Elektronpistol
Et elektrisk arrangement for å generere elektronstråler blir referert til som en elektronpistol , også kjent som et elektronstrålesystem , elektronkilde eller kort sagt strålesystem . Elektronpistolen gir en fokusert og rettet elektronstråle, som den brukes for eksempel i elektronrør og elektronmikroskop , så vel som i elektronstrålesmelting som et strålesystem. Når det gjelder generelle elektronkilder, er det ingen konsentrasjon av elektronstrålen.
I konstruksjonen er elektroner til en elektrisk leder - katoden , som vanligvis oppvarmes til arbeidsfunksjonen for at ladebærerne skal sikre - i et vakuum som sendes ut. Den positive spenningen ved anoden sammenlignet med katoden akselererer elektronene mot anoden. I anoden til elektronkanoner er det et hull som elektronstrålen kan passere gjennom.
prinsipp
I de fleste design sendes elektronene fra en passende katode og akselereres til en anode ved en konstant elektrisk potensialforskjell (akselerasjonsspenningen U B ) . Den kinetiske energien E k av en akselerert elektron er ca.
Hvor e er den grunnleggende elektriske ladningen . Definisjonen av energienheten elektron volt (eV) er et resultat av dette forholdet . Hvis en materialprøve plasseres i strålens vei, bestemmer elektronenes energi deres rekkevidde i materialet. Det er derfor en viktig parameter for mange teknologiske applikasjoner.
Hvis N er antall elektroner som passerer gjennom en tenkt overflate vinkelrett på strålen i tid t (f.eks. Ett sekund), er
den elektriske strømmen til elektronstrålen (strålestrømmen), hvis tekniske retning peker mot katoden. I tillegg til den kinetiske energien, er strålestrømmen et mål på innvirkning på støt, for eksempel oppvarming av materialet (f.eks. Under sveising) eller lysstyrken på en skjerm. Ytterligere teknologirelevante parametere er stråleeffekten (produkt av strålestrøm og akselerasjonsspenning) og effekttettheten , som skyldes strålediameteren og stråleeffekten.
Bjelken forlater ofte kanonen gjennom et hull i anoden, hvis størrelse også bestemmer bjelkens diameter. Ytterligere, ofte ring- eller rørformede elektroder, så vel som magnetfelt innenfor rammen av elektronoptikk, sørger for fokusering eller ytterligere akselerasjon av elektronstrålen. De kan festes både mellom katoden og anoden, så vel som etter anoden. Følgelig snakker man om elektrostatisk eller magnetisk fokusering. Aksialt symmetriske magnetfelt brukes til magnetisk fokusering.
Elektronstrålen kan avbøyes av et avbøyningssystem , dvs. H. avbøyes fra retning av tverrgående elektriske eller magnetiske felt for å tillate det å treffe et bestemt sted.
Romavgift
Den ovennevnte forhold mellom E k og U b gjelder nøyaktig bare for elektroner på overflaten av bjelken eller til en meget lav strålestrøm. Elektroner som er lenger inne i strålen akselereres mindre kraftig fordi det elektriske feltet til elektronene lenger utenfor delvis beskytter dem mot akselerasjonsspenningen, som er kjent som romladningseffekten .
Hvis akselerasjonsspenningen er for lav til å suge opp alle de elektronene som sendes ut raskt nok, danner de gradvis en romladesky foran katoden, hvis elektriske potensial reduserer utslipp av ytterligere elektroner (plassladebegrenset drift). Dette kan godt være ønskelig slik at, for. B. elektronstrømmen forblir konstant ved en fast akselerasjonsspenning, selv om katodens perveanse (maksimal elektronutslippshastighet) z. B. endret ved temperaturendring eller aldring av katoden. Under disse omstendighetene vil avhengigheten av strålestrømmen til den akselererende spenningen bli beskrevet.
