DE102016105443A1 - electron source - Google Patents
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Abstract
Dargestellt und beschrieben ist eine Elektronenquelle (1, 1') zur Erzeugung von Elektronenstrahlen mit einem Resonanzkörper (3, 3'), der eine ebene Vorderwand (7) und eine ebene Rückwand (5) aufweist, die voneinander beabstandet und zueinander parallel verlaufen, und der eine Umfangswandung (9, 9') aufweist, die umlaufend zwischen der Vorderwand (7) und der Rückwand (5) verläuft, sodass die Vorderwand (7), die Rückwand (5) und die Umfangswandung (9, 9') einen Innenraum (13) begrenzen, wobei die Vorderwand (7) eine Austrittsöffnung (25) aufweist, die in der Vorderwand (7) angeordnet ist, wobei an der Rückwand (5) auf der zu der Vorderseite weisenden Seite davon ein in einer Spitze (17) zusammenlaufender Stützkörper (15) vorgesehen ist, wobei die Spitze (17) auf einer sich senkrecht zur Rückwand (5) und durch die Austrittsöffnung (25) erstreckenden Langsachse (13) angeordnet und von der Vorderwand (7) beabstandet ist und wobei sich von der Spitze (17) ein Stift (21) senkrecht zur Rückwand (5) entlang der Längsachse (13) hin zu der Vorderwand (7) erstreckt, wobei das freie Ende (23) des Stifts (21) von der Vorderwand (7) beabstandet ist.Shown and described is an electron source (1, 1 ') for generating electron beams with a resonator body (3, 3') having a flat front wall (7) and a flat rear wall (5) spaced apart and parallel to each other, and a peripheral wall (9, 9 ') which extends circumferentially between the front wall (7) and the rear wall (5), so that the front wall (7), the rear wall (5) and the peripheral wall (9, 9') a Inner space (13) limit, wherein the front wall (7) has an outlet opening (25) which is arranged in the front wall (7), wherein on the rear wall (5) on the side facing the front side thereof in a tip (17 ) is arranged, wherein the tip (17) on a perpendicular to the rear wall (5) and through the outlet opening (25) extending longitudinal axis (13) and spaced from the front wall (7) and wherein from the tip (17) a pin (21) perpendicular to the rear wall (5) along the longitudinal axis (13) towards the front wall (7), the free end (23) of the pin (21) being spaced from the front wall (7).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronenquelle zur Erzeugung von Elektronenstrahlen. The present invention relates to an electron source for generating electron beams.
Grundsätzlich können Elektronenquellen ausgestaltet sein, um einen zeitlich konstanten oder einen gepulsten Elektronenstrahl zu erzeugen. Quellen, die einen zeitlich konstanten Elektronenstrahl erzeugen, werden dabei mit einer Gleichspannung betrieben, während diejenigen, die einen gepulsten Elektronenstrahl liefern, mit einer Hochfrequenzspannung versorgt werden können. In principle, electron sources can be designed to produce a temporally constant or a pulsed electron beam. In this case, sources producing a time-constant electron beam are operated with a DC voltage, while those supplying a pulsed electron beam can be supplied with a high-frequency voltage.
Elektronenquellen sollen grundsätzlich eine möglichst hohe Brillanz haben, d.h. die Zahl der Elektronen, die pro Zeit, pro Fläche, pro Winkelintervall und pro Energieintervall emittiert werden, soll möglichst groß werden. Die maximal erreichbare Brillanz einer Elektronenquelle wird durch den Feldgradienten in unmittelbarer Nähe der Kathode begrenzt, d.h. ein höherer Feldgradient erlaubt es, Strahlen mit höherer Brillanz zu erzeugen. In principle, electron sources should have the highest possible brilliance, i. The number of electrons emitted per time, per area, per angular interval and per energy interval should be as large as possible. The maximum achievable brilliance of an electron source is limited by the field gradient in the immediate vicinity of the cathode, i. a higher field gradient makes it possible to produce beams with higher brilliance.
Bei mit Gleichspannung betriebenen Elektronenquellen lässt sich jedoch nur ein Feldgradient von etwa 10 MV/m erreichen, während es bei Elektronenquellen, die mit einer Hochfrequenz versorgt werden, möglich ist, Feldgradienten im Bereich von 100 MV/m zu erreichen. Daher sind mit Hochfrequenz versorgte Elektronenquellen grundsätzlich interessanter. However, with DC powered electron sources, only a field gradient of about 10 MV / m can be achieved, while for electron sources powered by a radio frequency it is possible to achieve field gradients in the region of 100 MV / m. Therefore, high frequency supplied electron sources are generally more interesting.
