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Elektronenkanone

Als Elektronenkanone (auch Elektronengenerator) werden Geräte zur Erzeugung gebündelter Elektronenstrahlen bezeichnet. Sie finden Anwendung sowohl in der Forschung (meist als Teilchenquelle für Experimente) wie auch in der Industrie (Elektronenstrahlschweißen, Härten, Perforieren, Vernetzen, Sterilisieren, ...). Eine weitere bekannte technische Anwendung der Elektronenkanone ist die Braunsche Röhre (Kathodenstrahlröhre).

Prinzip

Bei den meisten Bauformen werden die Elektronen von einer geeigneten Kathode emittiert und durch eine konstante elektrische Potentialdifferenz (der Beschleunigungsspannung U_B) auf eine Anode zu beschleunigt. Die kinetische Energie E_k eines beschleunigten Elektrons beträgt näherungsweise

E_k = eU_B

Dabei ist e die elektrische Elementarladung. Aus dieser Beziehung ergibt sich auch die Definition der Energieeinheit Elektronenvolt (eV). Stellt man dem Strahl eine Materialprobe in den Weg, so bestimmt die Energie der Elektronen deren Reichweite im Material. Sie ist somit ein wichtiger Parameter für viele technologischen Anwendungen.

Ist N die Anzahl von Elektronen die in der Zeit t (z.B. eine Sekunde) durch eine senkrecht zum Strahl gedachte Fläche treten, so ist

I = eN / t

der elektrische Strom der durch den Elektronenstrahl verursacht wird und der in Richtung zur Kathode fließt (Strahlstrom). Dieser ist von Bedeutung wenn der Elektronenstrahl zur schnellen Erhitzung einer Materialprobe verwendet werden soll (z.B. beim Schweißen). Weitere technologierelevante Parameter sind die Strahlleistung, die Leistungsdichte und der Strahldurchmesser.

Oft verlässt der Strahl die Kanone durch ein Loch in der Anode, dessen Größe auch den Strahldurchmesser festlegt. Zusätzliche, oft ring- oder rohrförmige Elektroden sorgen nach den Gesetzen der Elektronenoptik für die Fokussierung oder für die weitere Beschleunigung des Elektronenstrahls. Sie können sowohl zwischen Kathode und Anode, als auch nach der Anode angebracht sein. Man spricht dabei von elektrostatischer Führung des Strahls. Bei magnetischer Strahlführung dagegen wird ein Magnetfeld so angelegt, daß seine Feldlinien nahe der Kathode parallel zur Strahlrichtung liegen. Auch wenn nun das Magnetfeld im weiteren Verlauf kompliziertere Formen annimmt, folgen die Elektronen weiter den Feldlinien, solange diese ihre Richtung langsam genug ändern.

Raumladung

Die obige Beziehung zwischen E_k und U_b gilt exakt nur für Elektronen auf der Oberfläche des Strahls bzw. für einen sehr geringen Strahlstrom. Elektronen die sich weiter innen im Strahl aufhalten werden weniger stark beschleunigt, da das elektrische Feld der weiter außen befindlichen Elektronen sie teilweise von der Beschleunigungsspannung abschirmt (Raumladungseffekt).

Falls die Beschleunigungsspannung zu gering ist um alle emittierten Elektronen schnell genug abzusaugen, bilden diese vor der Kathode nach und nach eine Raumladungswolke deren elektrisches Potenzial die Emission weiterer Elektronen reduziert (raumladungsbegrenzter Betrieb). Dies kann durchaus gewünscht sein, damit z.B. der Elektronenstrom bei fester Beschleunigungsspannung konstant bleibt obwohl die Perveanz der Kathode (und damit die maximale Rate mit der Elektronen emittiert werden können) sich z.B. durch Temperaturänderung oder Alterung der Kathode verändert. Unter diesem Umständen wird die Abhängigkeit des Strahlstroms von der Beschleunigungsspannung durch das Langmuir-Child'sche Raumladungsgesetz beschrieben.

Technische Realisierung

Sämtliche Teile der Elektronenkanone befinden sich in der Regel im Vakuum, um die mittlere freie Weglänge der Elektronen auf nutzbare Distanzen zu vergrößern. Die Freisetzung der im Kathodenmaterial vorhandenen Elektronen findet meist durch einen von drei Prozessen statt, entweder durch Glühemission (Edison-Effekt), Feldemission oder Photoemission (Photoelektrischer Effekt).

Im einfachsten Fall werden Glühkathoden, z.B. ein auf Emissionstemperatur (> 2500 K) geheizter Wolframdraht als Elektronenemitter verwendet. Im Falle von vollständig raumladungsbegrenztem Betrieb der Kathode kann die von der Raumladung verursachte Strahlaufweitung in guter Näherung durch Verwendung eines sog. Pierce-Schildes ausgeglichen werden. Dabei handelt es sich um eine Elektrode mit einer kegelförmigen Öffnung (67.5° Öffnungswinkel), innerhalb welcher sich die Kathode befindet. Für Kanonen die mit hoher Beschleunigungsspannung betrieben werden wird die Kathode zur Strahlfokussierung oft von einem Wehneltzylinder eingeschlossen. Der beschleunigte Strahl tritt hier durch ein kleines Loch auf der Stirnseite aus.

Elektronenkanonen werden mit Strahlleistungen von einigen nW (kleine Experimentieranlagen), einigen W (Mikrosystemanwendungen, Röhrenverstärker) bis zu einigen hundert kW (Elektronenstrahlschmelzen, Elektronenstrahlverdampfen) eingesetzt. Beschleunigungsspannungen liegen je nach Anwendung zwischen einigen V bis ca. 300kV. Der Strahldurchmesser liegt je nach Anwendung zwischen einigen Mikrometern und einigen Zentimetern. Die Leistungsdichten erreichen Werte bis 10⁷ W/cm².

Sonderformen von Elektronenstrahlerzeugern werden für die Elektronenstrahllithographie, die Elektronenmikroskopie und Hochenergieanwendungen verwendet.