma 6 führen, obwohl dies eine positiv geladene Randschicht 10 ausbildet. 3 zeigt hierzu eine Masche des Gitters 2 sowie die Äquipotentiallinien 11, die sich aufgrund der Spannung am Gitter 2 einstellen. Bei geeigneter Dimensionierung des Drahtdurchmessers sowie der Maschenweite des Gitters 2 kommt es zwischen den Gitterdrähten zu einer dauerhaft offenen Plasmaoberfläche, an der Elektronen in Richtung der Anode 3 emittiert werden können.
4 zeigt ein Beispiel eines mit einer Anordnung gemäß 1 erzeugten Strompulses. Hierbei wurde für eine Dauer von ca. 300 μs durch Einstrahlung des Laserstrahls 5 mit einem entsprechend langen Laserburst ein Plasma generiert, aus dem über das Gitter 2 die Elektronen 7 ausgekoppelt wurden. Aus der 4 ist ersichtlich, dass hierdurch ein annähernd rechteckförmiger Strompuls mit der Dauer von 300 μs erhalten werden konnte.
Grundsätzlich kann das Gitter 2 auch senkrecht oder in jedem beliebigen anderen Winkel zur Hauptausbreitungsrichtung 18 des Plasma 6 angeordnet werden. 5 zeigt hierzu ein Beispiel für eine senkrechte Anordnung des Gitters 2. In diesem Falle können allerdings elektrische Entladungen und Durchbrüche zwischen Gitter 2 und Anode 3 durch das Plasma 6 verursacht werden, da das bei der Plasmaerzeugung abgetragene Material durch das Gitter 2 hindurch fliegt und damit in den Raum zwischen Gitter 2 und Anode 3 gelangen kann. Ein Betrieb einer derartigen Anordnung erfordert daher geringere elektrische Spannungen zwischen Gitter 2 und Anode 3 als bei einer Anordnung gemäß 1.
Zur verbesserten Kontrolle der Ausbreitung des Plasmas 6 kann eine Anordnung gewählt werden, bei der sich das Plasma 6 ausschließlich im Innern eines mit Ausnahme der Elektronenaustrittsöffnung (Gitter mit Gitteröffnungen) geschlossenen Hohlraumes 12 ausbreitet. Eine derartige Ausgestaltung ist beispielhaft in 6 dargestellt. Der Bereich der Plasmaerzeugung wird in diesem Beispiel durch ein Rohr bis auf die Elektronenaustrittsöffnung räumlich komplett gekapselt, wie dies in der Figur angedeutet ist. Das Rohr weist an einer Stelle ein Fenster 13 auf, über das der Laserstrahl 5 eintreten und auf die Oberfläche der Kathode 1 treffen kann. Damit ist die Ausbreitung des Plasmas 6 auf den vom Rohr umschlossenen Hohlraum 12 begrenzt, so dass auch durch das Plasma 6 hervorgerufene Ablagerungen nur innerhalb des Rohres auftreten. Besonders bei einer Betriebsweise mit Spannungen über 10 kV bis deutlich über 100 kV erweist sich diese Anordnung als vorteilhaft, da elektrische Kurzschlüsse und Durchbrüche damit wirkungsvoll verhindert werden.
Selbstverständlich lassen sich auch zusätzliche Elemente in den Bereich einbringen, in dem sich das Plasma 6 ausbreitet, um dessen Ausbreitung zu beeinflussen oder zu kontrollieren. Ein Beispiel hierfür ist in 7 dargestellt. An diesem Beispiel ist zwischen der Kathode 1 und dem Gitter 2 zusätzlich ein Pinhole 14 angeordnet, das die Ausbreitung des Plasma 6 im Bereich des Gitters 2 räumlich einschränkt. Hierbei ist selbstverständlich auch jede andere Form und Geometrie eines derartigen Elementes denkbar.
Die geometrische Form der Elektronenaustrittsöffnung, die durch das Gitter 2 definiert wird, kann beliebig gewählt werden, bspw. rund, eckig, oval usw. Zudem kann das Gitter 2 mit einem leitenden Rahmen 15 umgeben sein, der Veränderungen der elektrischen Feldlinien hervorruft und damit einen Einfluss auf die Trajektorien der ausgekoppelten Elektronen 7 hat. Bei geeigneter Wahl eines derartigen Rahmens 15 kann auf diese Weise eine Fokussierung des Elektronenstrahls bewirkt werden, wie dies in der 8 schematisch angedeutet ist.
