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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung kurzer
Elektronenimpulse mit hohem Richtstrahlwert gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Unter Elektronenpulsen kurzer Dauer werden dabei Impulse mit einer
Impulsbreite von weniger als 100 ps verstanden.
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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.
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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.
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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.
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Instrum., Band 49, März 19(8, Seite 624 ff verwiesen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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1300 eV eine Energiebreite von 3 eV erzielen.
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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.
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Beispielsweise kann das Korrekturfeld durch einen hinter dem Resonator
angeordneten Hohlleiter realisiert werden.
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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.
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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.
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Der divergente Strahl der Feldemissionsspitze kann auch dadurch fokussiert
werden, daß die Hochfrequenz-Feldemis sions-Kathode mit einer geeignet dimensionierten
Magnetlinse kombiniert wird.
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Das Korrekturfeld kann ferner so abgeglichen werden, daß an einem
festen, frei wählbaren Ort hinter der Kathode die Dauer der kurzen Elektronenpulse
optimiert wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zweitens werden die Elektronen nach der Emmission durch das im Resonatorspalt
vorhandene Fernfeld beschleunigt.
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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.
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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.
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Ferner ist im feldfreien Bereich am äußeren Ende der Bohrung 13 eine
Blende 14 vorgesehen, um die Apertur des Strahls zu begrenzen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Durch das hinter dem Resonator angeordnete Hochfrequenz-Korrekturfeid
kann die Energiebreite der Elektronen auf weniger als 1 eV gesenkt werden.
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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.
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