DE3605735A1 - Vorrichtung zur erzeugung kurzer elektronen- ionen- oder roentgenimpulse mit hohem richtstrahlwert - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung kurzer elektronen- ionen- oder roentgenimpulse mit hohem richtstrahlwert

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DE3605735A1 DE19863605735 DE3605735A DE3605735A1 DE 3605735 A1 DE3605735 A1 DE 3605735A1 DE 19863605735 DE19863605735 DE 19863605735 DE 3605735 A DE3605735 A DE 3605735A DE 3605735 A1 DE3605735 A1 DE 3605735A1
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    • H01J35/065Field emission, photo emission or secondary emission cathodes

Description

  • Beschreibung
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Elektronenimpulse mit hohem Richtstrahlwert gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Unter Elektronenpulsen kurzer Dauer werden dabei Impulse mit einer Impulsbreite von weniger als 100 ps verstanden.
  • Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus "Electronics leiters", März 1965, Band 1, Seite 24 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird eine Feldemissionsspitze verwendet, an die Hochspannungs-Rechteckimpulse mit relativ niedriger Repetitionsrate angelegt werden.
  • Diese Vorrichtung hat damit zwar den Vorteil, daß die Stromdichte in einem Impuls hoch ist, aufgrund der kleinen Repetitionsrate der Impulse ist aber der mittlere Gesamtstrom vergleichsweise klein. Zudem weist diese bekannte Vorrichtung keine gute Konstanz des Emissionsstroms auf, da sich erstens die gepulste Hochspannung nicht gut regeln läßt und zweitens, im Interesse eines hohen Gesamtstroms die Spitze an der Grenze ihrer thermischen Belastbarkeit betrieben werden muß.
  • Deshalb ist in einer Reihe von Arbeiten vorgeschlagen worden, Elektronenpulse kurzer Dauer dadurch zu erzeugen, daß man den kontinuierlichen Elektronenstrahl einer thermischen Kathode zerhackt, indem man in über eine Blende wedelt. Hierzu wird beispielsweise auf "Gigahertz stroboscopy with the scanning electron microscope", T. Hosokawa et al, (Rev. Sci. Instrum., Band 49, Sept. 1978, Seite 1293 ff) oder auf Generation and Measurement of Subpicosecond electron beam pulses", T. Hosokawa et al, Rev. Sci.
  • Instrum., Band 49, März 19(8, Seite 624 ff verwiesen.
  • Die aus diesen Literaturstellen bekannten Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß der ohnehin kleine Richtstrahlwert der Glühkathode durch die Zerhackung weiter verkleinert wird, da nur ein kleiner Teil der kontinuierlich emittierten Elektronen zu dem gewünschten Impuls geformt wird. Zudem sind Vorrichtungen dieser Art relativ groß und damit anfällig gegen Vibrationen und elektromagnetischer Störfelder.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst kompakte Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Elektronenpulse mit hohem Richtstrahlwert zu schaffen, die Elektronenpulse mit hoher Repetitionsrate abgeben kann.
  • Diese Aufgabe kann überraschenderweise dadurch gelöst werden, daß von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen und diese Vorrichtung erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale weitergebildet wird. Erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß wird zur Erzeugung von Elektronenpulsen kurzer Dauer mit hohem Richtstrahlwert der Effekt der kalten Feldemission in Verbindung mit einem zeitlich variablen elektrischen Feld verwendet (Hochfrequenz Feldemissions-Kathode): Wird eine Metallspitze mit einem Spitzenradius von max.
  • wenigen 100 nm in ein elektrisches Feld gebracht, dann kommt es in unmittelbarer Umgebung der Spitze zu einer starken Feldüberhöhung. Das radiale Nahfeld der Spitze hat nur eine kurze Reichweite und geht nach wenigen 10 um stetig in das etwa 1000-mal schwächere Fernfeld über.
  • Ist das Feld zeitlich kontinuierlich variabel, so wird auch das Nahfeld mit der Zeitfunktion F(t) des zeitlich variablen Felds moduliert. Erfindungsgemäß wird nun das zeitlich variable elektrische Feld derart bemessen, daß kalte Feldemission lediglich im Bereich des Feldstärkemaximums erfolgt. Dabei wird die starke Feldstärkeabhängigkeit der Feldemission ausgenützt.