Nachteile von konventionellen, mit Hochfrequenz versorgten Elektronenquellen sind die sehr hohen Kosten und der große technische Aufwand, der zur Erzeugung der Hochfrequenz betrieben werden muss. Zum Betrieb einer solchen Elektronenquelle werden ein Modulator und ein Klystron benötigt, die eine gepulste Hochfrequenzleistung im Bereich von 10 MW erzeugen. Disadvantages of conventional, supplied with high frequency electron sources are the very high cost and the great technical effort that must be operated to generate the high frequency. To operate such an electron source, a modulator and a klystron are required, which produce a pulsed high frequency power in the range of 10 MW.
Dieser hohe Aufwand ist insbesondere dann nicht gerechtfertigt, wenn die Energie der zur Anwendung kommenden Elektronen relativ gering bleiben soll. Das technische Problem, Elektronen mit Energien im Bereich von 50–100 keV am Ausgang der Quelle zu erzeugen, und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass im Bereich der Kathode der Quelle ein hinreichend großer Feldgradient ansteht, der für die notwendige Brillanz sorgt, wobei die hierfür benötigte Hochfrequenzleistung soweit reduziert wird, dass diese von einem Hochfrequenzverstärker bereitgestellt werden kann, konnte bisher nicht zufriedenstellend gelöst werden. This high cost is not justified in particular if the energy of the applied electrons should remain relatively low. The technical problem of producing electrons with energies in the range of 50-100 keV at the output of the source, and at the same time to ensure that in the region of the cathode of the source a sufficiently large field gradient is present, which provides the necessary brilliance needed high-frequency power is reduced so far that it can be provided by a high-frequency amplifier, could not be satisfactorily resolved.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektronenquelle bereitzustellen, die auch bei niedrigen Elektronenenergien im Bereich von 50 bis 100 keV eine ausreichende Brillanz liefert und die mit einem Hochfrequenzverstärker betrieben werden kann. Therefore, it is the object of the present invention to provide an electron source which provides sufficient brilliance even at low electron energies in the range of 50 to 100 keV and which can be operated with a high-frequency amplifier.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Elektronenquelle mit einem Resonanzkörper, der eine ebene Vorderwand und eine ebene Rückwand aufweist, die voneinander beabstandet und zueinander parallel verlaufen, und der eine Umfangswandung aufweist, die umlaufend zwischen der Vorderwand und der Rückwand verläuft, sodass die Vorderwand, die Rückwand und die Umfangswandung einen Innenraum begrenzen, wobei die Vorderwand eine Austrittsöffnung aufweist, die in der Vorderwand angeordnet ist, wobei an der Rückwand auf der zu der Vorderseite weisenden Seite davon ein in einer Spitze zusammenlaufender Stützkörper vorgesehen ist, wobei die Spitze auf einer sich senkrecht zur Rückwand und durch die Austrittsöffnung erstreckenden Längsachse angeordnet und von der Vorderwand beabstandet ist und wobei sich von der Spitze ein Stift senkrecht zur Rückwand entlang der Längsachse hin zu der Vorderwand erstreckt, wobei das freie Ende des Stifts von der Vorderwand beabstandet ist. According to the invention, this object is achieved by an electron source having a resonator body having a planar front wall and a flat rear wall which are spaced apart and parallel to each other and which has a peripheral wall extending circumferentially between the front wall and the rear wall so that the front wall, the rear wall and the peripheral wall defining an interior space, the front wall having an outlet opening arranged in the front wall, wherein on the rear wall on the side facing the front side of a converging in a tip support body is provided, wherein the tip on a arranged perpendicular to the rear wall and through the outlet opening extending longitudinal axis and spaced from the front wall and extending from the tip of a pin perpendicular to the rear wall along the longitudinal axis towards the front wall, wherein the free end of the pin is spaced from the front wall.
Bei der erfindungsgemäßen Elektrodenquelle bildet das freie Ende des Stifts die Kathode, an der die Elektronen austreten, wobei im Rahmen der Erfindung an der Spitze des Stifts auch eine Schicht eines besonders geeigneten Materials aufgebracht sein kann. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Ferner ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass beispielsweise in der Vorderwand neben der Austrittsöffnung noch eine Eintrittsöffnung vorgesehen, durch die ein Laserstrahl auf die Spitze des Stifts gerichtet werden kann, um dort ggf. zu vorgegebenen Zeitpunkten Elektronen auszulösen. In the case of the electrode source according to the invention, the free end of the pin forms the cathode on which the electrons emerge, and in the context of the invention a layer of a particularly suitable material can also be applied to the tip of the pin. But this is not mandatory. Furthermore, it is possible in the context of the present invention that, for example, in the front wall next to the outlet opening also provided an inlet opening through which a laser beam can be directed to the tip of the pen, where appropriate, to trigger electrons at predetermined times.