Strålestrømmen kan styres med en Wehnelt-sylinder som avgrenser katodens romladningssone og har et negativt potensial i forhold til katoden. Det er et kontrollgitter for fokusering av elektronstråler og for å kontrollere lysstyrken i katodestrålerør . Den ellers nødvendige meget høye anodespenningen kan reduseres ved å bruke Wehnelt-sylinderen .
teknisk realisering
Alle deler av en elektronpistol er i høyt vakuum for å øke elektronens gjennomsnittlige frie bane til avstander av størrelsesorden av strukturen. Elektronene som er tilstede i katodematerialet frigjøres vanligvis gjennom en av de følgende tre prosessene:
- Glødemisjon ( Edison-effekt )
- Feltutslipp
- Fotoemisjon (ekstern fotoelektrisk effekt ).
For det meste brukes varme katoder som elektronutsendere. På bildet er varmeelementet (nummer 1 på bildet) koblet til den eksterne varmespenningskilden via tilførselsledninger (2) og (3) (ekstern kontakt ikke synlig).
I tilfelle av fullstendig plassladebegrenset drift av katoden, kan stråleutvidelsen forårsaket av romladningen kompenseres til en god tilnærming ved å bruke et såkalt pierce-skjold. Dette er en elektrode med en konisk åpning (67,5 ° åpningsvinkel) der katoden er plassert. For elektronstrålesystemer som drives med høy akselerasjonsspenning, er katoden ofte lukket av en Wehnelt-sylinder. Den akselererte strålen kommer ut av dette gjennom et lite hull på forsiden. Wehnelt-sylinderen lar strålestrømmen styres nesten uten kraft, da den vanligvis er negativ i forhold til katoden og derfor ikke bærer noen strøm selv.
Wehnelt-sylindere med Pierce-membran (4) er anordnet rundt eller til høyre for varmekilden. De røde linjene indikerer Pierce-vinkelen mellom elektronstrålen (gule linjer) og Pierce-membranen. Anoden (5) og høyspenningsledningen akselererer elektronstrålen.
Elektronstrålen forblir vanligvis (for eksempel i billedrør eller vandrende bølgerør ) i vakuum, men kan passere gjennom aerodynamiske vinduer eller vinduer, f.eks. B. lekker fra tynn aluminium fra vakuumet. I luft har den en rekkevidde på opptil noen få centimeter som tilsvarer akselerasjonsspenningen. På bildet kommer elektronstrålen inn i høyre del av det vandrende bølgerøret, ikke vist her, gjennom membranen (7).
Elektronpistoler brukes med stråleeffekter på noen få N W (små eksperimenteringsanlegg), noen watt (mikrosystemapplikasjoner, bilderør ) opp til noen hundre kilowatt ( elektronstrålesmelting , elektronstrålefordampning ). Akselerasjonsspenningene er mellom noen få V og ca. 300 kV , avhengig av applikasjonen . Strålediameteren er mellom noen få mikrometer og noen få centimeter, avhengig av applikasjonen . Effektdensitetene når verdier på opptil 107 W / cm 2 .
Typer katoder i elektronmikroskop
Ulike typer katoder, kalt filamenter, brukes i elektronmikroskop:
Hårnålskatode
Mange enheter har en varm katode (også kalt filament) laget av en wolframlegering . Disse katoder - også kjent som hårnål katoder på grunn av deres form - er rimelig, enkel å bruke og gir en høy strålestrøm, som z. B. er nødvendig for WDX- og EDX- analyser. En ulempe med hårnålskatoden er at den ikke tillater en punktelektronkilde, noe som også begrenser oppløsningen. Videre er denne elektronkilden vedlikeholdskrevende, siden filamentet blir tynnere og tynnere ved bruk og til slutt brenner gjennom og må byttes ut. Levetiden til et glødetråd er mellom 100 og 500 timer.
I tillegg tilbys også tipskatoder med påsveist wolframspiss. Radius på fronten er bare noen få mikrometer . Som et resultat er utslipp av elektroner konsentrert på et mindre tverrsnitt og gir en mer sammenhengende stråle med høyere total lysstyrke. Spisskatodene krever et ekstremt godt vakuum, fordi ellers vil levetiden reduseres til bare noen få timer ved forstøvningsprosesser.
