DE3833604A1

DE3833604A1 - Gepulste teilchenquelle auf der basis schnell umpolarisierbarer ferroelektrika

Info

Publication number: DE3833604A1
Application number: DE19883833604
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Riege; Hartmut Dipl Phys Gundel; Konstantin Dr Zioutas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-10-03
Filing date: 1988-10-03
Publication date: 1990-04-05

Description

Die Erfindung betrifft eine Quelle für gepulste Teilchenstrahlen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Anwendung von Teilchenstrahlen in Wissenschaft und Technik ist weit verbreitet. Als Beispiele seien Elektronenstrahlen zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen in Senderöhren, Magnetrons, Klystrons, Röntgenröhren und freien Elektronenlasern genannt. In Beschleunigern werden Elektronenstrahlen zu wissenschaftlichen Zwecken und zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung benutzt. Zu erwähnen ist auch die Anwendung in der Materialbearbeitung zum Schweißen, Schneiden und Bohren. Elektronen sind zudem ein ausgezeichnetes Mittel zur Vorionisierung von Gaslasern (z. B. Excimerlaser) und anderen Gasentladungen (z. B. Hochleistungsniederdruckgasschalter).

Ionenstrahlen werden in Beschleunigern für wissenschaftliche und medizinische Zwecke (z. B. zur Bestrahlung von Tumoren) eingesetzt. Technische Anwendungen von Ionenstrahlen sind die Isotopenherstellung, die Leicht- und die Schwerionenfusion. Bei der Trägheitsfusion in Tokomaks werden Ionen in Neutralstrahlen umgewandelt, mit deren Hilfe des Fusionsplasma aufgeheizt wird.

Eine der herkömmlichen Methoden der Elektronenstrahlerzeugung stützt sich auf die Extraktion von festen Oberflächen, die negativ aufgeladen werden (Kathode). Der Zieheffekt des äußeren elektrischen Feldes wird unterstützt durch Aufheizen der Oberfläche (Thermoionische Emission) oder über die lichtelektrische Anregung durch Beschuß mit kurzwelligem Licht (von Lasern oder Blitzlampen) oder durch Kombination der beiden letzteren Effekte. Die genannten Arten der Elektronenerzeugung werden entscheidend durch die Potentialverteilung an der Oberfläche des Festkörpers beeinflußt. In Fig. 1a ist z. B. die elektrische Potentialverteilung für einen metallischen Leiter (CO) gezeigt. Es ist bei der Emission eine Potentialschwelle oder Austrittsarbeit W von etwa 1 bis 10 eV (materialabhängig) zu überwinden, wenn die Elektronen aus dem Leitungsband (CB) kommen. Demzufolge müssen hohe elektrische Ziehfelder kombiniert mit hohen Oberflächentemperaturen oder empfindliche (Photokathoden-) Materialien mit niedriger Austrittsarbeit eingesetzt werden. Die erzielbaren Strahlstromdichten und Emittanzen werden dadurch entscheidend beeinträchtigt. Außerdem ist die Verwendung von Hochvakuum (Druck unter 10^-9 mbar) nötig, da sonst die Gasadsorption die Austrittsarbeit erhöht. Dies gilt speziell für Photokathoden, aus denen heute maximal unter Laserbestrahlung 500 A/cm² extrahiert werden können.

Eine zweite Methode der Elektronenstrahlerzeugung ist ihre Extraktion aus einem Niederdruckplasma. Als Beispiel sei die Pseudofunkenquelle genannt (Patentschrift DE 28 04 393 C2). Mit dieser Quelle können 30 bis 40 keV Elektronenstrahlen mit Stromdichten von 10⁵ A/cm² und Emittanzen von 10^-6 mrad erzielt werden. Die Anwendbarkeit dieser Anordnung ist beschränkt, da eine Weiterbeschleunigung dieser Elektronenstrahlen bis heute nicht gelungen ist.

