WO2010084020A1 - Method and assembly for generating an electron beam - Google Patents

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WO2010084020A1
WO2010084020A1 PCT/EP2010/000398 EP2010000398W WO2010084020A1 WO 2010084020 A1 WO2010084020 A1 WO 2010084020A1 EP 2010000398 W EP2010000398 W EP 2010000398W WO 2010084020 A1 WO2010084020 A1 WO 2010084020A1
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cathode
grid
plasma
anode
laser
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PCT/EP2010/000398
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Jochen Wüppen
Peter RUSSBÜLDT
Dieter Hoffmann
Torsten Mans
Michael Strotkamp
Rolf Wester
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J3/02—Electron guns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
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    • H01J37/06—Electron sources; Electron guns
    • H01J37/075—Electron guns using thermionic emission from cathodes heated by particle bombardment or by irradiation, e.g. by laser
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/06—Cathode assembly

Definitions

  • Cathode electrons are coupled out through the grid from the plasma and accelerated by applying a further electrical voltage between the grid and the anode, the decoupled electrons in the direction of the anode.
  • the invention also relates to an arrangement which is designed for the implementation of the method. The method and arrangement thus generally relate to the field of electron sources based on the emission of free electrons from a plasma.
  • Such electron sources can be used in many technical fields in which electron beams are needed, for example for the generation of X-radiation.
  • thermal cathodes are often used. They are suitable especially for DC (DC) operation.
  • control gratings are used which regulate the emission of the electrons by switching on or off the field strength required for the exit of the electrons.
  • the cathode For pulsed operation, however, the cathode must also be supplied with a heating current during the pulse pauses.
  • the control grid has a decisive influence on the field distribution and thus on the electron orbits.
  • both pulsed and DC also plasma hollow cathodes are used, in which the electrons are decoupled from the plasma.
  • the required plasma is generated by a gas discharge.
  • ferroelectrics can also serve as electron emitters.
  • an external field is quickly applied against the direction of polarization in the ferroelectric material.
  • the resulting Felduberhohungen at the edge surfaces are sufficient to lift electrons energetically over the work function.
  • these electron sources are only suitable for pulsed operation.
  • the object of the present invention is to provide a method and an arrangement for generating an electron beam, which can be used without problems even in the high vacuum and ultra-high vacuum range and enable both DC operation and electron beam pulses with pulse durations in the sub- ⁇ s range.
  • the proposed electron source is based on the emission of electrons from a laser-induced discharge plasma.
  • a plasma is generated in an area adjacent to the cathode and the grid.
  • the plasma is generated by focusing laser pulses on a surface of the cathode.
  • an electrical voltage between the grid and the cathode electrons are decoupled from the plasma through the grid and by applying a further electrical voltage between the grid and the anode, the decoupled electrons are then accelerated in the direction of the anode. If the electron beams outside the arrangement continue to be used, the electron beam can, for example, pass through a hole in the anode and be supplied for further use.
  • the anode represents the X-ray target on which the electrons impinge to produce the X-rays.
  • the arrangement designed for carrying out the method accordingly comprises a cathode and an electrically conductive grid, which adjoin the region of the plasma generation, and an anode, which is separated from the region of plasma generation by the grid and possibly an additional partition wall.
  • the arrangement comprises a laser system, by means of which laser pulses can be generated which, with a suitable focusing on a surface of the cathode, generate a plasma in the region of the plasma generation and by which the laser pulses for plasma generation are focused onto the surface of the cathode.
  • the laser system thus has at least one laser and one focusing optics.
  • One or more high voltage sources are configured and connected to generate a controllable electrical voltage between the grid and the cathode, through which electrons are coupled out of the plasma through the grid, and generate another electrical voltage between the grid and the anode, by which the decoupled electrons are accelerated in the direction of the anode.
  • the laser used for the plasma generation should have at least a repetition rate of 10 MHz in order to obtain a time-continuous plasma.
  • the individual laser pulses have a sufficiently low pulse spacing at this or higher repetition rates.
  • the plasma lifetime for single shots is a few 10 ns.
  • the pulse duration of the laser pulses should be in the range of a few 100 fs to 100 ps. This can be achieved by mode coupling in the laser used.
  • the average power Depending on the repetition rate, pulse duration and cathode material used, it must be in the range of a few 100 mW to a few 10 W in order to achieve a sufficiently high pulse peak power of the laser pulses for removal of material from the cathode or for plasma generation.
  • the plasma generated in this way propagates in the half space above or in front of the cathode surface.
  • the main propagation direction with the highest plasma density runs parallel to the surface normal to the surface of the cathode.
  • the grid is mounted at a small distance from this cathode surface. At a small distance, this is understood to be a distance of ⁇ 3 cm. Larger distances are also possible in principle, but lead to higher switching times in the timing of the electron emission.
  • the flat grid is at a shallow angle ( ⁇ 45 °) or parallel to the main propagation direction of the ablated Material, ie the generated plasma, positioned.
  • the grid is located on a positive potential of up to a few kV compared to the cathode and is connected to the high-voltage source via a series resistor of a few 100 ⁇ , preferably from> 1 k ⁇ to a few M ⁇ .
  • the grid must be isolated from the cathode.
  • the insulator can serve as a separating wall, which prevents plasma propagation in the direction of the anode.
  • the discharge is partly self-regulating. At the same time, as the current flowing across the grid increases, the grid-to-cathode voltage decreases through the grid bias, resulting in a decrease in the discharge current, and vice versa.
  • the discharge starts when the grid voltage is applied with the laser burst - or when the laser burst is applied with the grid voltage applied - and is terminated when either the laser or the grid voltage is switched off.
  • the emission of the electrons takes place at the grid.
  • the anode is at a more positive potential than the grid, so that an electric field is formed here, which accelerates the electrons to the anode.
  • the plasma generally forms at the edge a layer which is positively charged and shields the electrons against a corresponding externally applied electric field. Thus, no electrons could be decoupled or emitted from the plasma.
  • the mesh size and the wire diameter of the grid used which is in contact with the plasma surface, the positively charged surface layer between the grid wires can be reduced so far that a partially open plasma is achieved between the grid wires.
  • the choice of the mesh size and the wire diameter of the grid is dependent on the plasma parameters, the grid potential and the grid resistor.
  • the boundary conditions must be selected so that there is a constant and possibly high electron flow and not too short, very strong pulses, as will be explained in more detail below.
  • the part of the discharge current that flows out through the grid is much smaller than the part that is emitted from the plasma and accelerated to the anode.
  • the electrode surfaces are preferably chosen to be approximately the same size for uniform and high currents, for example in the range between 1 and 10 mm 2 , the grating paying only the area of the grid wire.
  • the dimensions of the electron beam generated in this way depend primarily on the open emission surface, but due to the low divergence can easily be changed by known electron-optical elements.
  • a particular advantage of the proposed method and the associated arrangement is that such an electron source can be operated in a high vacuum and ultrahigh vacuum. Even for the high vacuum range, no permanently running vacuum pump is required, since the material removed by the laser-assisted plasma generation condenses directly and thus no gaseous constituents remain.
  • Another very great advantage of the method and the arrangement is that pulse durations of the electron beam from the sub- ⁇ s range to DC currents can be generated.
  • pulse durations and the pulse spacings of the electron beam can be determined. Beam during operation vary freely.
  • the grating is arranged parallel to the propagation direction of the plasma or the flat normal to the used for plasma generation surface of the cathode, it is avoided that the plasma passes between the grid and anode.
  • the high-voltage strength is in a range that allows electric fields of up to 10 kV / mm.
  • individual emitters can also be successively activated with the laser used.
  • an emitter is understood to mean an arrangement according to the invention for generating an electron beam. It can therefore be produced without mechanical processes at different locations electron beams.
  • the unused cathodes consume no energy during the break time.
  • an arrangement of multiple emitters in the same vacuum increases the number of electrical feedthroughs is not. Switching between the individual emitters is done with the laser.
  • the electron beams generated by the method and the arrangement can be used, for example, to generate X-ray radiation for the medical and material sciences, as an electron injector for accelerators and for processing materials with electron beams.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an electron source according to the invention
  • Fig. 2 is an illustration of an electrical
  • FIG. 3 is a schematic representation of the conditions on the grid
  • Fig. 4 shows an example of a current pulse as generated by the method and the arrangement
  • Fig. 5 shows a second embodiment of an electron source according to the present invention
  • FIG. 6 shows a third exemplary embodiment of a
  • FIG. 7 shows a fourth exemplary embodiment of an electron source according to the present invention
  • Fig. 8 shows a fifth exemplary embodiment of a
  • Electron source according to the present invention shows two exemplary embodiments of the electron source according to the present invention with different spacing between grid and cathode;
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment of the electron source of the present invention for perpendicular incidence of the laser radiation on the cathode surface
  • Fig. 11 shows two embodiments of the electron source of the present invention in which a plurality of laser beams are used for plasma generation;
  • Fig. 12 shows an embodiment of the electron source of the present invention having a slanting cathode surface
  • FIG 13 shows an exemplary embodiment of the electron source of the present invention with liquid cathode material.
  • FIG. 1 shows an advantageous construction of the arrangement for generating electron beams, which has particular advantages with respect to high-voltage resistance.
  • the plasma is thereby generated by focusing the illustrated laser beam 5 on a surface of the cathode 1.
  • the plasma 6 propagates with its main propagation direction 18 substantially perpendicular to the surface of the cathode 1, on which the laser beam 5 is focused.
  • the laser and the optics required for the focusing are not shown in this and the other figures. However, it is known to the person skilled in the art how a laser beam of a laser with a focus radius of a few ⁇ m can be focused onto the surface of an object.
  • a mode-locked laser with a repetition rate of 50 MHz and pulse durations of one picosecond can be used.
  • WTh tungsten-thorium
  • cathode material for laser-assisted plasma generation.
  • an electrically conductive grid 2 m a small distance of about 1 to 3 cm from the surface of the cathode 1 is arranged.
  • the grating 2 is insulated from the cathode 1 by an insulator 4.
  • this insulator 4 constitutes a dividing wall which prevents plasma propagation of the plasma 6 in the direction of the anode 3.
  • the anode 3 is arranged to pass through the grid 2 and the insulator 4 of the Area is separated, in which the plasma generation takes place.
  • cathode 1, Gxtter 2 and anode 3 The electrical connection of cathode 1, Gxtter 2 and anode 3 is indicated in FIG. Both between the cathode 1 and grid 2 and between grid 2 and anode 3, an electrical voltage is applied in each case via high voltage sources 8.
  • the grid 2 is in this case on a positive potential compared to the cathode 1 of up to a few kV.
  • the grid 2 is connected via a series resistor 9 of up to a few M ⁇ to the high voltage source 8. This series resistor 9 is required in a suitable size to a constant flow of electrons and thus a reproducible operation of the
  • the anode 3 is located on a positive potential relative to the grid 2 in order to achieve an acceleration of the coupled-out electrons 7 to the anode 3.
  • the plasma 6 By focusing the laser pulses on the surface of the cathode 1, the plasma 6 is generated. As soon as this plasma 6 has spread between the cathode 1 and the gate 2, a discharge between the cathode 1 and the grid 2 is formed due to the electrically conductive property of the plasma 6.