  • Zur Verringerung der Repitionsrate der Elektronenpulse ist es ferner möglich, das elektrische Feld durch "Schwebungen" zusätzlich so zu modulieren, daß bei einem Teil der Feldstärkemaximas keine Feldemission auftritt (Anspruch 1 O) .
  • Die erfindungsgemäße Verwendung eines kontinuierlich zeitabhängigen elektrischen Felds, das beispielsweise sinusförmig variiert und so bemessen ist, daß kalte Feldemission lediglich im Bereich des Feldstärkemaximums erfolgt, hat gegenüber der bekannten Verwendung von Hochspannungspulsen eine Reihe von Vorteilen: Infolge der starken Feldstärkeabhängigkeit des Feldemissionsstroms wird ein Großteil der Elektronen in einem Phasenbereich emittiert, der in einem engen Bereich (z.B. 10 bis 20 Grad) symmetrisch zum Feldstärkemaximum liegt.
  • Beispielsweise kann mit einer Frequenz des zeitlich variablen Felds von 14 GHz eine Impulsdauer von 4,5 ps erzielt werden, wenn das zeitlich variable Feld sinusförmig verläuft.
  • Die Frequenz des zeitlich variablen Felds ist damit im Vergleich zur Impulsdauer klein. Dies vereinfacht den elektronischen Aufwand, der zur Erzeugung des zeitlich variablen elektrischen Felds erforderlich ist.
  • Darüberhinaus hat die Verwendung eines zeitlich variablen Felds gegenüber der bekannten Verwendung von Hochspannungsimpulsen den Vorteil, daß sich das zeitlich variable elektrische Feld wesentlich einfacher genau regeln läßt als die Amplitude von (rechteckförmigen) Hochspannungspulsen.
  • Vor allem aber hat die Verwendung eines zeitlich variablen elektrischen Felds den Vorteil, daß man durch ein geeignetes Zusammenwirken des kurzreichweitigen sehr großen Nahfelds der Spitze und des langreichweitigen schwachen Fernfelds in Verbindung mit einer geeigneten Zeitfunktion des elektrischen Felds eine Geschwindigkeitsfokussierung der in diesem Feld emittierten und beschleunigten Elektronen erzielen kann: Die feldemittierten Elektronen werden im starken Nahfeld der Spitze sehr schnell beschleunigt. Sie verlassen das Nahfeld so rasch, daß, wenn die Frequenz des zeitlich variablen elektrischen Felds nicht zu hoch gewählt worden ist, sich die Zeitfunktion F(t) zwischenzeitlich nicht merklich geändert hat. Durch diese quasistatische Beschleunigung treten die Elektronen mit einer Geschwindigkeit VO in das Fernfeld ein, die im wesentlichen von der Feldstärke beim Zeitpunkt ihrer Emission und damit von der Phasenlage ihres Emissionszeitpunkts abhängt.
  • Wird die Frequenz des zeitlich variablen elektrischen Felds andererseits auch nicht zu niedrig gewählt, so wird die zeitliche Modulation des Felds für die Elektronen dann spürbar, wenn sie sich im schwachen (homogenen) Fernfeld befinden: die Geschwindigkeit der Elektronen wird dann nahezu sinusförmig um den Wert V moduliert, den sie beim 0 Eintritt in das Feldfeld hatten. Da VO aber von der Phasenlage des Emissionszeitpunkts abhängt, kann es bei geeigneter Abstimmung der geometrischen Abmessungen und der Frequenz dazu kommen, daß alle Elektronen an einem oder mehreren Orten r. nahezu die gleiche Geschwindigkeit haben. Fällt einer dieser Orte mit der Auskoppelbohrung im Resonatorboden zusammen, so verlassen alle Elektronen die Hochfrequenz-Feldemisslons-Kathode mit nahezu gleicher Energie, so daß eine Energie bzw. Geschwindigkeitsfokussierung erhalten wird. Beispielsweise läßt sich auf diese Weise bei einer mittleren Energie der Elektronen von ca.
  • 1300 eV eine Energiebreite von 3 eV erzielen.