Des Weiteren begrenzen bei der erfindungsgemäßen Elektronenquelle die Umfangswandung sowie die Vorder- und die Rückwand den Innenraum, wobei unter dem Begriff "begrenzen" im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht zu verstehen ist, dass der Innenraum, mit Ausnahme der Austrittsöffnung, dicht abgeschlossen ist. Vielmehr ist unter "begrenzen" zu verstehen, dass die Vorder- und die Rückwand sowie die Umfangswandung lediglich eine Begrenzung bilden, die den Innenraum von der Umgebung räumlich abtrennen, sodass es im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt, wenn in der Vorder- oder Rückwand oder der Umfangswandung Öffnungen, Spalte oder Schlitze vorgesehen sind. Furthermore, in the case of the electron source according to the invention, the peripheral wall as well as the front and rear walls bound the interior, wherein the term "limit" in the sense of the present invention does not mean that the interior, with the exception of the outlet opening, is sealed. Rather, "limit" is to be understood that the front and the rear wall and the peripheral wall merely form a boundary, which spatially separate the interior of the environment, so that it is within the scope of the present invention, if in the front or rear wall or the peripheral wall openings, gaps or slots are provided.
Überraschenderweise hat sich nun bei der erfindungsgemäßen Elektronenquelle gezeigt, dass mit einem Stift mit einem die Kathodenspitze bildenden freien Ende, der auf einem spitz zulaufenden Stützkörper, der sich von der Rückwand hin zur Vorderwand erstreckt, ein außerordentlich günstiger Feldverlauf erreicht werden kann. Insbesondere kann auch bei niedrigen Spannungen, die zu Elektronenenergien im Bereich von 50 bis 100 keV führen, eine sehr hohe Brillanz des Strahls erreicht werden. Surprisingly, it has now been found in the electron source according to the invention that with a pin with a cathode tip forming the free end, which extends on a tapered supporting body extending from the rear wall to the front wall, an extremely favorable field profile can be achieved. In particular, can Even at low voltages, which lead to electron energies in the range of 50 to 100 keV, a very high brilliance of the beam can be achieved.
Vorzugsweise ist der Stützkörper als ein Konus und insbesondere als ein Kegel ausgebildet, was dazu führt, dass sich in dem von der Vorderwand, der Rückwand und der Umfangswandung begrenzten Hohlkörper oder Resonator ein symmetrischer Feldverlauf ausbildet. Preferably, the support body is formed as a cone and in particular as a cone, which results in that forms in the bounded by the front wall, the rear wall and the peripheral wall hollow body or resonator, a symmetrical field profile.
In weiter bevorzugter Weise ist der Stützkörper derart angeordnet, dass seine in der zur Vorderwand weisenden Oberfläche der Rückwand verlaufende Grundfläche beabstandet von der Umfangswandung ist. Dies hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, um im Bereich des freien Endes des Stifts den erforderlichen hohen Feldgradienten zu erreichen. In a further preferred manner, the support body is arranged such that its in the front wall facing the surface of the rear wall extending base surface is spaced from the peripheral wall. This has proved to be particularly advantageous in order to achieve the required high field gradient in the region of the free end of the pin.
Des Weiteren kann der Stift entlang seiner Länge einen kreisförmigen Querschnitt haben, was zu einer hohen Symmetrie im Innenraum des Resonators führt. Furthermore, the pin can have a circular cross section along its length, which leads to a high symmetry in the interior of the resonator.
Ferner ist es bevorzugt, wenn der Stift an dessen freiem Ende eine Erweiterung aufweist, weil so die Abmessungen senkrecht zur Längsrichtung des Stifts im Bereich der Erweiterung größer sind als im übrigen Bereich des Stifts. Eine derartige Erweiterung führt zu einer Erhöhung des Feldgradienten gerade im Bereich des freien Endes des Stifts. Furthermore, it is preferred if the pin has an extension at its free end, because the dimensions perpendicular to the longitudinal direction of the pin in the area of the extension are thus larger than in the remaining area of the pin. Such an extension leads to an increase of the field gradient just in the area of the free end of the pen.
Insbesondere kann der Querschnitt der Erweiterung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Stifts größer sein als die Austrittsöffnung, insbesondere größer als die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung. In particular, the cross-section of the extension perpendicular to the extension direction of the pin can be larger than the outlet opening, in particular larger than the cross-sectional area of the outlet opening.
Schließlich ist es zur Erhöhung der Symmetrie des Resonators bevorzugt, wenn sowohl die Vorderwand als auch die Rückwand kreisförmig verlaufen und die Umfangswandung ebenfalls einen kreisförmigen Verlauf hat. Finally, it is preferable to increase the symmetry of the resonator when both the front wall and the rear wall are circular and the peripheral wall also has a circular shape.