  • the height of the discharge current is dependent on the distance d between the cathode 1 and grid 2, the height of the series resistor 9, the electrode surfaces and the
  • the height of the current also depends on the potential difference between the cathode 1 and the grating 2, which can be controlled via the high voltage source 8. This allows the current value to be set or controlled by controlling this voltage between zero and a maximum value.
  • Electron beam pulses can be generated either by switching on and off the voltage between grid 2 and cathode 1 or by switching the laser emission on and off.
  • FIG. 3 shows, in a highly schematic manner, the relationships on the grating 2, which lead to the decoupling of electrons 7 from the plasma 6, although this forms a positively charged edge layer 10.
  • FIG. 3 shows a mesh of the grid 2 as well as the aqui-potential lines 11, which are adjusted due to the tension on the grid 2. With suitable dimensioning of the wire diameter and the mesh size of the grid 2, a permanently open plasma surface occurs between the grid wires, at which electrons can be emitted in the direction of the anode 3.
  • FIG. 4 shows an example of a current pulse generated with an arrangement according to FIG.
  • a plasma was generated for a duration of about 300 microseconds by irradiation of the laser beam 7 with a correspondingly long laser burst, from which via the
  • the grating 2 can also be arranged perpendicular or at any other angle to the main propagation direction 18 of the plasma 6.
  • FIG. 5 shows an example of a vertical arrangement of the grating 2.
  • electrical discharges and openings between grid 2 and anode 3 can be caused by the plasma 6, since the material removed in the plasma generation flies through the grating 2 and thus can get into the space between grid 2 and anode 3.
  • An operation of such an arrangement therefore requires lower electrical voltages between grid 2 and anode 3 than in an arrangement according to FIG. 1.
  • the tube has at one point a window 13, via which the laser beam 5 can enter and strike the surface of the cathode 1.
  • the spread of the plasma 6 is limited to the space enclosed by the tube cavity 12, so that even caused by the plasma 6 deposits occur only within the tube.
  • this arrangement proves to be advantageous because electrical short circuits and openings are thus effectively prevented.
  • additional elements can also be introduced into the area in which the plasma 6 propagates in order to influence or control its propagation.
  • a pinhole 14 is additionally arranged between the cathode 1 and the grid 2, which spatially confines the propagation of the plasma 6 in the region of the grid 2.
  • any other shape and geometry of such an element is conceivable.
  • the geometric shape of the electron exit opening which is defined by the grid 2, can be chosen arbitrarily, for example. Round, square, oval, etc.
  • the grid 2 may be surrounded by a conductive frame 15, which causes changes in the electric field lines and so that an influence on the trajectories of the decoupled electrons 7 has. With a suitable choice of such a frame 15, a focusing of the electron beam can be effected in this way, as is schematically indicated in Figure 8.
  • the distance d between the surface of the cathode 1 and grid 2 affects the switching time, with which the electron emission can be switched. For larger distances, the switching times are slightly longer, with possibly the current high decreases. For this, very uniform electron currents and a very good high-voltage resistance are achieved. At small distances, this relationship is reversed. As suitable values that represent a good middle ground, Distances d have been found in the range of about 1 cm.
  • FIG. 9 shows two examples in schematic representation, with a smaller distance d between grid 2 and cathode 1 being selected in the left partial image and a larger distance d in the right partial image.
  • cathode 1, grid 2 and anode 3 can also be carried out so that either the anode 3 or the grid 2 or the cathode 1 at ground potential - or any other potential - can be placed.
  • the potentials of the other two components must then be chosen so that the corresponding electric fields are applied.
  • the function of the entire arrangement is not affected.
  • An advantage of an embodiment in which the anode 3 is grounded, is that the anode can be cooled in this case via simple Flusstechniksnikonnee. This cooling may be necessary since the anode 3 heats up considerably due to the impacting electrons, in particular when it is used to generate X-ray radiation.
  • the laser beam 5 can be irradiated at any angle to the surface of the cathode 1, which is used for plasma generation.
  • a vertical incidence is possible. This is shown by way of example in FIG.
  • the encapsulated plasma generation region - as already explained in connection with FIG. 6 - the window 13 is arranged for coupling the laser beam 5 according to the vertical incidence.
  • the laser beams can be on the same cathode next to each other or on different cathodes.
  • the advantage is that the plasma density is increased by multiple laser beams and thus several plasma generation sites and / or the removal of
  • FIG. 11 shows two exemplary embodiments for this purpose.
  • two cathodes 1 are used on opposite sides of the plasma generation region and the grating 2, respectively.
  • the right part of the figure shows an embodiment in which three laser beams 5 are directed at different locations on the same surface of the same cathode 1 to produce the plasma 6.
  • the cathode may be made of a solid material or may be in a liquid state. For the high-voltage strength is only important that the material has the lowest possible vapor pressure. As has already been described above, materials with low ionization energies, low photoelectric work functions and low absorption of the laser light in the plasma advantageous.
  • the angle of the surface of the cathode used for the plasma generation, both with respect to the incident laser beam and with respect to the orientation of the grating, can be selected largely freely for the process.
  • a cathode with a sloping surface for plasma generation is also possible, as shown by way of example in FIG.
  • the cathode 1 With prolonged use of the cathode so much material is removed that holes are drilled in the surface. This problem can be circumvented by using a liquid cathode. The hole created by the laser radiation on the surface is then immediately refilled with material. The liquid cathode material can be stored so that the surface is spatially always in the same place due to the surface tension and the capillary force, i. H. that the removed material is tracked from behind. This is indicated schematically in FIG. 13, in which the cathode 1 consists of an element with a channel 16 into which the liquid cathode material 17 constantly flows up to the surface which is used for the plasma generation.
  • Another possibility when using solid cathode materials is to scan the surface of the cathode with the laser. This can be done either by moving the laser beam over the surface of the cathode, or by with stationary laser beam, the cathode is moved. The distances and speeds of scanning are dependent on the focus radius, the pulse energy of the laser and the material. In the case of a moving cathode, a rotating rather than a rasping movement is conceivable.
  • This heating of the surface can be carried out, for example, with the same laser with a larger focus and higher power or with another laser. This can be done in short breaks or simultaneously during operation (in the case of an additional laser). A heating by an electric heater would be possible.
  • the electron source proposed in the present patent application has very short switching times. By generating the plasma with an ultrashort pulse laser and thus the temporal control of the emission, a high temporal modulation is achieved. Both electron and pulse can be generated in any sequence and almost any pulse length as well as direct currents, wherein the current height can be kept constant during the duration of the electron emission even with pulsed operation.

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Abstract

The present invention relates to a method for generating an electron beam, having an assembly comprising at least one cathode (1), an electrically conductive grating (2) and an anode (3) and further a related assembly. A plasma (6), from which electrons (7) are decoupled by way of the grating (2) and accelerated in the direction of the anode (3), is generated in a region bordering the cathode (1) and the grating (2). The plasma (6) is generated in the proposed method by focusing laser pulses on a surface of the cathode (1). The method and the assembly can be used without difficulty in a high vacuum or ultra-high vacuum and enable the generation of both sub-µs pulses and a DC mode.

Description

Verfahren und Anordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls Method and arrangement for generating an electron beam
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit einerThe present invention relates to a method for producing an electron beam with a
Anordnung, die mindestens eine Kathode, ein elektrisch leitfahiges Gitter und eine Anode umfasst, bei dem in einem an die Kathode und das Gitter angrenzenden Bereich ein Plasma erzeugt wird, durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Gitter und derArrangement comprising at least one cathode, an electrically conductive grid and an anode, wherein in a region adjacent to the cathode and the grid region, a plasma is generated by applying an electrical voltage between the grid and the
Kathode Elektronen durch das Gitter hindurch aus dem Plasma ausgekoppelt werden und durch Anlegen einer weiteren elektrischen Spannung zwischen dem Gitter und der Anode die ausgekoppelten Elektronen in Richtung der Anode beschleunigt werden. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung, die für die Durchfuhrung des Verfahrens ausgebildet ist. Das Verfahren und die Anordnung betreffen somit allgemein das Gebiet der Elektronenquellen, die auf der Emission freier Elektronen aus einem Plasma basieren.Cathode electrons are coupled out through the grid from the plasma and accelerated by applying a further electrical voltage between the grid and the anode, the decoupled electrons in the direction of the anode. The invention also relates to an arrangement which is designed for the implementation of the method. The method and arrangement thus generally relate to the field of electron sources based on the emission of free electrons from a plasma.
Derartige Elektronenquellen lassen sich in vielen technischen Bereichen einsetzen, in denen Elektronenstrahlen benotigt werden, bspw. zur Erzeugung von Röntgenstrahlung.Such electron sources can be used in many technical fields in which electron beams are needed, for example for the generation of X-radiation.
Stand der TechnikState of the art
Zur Elektronenstrahlerzeugung werden häufig thermische Kathoden verwendet. Sie eignen sich vor allem für den Gleichstrom(DC) -Betrieb. Für schnelle zeitliche Modulationen werden Steuergitter eingesetzt, die die Emission der Elektronen regeln, indem die zum Austritt der Elektronen benotigte Feldstarke ein- oder abgeschaltet wird. Für einen gepulsten Betrieb muss die Kathode aber auch wahrend der Pulspausen mit einem Heizstrom versorgt werden. Zudem hat das Steuergitter einen entscheidenden Einfluss auf die Feldverteilung und damit auf die Elektronenbahnen.For electron beam generation, thermal cathodes are often used. They are suitable especially for DC (DC) operation. For fast temporal modulations, control gratings are used which regulate the emission of the electrons by switching on or off the field strength required for the exit of the electrons. For pulsed operation, however, the cathode must also be supplied with a heating current during the pulse pauses. In addition, the control grid has a decisive influence on the field distribution and thus on the electron orbits.
Zur Erzeugung hoher Elektronenstrome, sowohl gepulst als auch DC, werden auch Plasmahohlkathoden eingesetzt, bei denen die Elektronen aus dem Plasma ausgekoppelt werden. Das benotigte Plasma wird dabei durch eine Gasentladung erzeugt. Dadurch sind dieseTo generate high electron currents, both pulsed and DC, also plasma hollow cathodes are used, in which the electrons are decoupled from the plasma. The required plasma is generated by a gas discharge. As a result, these are
Vorrichtungen jedoch nicht für einen Betrieb im Hochoder Ultrahochvakuum geeignet.However, devices are not suitable for operation in high or ultra-high vacuum.
Weiterhin sind Anordnungen zur Erzeugung von Elektronenstrahlen bekannt, die auf einem elektrisch gezündeten Plasma basieren. Ein Beispiel für eine derartige Anordnung findet sich in M. G. Grothaus et al., „Experimental investigation of a plasma edge cathode scheme for pulsed electron beam extraction", J. Appl. Phys. 70 (12), 1991, Seiten 7223 -7226. Mit einer derartigen Anordnung sind allerdings aufgrund fehlender Steuermoglichkeiten weder ein DC-Betrieb noch beliebige Pulslangen und Abfolgen von Pulsen möglich.Furthermore, arrangements for generating electron beams are known which are based on an electrically ignited plasma. An example of such an arrangement can be found in MG Grothaus et al., "Experimental investigation of a plasma edge cathode scheme for pulsed electron beam extraction", J. Appl. Phys. 70 (12), 1991, pages 7223-7226 Such an arrangement, however, due to lack of control capabilities, neither a DC operation nor any pulse lengths and sequences of pulses are possible.