  • Da die Energiebreite nicht auf einer stochastischen Energieverteilung der Elektronen beruht, sondern durch eine synchron zum Kathodenfeld auftretende Geschwindigkeitsmodulation der austretenden, im Kathodenfeld beschleunigten Elektronen verursacht wird, kann durch weitere Maßnahmen die Energiebreite weiter reduziert werden: hierzu läßt man die Elektronen nach . Austritt aus dem Kathodenfeld ein zweites, zeitlich variables elektrisches Feld durchlaufen, das synchron zum Kathodenfeld variiert. In diesem Korrekturfeld können die synchron zum Kathodenfeld auftretenden Energieschwankungen der Elektronen durch Nachbeschleunigung bzw. -verzögerung ausgeglichen werden.
  • Beispielsweise kann das Korrekturfeld durch einen hinter dem Resonator angeordneten Hohlleiter realisiert werden.
  • Läßt man das Korrekturfeld auf der gleichen oder einem Vielfachen der Resonatorfrequenz schwingen und stimmt man die Phasenlage und Amplitude geeignet ab, so kann man eine Energiebreite von weniger als 1 eV erzielen.
  • Dabei kann zusätzlich zwischen Hohlleiter und Resonator ein statisches E-Feld angelegt werden, um eine gewünschte Endenergie der Elektronen zu erhalten oder um eine abbildende elektrostatische Linse zu realisieren.
  • Der divergente Strahl der Feldemissionsspitze kann auch dadurch fokussiert werden, daß die Hochfrequenz-Feldemis sions-Kathode mit einer geeignet dimensionierten Magnetlinse kombiniert wird.
  • Das Korrekturfeld kann ferner so abgeglichen werden, daß an einem festen, frei wählbaren Ort hinter der Kathode die Dauer der kurzen Elektronenpulse optimiert wird.
  • Wenn die Repetitionsrate der Impulse wesentlich schneller ist als die thermische Zeitkonstante der Metallspitze, so kann bei gleicher thermischer Belastung die gleiche Stromdichte emittiert werden wie im statischen Fall. Diese Bedingung ist bereits bei Frequenzen oberhalb von 10 MHz erfüllt. Weiterhin wird die Emissionscharakteristik von der Beschleunigung im quasistatischen Nahfeld der Spitze bestimmt und ist daher zumindest für axiale Strahlen identisch mit der von Gleichfeldemittern. Somit entspricht der Richtstrahlwert der erfindungsgemäßen Anordnung dem bekannt hohen Richtstrahlwert der Gleichfeld-Feldemissions-Kathoden und liegt damit um mehrere Größenordnungen über dem Richtstrahlwert von thermischen Elektronenquellen mit Zerhackern oder gepulsten Feldemissionsquellen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Elektronenpulse kann auch - wie in den Ansprüchen 11-13 angegeben ist - dazu verwendet werden, kurze Röntgenpulse oder lonenpulse zu erzeugen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen: Fig. la einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Elektronenimpulse mit hohem Richtstrahlwert, Fig. 1b vergrößert die Spitze, aus der die Elektronen emittiert werden, und Fig. 2 eine Weiterbildung der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung.
  • Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die einen rotationssymmetrischen Resonator 1 aufweist, der mit einem Stempel 2 kapazitiv belastet ist, so daß zwischen dem Stempel 2 und dem gegenüberliegenden Resonatorboden 3 ein Spalt 4 entsteht. In diesem Spalt 4 verlaufen die elektrischen Feldlinien axial, wenn der Resonator in transversalmagnetischen Moden angeregt wird. In Figur 1a bzw. 1b sind die Äquipotentiallinien im Zeitpunkt maximaler Feldstärke angedeutet.
  • Hat der Resonator 1 einen Durchmesser von typischer 30 mm und eine Höhe von 13 mm, und der Stempel 2 einen Durchmesser von 8 mm sowie eine Länge von 10 mm, so liegt eine typische Resonanzfrequenz bei 14 GHz.
  • In das axiale elektrische Feld in dem Spalt 4 ragt eine Nadel 5, die beispielsweise aus einem polykristallinen Wolframdraht mit einem Durchmesser von 0,25 mm bestehen kann. Die Nadel 5 wird von einer Spannzange 6 gehalten und ist galvanisch leitend mit dem Stempel 2 verbunden, sowie in einer Führung 7 so angebracht, daß sie axial verschiebbar und an jedem gewünschten Ort fixierbar ist.
  • Das in den Spalt 4 ragende Ende der Nadel 5 ist elektrochemisch zu einer Feldemissionsspitze 12 (Figur 1b) geätzt, deren Krümmungsradius R ca. 100 nm beträgt.