Der Abstand d zwischen Oberfläche der Kathode 1 und Gitter 2 wirkt sich auf die Schaltzeit aus, mit der die Elektronenemission geschaltet werden kann. Bei größeren Abständen verlängern sich die Schaltzeiten geringfügig, wobei ggf. die Stromhöhe abnimmt. Dafür werden sehr gleichmäßige Elektronenströme und eine sehr gute Hochspannungsfestigkeit erreicht. Bei kleinen Abständen kehrt sich dieser Zusammenhang um. Als geeignete Werte, die einen guten Mittelweg darstellen, haben sich Abstände d im Bereich von ungefähr 1 cm herausgestellt. 9 zeigt hierzu zwei Beispiele in schematischer Darstellung, wobei in der linken Teilabbildung ein kleiner Abstand d zwischen Gitter 2 und Kathode 1 und in der rechten Teilabbildung ein größerer Abstand d gewählt wurde.
Die elektrische Verschaltung von Kathode 1, Gitter 2 und Anode 3, wie sie beispielhaft bereits in 2 dargestellt wurde, kann auch so durchgeführt werden, dass entweder die Anode 3 oder das Gitter 2 oder die Kathode 1 auf Massepotential – oder jedes beliebige andere Potential – gelegt werden können. Die Potentiale der jeweils anderen beiden Komponenten müssen dann so gewählt werden, dass die entsprechenden elektrischen Felder anliegen. Die Funktion der gesamten Anordnung wird dadurch nicht beeinträchtigt. Ein Vorteil einer Ausgestaltung, bei der die Anode 3 auf Massepotential gelegt wird, besteht darin, dass die Anode in diesem Fall über einfache Flüssigkeitskreisläufe gekühlt werden kann. Diese Kühlung ist ggf. erforderlich, da sich die Anode 3 aufgrund der auftreffenden Elektronen, insbesondere bei der Nutzung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, stark aufheizt.
Der Laserstrahl 5 kann in einem beliebigen Winkel zur Oberfläche der Kathode 1 eingestrahlt werden, die für die Plasmaerzeugung genutzt wird. Im Gegensatz zu der in den 1 und 5 bis 9 dargestellten Variante, ist bspw. auch ein senkrechter Einfall möglich. Dies ist in 10 beispielhaft gezeigt. In diesem Fall des gekapselten Plasmaerzeugungsbereichs – wie bereits im Zusammenhang mit 6 erläutert – wird das Fenster 13 zur Einkopplung des Laserstrahls 5 entsprechend für den senkrechten Einfall angeordnet.
Weiterhin ist es möglich, mehrere Laserstrahlen für die Erzeugung des Plasmas einzusetzen. Die Foki der Laserstrahlen können dabei auf der gleichen Kathode nebeneinander oder auch auf unterschiedlichen Kathoden liegen. Der Vorteil besteht darin, dass durch mehrere Laserstrahlen und damit mehrere Plasmaerzeugungsorte die Plasmadichte erhöht und/oder der Abtrag von Material sichergestellt werden kann. Es wird damit die Wahrscheinlichkeit verringert, dass durch Unebenheiten oder Löcher auf der Oberfläche der Kathode zeitweise gar kein Material abgetragen wird.
11 zeigt hierzu zwei Ausführungsbeispiele. In der linken Teilabbildung werden zwei Kathoden 1 auf gegenüber liegenden Seiten des Plasmaerzeugungsbereichs bzw. des Gitters 2 eingesetzt. Mit zwei Laserstrahlen 5 wird dabei jeweils ein von beiden sich gegenüber liegenden Kathodenoberflächen ausgehendes Plasma erzeugt. Die rechte Teilabbildung zeigt eine Ausgestaltung, bei der drei Laserstrahlen 5 an unterschiedlichen Orten auf die gleiche Oberfläche der gleichen Kathode 1 gerichtet werden, um das Plasma 6 zu erzeugen.
Die Kathode kann aus einem festen Material bestehen oder auch in einem flüssigen Zustand sein. Für die Hochspannungsfestigkeit ist lediglich wichtig, dass das Material einen möglichst niedrigen Dampfdruck hat. Wie ebenfalls bereits weiter oben beschrieben wurde, sind Materialien mit niedrigen Ionisierungsenergien, niedrigen photoelektrischen Austrittsarbeiten und niedriger Absorption des Laserlichts im Plasma vorteilhaft. Der Winkel der für die Plasmaerzeugung genutzten Oberfläche der Kathode sowohl gegenüber dem eintreffenden Laserstrahl als auch gegenüber der Ausrichtung des Gitters kann dabei für den Prozess weitgehend frei gewählt werden. Auch eine Kathode mit einer schräg verlaufenden Oberfläche zur Plasmaerzeugung ist möglich, wie sie beispielhaft in 12 dargestellt ist.