Weitere Techniken zur Erzeugung von Elektronenstrahlen nutzen Photokathoden, bei denen die Emission der Elektronen auf dem Photoeffekt beruht. Diese liefern entweder kurze starke Strompulse oder sehr kleine DC-Strome. Für hohe Strome und Stromdichten wird sehr intensives Laserlicht möglichst im UV-Bereich benotigt, welches beispielsweise von Ultrakurzpulslasern geliefert wird. Allerdings folgt die Elektronen- emission zeitlich der Laserpulsdauer. Für die Erzeugung von DC-Stromen im Ampere-Bereich waren cw-Laser mit einer entsprechend hohen mittleren Leistung im UV erforderlich, die es allerdings bisher nicht gibt.Other techniques for generating electron beams use photocathodes in which the emission of electrons is based on the photoelectric effect. These deliver either short strong current pulses or very small DC currents. For high currents and current densities very intense laser light is needed in the UV range, which is supplied for example by ultra-short pulse lasers. However, the electron emission follows the laser pulse duration in time. For the generation of DC currents in the ampere range cw laser with a correspondingly high average power in the UV was required, which does not exist yet.
In geeigneter Anordnung können auch Ferroelektrika als Elektronenemitter dienen. Bei dieser Technik wird ein äußeres Feld schnell entgegen der Polarisationsrichtung im ferroelektπschen Material angelegt. Die dadurch entstehenden Felduberhohungen an den Rand- flachen reichen aus, um Elektronen energetisch über die Austrittsarbeit zu heben. Diese Elektronenquellen sind jedoch durch den physikalischen Effekt bedingt nur für Pulsbetrieb geeignet.In a suitable arrangement, ferroelectrics can also serve as electron emitters. In this technique, an external field is quickly applied against the direction of polarization in the ferroelectric material. The resulting Felduberhohungen at the edge surfaces are sufficient to lift electrons energetically over the work function. However, due to the physical effect, these electron sources are only suitable for pulsed operation.
Feldemitter können ebenfalls als Elektronenquelle dienen. Damit können sehr feine Elektronenstrahlen erzeugt werden, allerdings zunächst mit sehr kleinen Stromwerten. Werden diese einzelnen Feldemitter m größerer Zahl auf einer Flache angeordnet, so lassen sich auch höhere Strome erzeugen.Field emitters can also serve as an electron source. This allows very fine electron beams to be generated, albeit initially with very low current values. If these individual field emitters m greater number arranged on a surface, so can also generate higher currents.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls anzugeben, die sich auch im Hochvakuum- und Ultrahochvakuumbereich problemlos einsetzen lassen und sowohl einen DC-Betrieb als auch Elektronenstrahlpulse mit Pulsdauern im sub-μs-Bereich ermöglichen . Darstellung der ErfindungThe object of the present invention is to provide a method and an arrangement for generating an electron beam, which can be used without problems even in the high vacuum and ultra-high vacuum range and enable both DC operation and electron beam pulses with pulse durations in the sub-μs range. Presentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 14 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhangigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausfuhrungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the method and the arrangement according to claims 1 and 14. Advantageous embodiments of the method and the arrangement are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.
Die vorgeschlagene Elektronenquelle basiert auf der Emission von Elektronen aus einem laserinduzierten Entladungsplasma. Bei dem Verfahren wird mit einer Anordnung, die mindestens eine Kathode, ein elektrisch leitfahiges Gitter und eine Anode umfasst, in einem an die Kathode und das Gitter angrenzenden Bereich ein Plasma erzeugt. Das Plasma wird hierbei durch Fokussieren von Laserpulsen auf eine Oberflache der Kathode erzeugt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Gitter und der Kathode werden Elektronen durch das Gitter hindurch aus dem Plasma ausgekoppelt und durch Anlegen einer weiteren elektrischen Spannung zwischen dem Gitter und der Anode werden die ausgekoppelten Elektronen dann in Richtung der Anode beschleunigt. Sollen die Elektronenstrahlen außerhalb der Anordnung weiter verwendet werden, so kann der Elektronenstrahl bspw. durch ein Loch in der Anode hindurchtreten und der weiteren Verwendung zugeführt werden. In einer anderen Ausgestaltung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung ist keinerlei Loch oder Öffnung in der Anode vorhanden. Hier stellt die Anode das Rontgentarget dar, auf das die Elektronen zur Erzeugung der Röntgenstrahlen auftreffen. Die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Anordnung umfasst entsprechend eine Kathode und ein elektrisch leitfähiges Gitter, die an den Bereich der Plasmaerzeugung angrenzen, sowie eine Anode, die durch das Gitter und ggf. eine zusätzliche Trennwand von dem Bereich der Plasmaerzeugung getrennt ist. Weiterhin umfasst die Anordnung ein Lasersystem, durch das Laserimpulse erzeugbar sind, die bei einer geeigneten Fokussierung auf eine Oberfläche der Kathode ein Plasma im Bereich der Plasmaerzeugung erzeugen, und durch das die Laserpulse zur Plasmaerzeugung auf die Oberfläche der Kathode fokussiert werden. Das Lasersystem weist damit zumindest einen Laser und eine Fokussieroptik auf. Eine oder mehrere Hochspannungsquellen sind so ausgebildet und angeschlossen, dass sie eine steuerbare elektrische Spannung zwischen dem Gitter und der Kathode erzeugen, durch die Elektronen durch das Gitter hindurch aus dem Plasma ausgekoppelt werden, und eine weitere elektrische Spannung zwischen dem Gitter und der Anode erzeugen, durch die die ausgekoppelten Elektronen in Richtung der Anode beschleunigt werden.The proposed electron source is based on the emission of electrons from a laser-induced discharge plasma. In the method, with an arrangement comprising at least one cathode, an electrically conductive grid and an anode, a plasma is generated in an area adjacent to the cathode and the grid. The plasma is generated by focusing laser pulses on a surface of the cathode. By applying an electrical voltage between the grid and the cathode, electrons are decoupled from the plasma through the grid and by applying a further electrical voltage between the grid and the anode, the decoupled electrons are then accelerated in the direction of the anode. If the electron beams outside the arrangement continue to be used, the electron beam can, for example, pass through a hole in the anode and be supplied for further use. In another embodiment for generating X-radiation, there is no hole or opening in the anode. Here, the anode represents the X-ray target on which the electrons impinge to produce the X-rays. The arrangement designed for carrying out the method accordingly comprises a cathode and an electrically conductive grid, which adjoin the region of the plasma generation, and an anode, which is separated from the region of plasma generation by the grid and possibly an additional partition wall. Furthermore, the arrangement comprises a laser system, by means of which laser pulses can be generated which, with a suitable focusing on a surface of the cathode, generate a plasma in the region of the plasma generation and by which the laser pulses for plasma generation are focused onto the surface of the cathode. The laser system thus has at least one laser and one focusing optics. One or more high voltage sources are configured and connected to generate a controllable electrical voltage between the grid and the cathode, through which electrons are coupled out of the plasma through the grid, and generate another electrical voltage between the grid and the anode, by which the decoupled electrons are accelerated in the direction of the anode.
Der für die Plasmaerzeugung eingesetzte Laser sollte mindestens eine Repetitionsrate von 10 MHz aufweisen, um ein zeitlich fortwährendes Plasma zu erhalten. Die einzelnen Laserpulse weisen bei dieser oder höheren Repetitionsraten einen ausreichend geringen Pulsabstand auf. Die Plasmalebensdauer bei Einzelschüssen beträgt einige 10 ns . Die Pulsdauer der Laserpulse sollte im Bereich von einigen 100 fs bis 100 ps liegen. Dies kann durch Modenkopplung im eingesetzten Laser erreicht werden. Die mittlere Leistung muss je nach Repetitionsrate, Pulsdauer und verwendetem Kathodenmaterial im Bereich von einigen 100 mW bis zu einigen 10 W liegen, um eine ausreichend hohe Pulsspitzenleistung der Laserpulse für den Materialabtrag von der Kathode bzw. für die Plasmaerzeugung zu erreichen.The laser used for the plasma generation should have at least a repetition rate of 10 MHz in order to obtain a time-continuous plasma. The individual laser pulses have a sufficiently low pulse spacing at this or higher repetition rates. The plasma lifetime for single shots is a few 10 ns. The pulse duration of the laser pulses should be in the range of a few 100 fs to 100 ps. This can be achieved by mode coupling in the laser used. The average power Depending on the repetition rate, pulse duration and cathode material used, it must be in the range of a few 100 mW to a few 10 W in order to achieve a sufficiently high pulse peak power of the laser pulses for removal of material from the cathode or for plasma generation.
Für die Plasmaerzeugung ist es von Vorteil, wenn das Kathodenmaterial eine niedrige Ionisierungsenergie und eine niedrige photoelektrische Austrittsarbeit aufweist. Die Laserstrahlung sollte im Plasma möglichst wenig absorbiert werden. Für die Plasmaerzeugung wird der Laserstrahl auf die Oberfläche der Kathode fokussiert, wobei ein Fokusradius von wenigen Mikro- metern, insbesondere < 10 μm, sehr gut geeignet ist. Die Leistungsdichte im Fokus muss dabei über der Abtragsschwelle für das Kathodenmaterial liegen.For plasma generation, it is advantageous if the cathode material has a low ionization energy and a low photoelectric work function. The laser radiation should be absorbed as little as possible in the plasma. For plasma generation, the laser beam is focused on the surface of the cathode, with a focus radius of a few micrometers, in particular <10 μm, being very well suited. The power density in focus must be above the removal threshold for the cathode material.
