DE102016105443B4

DE102016105443B4 - Method for generating electron beams

Info

Publication number: DE102016105443B4
Application number: DE102016105443.7A
Authority: DE
Inventors: Klaus Flöttmann
Original assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Current assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2019-04-25
Anticipated expiration: 2036-03-24
Also published as: DE102016105443A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Elektronenstrahlen mit einer Elektronenquelle (1, 1') aufweisend
einen Resonanzkörper (3), der eine ebene Vorderwand (7) und eine ebene Rückwand (5) aufweist, die voneinander beabstandet und zueinander parallel verlaufen, und der eine Umfangswandung (9) aufweist, die umlaufend zwischen der Vorderwand (7) und der Rückwand (5) verläuft, sodass die Vorderwand (7), die Rückwand (5) und die Umfangswandung (9) einen Innenraum (11) 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 Längsachse (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,
wobei eine Hochfrequenz, vorzugsweise im Bereich von 3 GHz, in den Innenraum (11) eingekoppelt wird und
wobei Laserpulse auf das freie Ende (23) des Stifts (21) gesandt werden.

A method of generating electron beams having an electron source (1, 1 ')
a resonator body (3) having a planar front wall (7) and a flat rear wall (5) spaced from each other and parallel to each other and having a peripheral wall (9) circumferentially between the front wall (7) and the rear wall (5) extends, so that the front wall (7), the rear wall (5) and the peripheral wall (9) define an interior space (11),
the front wall (7) having an outlet opening (25) arranged in the front wall (7), a support body (15) converging in a point (17) on the rear wall (5) on the front side thereof. is provided,
the tip (17) being disposed on a longitudinal axis (13) extending perpendicularly to the rear wall (5) and through the outlet opening (25) and spaced from the front wall (7), and
a pin (21) extending from the tip (17) perpendicular to the rear wall (5) along the longitudinal axis (13) towards the front wall (7), the free end (23) of the pin (21) extending from the front wall (21). 7) is spaced,
wherein a high frequency, preferably in the range of 3 GHz, is coupled into the interior space (11) and
wherein laser pulses are sent to the free end (23) of the pen (21).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Elektronenstrahlen.The present invention relates to a method of 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 responsible for providing 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.

Bei den in den 1 und 2 der US 3 363 961 A dargestellten Elektronenquellen handelt es sich um Gleichspannungsquellen, die mit einer thermischen Kathode arbeiten. Die Kathode wird über die Zuführungen elektrisch geheizt. Die DE 36 05 735 A1 und die DE 23 55 102 B2 beschreiben eine Hochfrequenz-Elektronenquelle, die mit Feldemission arbeitet, um Elektronen freizusetzen.In the in the 1 and 2 the US 3,363,961 A. illustrated electron sources are DC sources that operate with a thermal cathode. The cathode is heated electrically via the feeders. The DE 36 05 735 A1 and the DE 23 55 102 B2 describe a high frequency electron source that works with field emission to release electrons.

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von Elektronenstrahlen bereitzustellen, das auch bei niedrigen Elektronenenergien im Bereich von 50 bis 100 keV eine ausreichende Brillanz liefert und das mit einem Hochfrequenzverstärker betrieben werden kann.Therefore, it is the object of the present invention to provide a method for producing electron beams, 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 ein Verfahren zur Erzeugung von Elektronenstrahlen gemäß Anspruch 1 mit einer 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 a method for producing electron beams according to claim 1 having an electron source with a resonator body having a flat front wall and a flat rear wall, spaced from each other and parallel to each other, and having a peripheral wall, the circumferentially between the Front wall and the rear wall extends, so that the front wall, the rear wall and the peripheral wall defining an interior, wherein the front wall has an outlet opening disposed in the front wall, wherein on the rear wall on the front side facing thereof a converging in a tip Support body is provided, wherein the tip is arranged on a perpendicular to the rear wall and extending through the outlet opening longitudinal axis and spaced from the front wall and wherein from the top of a pin perpendicular to the rear wall along the longitudinal axis towards the front wall ers stretched, wherein the free end of the pin is spaced from the front wall.