Bei längerer Benutzung der Kathode wird soviel Material abgetragen, dass Löcher in die Oberfläche gebohrt werden. Dieses Problem kann zum einen umgangen werden, indem eine flüssige Kathode verwendet wird. Das durch die Lasereinstrahlung erzeugte Loch auf der Oberfläche wird dann sofort wieder mit Material aufgefüllt. Das flüssige Kathodenmaterial kann so aufbewahrt werden, dass die Oberfläche durch die Oberflächenspannung und die Kapillarkraft räumlich immer an der gleichen Stelle liegt, d. h. dass das abgetragene Material von hinten nachgeführt wird. Dies ist in der 13 schematisch angedeutet, bei der die Kathode 1 aus einem Element mit einem Kanal 16 besteht, in den das flüssige Kathodenmaterial 17 ständig bis zur Oberfläche, die für die Plasmaerzeugung genutzt wird, nachfließt.
Eine weitere Möglichkeit bei der Verwendung fester Kathodenmaterialien besteht darin, die Oberfläche der Kathode mit dem Laser abzurastern. Dies kann entweder dadurch erfolgen, dass der Laserstrahl über die Oberfläche der Kathode bewegt wird, oder dadurch, dass bei ortsfestem Laserstrahl die Kathode bewegt wird. Die Abstände und Geschwindigkeiten beim Abrastern sind abhängig vom Fokusradius, der Pulsenergie des Lasers und dem Material. Für den Fall einer bewegten Kathode ist auch eine drehende anstatt einer rasternden Bewegung denkbar.
Weiterhin kann als Kathode ein festes Material mit niedrigem Schmelzpunkt gewählt werden. Nachdem Material von der Oberfläche abgetragen wurde, wird dann die Oberfläche soweit erhitzt, dass die Oberfläche flüssig wird und sich ggf. entstandene Löcher und Unebenheiten wieder ausgleichen und glattziehen. Diese Aufheizung der Oberfläche kann bspw. mit dem gleichen Laser bei größerer Fokussierung und höherer Leistung oder mit einem weiteren Laser durchgeführt werden. Dies kann in kurzen Betriebspausen oder gleichzeitig während des Betriebs (im Falle eines zusätzlichen Lasers) erfolgen. Auch eine Aufheizung durch eine elektrische Heizung wäre möglich.
Die oben beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiele lassen sich, soweit sie nicht unterschiedliche Ausgestaltungen der gleichen Komponente der Anordnung betreffen, auch beliebig miteinander kombinieren.
Die in der vorliegenden Patentanmeldung vorgeschlagene Elektronenquelle weist sehr kurze Schaltzeiten auf. Durch die Erzeugung des Plasmas mit einem Ultrakurzpulslaser und damit die zeitliche Steuerung der Emission wird eine hohe zeitliche Modulierbarkeit erreicht. Es können sowohl Elektronenpulse in beliebiger Abfolge und nahezu beliebiger Pulslänge als auch Gleichströme erzeugt werden, wobei die Stromhöhe während der Dauer der Elektronenemission auch bei gepulstem Betrieb konstant gehalten werden kann.