Das auf diese Weise erzeugte Plasma breitet sich in dem Halbraum oberhalb bzw. vor der Kathodenoberfläche aus. Die Hauptausbreitungsrichtung mit der höchsten Plasmadichte verläuft dabei parallel zur Flächennormalen auf die Oberfläche der Kathode. Das Gitter ist in einem geringen Abstand von dieser Kathodenoberfläche angebracht. Unter geringem Abstand wird hierbei ein Abstand von < 3 cm verstanden. Größere Abstände sind prinzipiell auch möglich, führen jedoch zu höheren Schaltzeiten bei der zeitlichen Steuerung der Elektronenemission.The plasma generated in this way propagates in the half space above or in front of the cathode surface. The main propagation direction with the highest plasma density runs parallel to the surface normal to the surface of the cathode. The grid is mounted at a small distance from this cathode surface. At a small distance, this is understood to be a distance of <3 cm. Larger distances are also possible in principle, but lead to higher switching times in the timing of the electron emission.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das ebene Gitter unter einem flachen Winkel (< 45°) oder parallel zur Hauptausbreitungsrichtung des abgetragenen Materials, d.h. des erzeugten Plasmas, positioniert. Durch diese Anordnung wird vermieden, dass das sich in erster Linie geradlinig ausbreitende abgetragene Material, hauptsächlich Ionen, Atome und Moleküle, durch das Gitter hindurch gelangt und elektrische Kurzschlüsse oder Durchbruche verursacht. Die Elektronen lassen sich aufgrund ihrer geringen Masse sehr einfach durch elektrische Felder ablenken und können daher auch senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des abgetragenen Materials bzw. des Plasmas extrahiert werden. Dadurch wird die Hochspannungsfestigkeit bei dem Verfahren und der Anordnung deutlich erhöht.In a preferred embodiment, the flat grid is at a shallow angle (<45 °) or parallel to the main propagation direction of the ablated Material, ie the generated plasma, positioned. By this arrangement it is avoided that the primarily straight propagated eroded material, mainly ions, atoms and molecules, passes through the grid and causes electrical short circuits or breakdowns. The electrons can be very easily deflected by electric fields due to their low mass and therefore can also be extracted perpendicular to the propagation direction of the removed material or of the plasma. As a result, the high-voltage strength is significantly increased in the method and the arrangement.
Das Gitter befindet sich auf einem im Vergleich zur Kathode positiven Potential von bis zu einigen kV und ist über einen Vorwiderstand von einigen 100 Ω, vorzugsweise von > 1 kΩ bis zu einigen MΩ, mit der Hochspannungsquelle verbunden. Das Gitter muss isoliert gegenüber der Kathode angebracht sein. Der Isolator kann dabei gleichzeitig als Trennwand dienen, die eine Plasmaausbreitung m Richtung der Anode unterbindet.The grid is located on a positive potential of up to a few kV compared to the cathode and is connected to the high-voltage source via a series resistor of a few 100 Ω, preferably from> 1 kΩ to a few MΩ. The grid must be isolated from the cathode. At the same time, the insulator can serve as a separating wall, which prevents plasma propagation in the direction of the anode.
Sobald sich das Plasma zwischen Kathode und Gitter ausgebreitet hat, bildet sich aufgrund der leitenden Eigenschaft des Plasmas eine Entladung zwischen den beiden Elektroden aus, d.h. zwischen Kathode und Gitter. Der Entladungsstrom kann durch eine Kombination geeigneter Werte für den Abstand zwischen Kathode und Gitter, den Vorwiderstand, die Elektrodenflachen sowie Drahtdurchmesser und Maschenweite des Gitters für die Dauer der Emission konstant gehalten werden. Die Dauer der Emission wird dabei durch die Dauer der Einstrahlung von Laserpulsen, auch als Laserburstdauer bezeichnet, bei gleichzeitig anliegender Gitterspannung festgelegt. Die Hohe des Elektronenstromes ist dabei ebenso von den obigen Werten abhangig, zusatzlich jedoch noch von der Potentialdifferenz zwischen Kathode und Gitter. Damit kann durch die elektrische Spannung zwischen Kathode und Gitter der Stromwert zwischen Null und einem Maximalwert eingestellt werden.As soon as the plasma has spread between the cathode and the grid, due to the conductive property of the plasma, a discharge forms between the two electrodes, ie between the cathode and the grid. The discharge current can be kept constant by a combination of suitable values for the distance between the cathode and the grid, the series resistor, the electrode surfaces and the wire diameter and mesh size of the grid for the duration of the emission. The duration of the emission is determined by the duration of the irradiation of laser pulses, also as a laser burst duration designated, fixed at the same time grid voltage. The height of the electron current is also dependent on the above values, but in addition of the potential difference between the cathode and the grid. Thus, the current value between zero and a maximum value can be adjusted by the electrical voltage between the cathode and grid.
In einer möglichen Ausgestaltung erfolgt die Steuerung des Elektronen- bzw. Emissionsstromes durch die Strombegrenzung des Gitterstromes. Die Begrenzung des Gitterstromes wird im Wesentlichen durch die Vorgabe der Hochspannung und des Widerstandes bestimmt. Die Steuerung ist dabei auch mit einem veränderbaren Widerstand möglich.In one possible embodiment, the control of the electron or emission current is effected by the current limitation of the grid current. The limitation of the grid current is essentially determined by the specification of the high voltage and the resistance. The control is also possible with a variable resistor.
Die Entladung ist zum Teil selbstregelnd. Wenn der Strom, der über das Gitter abfließt, großer wird, sinkt gleichzeitig die Spannung zwischen Gitter und Kathode durch den Gittervorwiderstand, was eine Verringerung des Entladungsstromes zur Folge hat und umgekehrt. Die Entladung startet bei anliegender Gitterspannung mit dem Laserburst - oder bei eingestrahltem Laserburst mit dem Anlegen der Gitterspannung - und wird mit dem Ausschalten entweder des Lasers oder der Gitterspannung beendet .The discharge is partly self-regulating. At the same time, as the current flowing across the grid increases, the grid-to-cathode voltage decreases through the grid bias, resulting in a decrease in the discharge current, and vice versa. The discharge starts when the grid voltage is applied with the laser burst - or when the laser burst is applied with the grid voltage applied - and is terminated when either the laser or the grid voltage is switched off.
Die Emission der Elektronen erfolgt am Gitter. Die Anode befindet sich auf einem positiveren Potential als das Gitter, so dass hier ein elektrisches Feld ausgebildet ist, das die Elektronen zur Anode beschleunigt . Das Plasma bildet im Allgemeinen am Rand eine Schicht aus, die positiv geladen ist und die Elektronen gegen ein entsprechendes, außen angelegtes elektrisches Feld abschirmt. Somit konnten keine Elektronen aus dem Plasma ausgekoppelt oder emittiert werden. Bei geeigneter Wahl der Maschenweite und des Drahtdurchmessers des eingesetzten Gitters, das in Kontakt mit der Plasmaoberflache ist, kann die positiv geladene Randschicht zwischen den Gitterdrahten soweit ver- ringert werden, dass ein partiell offenes Plasma zwischen den Gitterdrahten erreicht wird. Die Wahl der Maschenweite und des Drahtdurchmessers des Gitters ist dabei abhangig von den Plasmaparametern, dem Gitterpotential und dem Gittervorwiderstand. An den offenen Stellen des Plasmas können die Elektronen im Feld beschleunigt werden. Dabei müssen die Randbedingungen so gewählt werden, dass es zu einem konstanten und nach Möglichkeit hohen Elektronenfluss kommt und nicht zu kurzen, sehr starken Pulsen, wie im Folgenden noch naher erläutert wird. Der Teil des Entladungsstromes, der über das Gitter abfließt, ist dabei weitaus geringer, als der Teil, der aus dem Plasma emittiert und zur Anode beschleunigt wird.The emission of the electrons takes place at the grid. The anode is at a more positive potential than the grid, so that an electric field is formed here, which accelerates the electrons to the anode. The plasma generally forms at the edge a layer which is positively charged and shields the electrons against a corresponding externally applied electric field. Thus, no electrons could be decoupled or emitted from the plasma. With a suitable choice of the mesh size and the wire diameter of the grid used, which is in contact with the plasma surface, the positively charged surface layer between the grid wires can be reduced so far that a partially open plasma is achieved between the grid wires. The choice of the mesh size and the wire diameter of the grid is dependent on the plasma parameters, the grid potential and the grid resistor. At the open spots of the plasma, the electrons in the field can be accelerated. The boundary conditions must be selected so that there is a constant and possibly high electron flow and not too short, very strong pulses, as will be explained in more detail below. The part of the discharge current that flows out through the grid is much smaller than the part that is emitted from the plasma and accelerated to the anode.
Für einen gleichmaßigen Stromfluss ist es notwendig, die Prozessparameter sinnvoll zu wählen. Wenn die Maschenweite des Gitters gering ist, werden zwar sehr gleichmaßige Strome erreicht, die aber nur sehr geringe Stromstarken aufweisen. Bei zu großen Maschenweiten sind die Strome zwar hoch, aber nicht mehr gleichmaßig. Es kommt sogar dazu, dass nur einzelne Strompeaks emittiert werden. Als vorteilhafte Abmessungen des Gitters haben sich Maschenweiten von unter 100 μm bis zu wenigen mm bei Gitterdrahtdurchmessern von einigen 10 μm bis zu einigen 100 μm erwiesen. Die Vorwiderstände des Gitters können im Bereich von einigen 100 Ω bis zu einigen MΩ liegen. Bei kleineren Widerstanden kommt es wie bei zu großenFor a uniform current flow, it is necessary to choose the process parameters in a meaningful way. If the mesh size of the grid is low, although very gleichmaßige currents are achieved, but have very low power levels. With too large mesh sizes, the currents are indeed high, but no longer gleichmaßig. It even comes to the fact that only single current peaks are emitted. As advantageous dimensions of the grid, mesh sizes of under 100 microns to a few mm in wire mesh diameters of a few 10 microns to a few 100 microns proved. The series resistances of the grid can range from a few 100 Ω up to a few MΩ. With smaller resistances it comes as with too big ones
Maschenweiten zu Strompeaks. Bei zu großen Widerstanden werden nur sehr wenige Elektronen emittiert.Mesh sizes to current peaks. Too much resistance emits very few electrons.
Die Elektrodenflächen werden für gleichmaßige und hohe Strome vorzugsweise etwa gleich groß gewählt, bspw. im Bereich zwischen 1 und 10 mm2, wobei beim Gitter nur die Flache der Gitterdrahte zahlt.The electrode surfaces are preferably chosen to be approximately the same size for uniform and high currents, for example in the range between 1 and 10 mm 2 , the grating paying only the area of the grid wire.
Die Abmessungen des auf diese Weise erzeugten Elektronenstrahls sind in erster Linie abhangig von der offenen Emissionsflache, können aber aufgrund der niedrigen Divergenz problemlos durch bekannte elektronenoptische Elemente verändert werden.The dimensions of the electron beam generated in this way depend primarily on the open emission surface, but due to the low divergence can easily be changed by known electron-optical elements.