Bei der Elektrodenquelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 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 ist, 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 for carrying out the method according to the invention, the free end of the pin forms the cathode, at which the electrons emerge, whereby within the scope of the invention a layer of a particularly suitable material can 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, an inlet opening is provided, 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 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, the peripheral wall as well as the front and the rear wall 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 Elektronenquelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 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 case of the electron source for carrying out the method according to the invention that an extremely favorable field profile can be achieved with a pin having a free end forming the cathode tip, which extends on a pointed supporting body which extends from the rear wall to the front wall , In particular, 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

1 eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Elektronenquelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist,
2 eine die Abmessungen zeigende Querschnittsansicht der Elektronenquelle aus 1 ist,
3 eine vergrößerte Darstellung des Stifts der Elektronenquelle aus den 1 und 2 ist,
4 eine schematische Darstellung eines Elektronenstrahlsystems mit einer Elektronenquelle gemäß dem in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist,
5 eine graphische Darstellung des Feldgradienten entlang der Längsachse als Funktion des Abstands vom freien Ende des Stifts ist und
6 eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Elektronenquelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.

In the following, the present invention will be explained with reference to a drawing showing only preferred embodiments, wherein

1 a cross-sectional view of a first embodiment of an electron source for carrying out the method according to the invention,
2 a dimensionally showing cross-sectional view of the electron source 1 is
3 an enlarged view of the pin of the electron source from the 1 and 2 is
4 a schematic representation of an electron beam system with an electron source according to the in the 1 to 3 illustrated first embodiment,
5 is a graphical representation of the field gradient along the longitudinal axis as a function of the distance from the free end of the pen and
6 a cross-sectional view of a second embodiment of an electron source for carrying out the method according to the invention shows.

Wie aus den 1 und 2 hervorgeht, umfasst das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel einer Elektronenquelle 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen Resonanzkörper 3, der eine kreisförmig ausgebildete Rückwand 5 sowie eine ebenfalls kreisförmig ausgebildete parallel zur Rückwand 5 verlaufende Vorderwand 7 aufweist. Die Abmessungen, also der jeweilige Durchmesser, der Vorder- und der Rückwand 7, 5 sind identisch, und zwischen den beabstandet verlaufenden Vorder- und Rückwänden 7, 5 verläuft umlaufend um die Rückwand 5 und die Vorderwand 7 eine Umfangswandung 9. Damit begrenzen die Rückwand 5, die Vorderwand 7 und die Umfangswandung 9 einen Innenraum oder Resonatorvolumen 11, das symmetrisch zu einer Längsachse 13 ausgebildet ist. Die Längsachse 13 erstreckt sich dabei durch den Mittelpunkt der Rückwand 5 und der Vorderwand 7 und senkrecht sowohl zur Rückwand 5 als auch zur Vorderwand 7. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Umfangswandung 9 zwischen der Vorderwand 7 und der Rückwand 5, sodass die Umfangswandung 9 die Vorderwand 7 und die Rückwand 5 auch miteinander verbindet und der Innenraum 13 gegenüber der Umgebung durch die Rück- und die Vorderwand 5, 7 sowie die Umfangswandung 9 abgeschlossen ist. Dabei ist es allerdings denkbar, dass die Umfangswandung 9 parallel zur Längsachse 13 verlaufende Schlitze aufweist, die die elektrischen Eigenschaften des Resonators 3 in Hinblick auf eine eingekoppelte Hochfrequenz nicht beeinträchtigen, aber ermöglichen, dass im Innenraum 11 ein hinreichend gutes Vakuum erreicht wird.Like from the 1 and 2 As can be seen, the first preferred embodiment comprises an electron source 1 for carrying out the method according to the invention a resonance body 3 , which has a circular back wall 5 and a likewise circular trained parallel to the rear wall 5 running front wall 7 having. The dimensions, ie the respective diameter, the front and the rear wall 7 . 5 are identical, and between the spaced-apart front and rear walls 7 . 5 runs circumferentially around the back wall 5 and the front wall 7 a peripheral wall 9 , This limits the back wall 5 , the front wall 7 and the peripheral wall 9 an interior or resonator volume 11 that is symmetrical to a longitudinal axis 13 is trained. The longitudinal axis 13 extends through the center of the back wall 5 and the front wall 7 and perpendicular to both the back wall 5 as well as to the front wall 7 , In this embodiment, the peripheral wall extends 9 between the front wall 7 and the back wall 5 so that the peripheral wall 9 the front wall 7 and the back wall 5 also connects with each other and the interior 13 opposite the environment through the back and the front wall 5 . 7 and the peripheral wall 9 is completed. However, it is conceivable that the peripheral wall 9 parallel to the longitudinal axis 13 having extending slots, the electrical properties of the resonator 3 in terms of a coupled high frequency does not affect, but allow that in the interior 11 a sufficiently good vacuum is achieved.