Des Weiteren kann sich die Umfangswandung zwischen der Vorderwand und der Rückwand erstrecken, sodass die Umfangswandung die Vorderwand und die Rückwand miteinander verbindet. In diesem Fall wird durch die Vorder- und die Rückwand sowie die Umfangswandung der Innenraum abgeschlossen und lediglich Öffnungen in der Vorder- oder Rückwand sowie der Umfangswandung erlauben einen Zugang zu dem Innenraum. Furthermore, the peripheral wall may extend between the front wall and the rear wall so that the peripheral wall connects the front wall and the rear wall. In this case, the interior is completed by the front and the rear wall and the peripheral wall and only openings in the front or rear wall and the peripheral wall allow access to the interior.
Alternativ ist es aber auch möglich, dass in der Umfangswandung oder zwischen der Umfangswandung und der Vorderwand oder zwischen der Rückwand und der Umfangswandung ein umlaufender Spalt vorgesehen ist. In diesem Fall sind die Vorderwand und die Rückwand elektrisch gegeneinander isoliert, sodass auch eine Gleichspannung zwischen Vorder- und Rückwand zur Beschleunigung der Elektronen angelegt werden kann. Alternatively, it is also possible that a circumferential gap is provided in the peripheral wall or between the peripheral wall and the front wall or between the rear wall and the peripheral wall. In this case, the front wall and the rear wall are electrically insulated from each other, so that a DC voltage between the front and rear walls can be applied to accelerate the electrons.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Umfangswandung eine umlaufende Nut aufweist, die sich von dem Spalt weg in die Umfangswandung hinein erstreckt, sodass die Öffnung der Nut in einer Ebene senkrecht zur Längsachse verläuft. It is particularly preferred if the peripheral wall has a circumferential groove which extends away from the gap in the circumferential wall, so that the opening of the groove extends in a plane perpendicular to the longitudinal axis.
In diesem Fall bildet die Kombination des Spalts und der Nut eine sogenannte Choke-Filter-Anordnung. Diese Anordnung erlaubt, dass ein in den Innenraum eingekoppeltes Hochfrequenzfeld in diesem eingeschlossen bleibt, sofern die Abmessungen von Spalt und Nut in Bezug auf das jeweilige Hochfrequenzfeld richtig gewählt sind, die Vorderwand und die Rückwand jedoch elektrisch voneinander isoliert sind. Dies wiederum kann dazu genutzt werden, dass zwischen Vorderwand und Rückwand und damit zwischen der Kathode und der Vorderwand zusätzlich eine Gleichspannung angelegt wird, um beispielsweise Elektronen daran zu hindern, aus der Kathode auszutreten, sofern nicht ein Laserpuls auf die Kathode auftrifft. In this case, the combination of the gap and the groove forms a so-called choke-filter arrangement. This arrangement allows an RF field coupled to the interior to be confined therein, provided the gap and groove dimensions are properly selected with respect to the RF field, but the front and rear walls are electrically isolated from each other. This, in turn, can be used to additionally apply a DC voltage between the front wall and rear wall and thus between the cathode and the front wall in order, for example, to prevent electrons from escaping from the cathode unless a laser pulse impinges on the cathode.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung erläutert, wobei In the following, the present invention will be explained with reference to a drawing showing only preferred embodiments, wherein
Wie aus den
Wie des Weiteren aus den
Wie aus
Dies bedeutet, dass zwischen der Grundfläche
Außerdem zeigen
Das freie Ende
Schließlich ist das freie Ende
Wie weiter aus
Wie aus
Die Umfangswandung
Die Länge e des Stifts
Bei einem derartigen Aufbau ergibt sich bei einer Eingangsleistung von 10 kW der in
In
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich von der Rückwand
An die Spitze
Das zweite, in
Darüber hinaus ist die zu dem Spalt
In diesem Ausführungsbeispiel bildet die Kombination des Spalts
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DE102016105443.7A DE102016105443B4 (en) | 2016-03-23 | 2016-03-23 | Method for generating electron beams |
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Family Applications (1)
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3363961A (en) * | 1965-10-22 | 1968-01-16 | Rca Corp | Cathode arrangement of an electron microscope for reducing the occurrence of virtualcathodes |
DE2355102B2 (en) * | 1973-11-03 | 1979-08-02 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh, 7500 Karlsruhe | Speed system |
DE3605735A1 (en) * | 1986-02-22 | 1986-10-30 | Holger Dr. 7400 Tübingen Hübner | Device for producing short electron pulses, ion pulses or X-ray pulses having high directionality |
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- 2016-03-23 DE DE102016105443.7A patent/DE102016105443B4/en active Active
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R012 | Request for examination validly filed | ||
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R082 | Change of representative |
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