Ein besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens und der zugehörigen Anordnung besteht darin, dass eine derartige Elektronenquelle im Hochvakuum und Ultrahochvakuum betrieben werden kann. Selbst für den Hochvakuumbereich wird keine permanent laufende Vakuumpumpe benotigt, da das durch die lasergestutzte Plasmaerzeugung abgetragene Material direkt wieder kondensiert und somit keine gasformigen Bestandteile zurückbleiben. Ein weiterer sehr großer Vorteil des Verfahrens und der Anordnung besteht darin, dass Pulsdauern des Elektronenstrahls vom sub-μs-Bereich bis hin zu DC-Stromen erzeugt werden können. Insbesondere lassen sich durch geeignete Steuerung des Lasers, bspw. über den Einsatz einer Pockelszelle, sowohl die Pulsdauern als auch die Pulsabstande des Elektronen- Strahls wahrend des Betriebs beliebig variieren. Durch die Kombination aus hochrepetierendem Laser, Entladung und Steuerung der Elektronenquelle mit Gitter und Vorwiderstand wird daher eine hohe zeitliche Modulier- barkeit mit Schaltzeiten kleiner 1 μs erreicht. Durch die Anregung mit dem Laser sind, wie oben kurz erläutert, beliebige Pulsfolgen des Elektronenstrahls (beliebig in Dauer und Abstand der Pulse) und auch Gleichstrome erzeugbar. Es werden Strome bis zu einigen Ampere bei Stromdichten bis zur Raumladungsgrenze erreicht. Der Stromwert ist bei entsprechender Wahl der Parameter wahrend der Emissionszeit konstant. Auch bei den Pulsen ergeben sich keine Peaks sondern recht- eckformige Stromsignale.A particular advantage of the proposed method and the associated arrangement is that such an electron source can be operated in a high vacuum and ultrahigh vacuum. Even for the high vacuum range, no permanently running vacuum pump is required, since the material removed by the laser-assisted plasma generation condenses directly and thus no gaseous constituents remain. Another very great advantage of the method and the arrangement is that pulse durations of the electron beam from the sub-μs range to DC currents can be generated. In particular, by suitable control of the laser, for example via the use of a Pockels cell, both the pulse durations and the pulse spacings of the electron beam can be determined. Beam during operation vary freely. Due to the combination of highly repetitive laser, discharge and control of the electron source with grid and series resistor, therefore, a high temporal modulability is achieved with switching times of less than 1 μs. By excitation with the laser, as explained briefly above, any pulse sequences of the electron beam (arbitrary in duration and distance of the pulses) and also direct current can be generated. Currents up to a few amperes are reached at current densities up to the space charge limit. The current value is constant during the selection of the parameters during the emission time. Even with the pulses, there are no peaks but rectangular waveform signals.
In einer besonderen Ausgestaltung, bei der das Gitter parallel zur Ausbreitungsrichtung des Plasmas bzw. zur Flachennormalen auf die für die Plasmaerzeugung genutzte Oberflache der Kathode angeordnet ist, wird vermieden, dass das Plasma zwischen Gitter und Anode gelangt. Dadurch liegt die Hochspannungsfestigkeit in einem Bereich, der elektrische Felder von bis zu 10 kV/mm zulasst.In a particular embodiment, in which the grating is arranged parallel to the propagation direction of the plasma or the flat normal to the used for plasma generation surface of the cathode, it is avoided that the plasma passes between the grid and anode. As a result, the high-voltage strength is in a range that allows electric fields of up to 10 kV / mm.
Desweiteren können mit dem eingesetzten Laser auch nacheinander einzelne Emitter angesteuert werden. Unter einem Emitter wird hierbei eine erfindungsgemaße Anordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls verstanden. Es können also ohne mechanische Vorgange an verschiedenen Orten Elektronenstrahlen erzeugt werden. Die jeweils nicht genutzten Kathoden verbrauchen wahrend der Pausenzeit keine Energie. Bei einer Anordnung mehrerer Emitter im selben Vakuum erhöht sich die Anzahl der elektrischen Durchfuhrungen nicht. Das Umschalten zwischen den einzelnen Emittern erfolgt mit dem Laser.Furthermore, individual emitters can also be successively activated with the laser used. In this case, an emitter is understood to mean an arrangement according to the invention for generating an electron beam. It can therefore be produced without mechanical processes at different locations electron beams. The unused cathodes consume no energy during the break time. In an arrangement of multiple emitters in the same vacuum increases the number of electrical feedthroughs is not. Switching between the individual emitters is done with the laser.
Die mit dem Verfahren und der Anordnung erzeugten Elektronenstrahlen lassen sich bspw. zur Erzeugung von Röntgenstrahlung für den medizinischen und materialwissenschaftlichen Bereich, als Elektroneninjektor für Beschleuniger und für die Materialbearbeitung mit Elektronenstrahlen einsetzen.The electron beams generated by the method and the arrangement can be used, for example, to generate X-ray radiation for the medical and material sciences, as an electron injector for accelerators and for processing materials with electron beams.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Das vorgeschlagene Verfahren sowie die vorge- schlagene Anordnung werden nachfolgend anhand vonThe proposed method and the proposed arrangement are described below with reference to
Ausfuhrungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:Exemplary embodiments in conjunction with the drawings briefly explained again. Hereby show:
Fig. 1 ein erstes Ausfuhrungsbeispiel für eine Elektronenquelle gemäß der Erfindung;1 shows a first exemplary embodiment of an electron source according to the invention;
Fig. 2 eine Darstellung einer elektrischenFig. 2 is an illustration of an electrical
Verschaltung von Kathode, Anode und Gitter der erfindungsgemäßen Anordnung; Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verhaltnisse am Gitter;Interconnection of the cathode, anode and grid of the arrangement according to the invention; Fig. 3 is a schematic representation of the conditions on the grid;
Fig. 4 ein Beispiel für einen Strompuls, wie er mit dem Verfahren und der Anordnung erzeugt wurde;Fig. 4 shows an example of a current pulse as generated by the method and the arrangement;
Fig. 5 ein zweites Ausfuhrungsbeispiel einer Elektronenquelle gemäß der vorliegendenFig. 5 shows a second embodiment of an electron source according to the present invention
Erfindung; Fig. 6 ein drittes Ausfuhrungsbeispiel einerInvention; Fig. 6 shows a third exemplary embodiment of a
Elektronenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung;Electron source according to the present invention;
Fig. 7 ein viertes Ausfuhrungsbeispiel einer Elektronenquelle gemäß der vorliegenden7 shows a fourth exemplary embodiment of an electron source according to the present invention
Erfindung;Invention;
Fig. 8 ein fünftes Ausfuhrungsbeispiel einerFig. 8 shows a fifth exemplary embodiment of a
Elektronenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 9 zwei Ausfuhrungsbeispiele der Elektronenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung mit unterschiedlichem Abstand zwischen Gitter und Kathode;Electron source according to the present invention; 9 shows two exemplary embodiments of the electron source according to the present invention with different spacing between grid and cathode;
Fig. 10 ein Ausfuhrungsbeispiel der Elektronen- quelle der vorliegenden Erfindung für senkrechten Einfall der Laserstrahlung auf die Kathodenoberflache;10 shows an exemplary embodiment of the electron source of the present invention for perpendicular incidence of the laser radiation on the cathode surface;
Fig. 11 zwei Ausfuhrungsbeispiele der Elektronenquelle der vorliegenden Erfindung, bei denen mehrere Laserstrahlen zur Plasmaerzeugung eingesetzt werden;Fig. 11 shows two embodiments of the electron source of the present invention in which a plurality of laser beams are used for plasma generation;
Fig. 12 ein Ausfuhrungsbeispiel der Elektronenquelle der vorliegenden Erfindung mit schräg verlaufender Kathodenoberflache; undFig. 12 shows an embodiment of the electron source of the present invention having a slanting cathode surface; and
Fig. 13 ein Ausfuhrungsbeispiel der Elektroneή- quelle der vorliegenden Erfindung mit flussigem Kathodenmaterial.13 shows an exemplary embodiment of the electron source of the present invention with liquid cathode material.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Der prinzipielle Aufbau sowie die prinzipielle Funktionsweise der vorgeschlagenen Anordnung sowie des vorgeschlagenen Verfahrens werden zunächst anhand der Figuren 1 bis 3 nochmals naher erläutert. Figur 1 zeigt hierzu einen vorteilhaften Aufbau der Anordnung zur Erzeugung von Elektronenstrahlen, der besondere Vorteile hinsichtlich der Hochspannungsfestigkeit aufweist. Das Plasma wird hierbei durch Fokussieren des dargestellten Laserstrahls 5 auf eine Oberflache der Kathode 1 erzeugt. Das Plasma 6 breitet sich mit seiner Hauptausbreitungsrichtung 18 im Wesentlichen senkrecht zur Oberflache der Kathode 1 aus, auf die der Laserstrahl 5 fokussiert wird. Der Laser und die für die Fokussierung erforderliche Optik sind in dieser und den weiteren Figuren nicht dargestellt. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, wie ein Laserstrahl eines Lasers mit einem Fokusradius von wenigen μm auf die Oberflache eines Objekts fokussiert werden kann. Als Laser kann hierbei bspw. ein modengekoppelter Laser mit einer Repetitionsrate von 50 MHz und Pulsdauern von einer Picosekunde eingesetzt werden. Ein für die laser- gestutzte Plasmaerzeugung gut geeignetes Kathodenmaterial ist bspw. WTh (Wolfram-Thorium) .The basic structure and the basic operation of the proposed arrangement and the proposed method will first be explained in more detail with reference to Figures 1 to 3. FIG. 1 shows an advantageous construction of the arrangement for generating electron beams, which has particular advantages with respect to high-voltage resistance. The plasma is thereby generated by focusing the illustrated laser beam 5 on a surface of the cathode 1. The plasma 6 propagates with its main propagation direction 18 substantially perpendicular to the surface of the cathode 1, on which the laser beam 5 is focused. The laser and the optics required for the focusing are not shown in this and the other figures. However, it is known to the person skilled in the art how a laser beam of a laser with a focus radius of a few μm can be focused onto the surface of an object. As a laser, for example, a mode-locked laser with a repetition rate of 50 MHz and pulse durations of one picosecond can be used. For example, WTh (tungsten-thorium) is a well-suited cathode material for laser-assisted plasma generation.
Parallel zur Hauptausbreitungsrichtung 18 des Plasmas 6 - und somit parallel zur Flachennormalen auf die zur Plasmaerzeugung genutzte Oberflache der Kathode 1 - ist ein elektrisch leitfahiges Gitter 2 m einem geringen Abstand von etwa 1 bis 3 cm von der Oberflache der Kathode 1 angeordnet. Das Gitter 2 ist durch einen Isolator 4 gegenüber der Kathode 1 isoliert. Dieser Isolator 4 stellt gleichzeitig eine Trennwand dar, die eine Plasmaausbreitung des Plasmas 6 in Richtung der Anode 3 verhindert. Die Anode 3 ist so angeordnet, dass sie durch das Gitter 2 und den Isolator 4 von dem Bereich getrennt wird, in dem die Plasmaerzeugung stattfindet .Parallel to the main direction of propagation 18 of the plasma 6 - and thus parallel to the flat normal to the used for plasma generation surface of the cathode 1 - an electrically conductive grid 2 m a small distance of about 1 to 3 cm from the surface of the cathode 1 is arranged. The grating 2 is insulated from the cathode 1 by an insulator 4. At the same time, this insulator 4 constitutes a dividing wall which prevents plasma propagation of the plasma 6 in the direction of the anode 3. The anode 3 is arranged to pass through the grid 2 and the insulator 4 of the Area is separated, in which the plasma generation takes place.