1: Kathode
2: Gitter
3: Anode
4: Isolator
5: Laserstrahl
6: Plasma
7: Elektronen
8: Hochspannungsquelle
9: Vorwiderstand
10: positiv geladene Randschicht
11: Äquipotentiallinien
12: Hohlraum
13: Fenster
14: Pinhole
15: elektrisch leitfähiger Rahmen
16: Kanal
17: Flüssiges Kathodenmaterial
18: Hauptausbreitungsrichtung

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit einer Anordnung, die mindestens eine Kathode (1), ein elektrisch leitfähiges Gitter (2) und eine Anode (3) umfasst, bei dem – in einem an die Kathode (1) und das Gitter (2) angrenzenden Bereich ein Plasma (6) erzeugt wird, – durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Gitter (2) und der Kathode (1) Elektronen (7) durch das Gitter (2) hindurch aus dem Plasma (6) ausgekoppelt werden und – durch Anlegen einer weiteren elektrischen Spannung zwischen dem Gitter (2) und der Anode (3) die ausgekoppelten Elektronen (7) in Richtung der Anode (3) beschleunigt werden, wobei das Plasma (6) durch Fokussieren von Laserpulsen auf eine Oberfläche der Kathode (1) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (2) unter einem Winkel von < 45°, vorzugsweise parallel, zu einer Flächennormalen auf die Oberfläche der Kathode (1) angeordnet wird, von der sich das Plasma (6) ausbreitet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d zwischen der Kathode (1) und dem Gitter (2) gewählt wird, der ≤ 3 cm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Hochspannungsquelle (8) zum Anlegen der elektrischen Spannung und dem Gitter (2) ein elektrischer Vorwiderstand (3) von > 1 kΩ geschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gitter (2) mit einem Gitterdrahtdurchmesser im Bereich zwischen 10 μm und 1000 μm und einer Maschenweite im Bereich zwischen 10 μm und 10 mm eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse mit einem Laser mit einer Repetitionsrate von mindestens 10 MHz und mit einer Pulsdauer erzeugt werden, die zwischen 100 fs und 100 ps liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Plasmaerzeugung bis auf eine durch das Gitter (2) gegebene Elektronenaustrittsöffnung räumlich vollständig gekapselt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe eines zwischen der Kathode (1) und der Anode (3) bei der Erzeugung des Elektronenstrahls fließenden Elektronenstromes durch die Spannung zwischen Kathode (1) und Gitter (2) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse mit mehreren Laserstrahlen (5) gleichzeitig auf unterschiedliche Bereiche der Oberfläche der Kathode (1) oder auf mehrere Kathoden (1) fokussiert werden, um das Plasma (6) zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) oder zumindest ein Bereich der Oberfläche der Kathode (1), auf den die Laserpulse fokussiert werden, aus einem flüssigen Material bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kathode (1) mit den Laserpulsen abgerastert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) aus einem festen Material bereitgestellt wird und dass die Oberfläche der Kathode (1) wiederholt durch Aufheizen aufgeschmolzen wird, um durch die Plasmaerzeugung entstandene Unebenheiten auszugleichen.
Anordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, mit mindestens – einer Kathode (1) und einem elektrisch leitfähigen Gitter (2), die an einen Bereich einer Plasmaerzeugung angrenzen, – einer Anode (3), – einem Lasersystem, durch das Laserpulse erzeugbar sind und auf eine Oberfläche der Kathode (1) fokussiert werden, die geeignet sind, durch Materialabtrag von der Kathode (1) ein Plasma (6) in dem Bereich der Plasmaerzeugung zu erzeugen, und – einer oder mehreren Hochspannungsquellen (8), über die eine steuerbare elektrische Spannung zwischen dem Gitter (2) und der Kathode (1) anlegbar ist, durch die Elektronen (7) aus dem Plasma (6) durch das Gitter (2) hindurch aus dem Plasma (6) ausgekoppelt werden, und über die eine weitere elektrische Spannung zwischen dem Gitter (2) und der Anode (3) anlegbar ist, durch die die ausgekoppelten Elektronen (7) in Richtung der Anode (3) beschleunigt werden.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (2) unter einem Winkel von < 45⁰ , vorzugsweise parallel, zu einer Flächennormalen auf die Oberfläche der Kathode (1) angeordnet ist, von der sich das Plasma (6) ausbreitet.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d zwischen der Kathode (1) und dem Gitter (2) ≤ 3 cm ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der oder den Hochspannungsquellen (8) zum Anlegen der elektrischen Spannung und dem Gitter (2) ein elektrischer Vorwiderstand (3) von > 1 kΩ geschaltet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (2) einen Gitterdrahtdurchmesser im Bereich zwischen 10 μm und 1000 μm und eine Maschenweite im Bereich zwischen 10 μm und 10 mm aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem so ausgebildet ist, dass es Laserpulse mit einer Repetitionsrate von mindestens 10 MHz und mit einer Pulsdauer erzeugt, die zwischen 100 fs und 100 ps liegt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Plasmaerzeugung durch eine Umhüllung bis auf eine durch das Gitter (2) gegebene Elektronenaustrittsöffnung räumlich vollständig gekapselt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem so ausgebildet ist, dass es die Laserpulse mit mehreren Laserstrahlen (5) gleichzeitig auf unterschiedliche Bereiche der Oberfläche der Kathode (1) oder auf mehrere Kathoden (1) fokussiert, um das Plasma (6) zu erzeugen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) oder zumindest ein Bereich der Oberfläche der Kathode (1), auf den die Laserpulse fokussiert werden, aus einem flüssigen Material besteht.