  • Der Resonator 1 wird über einen Hohlleiter 8 mit Hochfrequenzenergie versorgt, die eine große Frequenz- und Amplitudenstabilität besitzt. Dazu wird ein Teil der in dem Resonator 1 gespeicherten Hochfrequenzenergie über den Hohlleiter 9 ausgekoppelt und je einem Frequenz- und Amplitudenregelkreis zugeführt.
  • Die Abmessungen der Koppelbohrung 10 für die eingespeiste Hochfrequenzenergie ist so gewählt, daß sich ein Koppelfaktor nahe 1, d. h. maximale Leistungsanpassung zwischen Generator und Resonator ergibt; bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt beispielsweise der Durchmesser der Koppelbohrung 10 2 mm bei einer Wandstärke von 0,5 mm zwischen Hohlleiter und Resonatorraum bei einem supraleitendem Niobresonator.
  • Die Koppelbohrung 11 für das ausgekoppelte Signal wird kleiner gehalten, um dem Resonator nicht unnötig viel Energie zu entziehen. Bei einem Durchmesser der Bohrung 11 von etwa 1,2 mm erhält man bei gleicher Wandstärke einen Koppelfaktor von wesentlich kleiner als 1.
  • Das hochfrequente axiale elektrische Feld im Spalt 4 (Resonatorfeld) hat zwei Aufgaben: Erstens werden durch die hohe Feldüberhöhung an der Oberfläche der Spitze 12 Elektronen emittiert, wenn die Spitze auf negativem Potential gegenüber dem Resonatorboden 3 liegt und die Feldstärke an der Spitzenoberfläche ca. 2 GV/m beträgt.
  • Zweitens werden die Elektronen nach der Emmission durch das im Resonatorspalt vorhandene Fernfeld beschleunigt.
  • Nachdem die Elektronen den Spalt durchflogen haben, treten sie durch die im Boden angebrachte Bohrung 13 aus dem Resonator aus. Die Maße der Bohrung 13 sind so gewählt, daß an dieser Stelle keine Hochfrequenz aus dem Resonator abgestrahlt werden kann. Dies wird zudem dadurch unterstützt, daß bei den angeregten transve-rsalmagnetischen Moden die Magnetfeldlinien rotationssymmetrisch zur Resonatorachse verlaufen und auf der Achse verschwinden.
  • Daher werden durch die Bohrung 13 keine Wandströme unterbrochen, wie dies bei den Koppelbohrungen 10 und 11 in der Wand im Inneren des Resonators 1 geschieht.
  • Ferner ist im feldfreien Bereich am äußeren Ende der Bohrung 13 eine Blende 14 vorgesehen, um die Apertur des Strahls zu begrenzen.
  • Im folgenden soll die durch die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung erzielte Energiefokussierung erläutert werden: Mit den vorstehend angegebenen typischen Abmessungen erhält man als transversalmagnetische Resonanzfrequenz ca.
  • 14 GHz. Das elektrische Feld enthält keinen Gleichfeldanteil. Durch die starke Feldstärkeabhängigkeit des Feldemissionsstroms werden ca. 2/3 aller Elektronen in einem Phasenbereich von etwa 16 Grad symmetrisch zu dem Maximum der Zeitfunktion, d. h. zum Maximum der elektrischen Feldstärke an der Oberfläche der Spitze 12 emittiert. Die so definierte "natürliche" Impulsdauer beträgt bei 14 GHz etwa 4,5 ps.
  • Die emittierten Elektronen werden im starken Nahfeld der Spitze rasch beschleunigt und verlassen es in wenigen Pikosekunden, in denen sich die Zeitfunktion praktisch nicht geändert hat. Nach dieser quasi-statischen Beschleunigung haben die Elektronen eine Geschwindigkeit V von ca. 2 x 10 m/s. Mit dieser Geschwindigkeit treten sie in das schwache und ausgedehnte Fernfeld, d. h. in das elektrische Feld im Resonatorspalt 4 ein.
  • Im schwachen Fernfeld wird die Geschwindigkeit der Elektronen durch die sinusförmig oszillierende Feldstärke nahezu sinusförmig um den Wert VO herum moduliert. Da VO von der Phasenlage des Emissionzeitpunktes abhängt, erreicht man durch geeignete Abstimmung von Feldstärke und Frequenz, daß an einem bestimmten Ort alle Elektronen nahezu die gleiche Geschwindigkeit haben.