Die elektrische Verschaltung von Kathode 1, Gxtter 2 und Anode 3 ist in Figur 2 angedeutet. Sowohl zwischen Kathode 1 und Gitter 2 als auch zwischen Gitter 2 und Anode 3 wird jeweils über Hochspannungsquellen 8 eine elektrische Spannung angelegt. Das Gitter 2 befindet sich hierbei auf einem im Vergleich zur Kathode 1 positiven Potential von bis zu einigen kV. Das Gitter 2 ist über einen Vorwiderstand 9 von bis zu einigen MΩ mit der Hochspannungsquelle 8 verbunden. Dieser Vorwiderstand 9 ist in einer geeigneten Große erforderlich, um einen konstanten Elektronenfluss und somit eine reproduzierbare Betriebsweise derThe electrical connection of cathode 1, Gxtter 2 and anode 3 is indicated in FIG. Both between the cathode 1 and grid 2 and between grid 2 and anode 3, an electrical voltage is applied in each case via high voltage sources 8. The grid 2 is in this case on a positive potential compared to the cathode 1 of up to a few kV. The grid 2 is connected via a series resistor 9 of up to a few MΩ to the high voltage source 8. This series resistor 9 is required in a suitable size to a constant flow of electrons and thus a reproducible operation of the
Elektronenquelle zu erreichen, wie bereits weiter oben erläutert wurde. Die Anode 3 befindet sich auf einem gegenüber dem Gitter 2 positiven Potential, um eine Beschleunigung der ausgekoppelten Elektronen 7 zur Anode 3 zu erreichen.To achieve electron source, as already explained above. The anode 3 is located on a positive potential relative to the grid 2 in order to achieve an acceleration of the coupled-out electrons 7 to the anode 3.
Durch die Fokussierung der Laserpulse auf die Oberflache der Kathode 1 wird das Plasma 6 erzeugt. Sobald sich dieses Plasma 6 zwischen Kathode 1 und Gitte 2 ausgebreitet hat, bildet sich aufgrund der elektrisch leitenden Eigenschaft des Plasmas 6 eine Entladung zwischen Kathode 1 und Gitter 2 aus. Die Hohe des Entladungsstroms ist dabei abhangig vom Abstand d zwischen Kathode 1 und Gitter 2, der Hohe des Vorwiderstandes 9, den Elektrodenflachen sowie demBy focusing the laser pulses on the surface of the cathode 1, the plasma 6 is generated. As soon as this plasma 6 has spread between the cathode 1 and the gate 2, a discharge between the cathode 1 and the grid 2 is formed due to the electrically conductive property of the plasma 6. The height of the discharge current is dependent on the distance d between the cathode 1 and grid 2, the height of the series resistor 9, the electrode surfaces and the
Drahtdurchmesser und der Maschenweite des Gitters 2. Zum anderen hangt die Hohe des Stromes ebenso von der Potentialdifferenz zwischen Kathode 1 und Gitter 2 ab, die über die Hochspannungsquelle 8 gesteuert werden kann. Damit lasst sich der Stromwert über die Steuerung dieser Spannung zwischen Null und einem Maximalwert einstellen oder steuern. Elektronenstrahlpulse können entweder durch An- und Abschalten der Spannung zwischen Gitter 2 und Kathode 1 oder durch An- und Abschalten der Laseremission erzeugt werden.Wire diameter and the mesh size of the grating 2. On the other hand, the height of the current also depends on the potential difference between the cathode 1 and the grating 2, which can be controlled via the high voltage source 8. This allows the current value to be set or controlled by controlling this voltage between zero and a maximum value. Electron beam pulses can be generated either by switching on and off the voltage between grid 2 and cathode 1 or by switching the laser emission on and off.
Figur 3 zeigt stark schematisiert die Verhaltnisse am Gitter 2, die zur Auskopplung von Elektronen 7 aus dem Plasma 6 fuhren, obwohl dies eine positiv geladene Randschicht 10 ausbildet. Figur 3 zeigt hierzu eine Masche des Gitters 2 sowie die Aquipotentiallinien 11, die sich aufgrund der Spannung am Gitter 2 einstellen. Bei geeigneter Dimensionierung des Drahtdurchmessers sowie der Maschenweite des Gitters 2 kommt es zwischen den Gitterdrahten zu einer dauerhaft offenen Plasmaoberflache, an der Elektronen in Richtung der Anode 3 emittiert werden können.FIG. 3 shows, in a highly schematic manner, the relationships on the grating 2, which lead to the decoupling of electrons 7 from the plasma 6, although this forms a positively charged edge layer 10. For this purpose, FIG. 3 shows a mesh of the grid 2 as well as the aqui-potential lines 11, which are adjusted due to the tension on the grid 2. With suitable dimensioning of the wire diameter and the mesh size of the grid 2, a permanently open plasma surface occurs between the grid wires, at which electrons can be emitted in the direction of the anode 3.
Figur 4 zeigt ein Beispiel eines mit einer Anordnung gemäß Figur 1 erzeugten Strompulses. Hierbei wurde für eine Dauer von ca. 300 μs durch Einstrahlung des Laserstrahls 7 mit einem entsprechend langen Laserburst ein Plasma generiert, aus dem über dasFIG. 4 shows an example of a current pulse generated with an arrangement according to FIG. In this case, a plasma was generated for a duration of about 300 microseconds by irradiation of the laser beam 7 with a correspondingly long laser burst, from which via the
Gitter 2 die Elektronen 7 ausgekoppelt wurden. Aus der Figur 4 ist ersichtlich, dass hierdurch ein annähernd rechteckformiger Strompuls mit der Dauer von 300 μs erhalten werden konnte.Grid 2, the electrons 7 were decoupled. It can be seen from FIG. 4 that in this way an approximately rectangular current pulse with a duration of 300 μs could be obtained.
Grundsatzlich kann das Gitter 2 auch senkrecht oder in jedem beliebigen anderen Winkel zur Hauptausbreitungsrichtung 18 des Plasma 6 angeordnet werden. Figur 5 zeigt hierzu ein Beispiel für eine senkrechte Anordnung des Gitters 2. In diesem Falle können allerdings elektrische Entladungen und Durchbrüche zwischen Gitter 2 und Anode 3 durch das Plasma 6 verursacht werden, da das bei der Plasmaerzeugung abgetragene Material durch das Gitter 2 hindurch fliegt und damit in den Raum zwischen Gitter 2 und Anode 3 gelangen kann. Ein Betrieb einer derartigen Anordnung erfordert daher geringere elektrische Spannungen zwischen Gitter 2 und Anode 3 als bei einer Anordnung gemäß Figur 1.In principle, the grating 2 can also be arranged perpendicular or at any other angle to the main propagation direction 18 of the plasma 6. FIG. 5 shows an example of a vertical arrangement of the grating 2. In this case, however, electrical discharges and openings between grid 2 and anode 3 can be caused by the plasma 6, since the material removed in the plasma generation flies through the grating 2 and thus can get into the space between grid 2 and anode 3. An operation of such an arrangement therefore requires lower electrical voltages between grid 2 and anode 3 than in an arrangement according to FIG. 1.
Zur verbesserten Kontrolle der Ausbreitung des Plasmas 6 kann eine Anordnung gewählt werden, bei der sich das Plasma 6 ausschließlich im Innern eines mit Ausnahme der Elektronenaustrittsöffnung (Gitter mit Gitteröffnungen) geschlossenen Hohlraumes 12 ausbreitet. Eine derartige Ausgestaltung ist beispielhaft in Figur 6 dargestellt. Der Bereich der Plasmaerzeugung wird in diesem Beispiel durch ein Rohr bis auf dieFor improved control of the propagation of the plasma 6, it is possible to select an arrangement in which the plasma 6 propagates exclusively in the interior of a cavity 12 closed with the exception of the electron exit opening (grid with grid openings). Such a configuration is shown by way of example in FIG. The area of plasma generation is in this example through a pipe down to the
Elektronenaustrittsöffnung räumlich komplett gekapselt, wie dies in der Figur angedeutet ist. Das Rohr weist an einer Stelle ein Fenster 13 auf, über das der Laserstrahl 5 eintreten und auf die Oberfläche der Kathode 1 treffen kann. Damit ist die Ausbreitung des Plasmas 6 auf den vom Rohr umschlossenen Hohlraum 12 begrenzt, so dass auch durch das Plasma 6 hervorgerufene Ablagerungen nur innerhalb des Rohres auftreten. Besonders bei einer Betriebsweise mit Spannungen über 10 kV bis deutlich über 100 kV erweist sich diese Anordnung als vorteilhaft, da elektrische Kurzschlüsse und Durchbrüche damit wirkungsvoll verhindert werden. Selbstverständlich lassen sich auch zusatzliche Elemente in den Bereich einbringen, in dem sich das Plasma 6 ausbreitet, um dessen Ausbreitung zu beeinflussen oder zu kontrollieren. Ein Beispiel hierfür ist in Figur 7 dargestellt. An diesem Beispiel ist zwischen der Kathode 1 und dem Gitter 2 zusatzlich ein Pinhole 14 angeordnet, das die Ausbreitung des Plasma 6 im Bereich des Gitters 2 raumlich einschrankt. Hierbei ist selbstverständlich auch jede andere Form und Geometrie eines derartigen Elementes denkbar.Electron outlet completely encapsulated spatially, as indicated in the figure. The tube has at one point a window 13, via which the laser beam 5 can enter and strike the surface of the cathode 1. Thus, the spread of the plasma 6 is limited to the space enclosed by the tube cavity 12, so that even caused by the plasma 6 deposits occur only within the tube. Especially in a mode of operation with voltages above 10 kV to well above 100 kV, this arrangement proves to be advantageous because electrical short circuits and openings are thus effectively prevented. Of course, additional elements can also be introduced into the area in which the plasma 6 propagates in order to influence or control its propagation. An example of this is shown in FIG. In this example, a pinhole 14 is additionally arranged between the cathode 1 and the grid 2, which spatially confines the propagation of the plasma 6 in the region of the grid 2. Of course, any other shape and geometry of such an element is conceivable.
Die geometrische Form der Elektronenaustritts- offnung, die durch das Gitter 2 definiert wird, kann beliebig gewählt werden, bspw. rund, eckig, oval usw. Zudem kann das Gitter 2 mit einem leitenden Rahmen 15 umgeben sein, der Veränderungen der elektrischen Feldlinien hervorruft und damit einen Einfluss auf die Trajektorien der ausgekoppelten Elektronen 7 hat. Bei geeigneter Wahl eines derartigen Rahmens 15 kann auf diese Weise eine Fokussierung des Elektronenstrahls bewirkt werden, wie dies in der Figur 8 schematisch angedeutet ist.The geometric shape of the electron exit opening, which is defined by the grid 2, can be chosen arbitrarily, for example. Round, square, oval, etc. In addition, the grid 2 may be surrounded by a conductive frame 15, which causes changes in the electric field lines and so that an influence on the trajectories of the decoupled electrons 7 has. With a suitable choice of such a frame 15, a focusing of the electron beam can be effected in this way, as is schematically indicated in Figure 8.