Wie des Weiteren aus den 1 und 2 zu erkennen ist, erstreckt sich von der Rückwand 5 ein Stützkörper 15 ins Innere des Resonanzkörpers 3, wobei der Stützkörper 15 entfernt von der Rückwand 5 in einer Spitze 17 zusammenläuft. In dem hier gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Elektronenquelle 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Stützkörper 15 als kreissymmetrischer Konus oder Kegel ausgebildet. Es sind aber auch andere Ausführungsformen als dieser hier beschriebene Kegel denkbar, solange diese in einer Spitze zusammenlaufen.As further from the 1 and 2 can be seen extends from the back wall 5 a supporting body 15 inside the resonator 3 , wherein the supporting body 15 away from the back wall 5 in a tip 17 converges. In the preferred embodiment of an electron source shown here 1 for carrying out the method according to the invention is the support body 15 designed as a circularly symmetrical cone or cone. But there are also other embodiments than this cone described here conceivable, as long as they converge in a tip.

Wie aus 1 und 2 auch zu erkennen ist, ist der Stützkörper 15 derart an der Rückwand 5 angeordnet, dass die Grundfläche 19 des Stützkörpers 15 von der Umfangswandung 9 beabstandet ist. Die Grundfläche 19 ist diejenige Fläche des Stützkörpers 15, mit der dieser an der Rückwand 5 anliegt bzw. die den Stützkörper 15 in der Ebene derjenigen Oberfläche der Rückwand 5 schneidet, die zum Resonatorvolumen 11 weist.How out 1 and 2 can also be seen, is the support body 15 like that on the back wall 5 arranged that the base area 19 of the support body 15 from the peripheral wall 9 is spaced. The base area 19 is that surface of the support body 15 with this on the back wall 5 rests or the support body 15 in the plane of that surface of the back wall 5 cuts that to the resonator volume 11 has.

Dies bedeutet, dass zwischen der Grundfläche 19 und der Umfangswandung 9 ein kreisringförmiger ebener Abschnitt der Rückwand 5 verbleibt.This means that between the footprint 19 and the peripheral wall 9 an annular flat portion of the rear wall 5 remains.

Außerdem zeigen 1 und 2, dass sich an die Spitze 17 des Stützkörpers 15 ein sich geradlinig entlang der Längsachse 13 erstreckender Stift 21 anschließt, der in diesem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel einen kreisförmigen Querschnitt hat und in 3 im Detail dargestellt ist.In addition, show 1 and 2 that to the top 17 of the support body 15 a straight line along the longitudinal axis 13 extending pen 21 connects, which has a circular cross-section in this preferred embodiment described here and in 3 is shown in detail.

Das freie Ende 23 des Stifts 21 liegt einer Austrittsöffnung 25 gegenüber, die mittig in der Vorderwand 7 ausgebildet ist. Daher liegt die Austrittsöffnung 25 auf der sich durch den Stift 21 erstreckenden Längsachse 13. Allerdings ist das freie Ende 23 des Stifts 21 von der Vorderwand 7 und damit der Austrittsöffnung 25 beabstandet. Neben der Austrittsöffnung ist in der Vorderwand 7 noch eine Eintrittsöffnung 26 vorgesehen, durch die ein von einer nicht dargestellte Laserquelle erzeugter Laserstrahl auf das freie Ende 23 des Stifts 21 gerichtet werden kann, um dort gezielt Elektronen auszulösen. Zu diesem Zweck ist es auch möglich, dass das freie Ende 23 des Stifts 21 aus speziellem Material gebildet ist oder eine entsprechende Beschichtung aufweist.The free end 23 of the pen 21 lies an exit opening 25 opposite, the middle in the front wall 7 is trained. Therefore, the outlet is located 25 on the way through the pen 21 extending longitudinal axis 13 , However, that's the free end 23 of the pen 21 from the front wall 7 and thus the outlet opening 25 spaced. Next to the outlet is in the front wall 7 another entrance opening 26 provided by the one generated by a laser source, not shown, laser beam to the free end 23 of the pen 21 can be directed to trigger specific electrons there. For this purpose it is also possible that the free end 23 of the pen 21 is formed of special material or has a corresponding coating.