  • Durch axiales Verschieben der Spitzenposition im Spalt, gegeben durch den Abstand p der Spitze vom Resonatorboden, kann man erreichen, daß dieser Ort in die Austrittsblende 14 fällt. Damit verlassen alle Elektronen den Resonator mit minimaler Energiebreite. Diese beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ca. 3 eV bei einer Gesamtenergie von 1300 eV.
  • Bei einer Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Fig. 2 wird die synchron zum beschleunigenden Hochfrequenzfeld des Resonators auftretende Geschwindigkeitsmodulation (und damit Energieunschärfe) der Elektronen dadurch kompensiert, daß die Elektronen nach Verlassen des Resonators ein zweites Hochfrequenzfeld mit axialer E-Feldkomponente durchfliegen. Hierzu wird ein Teil der frequenz- und amplitudenstabilisierten Hochfrequenz des Resonatorfeldes einem Phasenschieber zugeführt. Mit diesem wird die Phasenlage des des Korrekturfelds relativ zum Resonatorfeld im Bereich zwischen 0 und 360 Grad eingestellt. Das Signal wird anschließend einem zweiten Leistungsverstärker zugeführt und an den Hohlleiter 15 angelegt. Dieser Hohlleiter kann auch als sogenannter Steghohl leiter ausgeführt werden, damit die Elektronen nur kurze Zeit im Korrekturfeld verweilen und nicht durch mehrere Schwingungen der Hochfrequenz beeinflußt werden.
  • Durch das hinter dem Resonator angeordnete Hochfrequenz-Korrekturfeid kann die Energiebreite der Elektronen auf weniger als 1 eV gesenkt werden.
  • Bei einer anderen Einstellung von Phasenlage und Amplitude des Korrekturfeldes kann die zeitliche Dauer der Elektronenpulse komprimiert werden. Bei der beispielhaften Anordnung läßt sich die "natürliche" Pulsdauer von 4,5 ps bei optimaler Einstellung des Korrekturfeldes auf weniger als 1 ps reduzieren.
  • - Leerseite -

Claims (13)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Elektronen-, Ionen- oder Röntgenimpulse mit hohem Richtstrahlwert Patentansprüche 3. Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Elektronenpulse, bei der die Elektronen durch kalte Feldemission emittiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung kurzer Elektronenpulse mit hohem Richtstrahlwert das elektrische Feld zeitlich kontinuierlich variabel und derart bemessen ist, daß kalte Feldemission aus der als feine Metallspitze ausgebildeten Elektronenquelle lediglich im Bereich des Feldstärkemaximums erfolgt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die feine Metallspitze in der Achse eines zylindersymmetrischen Resonators längs verschieblich angeordnet ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (1) zusätzlich mit einem Stempel (2) kapazitiv derart belastet ist, daß zwischen dem Stempel (2) und dem Resonatorboden (3) ein axialer Spalt gebildet ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle mit dem Stempel galvanisch leitend verbunden ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie in den Resonator (1) mittels eines Hohlleiters einkoppelbar ist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Optimierung der Länge der Elektronenpulse die Elektronen ein zusätzliches zeitlich variables elektrisches Feld durchlaufen.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Optimierung der Energiebreite der emittierten Elektronen die Elektronen ein zusätzliches zeitlich variables elektrisches Feld durchlaufen.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des zusätzlichen elektrischen Feldes in Austrittsrichtung der Elektronen nach dem Resonator ein Steghohlleiter vorgesehen ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlleiter das elektrische Feld erzeugt.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Repitionsrate der zeitliche Verlauf des elektrischen Felds Schwebungen aufweist.
  11. 11. Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Ionenpulse, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Ionenpulsen mit hohem Richtstrahlwert eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer Gasatmosphäre betrieben wird, die aus Atomen entsprechend der gewünschten lonensorte besteht.
  12. 12. Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Röntgenpulse, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Röntgenpulsen mit hohem Richtstrahlwert die Elektronen aus einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 auf eine geeignete Anode fokussiert sind.
  13. 13. Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Ionenpulse, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Ionenpulsen mit hohem Richtstrahlwert die feine Metallspitze einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 mit Atomen der gewünschten Ionensorte benetzt und die Spitze zudem geheizt wird.
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