DE1963740A1

DE1963740A1 - Pulse electron source

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. Pulse Electron Source The present invention relates to an electron source for electron pulses of high current strength and short duration, with a heated metal cathode, which has an emissive surface, a cathode heating device, a suction electrode and one between the cathode heater, one outside electrode and one between the cathode and the suction electrode are connected to the bias voltage source that is applied to the suction electrode supplies a positive voltage with respect to the cathode.

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. The electron currents that can be achieved with an electron source are essentially determined by the design of the emitting cathode. There are directly heated and indirectly heated cathodes are known. The latter usually contain a metal tube with an emissive surface, which is connected from the inside by a heating filament, Electron bombardment and the like. Is brought to emission temperature.

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. For some purposes, electron sources are required that generate high currents (Order of magnitude kA) and in as small as possible, but precisely predetermined Emit area. It is often required that the generated electron pulse has a short duration (of the order of some 10 9 seconds) and by an external one Control signal with the lowest possible delay and the lowest possible time uncertainty (Order of magnitude a few nsec) can be triggered.

Mit den bekannten Elektronenquellen und Kathoden lassen sich diese Forderungen nicht alle erfüllen. With the known electron sources and cathodes, these Not all demands are met.

Durch die vorliegende Erfindung soll also eine Elektronenquelle für Elektronenimpulse hoher Stromstärke und kurzer Dauer angegeben werden, die den obigen Forderungen genügt. The present invention is intended to provide an electron source for Electron pulses of high amperage and short duration are given that correspond to the above Demands is sufficient.

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. This task is according to the invention in an electron source of The type mentioned at the outset is achieved in that the heating device consists of a pulse laser and an optical arrangement for focusing the laser radiation pulse on the emissive surface.

Bevorzugte Anwendungsgebiete der Erfindung sind Elektronenbeschleuniger, Röntgenblitzgeräte hoher Leistung für Materialdurchstrahlungen, insbesondere bei schnellen Vorgängen, Materialbearbeitung mit Elektronenströmen, punktförmige Elektronenquellen für Elektronennikroskope und dgl. Preferred areas of application of the invention are electron accelerators, High-performance X-ray flash units for radiographing materials, especially for fast processes, material processing with electron currents, point electron sources for electron microscopes and the like.

Die Erfindung wird im folgenden: anhand der Zeichnung näher erläutert, in der eine Elektronenquelle gemäß der Erfindung dargestellt ist. The invention is explained in more detail below with reference to the drawing, in which an electron source according to the invention is shown.

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. The electron source shown is arranged in a vacuum vessel 10, in which there is a pressure of about 10 6 Torr or below during operation. In the vacuum vessel 10 there is a metal billet 12 serving as a cathode, which is made of e.g. thoriated) tungsten, molybdenum or the like. Can exist. The cathode base 12 is carried by a conductor bar 14 which is insulated by the wall of the vacuum vessel 10 is carried out.

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. In front of the cathode 12 there is a cup-shaped acceleration or suction electrode 16, which is carried by a feed-through conductor 18 and in the Operation can be at ground potential, for example. The suction electrode 16 has a central opening 20, through which the generated electron pulse can exit into a vacuum channel 22, which e.g. leads to an accelerator, electron microscope or the like.

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. The suction electrode 16 has in the illustrated embodiment yet another opening 24 through which a laser beam bundle by means of a lens 26 28, which is supplied by a ruby laser 30, to a point on the cathode disk 12 can be focused.

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. In operation, the cathode 12 is at a high negative voltage opposite the suction electrode 16. A control signal S generates a laser radiation pulse 28 triggered, which heats the surface of the cathode 12 point-like strong. Of the heated area has a correspondingly strong electron emissivity and the electron pulse sets practically instantaneously with the arrival of the laser pulse a.

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. The duration of the electron pulse is limited by the fact that the laser pulse an expanding plasma and gas cloud at the cathode at the same time as the electrons triggers. The speed of expansion of this cloud is orders of magnitude lower than the electron speed; however, their arrival at the suction electrode is limited the maximum possible length of the electron pulse.

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. To switch off the between the cathode 12 and the suction electrode 16 prevailing suction voltage and thus to the termination of the electron pulse for the electron shown Spark gap 32 used, by a branched off part 28a of the laser radiation pulse, which is the electron pulse triggers, is ignited. A partially transparent mirror 34 and a focusing lens are used for this purpose 36 is provided through which the branched off part 28a of the laser pulse passes through an opening in one spark gap electrode in the area between the two spark gap electrodes is focused, where it ionizes the gas present there and initiates the discharge. The spark gap is in series with a terminating resistor 38 to one of the two conductors of a transit time coaxial cable 40 connected. The other ends of the Conductors of the transit time cable are connected to the cathode 12 or suction electrode 16. The cable serves as a voltage and energy source for the electron pulse and is Via a resistor 42 from a voltage source, not shown, which is a Voltage of e.g.

30 kV liefert, aufgeladen. Selbstverständlich kann die Beschleunigungsspannung auch durch irgendeine andere geeignete elektrische Energiequelle geliefert werden.30 kV supplies, charged. Of course, the acceleration voltage may also be supplied by any other suitable source of electrical energy.

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. When using a ruby laser with an output power of around 2 joules and 5 mrad angular divergence, a pulse width of 17 nsec and a focal length the focusing lens 26 of 15 cm could with the arrangement shown electron pulses with a current strength of up to about 1 kA. The focal spot area the cathode 12 was about 1012 cm 2.

Bei Verwendung größerer Laserenergien, kleinerer Winkeldivergenz und kürzerer Linsenbrennweite lassen sich die oben angegebenen Elektronenstromstärken entsprechend vergrößern. When using larger laser energies, smaller angular divergence and shorter focal length of the lens, the electron currents given above can be achieved enlarge accordingly.

Claims

Patent claim

Electron source for electron pulses of high amperage and short Duration, with a heated metal cathode that has an emissive surface, a cathode heater, a suction electrode and one between the cathode and the suction electrode switched bias voltage source applied to the suction electrode supplies a voltage that is positive with respect to the cathode, which is not possible notices that the heating device consists of a pulse laser (30) and an optical Arrangement (26) for Poskussieren the laser radiation pulse on the emissive Surface of the cathode (12) consists.

L e r s e i t e