Als letzte Methode sei die Feldemission von Elektronen, z. B. im Feldemissionselektronenmikroskop, zitiert.

Auch Ionen werden normalerweise aus einem Niederdruckplasma oder einer Bogenentladung mittels eines Ziehfeldes abgesaugt. Die hohe Masse der Ionen führt jedoch zu einer großen Stahlemittanz, d. h. zu einer schlechten Brillianz. Auch die Stromdichten liegen niedriger als bei Elektronen.

Es besteht ein erhebliches Interesse in allen der genannten Anwendungsbereiche, die Intensität (Stromdichte) und Qualität (Emittanz) der Teilchenquellen zu verbessern. Bei den konventionellen Methoden ist der weitere Fortschritt durch die Amplituden der anwendbaren elektrischen Felder, die verträglichen Oberflächentemperaturen, sowie beim Photoeffekt durch die Quantenausbeute und die Oberflächenempfindlichkeit beschränkt. Eine Methode, die nicht durch die Existenz einer Potentialschwelle an der Oberfläche behindert ist, kann deswegen größenordnungsmäßige Verbesserungen bringen.

Die Erfindung betrifft weder eine Teilchenquelle, die nach dem Prinzip der Teilchenextraktion aus Oberflächen über eine Potentialschwelle hinweg arbeitet, noch eine Quelle, bei der die Teilchen alleinig aus einem ionisierten Gasvolumen abgesaugt werden. Der Erfindung liegt vielmehr ein Verfahren zugrunde, welches Teilchenemission von der Oberfläche ferroelektrischer Materialien ermöglicht, ohne daß eine Austrittsarbeit zu leisten ist. Allgemeine Verfahren dieser Art sind in der nationalen Patentanmeldung, Registriernummer 88 08 636, am INPI, Paris, Frankreich, niedergelegt. Die Erfindung definiert Anordnungen, die gepulste Teilchenstrahlung für die beschriebenen Anwendungszwecke erzeugen können. Ein ferroelektrischer Körper polarisiert elektrisch spontan auch ohne Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes (siehe z. B. Monograph on Physics: "Principles and Applications of Ferroelectrics and Related Materials", M.E. Lines and A.M. Glass, Clarendon Press, Oxford, 1977). Sowohl bei Einkristallen als auch bei vierkristallinem Material (z. B. Perovskitkeramik) kann die mittlere spontane Polarisation in einer bestimmten Richtung, z. B. senkrecht zur Oberfläche des Körpers erzeugt werden (linker Teil von Fig. 1b). Die Polarisation - ist gekoppelt mit einer gleichgroßen Oberflächenladungsdichte, dargestellt durch die fetten Plus- und Minuszeichen in Fig. 1b. Die bei Ferroelektrika (FE) auftretenden Ladungsdichten sind so hoch, daß sofortige Neutralisation durch äußere und innere Ladungsträger (z. B. Elektronen SE oder Elektronenlöcher SH) auftritt. Die Bindungsenergie A von Elektronen an die Oberfläche ist in diesem Fall erheblich geringer als die Austrittsarbeit W bei Photokathoden oder Metallen.

Gelingt es nun, die Polarisation schnell umzukehren, so werden die Abschirmladungen SE und SH momentan freigesetzt. Ohne von einer Potentialschwelle behindert zu sein, stoßen sich die Abschirmelektronen sozusagen selbst von der Oberfläche ab, während die andere Seite des FE sich durch Elektroneninjektion von außen auf den neuen Polarisationszustand einstellen kann (Fig. 1c). Die tatsächlich zur Verfügung stehenden Polarisationsladungsdichten können bei manchen Ferroelektrika mehrere 10¹⁴ Elementarladungen pro cm² betragen, entsprechend 10 bis 100 µC/cm². Die erreichbare Emissionsstromdichte hängt von der Zeit ab, in der Polarisationsumkehr bewerkstelligt werden kann. Bei Subnanosekunden-Umkehr werden Stromdichten von 10⁵ A/cm² erzielt.

