DE1963740A1

DE1963740A1 - Impuls-Elektronenquelle

Info

Publication number: DE1963740A1
Application number: DE19691963740
Authority: DE
Inventors: Arnulf Dipl-Phys Pro Schlueter
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1969-12-19
Filing date: 1969-12-19
Publication date: 1971-07-08

Description

Impuls-Elektronenquelle Die voriiegende Erfindung betrifft eine Elektronenquelle für Elektronenimpulse hoher Stromstärke und kurzer Dauer, mit einer geheizten Metallkathode, die eine emissionsfähige Oberfläche hat, einer Kathodenheizvorrichtung, einer Saugelektrode und einer zwischen die Kathodenheizvorrichtung, einer 5augelektrode und einer zwischen die Kathode und die Saugelektrode geschalteten Vorspannungsquelle, die an die Saugelektrode eine bezüglich der Kathode positive Spannung liefert.
Die mit einer Elektronenquelle erzielbaren Elektronenströme werden im wesentlichen durch die Ausbildung der emittlerenden Kathode bestimmt. Es sind direkt geheizte und indirekt geheizte Kathoden bekannt. Letztere enthalten gewöhnlich ein Metallröhrchen mit emissionsfähiger Oberfläche, das von innen durch einen Heizfäden, Elektronenbeschuß und dgl. auf Emissions temperatur gebracht wird.
FUr manche Zwecke werden Elektronenquellen benötigt, die hohe Ströme (Größenordnung kA) liefern und in einem möglichst kleinen, jedoch genau vorherbestimmten Bereich emittieren. Es wird dabei häufig auch gefordert, daß der erzeugte Elektronenimpuls eine kurze Dauer hat (Größenordnung einige 10 9 Sekunden) und durch ein äußeres Steuersignal mit möglichst geringer Verz8gerung und möglichst geringer Zeitunsicherheit (Größenordnung einige nsec) auslösbar ist.
Mit den bekannten Elektronenquellen und Kathoden lassen sich diese Forderungen nicht alle erfüllen.
Durch die vorliegende Erfindung soll also eine Elektronenquelle für Elektronenimpulse hoher Stromstärke und kurzer Dauer angegeben werden, die den obigen Forderungen genügt.
Diese Aufgabe wird gemäß der findung bei einer Elektronenquelle der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Heizvorrichtung aus einem Impuls-Laser und einer optischen Anordnung zum Fokussieren des Laserstrahlungsimpulses auf die emissionsfähige Oberfläche besteht.
Bevorzugte Anwendungsgebiete der Erfindung sind Elektronenbeschleuniger, Röntgenblitzgeräte hoher Leistung für Materialdurchstrahlungen, insbesondere bei schnellen Vorgängen, Materialbearbeitung mit Elektronenströmen, punktförmige Elektronenquellen für Elektronennikroskope und dgl.
Die Erfindung wird im folgenden: anhand der Zeichnung näher erläutert, in der eine Elektronenquelle gemäß der Erfindung dargestellt ist.
Die dargestellte Elektronenquelle ist in einem Vakuumgefäß 10 angeordnet, in dem im Betrieb ein Druck von etwa 10 6 Torr oder darunter herrscht. Im Vakuumgefäß 10 befindet sich eine als Kathode dienende Metallscheite 12, die z.B. aus (gegebenenfalls thoriertem) Wolfram, Molybdän oder dgl. bestehen kann. Die Kathodensoheibe 12 wird von einem Leiterstab 14 getragen, der isoliert durch die Wand des Vakuumgfäßes 10 durchgeführt ist.
Vor der Kathode 12 befindet sich eine becherförmige Beschleunigungs- oder Saugelektrode 16, die von einem Durchführungsleiter 18 getragen wird und im Betrieb z.B. auf Massepotential liegen kann. Die Saugelektrode 16 hat eine Mittelöffnung 20, durch das der erzeugte Elektronenimpuls in einen Vakuumkanal 22 austreten kann, der z.B. zu einem Beschleuniger, Elektronenmikroskop oder dgl. führt.