Schließlich ist das freie Ende 23 des Stifts 21 mit einer Erweiterung 27 versehen, wie dies aus 3 hervorgeht. Dabei ist die Erweiterung 27 derart bemessen, dass deren Abmessungen senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Stifts 21 sowie senkrecht zur Längsachse 13 größer sind als die Abmessungen der Austrittsöffnung 25. Wie ferner aus 3 hervorgeht, hat die Erweiterung 27 in der Ebene der Längsachse 13 einen halbkreisförmigen Querschnitt, so dass die Erweiterung 27 sich ringförmig mit halbkreisförmigem Querschnitt um den Stift 21 herum erstreckt.Finally, the free end 23 of the pen 21 with an extension 27 provided, like this 3 evident. Here is the extension 27 dimensioned such that their dimensions perpendicular to the extension direction of the pin 21 as well as perpendicular to the longitudinal axis 13 are larger than the dimensions of the outlet opening 25 , As further out 3 shows, the enlargement has 27 in the plane of the longitudinal axis 13 a semicircular cross-section, so the extension 27 annular with semicircular cross-section around the pin 21 extends around.

Wie weiter aus 4 hervorgeht, kann die zuvor beschriebene Elektronenquelle 1 derart betrieben werden, dass eine Hochfrequenz vorzugsweise im Bereich von 3 GHz mit Hilfe einer Koppelantenne 29 in den Innenraum 11 eingekoppelt wird, wobei das von einem Hochfrequenzgenerator 31 erzeugte Signal zunächst mit einem Verstärker 33 verstärkt wird. Außerdem werden mittels einer nicht dargestellten Laserquelle Laserpulse durch die Eintrittsöffnung auf das freie Ende 23 des Stifts 21 gesandt, wobei die Laserpulse in geeigneter Weise mit der Hochfrequenz synchronisiert sind.How farther 4 As can be seen, the electron source described above 1 be operated such that a high frequency preferably in the range of 3 GHz by means of a coupling antenna 29 in the interior 11 is coupled, which by a high-frequency generator 31 generated signal first with an amplifier 33 is reinforced. In addition, by means of a laser source, not shown, laser pulses through the inlet opening to the free end 23 of the pen 21 sent, wherein the laser pulses are synchronized in a suitable manner with the high frequency.

Wie aus 2 hervorgeht, sind die Abmessungen des hier beschriebenen bevorzugten ersten Ausführungsbeispiels der Elektronenquelle 1 derart gewählt, dass der Durchmesser a der Rückwand 5 bzw. der Vorderwand 7 a = 80 mm beträgt.How out 2 As can be seen, the dimensions of the preferred first embodiment described herein are the electron source 1 chosen such that the diameter a of the rear wall 5 or the front wall 7 a = 80 mm.

Die Umfangswandung 9 hat eine Breite von b = 65 mm, und die Grundfläche 19 des Stützkörpers 15 hat einen Durchmesser c = 60 mm. Dabei ist die Spitze des Stützkörpers 15 von der Grundfläche 19 um d = 35 mm beabstandet.The peripheral wall 9 has a width of b = 65 mm, and the base area 19 of the support body 15 has a diameter c = 60 mm. This is the tip of the support body 15 from the base 19 spaced by d = 35 mm.

Die Länge e des Stifts 21 beträgt e = 17 mm, und dessen Durchmesser D (siehe 3) ist D = 1,6 mm. Schließlich ist der Radius R der Erweiterung 27 so gewählt, dass R = 0,25 mm ist.The length e of the pen 21 e = 17 mm, and its diameter D (see 3 ) D = 1.6 mm. Finally, the radius R of the extension 27 chosen so that R = 0.25 mm.

Bei einem derartigen Aufbau ergibt sich bei einer Eingangsleistung von 10 kW der in 5 dargestellte Verlauf des Feldgradienten, und man kann erkennen, dass sich im Bereich des freien Endes 23 des Stifts 21 sehr hohe Feldgradienten im Bereich von 80 MV/m ergeben, wenn eine Hochfrequenz im Bereich von 3 GHz in die Elektronenquelle 1 eingekoppelt wird, wie dies bereits unter Bezug auf 4 erläutert worden ist.In such a structure results in an input power of 10 kW of in 5 shown course of the field gradient, and you can see that in the area of the free end 23 of the pen 21 very high field gradients in the range of 80 MV / m result when a high frequency in the range of 3 GHz in the electron source 1 is coupled, as already described with reference to 4 has been explained.