Die schnelle -Umkehr wird am besten durch Anlegen eines elektrischen Hochspannungspulses mit kurzer Anstiegszeit erreicht. Die Amplitude des dadurch im FE erzeugten Feldes muß die Koerzitivfeldstärke unter Gleichspannungsbedingungen mindestens um einen Faktor 3 übersteigen. Je schneller die Anstiegszeit desto kürzer wird der emittierte Teilchenpuls und desto höher seine Stromdichte. Typische Feldstärkenwerte für die Umkehr im Nanosekundenbereich liegen über 100 kV/cm. Da der Mechanismus der -Umkehr die vorherige Entfernung eines Teiles der Abschirmladungen SE und SH durch das äußere Feld über Elektroden auf der Oberfläche erfordert, Metallelektroden jedoch die Emission behindern, ist auf der emittierenden Seite des FE eine für die Ladungsträger teilweise durchlässige Elektrode zu verwenden. Dies kann durch eine Gitterelektrode beliebiger Form (z. B. Lochgitter, Streifengitter), deren leitenden Teile zusammenhängen, bewerkstelligt werden. Mit derartigen Elektroden gelingt die -Umkehr ohne Behinderung der Teilchenemission. Der ursprüngliche Polarisationszustand muß vor dem nächsten Emissionsakt wiederhergestellt werden. Dies kann durch Umkehrung des äußeren elektrischen Feldes in die entsprechende Richtung geschehen. Außerdem müssen die Schirmladungen, welche die Quelle für den nächsten Emissionspuls darstellen, wieder bereitgestellt werden, sei es durch Oberflächenkriechströme, durch Kompensation aus einem umgebenden Plasma oder Niederdruckgas oder durch Ladungsdiffusion aus dem Inneren des Ferroelektrikums heraus.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Emissionsstromdichten um zwei Größenordnungen höher als in herkömmlichen Teilchenquellen erzeugt werden können. Dies gilt besonders für die Elektronenquellen. Die Emission kann ohne Anlegen eines äußeren elektrischen Ziehfeldes bewerkstelligt werden. Anders als bei konventionellen Quellen erfordert die der Erfindung zugrundeliegende Anordnung kein Hochvakuum. Der Wirkungsgrad der Umwandlung von äußerer Feldenergie in Polarisationsenergie und dann in Teilchenstrahlenenergie liegt nahe bei 1. Sekundäreffekte, wie Erhitzung oder Zerstörung des Oberflächenmaterials sind daher klein und erlauben den Betrieb mit hoher Pulsfrequenz. Wegen der sehr schnellen Umpolarisierbarkeit von FE-Material (in weniger als 1 nsec) sind sehr kurze Emissionspulse erzielbar. Die verwendbaren Materialien, entweder Einkristalle oder vielkristalline Keramiken aus FE, sind generell unempfindlich und erheblich haltbarer als gewöhnliches Photokathodenmaterial. Die Verwendung eines raumladungsneutralisierenden Niederdruckplasmas auf der Emissionsseite des FE-Körpers ermöglicht die Produktion eines Teilchenstrahls mit sehr niedriger Emittanz. Dies wird unterstützt durch die niedrige Oberflächentemperatur, welche die transversale Geschwindigkeitsverteilung des Teilchenstrahls und damit seine Emittanz bestimmt.

Die Verwendung verschiedener geometrischer Formen des FE- Körpers und geeigneter Strahlblenden gestattet nicht nur die Emission eines einzelnen axialen Strahls vom gewünschten Querschnitt, sondern auch die Erzeugung von multiplen Parallelstrahlen, sowie von Strahlen mit Querschnitten beliebiger Art, z. B. Hohlstrahlen. Großflächige FE-Schichten können zur homogenen Volumenvorionisierung, z. B. in Gaslasern und Gasschaltern verwendet werden. Die Dicke der FE-Schichten errechnet sich aus den zur schnellen Polarisationsumkehr nötigen elektrischen Feldern. Je dünner das FE- Material umso geringer ist die kinetische Anfangsenergie mit der die emittierten Teilchen die Oberfläche verlassen.