Die Saugelektrode 16 weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel noch eine weitere Öffnung 24 auf, durch die mittels einer Linse 26 ein Laserstrahlungsbündel 28, das von einem Rubin-laser 30 geliefert wird, auf einen Punkt auf der Kathodenscheibe 12 fokussiert werden kann.
Im Betrieb liegt die Kathode 12 auf einer hohen negativen Spannung gegenliber der Saugelektrode 16. Durch ein Steuersignal S wird ein Laserstrahlungsimpuls 28 ausgelöst, der die Oberfläche der Kathode 12 punktförmig stark aufheizt. Der aufgeheizte Bereich hat ein entsprechend starkes Elektronenemissionsvermögen und der Elektronenimpuls setzt praktisch verzögerungsfrei mit dem Eintreffen des Laserimpulses ein.
Die Dauer den Elektronenimpulses ist dadurch begrenzt, daß der Laserimpuls an der Kathode gleichzeitig mit den elektronen eine expandierende Plasma- und Gaswolke auslöst. Die Expansionsgeschwindigkeit dieser Wolke ist um Größenordnungen kleiner als die Elektronengeschwindigkeit; ihre Ancunft an der Saugelektrode begrenzt jedoch die maximal mögliche Länge des Elektronenimpulses.
Zum Abschalten der zwischen der Kathode 12 und der Saugelektrode 16 herrschenden Saugspannung und damit zur Beendigung des Elektronenimpulses wird bei der dargestellten Elektroneneine Funkenstrecke 32 verwendet, die durch einen abgezweigten Teil 28a des Laserstrahlungsimpulses, der den Elektronenimpuls auslöst, gezündet wird. Hierzu sind ein teildurchlässiger Spiegel 34 und eine Fokussierungslinse 36 vorgesehen, durch die der abgezweigte Teil 28a des Laserimpulses durch eine Durchbrechung in der einen Funkenstreckenelektrode in den Bereich zwischen den beiden Funkenstreckenelektroden fokussiert wird, wo er das dort vorhandene Gas ionisiert und die Entladung einleitet. Die Funkenstrecke ist in Reihe mit einem Abschlußwiderstand 38 an die einen der beiden Leiter eines Laufzeit-Koaxialkabels 40 angeschlossen. Die anderen Enden der Leiter des Laufzeitkabels sind mit der Kathode 12 bzw. Saugelektrode 16 verbunden. Das Kabel dient als Spannungs- und Energiequelle für den Elektronenimpuls und wird über einen Widerstand 42 von einer nicht dargestellten Spannungsquelle, die eine Spannung von z.B.
30 kV liefert, aufgeladen. Selbstverständlich kann die Beschleunigungsspannung auch durch irgendeine andere geeignete elektrische Energiequelle geliefert werden.
Bei Verwendung eines Rubinlasers mit etwa 2 Joule Ausgangsleistung und 5 mrad Winkeldiverganz, einer Impulsbreite von 17 nsec und einer Brennweite der Fokussierungslinse 26 von 15 cm konnten mit der dargestellten Anordnung Elektronenimpulse mit einer Stromstärke bis etwa 1 kA hergestellt werden. Die Brennfleckfläche auf der Kathode 12 betrug dabei etwa 1012 cm2.
Bei Verwendung größerer Laserenergien, kleinerer Winkeldivergenz und kürzerer Linsenbrennweite lassen sich die oben angegebenen Elektronenstromstärken entsprechend vergrößern.

Claims

Patent anspruch

Elektronenquelle für Elektronenimpulse hoher Stromstärke und kurzer Dauer, mit einer geheizten Metallkathode, die eine emissionsfähige Oberfläche hat, einer Kathodenheizvorrichtung, einer Saugelektrode und einer zwischen die Kathode und die Saugelektrode geschalteten Vorspannungsquelle, die an die Saugelektrode eine bezüglich der Kathode positive Spannung liefert, d a d u r c h g e k e n n z e i o h n e t, daß die Heizvorrichtung aus einem Impuls-Laser (30) und einer optischen Anordnung (26) zum Poskussieren des Laserstrahlungsimpulses auf die emissionsfähige Oberfläche der Kathode (12) besteht.

L e e r s e i t e