In 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Elektronenquelle 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, die ebenfalls einen Resonanzkörper 3 aufweist, der eine Rückwand 5 sowie eine Vorderwand 7 umfasst, zwischen denen eine umlaufende Umfangswand 9 einen Innenraum begrenzt.In 6 is a second embodiment of an electron source 1 for carrying out the method according to the invention, which also has a resonant body 3 which has a back wall 5 as well as a front wall 7 includes, between which a circumferential peripheral wall 9 an interior limited.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich von der Rückwand 5 ein Stützkörper 15 ins Innere des Resonanzkörpers 3, der entfernt von der Rückwand 5 in einer Spitze zusammenläuft. Auch hier ist der Stützkörper 15 als kreissymmetrischer Konus oder Kegel ausgebildet, und die Grundfläche 19 des Stützkörpers 15 ist von der Umfangswandung 9 beabstandet, sodass zwischen der Grundfläche 19 und der Umfangswandung 9 ein kreisringförmiger ebener Abschnitt der Rückwand 5 verbleibt.Also in this embodiment extends from the rear wall 5 a supporting body 15 inside the resonator 3 that is removed from the back wall 5 converges in a spike. Again, the support body 15 designed as a circularly symmetrical cone or cone, and the base surface 19 of the support body 15 is from the peripheral wall 9 spaced so that between the base 19 and the peripheral wall 9 an annular flat portion of the rear wall 5 remains.

An die Spitze des Stützkörpers 15 schließt sich ein sich geradlinig entlang der Längsachse 13 erstreckender Stift 21 an, der wiederum einen kreisförmigen Querschnitt hat mit einer Erweiterung am freien Enden 23 davon, wobei die Erweiterung ähnlich der ausgebildet ist, die bei dem Stift des ersten Ausführungsbeispiels vorgesehen ist. Auch bei diesen Ausführungsbeispiel liegt das freie Ende 23 des Stifts 21 der Austrittsöffnung 25 in der Vorderwand 7 gegenüber, wobei die Austrittsöffnung 25 mittig auf der Längsachse 13 in der Vorderwand 7 ausgebildet ist. Zusätzlich zur Austrittsöffnung 25 ist in der Vorderwand 7 noch eine Eintrittsöffnung 26 vorgesehen, durch die Laserpulse auf das freie Ende 23 des Stifts 21 eingestrahlt werden können.To the top of the support body 15 closes in a straight line along the longitudinal axis 13 extending pen 21 in turn, which has a circular cross-section with an extension at the free ends 23 thereof, wherein the extension is formed similar to that provided in the pin of the first embodiment. Also in this embodiment is the free end 23 of the pen 21 the outlet opening 25 in the front wall 7 opposite, the outlet opening 25 centered on the longitudinal axis 13 in the front wall 7 is trained. In addition to the outlet opening 25 is in the front wall 7 another entrance opening 26 provided by the laser pulses on the free end 23 of the pen 21 can be irradiated.

Das zweite, in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass zwischen der Umfangswandung 9 einerseits und der Vorderwand 7 andererseits ein umlaufender Spalt 35 vorgesehen ist, während die Umfangswand 9 mit der Rückwand 5 entlang von deren Kante fest verbunden ist. Dadurch ist die Vorderwand 7 von der Umfangswandung 9 getrennt, und es besteht insbesondere keine elektrische Verbindung zwischen beiden, sodass neben der Hochfrequenz noch eine Gleichspannung an die Kombination aus der Umfangswandung 9 und die Rückwand 5 angelegt werden kann.The second, in 6 illustrated embodiment differs from that with reference to the 1 to 4 described first embodiment in that between the peripheral wall 9 on the one hand and the front wall 7 on the other hand, a circumferential gap 35 is provided while the peripheral wall 9 with the back wall 5 along the edge is firmly connected. This is the front wall 7 from the peripheral wall 9 separated, and in particular there is no electrical connection between the two, so that in addition to the high frequency nor a DC voltage to the combination of the peripheral wall 9 and the back wall 5 can be created.