Im folgenden werden zwei Anordnungen näher beschrieben, welche das obige Prinzip jeweils in etwas verschiedener Art und mit verschiedener Zielsetzung realisieren. Beide Anordnungen arbeiten nach dem Schema von Fig. 2 und sollen Elektronen emittieren.

Die erste Anordnung besteht aus einer Anode (A), z. B. auch ein Gitter, und einem scheibenförmigen FE-Körper, dessen Gitterelektrode die Kathode des Systems bildet (G _p). G _p liegt auf einem negativen Potential -HV, wird jedoch durch einen hohen Serienwiderstand R _B gegen -HV blockiert. Auch die andere Elektrode des FE liegt auf negativer Spannung, jedoch um etwa 10% höher als das Gitter G _p. Der Potentialverlauf ist durch die einfachen Linien in Fig. 2 wiedergegeben. Dadurch wird die zur Emission nötige Vorpolarisation erzeugt. Der mit der rückwärtigen FE-Elektrode verbundene Kondensator C _s, welcher den elektrischen Schaltkreis schließt, muß genügend Ladungen zum Abziehen der Schirmladungen auf dem FE-Körper speichern.

Die Gitterelektrode auf der Emissionsseite der FE-Scheibe wird nun mit Hilfe eines schnellen Schalters auf das Potential der Anode A gebracht. Der Schalter FS kann z. B. durch eine Niederdruckgasentladung in einer Zeit von 2 bis 10 nsec realisiert werden. Während das Potential von G _p auf jenes von A ansteigt (siehe Doppellinien rechts in Fig. 2), bleibt das Potential auf der Rückseite von FE stationär. Das Feld über FE erreicht in wenigen Nanosekunden mehr als 100 kV/cm entgegengesetzt zum ursprünglichen Feld. Die Umpolung setzt schlagartig ein und führt zu einer explosionsartigen Elektronenemission von dem freien Anteil der FE- oberfläche. Die Raumladungskompensation durch das Entladungsplasma und die geringe Oberflächentemperatur ermöglichen die Emission eines Strahls mit niedriger Emittanz. Durch ein zusätzliches externes Ziehfeld können die Strahlbedingungen weiter dem Anwendungszweck angepaßt werden. Diese Anordnung eignet sich besonders zur Erzeugung von dichten Elektronenstrahlen hoher Brillianz für die Injektion in Beschleuniger, Mikrowellen- und Röntgenröhren, etc. Bei der zweiten Anordnung wird die Gasentladungsstrecke durch einen externen Schalter, z. B. einen Hochspannungs- Transistor ersetzt. Die erforderliche Spannung zum Vorpolarisieren wird wieder durch die Wahl der FE-Schichtdicke bestimmt. Das Potential der FE-Gitterelektrode kann aber auch durch einen Hochspannungspuls auf das Potential von A gebracht werden, z. B. durch Einkoppeln über einen Pulstrenntransformator. Bei FE-Schichten mit weniger als 5 mm Dicke läßt sich mit Spannungen von wenigen hundert Volt eine flächenhaft homogene Elektronenemission zum Triggern von Hochleistungsgasschaltern oder zum Vorionisieren von Excimer- und anderen Gaslasern erzeugen.

Bei entsprechender Vorpolarisierung kann man mit beiden oben beschriebenen Anordnungen auch Ionenemission erzeugen, wenn auch mit geringerem Wirkungsgrad als im Fall von Elektronen. Die Potentialverteilung vor dem Emissionsakt hat dabei der für Elektronen gültigen genau entgegengesetzt zu sein. Durch Auswahl eines Ferroelektrikums mit hoher Austrittsarbeit wird bei der Vorpolung die Emission von Elektronen, welche die spontane Polarisation des FE kompensieren, behindert. Ein Plasma auf der Seite des Gitters G _p, welches diejenige Ionenart enthält, die zur Emission gelangen soll, ist die Basis für die teilweise Kompensation der negativen Oberflächenladung mit positiven Ionen.