Der Abstand d zwischen Oberflache der Kathode 1 und Gitter 2 wirkt sich auf die Schaltzeit aus, mit der die Elektronenemission geschaltet werden kann. Bei größeren Abstanden verlangern sich die Schaltzeiten geringfügig, wobei ggf. die Stromhohe abnimmt. Dafür werden sehr gleichmaßige Elektronenstrome und eine sehr gute Hochspannungsfestigkeit erreicht. Bei kleinen Abstanden kehrt sich dieser Zusammenhang um. Als geeignete Werte, die einen guten Mittelweg darstellen, haben sich Abstande d im Bereich von ungefähr 1 cm herausgestellt. Figur 9 zeigt hierzu zwei Beispiele in schematischer Darstellung, wobei in der linken Teilabbildung ein kleiner Abstand d zwischen Gitter 2 und Kathode 1 und in der rechten Teilabbildung ein größerer Abstand d gewählt wurde.The distance d between the surface of the cathode 1 and grid 2 affects the switching time, with which the electron emission can be switched. For larger distances, the switching times are slightly longer, with possibly the current high decreases. For this, very uniform electron currents and a very good high-voltage resistance are achieved. At small distances, this relationship is reversed. As suitable values that represent a good middle ground, Distances d have been found in the range of about 1 cm. FIG. 9 shows two examples in schematic representation, with a smaller distance d between grid 2 and cathode 1 being selected in the left partial image and a larger distance d in the right partial image.
Die elektrische Verschaltung von Kathode 1, Gitter 2 und Anode 3, wie sie beispielhaft bereits in Figur 2 dargestellt wurde, kann auch so durchgeführt werden, dass entweder die Anode 3 oder das Gitter 2 oder die Kathode 1 auf Massepotential - oder jedes beliebige andere Potential - gelegt werden können. Die Potentiale der jeweils anderen beiden Komponenten müssen dann so gewählt werden, dass die entsprechenden elektrischen Felder anliegen. Die Funktion der gesamten Anordnung wird dadurch nicht beeinträchtigt. Ein Vorteil einer Ausgestaltung, bei der die Anode 3 auf Massepotential gelegt wird, besteht darin, dass die Anode in diesem Fall über einfache Flussigkeitskreislaufe gekühlt werden kann. Diese Kühlung ist ggf. erforderlich, da sich die Anode 3 aufgrund der auftreffenden Elektronen, insbesondere bei der Nutzung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, stark aufheizt.The electrical connection of cathode 1, grid 2 and anode 3, as it has already been exemplified in Figure 2, can also be carried out so that either the anode 3 or the grid 2 or the cathode 1 at ground potential - or any other potential - can be placed. The potentials of the other two components must then be chosen so that the corresponding electric fields are applied. The function of the entire arrangement is not affected. An advantage of an embodiment in which the anode 3 is grounded, is that the anode can be cooled in this case via simple Flussigkeitskreislaufe. This cooling may be necessary since the anode 3 heats up considerably due to the impacting electrons, in particular when it is used to generate X-ray radiation.
Der Laserstrahl 5 kann in einem beliebigen Winkel zur Oberflache der Kathode 1 eingestrahlt werden, die für die Plasmaerzeugung genutzt wird. Im Gegensatz zu der in den Figuren 1 und 5 bis 9 dargestellten Variante, ist bspw. auch ein senkrechter Einfall möglich. Dies ist in Figur 10 beispielhaft gezeigt. In diesem Fall des gekapselten Plasmaerzeugungsbereichs - wie bereits im Zusammenhang mit Figur 6 erläutert - wird das Fenster 13 zur Einkopplung des Laserstrahls 5 entsprechend für den senkrechten Einfall angeordnet.The laser beam 5 can be irradiated at any angle to the surface of the cathode 1, which is used for plasma generation. In contrast to the variant shown in Figures 1 and 5 to 9, for example, a vertical incidence is possible. This is shown by way of example in FIG. In this case, the encapsulated plasma generation region - as already explained in connection with FIG. 6 - the window 13 is arranged for coupling the laser beam 5 according to the vertical incidence.
Weiterhin ist es möglich, mehrere Laserstrahlen für die Erzeugung des Plasmas einzusetzen. Die Foki der Laserstrahlen können dabei auf der gleichen Kathode nebeneinander oder auch auf unterschiedlichen Kathoden liegen. Der Vorteil besteht darin, dass durch mehrere Laserstrahlen und damit mehrere Plasmaerzeugungsorte die Plasmadichte erhöht und/oder der Abtrag vonFurthermore, it is possible to use a plurality of laser beams for the generation of the plasma. The Foki the laser beams can be on the same cathode next to each other or on different cathodes. The advantage is that the plasma density is increased by multiple laser beams and thus several plasma generation sites and / or the removal of
Material sichergestellt werden kann. Es wird damit die Wahrscheinlichkeit verringert, dass durch Unebenheiten oder Locher auf der Oberflache der Kathode zeitweise gar kein Material abgetragen wird.Material can be ensured. This reduces the likelihood that at times no material will be removed due to unevenness or holes on the surface of the cathode.
Figur 11 zeigt hierzu zwei Ausfuhrungsbeispiele. In der linken Teilabbildung werden zwei Kathoden 1 auf gegenüber liegenden Seiten des Plasmaerzeugungsbereichs bzw. des Gitters 2 eingesetzt. Mit zwei Laserstrahlen 5 wird dabei jeweils ein von beiden sich gegenüber liegenden Kathodenoberflachen ausgehendes Plasma erzeugt. Die rechte Teilabbildung zeigt eine Ausgestaltung, bei der drei Laserstrahlen 5 an unterschiedlichen Orten auf die gleiche Oberflache der gleichen Kathode 1 gerichtet werden, um das Plasma 6 zu erzeugen .FIG. 11 shows two exemplary embodiments for this purpose. In the left partial image, two cathodes 1 are used on opposite sides of the plasma generation region and the grating 2, respectively. With two laser beams 5, in each case one of both opposing cathode surfaces outgoing plasma is generated. The right part of the figure shows an embodiment in which three laser beams 5 are directed at different locations on the same surface of the same cathode 1 to produce the plasma 6.
Die Kathode kann aus einem festen Material bestehen oder auch in einem flussigen Zustand sein. Für die Hochspannungsfestigkeit ist lediglich wichtig, dass das Material einen möglichst niedrigen Dampfdruck hat. Wie ebenfalls bereits weiter oben beschrieben wurde, sind Materialien mit niedrigen Ionisierungsenergien, niedrigen photoelektrischen Austrittsarbeiten und niedriger Absorption des Laserlichts im Plasma vorteilhaft. Der Winkel der für die Plasmaerzeugung genutzten Oberflache der Kathode sowohl gegenüber dem eintreffenden Laserstrahl als auch gegenüber der Ausrichtung des Gitters kann dabei für den Prozess weitgehend frei gewählt werden. Auch eine Kathode mit einer schräg verlaufenden Oberfläche zur Plasmaerzeugung ist möglich, wie sie beispielhaft in Figur 12 dargestellt ist.The cathode may be made of a solid material or may be in a liquid state. For the high-voltage strength is only important that the material has the lowest possible vapor pressure. As has already been described above, materials with low ionization energies, low photoelectric work functions and low absorption of the laser light in the plasma advantageous. The angle of the surface of the cathode used for the plasma generation, both with respect to the incident laser beam and with respect to the orientation of the grating, can be selected largely freely for the process. A cathode with a sloping surface for plasma generation is also possible, as shown by way of example in FIG.
Bei längerer Benutzung der Kathode wird soviel Material abgetragen, dass Locher in die Oberflache gebohrt werden. Dieses Problem kann zum einen umgangen werden, indem eine flussige Kathode verwendet wird. Das durch die Lasereinstrahlung erzeugte Loch auf der Oberflache wird dann sofort wieder mit Material aufgefüllt. Das flussige Kathodenmaterial kann so aufbewahrt werden, dass die Oberflache durch die Oberflachenspannung und die Kapillarkraft raumlich immer an der gleichen Stelle liegt, d. h. dass das abgetragene Material von hinten nachgefuhrt wird. Dies ist in der Figur 13 schematisch angedeutet, bei der die Kathode 1 aus einem Element mit einem Kanal 16 besteht, in den das flussige Kathodenmateπal 17 standig bis zur Oberflache, die für die Plasmaerzeugung genutzt wird, nach fließt.With prolonged use of the cathode so much material is removed that holes are drilled in the surface. This problem can be circumvented by using a liquid cathode. The hole created by the laser radiation on the surface is then immediately refilled with material. The liquid cathode material can be stored so that the surface is spatially always in the same place due to the surface tension and the capillary force, i. H. that the removed material is tracked from behind. This is indicated schematically in FIG. 13, in which the cathode 1 consists of an element with a channel 16 into which the liquid cathode material 17 constantly flows up to the surface which is used for the plasma generation.
Eine weitere Möglichkeit bei der Verwendung fester Kathodenmaterialien besteht darin, die Oberflache der Kathode mit dem Laser abzurastern. Dies kann entweder dadurch erfolgen, dass der Laserstrahl über die Oberflache der Kathode bewegt wird, oder dadurch, dass bei ortsfestem Laserstrahl die Kathode bewegt wird. Die Abstande und Geschwindigkeiten beim Abrastern sind abhangig vom Fokusradius, der Pulsenergie des Lasers und dem Material. Für den Fall einer bewegten Kathode ist auch eine drehende anstatt einer rasternden Bewegung denkbar.Another possibility when using solid cathode materials is to scan the surface of the cathode with the laser. This can be done either by moving the laser beam over the surface of the cathode, or by with stationary laser beam, the cathode is moved. The distances and speeds of scanning are dependent on the focus radius, the pulse energy of the laser and the material. In the case of a moving cathode, a rotating rather than a rasping movement is conceivable.
Weiterhin kann als Kathode ein festes Material mit niedrigem Schmelzpunkt gewählt werden. Nachdem Material von der Oberflache abgetragen wurde, wird dann dieFurther, as the cathode, a solid material having a low melting point can be selected. After material has been removed from the surface, then the
Oberflache soweit erhitzt, dass die Oberflache flussig wird und sich ggf. entstandene Locher und Unebenheiten wieder ausgleichen und glattziehen. Diese Aufheizung der Oberflache kann bspw. mit dem gleichen Laser bei größerer Fokussierung und höherer Leistung oder mit einem weiteren Laser durchgeführt werden. Dies kann in kurzen Betriebspausen oder gleichzeitig wahrend des Betriebs (im Falle eines zusatzlichen Lasers) erfolgen. Auch eine Aufheizung durch eine elektrische Heizung wäre möglich.Surface is heated to such an extent that the surface becomes liquid and any holes and bumps that have arisen are leveled out again and smoothed out. This heating of the surface can be carried out, for example, with the same laser with a larger focus and higher power or with another laser. This can be done in short breaks or simultaneously during operation (in the case of an additional laser). A heating by an electric heater would be possible.
Die oben beispielhaft dargestellten Ausfuhrungsbeispiele lassen sich, soweit sie nicht unterschiedliche Ausgestaltungen der gleichen Komponente der Anordnung betreffen, auch beliebig miteinander kombinieren.The embodiments exemplified above can be combined with each other as far as they do not relate to different configurations of the same component of the arrangement.