LaB 6 katoder og CeB 6 katoder
Enkeltkrystall lantan-heksaborid - eller Ceriumhexaborid katoder (Lab 6 , CEB 6 ) består av små topper, som sitter på en støtte. Lanthanhexaborid og ceriumhexaborid har en svært lav elektronarbeidsfunksjon. I skanningelektronmikroskopet fører luminansen oppnådd på denne måten til en bedre bildeoppløsning og til et bedre signal / støy-forhold sammenlignet med wolframkatoden. I mikroanalytiske applikasjoner (EDX) oppnås en mindre strålediameter og bedre tellingstatistikk. Levetiden på opptil 3000 timer er lengre sammenlignet med wolframkatoden, men krever et vakuum i katoderommet på 10 −5 Pascal eller bedre. I tillegg må katoden håndteres forsiktig, sentreres og oppvarmes / kjøles.
Feltutslippskatode
I moderne elektronmikroskoper brukes feltemisjonskatoder (FEM) for de høyeste oppløsninger. I den kalde feltemisjonskatoden (feltemitter) trekkes elektroner ut av en fin monokrystallinsk nålespiss utelukkende med høy spenning og akselereres mot anoden. Fordelen med denne "kalde katoden" er en veldig tynn primærstråle, ulempen er den relativt lave strålestrømmen.
Siden begynnelsen av nittitallet, er det blitt vanligere feltemisjon skanning elektronmikroskop ( FESEM of English Field Emission Scanning Electron Microscope ) og overføringselektronmikroskop med Schottky funnet -Feldemissionskathode. Denne teknologien, også kjent som varme feltutslipp, representerer et fornuftig kompromiss mellom det høye elektronutbyttet til en varm katode og finheten til elektronstrålen til feltutslippskatoden. Resultatet er et universelt anvendelig elektronmikroskop som har både veldig høye oppløsninger og veldig gode analysefunksjoner. Med denne typen katoder er parametrene til elektronstrålen konstante over lange perioder, noe som har stor fordel for kvaliteten på langtidsstudier. En ulempe er den relativt høye prisen, som kompenseres av den lange levetiden på minst ett til syv år.
applikasjoner
Elektronstrålesystemer brukes både i forskning (som elektroninjektorer for akseleratorer ( betatron )) og i industrien ( elektronstrålesveising , herding , perforering, strålingstverrbinding , sterilisering , elektronstrålelitografi , elektronstrålebalansering ).
En velkjent teknisk anvendelse av elektronstrålesystemer er Braun-røret ( katodestrålerør ( oscillografrør , rørmonitorer , TV-apparater med billedrør)). Også røntgenrør som bruker elektronstråler.
Elektronstråler brukes også til elektronmikroskopi og i flyrør ( vandrende bølgerør , gyrotron ).
Røntgenbilder
Når de treffer metalloverflater, genererer elektroner røntgenstråler . Denne effekten brukes i røntgenrør for å generere røntgenstråler, men det er uønsket i de fleste andre elektronstrålesystemer. Den hardhet (kvante-energi eller resiproke verdi av bølgelengden) av røntgenstrålings øker med økende akselerasjon spenning, dennes intensitet øker med økende tetthet av målet og strålestrømmen. Hardere røntgenstråler, som oppstår ved høye akselerasjonsspenninger, kan trenge gjennom vakuumapparatets vegg og kan forårsake strålingsskader. Den må da skjermes.
Utslippet av røntgenstråler skjer også med andre elektronrør med høy anodespenning. Det er en av grunnene til at den akselererende spenningen til bildetrør er begrenset til rundt 27 kilovolt.
weblenker
- Enkel simulering av en elektronpistol (LMU München)
Individuelle bevis
- ↑ a b Plano GmbH: Katoder og membraner ( Minne til originalen fra 4. mars 2016 i Internettarkivet ) Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og er ennå ikke sjekket. Vennligst sjekk originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. (PDF; 3,1 MB)