Den höchsten Wirkungsgrad unter allen Ionenquellen erreicht dabei die Protonenquelle mit einem hochionisiertem Wasserstoffplasma. Auch die Ionen erreichen durch Raumladungsbeschleunigung genügend Energie, um die Plasmazone durchqueren zu können. Außerhalb davon kann eine Weiterbeschleunigung auf beliebig hohe Energien erfolgen.

Claims

1. Gepulste Teilchenquelle mit hoher Strahlintensität und geringer Emittanz, bestehend aus einem ferroelektrischen Medium, welches beidseitig gegenüberliegende Elektroden trägt, von denen die auf der Emissionsseite liegende teilweise durchbrochen sein muß und einem elektrischen Schaltkreis, welcher einerseits die richtige Vorpolarisierung des Mediums, andererseits seine schnelle Polarisationsumkehr herbeiführt, gekennzeichnet dadurch, daß

a) die durch die Vorpolarisierung gebundenen Abschirmladungen austrittsarbeitsfrei bei der Umkehr der spontanen Polarisation des Ferroelektrikums durch einen externen Hochspannungspuls freigesetzt und emittiert werden,
b) die Umpolarisierung durch den äußeren Hochspannungspuls in einem Zeitintervall unter 100 Nanosekunden stattfindet, wobei der Hochspannungspuls entweder induktiv oder kapazitiv eingekoppelt wird, oder durch eine Kurzschlußschaltung auf das Potential einer entgegengesetzt geladenen Elektrode gebracht wird.

2. Gepulste Teilchenquelle nach Anspruch 1, bestehend aus einem Ferroelektrikum mit durchbrochener Gitterelektrode, welche sich entweder mit Hochvakuum oder mit einem Niederdruckgas oder -plasma in Kontakt befinden kann, gekennzeichnet dadurch, daß

a) die Teilchen des emittierten Strahls Elektroden sind,
b) je nach Elektrodenform (die der Oberflächenform des Ferroelektrikums entsprechen muß) und nach Wahl von geeigneten Strahlblenden gebündelte Einzel- oder Mehrfachstrahlen mit beliebigem Querschnitt emittiert werden.

3. Gepulste Elektronenquelle nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß

a) der ferroelektrische Körper eine flächenmäßig große Schicht von verhältnismäßig geringer Dicke (unter 1 mm) ist,
b) eine breitflächige, homogene Elektronenabstrahlung mit verhältnismäßig geringer kinetischer Energie (von etwa 100 Volt bis zu einige Kilovolt) erzeugt wird, die sich gut zum Vorionisieren größerer Gasvolumina eignet,
c) anstelle einer beschleunigenden Ziehelektrode eine Abbremselektrode verwendet wird, um die kinetische Energie der emittierten Elektronen in den für Gasionisation günstigsten Bereich zu bringen.

4. Gepulste Teilchenquelle nach Anspruch 1, bestehend aus einem ferroelektrischen Körper, dessen eine Seite mit einer durchbrochenen Elektrode versehen ist, die sich mit einem speziellen, hochionisierten Niederdruckplasma in Kontakt befinden muß, gekennzeichnet dadurch, daß

a) die Teilchen des emittierten Strahls Ionen sind, wobei die Erzeugung von Protonenstrahlen aus einem Wasserstoffplasma den größten Wirkungsgrad besitzt,
b) die Ionenstrahlen durch eine äußere Zieh- oder Bremselektrode energetisch zur Weiterbeschleunigung oder zur direkten Verwendung (z. B. Ionenimplantation in Halbleitern) vorbereitet werden.