Darüber hinaus ist die zu dem Spalt 35 und der Vorderwand 7 weisende Kante 37 der Umfangswandung derart ausgebildet, dass die Umfangswandung 9 eine umlaufende Nut 39 aufweist, die sich von dem Spalt 35 parallel zu der Längsache 13 weg in die Umfangswandung 9 hinein erstreckt, sodass die Öffnung der Nut 39 in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 13 verläuft.In addition, the to the gap 35 and the front wall 7 pointing edge 37 the peripheral wall is formed such that the peripheral wall 9 a circumferential groove 39 that extends from the gap 35 parallel to the longitudinal axis 13 away in the peripheral wall 9 extends into it, so that the opening of the groove 39 in a plane perpendicular to the longitudinal axis 13 runs.

In diesem Ausführungsbeispiel bildet die Kombination des Spalts 35 mit der Nut 39 eine sogenannte Choke-Filter-Anordnung, die es erlaubt, dass ein in den Innenraum eingekoppeltes Hochfrequenzfeld in diesem eingeschlossen bleibt, sofern die Abmessungen von Spalt 35 und Nut 39 in Bezug auf das jeweilige Hochfrequenzfeld richtig gewählt sind. Darüber hinaus sind die Vorderwand 7 und die Rückwand 5 jedoch elektrisch voneinander isoliert, was dazu genutzt werden kann, dass zwischen Vorderwand 7 und Rückwand 5 und damit zwischen der Kathode und der Vorderwand 7 zusätzlich eine Gleichspannung angelegt wird.In this embodiment, the combination of the gap forms 35 with the groove 39 a so-called choke-filter arrangement, which allows a coupled into the interior RF field is trapped in this, provided the dimensions of gap 35 and groove 39 are chosen correctly with respect to the respective high frequency field. In addition, the front wall 7 and the back wall 5 however, electrically isolated from each other, which can be used to that between front wall 7 and back wall 5 and thus between the cathode and the front wall 7 in addition a DC voltage is applied.

Claims

Method for producing electron beams with an electron source (1, 1 ') comprising a resonator body (3) which has a flat front wall (7) and a flat rear wall (5) which are spaced apart from each other and parallel to each other, and which has a peripheral wall ( 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) define an interior space (11), 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) converging support body (15) is provided, wherein the Tip (17) arranged 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 a pin (21) extending from the tip (17) perpendicular to the rear wall (5) along the longitudinal axis (13) towards the front wall (7), the free end (23) of the pin (21) extending from the front wall (21). 7), wherein a high frequency, preferably in the range of 3 GHz, is coupled into the interior space (11) and wherein laser pulses are transmitted to the free end (23) of the pin (21).

Method according to Claim 1 , wherein the laser pulses are synchronized with the high frequency.

Method according to Claim 1 or 2 wherein the laser pulses are sent through an entrance opening (26).

Method according to one of Claims 1 to 3 , wherein the support body (15) is formed as a cone and in particular as a cone.

Method according to one of Claims 1 to 4 , wherein in the front wall (7) facing side of the rear wall (5) extending base surface (19) of the support body (15) spaced from the peripheral wall (9).

Method according to one of Claims 1 to 5 wherein the pin (21) has a circular cross-section along its length.

Method according to one of Claims 1 to 6 wherein the pin (21) at its free end (23) has an extension (27) whose cross-section perpendicular to the extension direction of the pin (21) is greater than the cross-section of the pin (21) between the extension (27) and the tip of the support body (25).

Method according to Claim 7 , wherein the cross section of the extension (27) perpendicular to the extension direction of the pin (21) is greater than the outlet opening (25).

Method according to one of Claims 1 to 8th , wherein the front wall (7) and the rear wall (5) are circular.

A method according to any one of the preceding claims, wherein the peripheral wall (9) extends between the front wall (7) and the rear wall (5) such that the peripheral wall (9) interconnects the front wall (7) and the rear wall (5).

Method according to one of Claims 1 to 9 , wherein in the peripheral wall or between the peripheral wall (9) and the front wall (7) or between the rear wall (5) and the peripheral wall (9) a circumferential gap (35) is provided.

Method according to Claim 11 wherein the peripheral wall (9) has a circumferential groove (39) extending from the gap (35) into the peripheral wall (9) such that the opening of the groove (39) is in a plane perpendicular to the longitudinal axis (13) ,