Die in der vorliegenden Patentanmeldung vorgeschlagene Elektronenquelle weist sehr kurze Schalt Zeiten auf. Durch die Erzeugung des Plasmas mit einem Ultrakurzpulslaser und damit die zeitliche Steuerung der Emission wird eine hohe zeitliche Modulierbarkeit erreicht. Es können sowohl Elektronen- pulse in beliebiger Abfolge und nahezu beliebiger Pulslange als auch Gleichströme erzeugt werden, wobei die Stromhohe wahrend der Dauer der Elektronenemission auch bei gepulstem Betrieb konstant gehalten werden kann. The electron source proposed in the present patent application has very short switching times. By generating the plasma with an ultrashort pulse laser and thus the temporal control of the emission, a high temporal modulation is achieved. Both electron and pulse can be generated in any sequence and almost any pulse length as well as direct currents, wherein the current height can be kept constant during the duration of the electron emission even with pulsed operation.
Bezugs zeichenlisteReference sign list
1 Kathode1 cathode
2 Gitter2 grids
3 Anode3 anode
4 Isolator4 insulator
5 Laserstrahl5 laser beam
6 Plasma6 plasma
7 Elektronen7 electrons
8 Hochspannungsquelle8 high voltage source
9 Vorwiderstand9 resistor
10 positiv geladene Randschicht10 positively charged surface layer
11 Äquipotentiallinien11 equipotential lines
12 Hohlraum12 cavity
13 Fenster13 windows
14 Pinhole14 pin holes
15 elektrisch leitfähiger Rahmen15 electrically conductive frame
16 Kanal16 channel
17 Flüssiges Kathodenmaterial17 Liquid cathode material
18 Hauptausbreitungsrichtung 18 main propagation direction

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit einer Anordnung, die mindestens eine Kathode (1), ein elektrisch leitfähiges Gitter (2) und eine Anode (3) umfasst, bei demA method of producing an electron beam having an arrangement comprising at least one cathode (1), an electrically conductive grid (2) and an anode (3), in which
- in einem an die Kathode (1) und das Gitter (2) angrenzenden Bereich ein Plasma (6) erzeugt wird,a plasma (6) is produced in a region adjoining the cathode (1) and the grid (2),
- durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Gitter (2) und der Kathode (1) Elektronen (7) durch das Gitter (2) hindurch aus dem Plasma (6) ausgekoppelt werden und- By applying an electrical voltage between the grid (2) and the cathode (1) electrons (7) through the grating (2) through from the plasma (6) are coupled out and
- durch Anlegen einer weiteren elektrischen Spannung zwischen dem Gitter (2) und der Anode (3; die ausgekoppelten Elektronen (7) in Richtung der Anode (3) beschleunigt werden, wobei das Plasma (6) durch Fokussieren von Laserpulsen auf eine Oberfläche der Kathode (1) erzeugt wird.by accelerating a further electrical voltage between the grid (2) and the anode (3), the coupled-out electrons (7) are accelerated towards the anode (3), the plasma (6) being focused on a surface of the cathode by laser pulses (1) is generated.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (2) unter einem Winkel von < 45°, vorzugsweise parallel, zu einer Flächennormalen auf die Oberfläche der Kathode (1) angeordnet wird, von der sich das Plasma (6) ausbreitet.2. The method according to claim 1, characterized in that the grating (2) at an angle of <45 °, preferably in parallel, is arranged to a surface normal to the surface of the cathode (1) from which the plasma (6) propagates ,
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand d zwischen der Kathode (1) und dem Gitter (2) gewählt wird, der ≤ 3 cm ist. 3. The method according to claim 2, characterized in that a distance d between the cathode (1) and the grid (2) is selected, which is ≤ 3 cm.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Hochspannungsquelle (8) zum Anlegen der elektrischen Spannung und dem Gitter (2) ein elektrischer Vorwiderstand (3) von > lkΩ geschaltet wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that between a high voltage source (8) for applying the electrical voltage and the grid (2) an electrical series resistor (3) of> lkΩ is connected.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gitter (2) mit einem Gitterdrahtdurchmesser im Bereich zwischen 10 μm und 1000 μm und einer Maschenweite im Bereich zwischen 10 μm und 10 mm eingesetzt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a grid (2) with a grid wire diameter in the range between 10 .mu.m and 1000 .mu.m and a mesh size in the range between 10 .mu.m and 10 mm is used.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse mit einem Laser mit einer Repetitionsrate von mindestens 10 MHz und mit einer Pulsdauer erzeugt werden, die zwischen 100 fs und 100 ps liegt.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the laser pulses are generated with a laser with a repetition rate of at least 10 MHz and with a pulse duration which is between 100 fs and 100 ps.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Plasmaerzeugung bis auf eine durch das Gitter (2) gegebene Elektronen- austrittsoffnung raumlich vollständig gekapselt wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the region of the plasma generation is completely encapsulated spatially except for a given through the grid (2) electron exit opening.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohe eines zwischen der Kathode (1) und der Anode (3) bei der Erzeugung des Elektronenstrahls fließenden Elektronenstromes durch die Spannung zwischen Kathode (1) und Gitter (2) gesteuert wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a height of a between the cathode (1) and the anode (3) is controlled in the generation of the electron beam flowing electron current through the voltage between the cathode (1) and grid (2).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohe eines zwischen der Kathode (1) und der Anode (3) bei der Erzeugung des Elektronen- Strahls fließenden Elektronenstromes über die9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that a height of between the cathode (1) and the anode (3) in the generation of the electron beam flowing electron stream over the
Strombegrenzung des Gitterstromes gesteuert wird.Current limit of the grid current is controlled.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse mit mehreren Laserstrahlen (5] gleichzeitig auf unterschiedliche Bereiche der Oberflache der Kathode (1) oder auf mehrere Kathoden (1) fokussiert werden, um das Plasma (6) zu erzeugen.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the laser pulses with a plurality of laser beams (5] are simultaneously focused on different areas of the surface of the cathode (1) or on a plurality of cathodes (1) to the plasma (6) to create.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) oder zumindest ein Bereich der Oberfläche der Kathode (1), auf den die Laserpulse fokussiert werden, aus einem flussigen Material bereitgestellt wird.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the cathode (1) or at least a portion of the surface of the cathode (1) on which the laser pulses are focused, is provided from a liquid material.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflache der Kathode (1) mit den Laserpulsen abgerastert wird. 12. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the surface of the cathode (1) is scanned with the laser pulses.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) aus einem festen Material bereitgestellt wird und dass die Oberflache der Kathode (1) wiederholt durch Aufheizen aufgeschmolzen wird, um durch die Plasmaerzeugung entstandene Unebenheiten auszugleichen.13. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the cathode (1) is made of a solid material and that the surface of the cathode (1) is repeatedly melted by heating to compensate for the unevenness resulting from the plasma generation.
14. Anordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, mit mindestens14. Arrangement for generating an electron beam, with at least
- einer Kathode (1) und einem elektrisch leitfahigen Gitter (2), die an einen Bereich einer Plasmaerzeugung angrenzen,a cathode (1) and an electrically conductive grid (2) adjacent to a region of plasma generation,
- einer Anode (3), - einem Lasersystem, durch das Laserpulse erzeugbar sind und auf eine Oberflache der Kathode- An anode (3), - A laser system, are generated by the laser pulses and on a surface of the cathode
(1) fokussiert werden, die geeignet sind, durch Materialabtrag von der Kathode (1) ein Plasma (6) in dem Bereich der Plasmaerzeugung zu erzeugen, und(1) which are suitable for producing a plasma (6) in the region of plasma generation by removal of material from the cathode (1), and
- einer oder mehreren Hochspannungsquellen (8), über die eine steuerbare elektrische Spannung zwischen dem Gitter (2) und der Kathode (1) anlegbar ist, durch die Elektronen (7) aus dem Plasma (6) durch das Gitter (2) hindurch aus dem Plasma (6) ausgekoppelt werden, und über die eine weitere elektrische Spannung zwischen dem Gitter- One or more high voltage sources (8) through which a controllable electrical voltage between the grid (2) and the cathode (1) can be applied, by the electrons (7) from the plasma (6) through the grid (2) through be coupled to the plasma (6), and on the another electrical voltage between the grid
(2) und der Anode (3) anlegbar ist, durch die die ausgekoppelten Elektronen (7) in Richtung der Anode (3) beschleunigt werden.(2) and the anode (3) can be applied, by which the decoupled electrons (7) are accelerated in the direction of the anode (3).
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (2) unter einem Winkel von < 45°, vorzugsweise parallel, zu einer Flachennormalen auf die Oberflache der Kathode (1) angeordnet ist, von der sich das Plasma (6) ausbreitet.15. Arrangement according to claim 14, characterized in that the grating (2) is arranged at an angle of <45 °, preferably parallel, to a flat normal on the surface of the cathode (1) from which the plasma (6) propagates.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand d zwischen der Kathode (1) und dem Gitter (2) < 3 cm ist.16. Arrangement according to claim 15, characterized in that a distance d between the cathode (1) and the grid (2) <3 cm.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der oder den Hochspannungsquellen (8) zum Anlegen der elektrischen Spannung und dem Gitter (2) ein elektrischer Vorwiderstand (3) von > lkΩ geschaltet ist.17. Arrangement according to one of claims 14 to 16, characterized in that between the one or more high voltage sources (8) for applying the electrical voltage and the grid (2), an electrical series resistor (3) of> lkΩ is connected.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (2) einen Gitterdrahtdurchmesser im Bereich zwischen 10 μm und 1000 μm und eine Maschenweite im Bereich zwischen 10 μm und 10 mm aufweist .18. Arrangement according to one of claims 14 to 17, characterized in that the grid (2) has a grid wire diameter in the range between 10 .mu.m and 1000 .mu.m and a mesh size in the range between 10 .mu.m and 10 mm.
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem so ausgebildet ist, dass es Laserpulse mit einer Repetitionsrate von mindestens 10 MHz und mit einer Pulsdauer erzeugt, die zwischen 100 fs und 100 ps liegt.19. Arrangement according to one of claims 14 to 18, characterized in that the laser system is designed so that it generates laser pulses with a repetition rate of at least 10 MHz and with a pulse duration which is between 100 fs and 100 ps.
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Plasmaerzeugung durch eine Umhüllung bis auf eine durch das Gitter (2) gegebene Elektronenaustrittsoffnung raumlich vollständig gekapselt ist.20. Arrangement according to one of claims 14 to 19, characterized the region of the plasma generation is completely encapsulated in space by an enclosure, with the exception of an electron exit opening provided by the grid (2).
21. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem so ausgebildet ist, dass es die Laserpulse mit mehreren Laserstrahlen (5) gleichzeitig auf unterschiedliche Bereiche der Oberflache der Kathode (1) oder auf mehrere Kathoden (1) fokussiert, um das Plasma (6) zu erzeugen .21. Arrangement according to one of claims 14 to 20, characterized in that the laser system is designed so that it focuses the laser pulses with a plurality of laser beams (5) simultaneously on different areas of the surface of the cathode (1) or on a plurality of cathodes (1) to generate the plasma (6).
22. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) oder zumindest ein Bereich der Oberflache der Kathode (1), auf den die Laserpulse fokussiert werden, aus einem flussigen Material besteht. 22. Arrangement according to one of claims 14 to 21, characterized in that the cathode (1) or at least a portion of the surface of the cathode (1) on which the laser pulses are focused, consists of a liquid material.
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