Elektronenkanone

Als Elektronenkanone (auch Elektronenstrahlsystem oder kurz Strahlsystem) wird eine elektrische Anordnung zur Erzeugung von gebündelten und gerichteten Elektronenstrahlen bezeichnet. Sie ist damit ein Spezialfall einer Elektronenquelle, wie sie beispielsweise in Elektronenröhren verwendet wird.

Elektronenkanone einer Farbbildröhre (Glaskolben entfernt).

Aufbau einer Elektronenkanone mit:
➀ Glühkathode
➁ Wehneltzylinder
➂ Anodenblende

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 technologische 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 des Elektronenstrahles (Strahlstrom), dessen technische Stromrichtung zur Kathode weist. Der Strahlstrom ist neben der kinetischen Energie ein Maß für die Wirkung beim Auftreffen, zum Beispiel die Materialerwärmung (z. B. beim Schweißen) oder die Helligkeit eines Bildschirmes. Weitere technologierelevante Parameter sind die Strahlleistung (Produkt aus Strahlstrom und Beschleunigungsspannung) und die Leistungsdichte, die sich aus dem Strahldurchmesser und der Strahlleistung ergibt.

Oft verlässt der Strahl die Kanone durch ein Loch in der Anode, dessen Größe auch den Strahldurchmesser festlegt. Zusätzliche, oft ring- oder rohrförmige Elektroden sowie Magnetfelder (siehe Elektronenoptik) sorgen für die Fokussierung oder die weitere Beschleunigung des Elektronenstrahls. Sie können sowohl zwischen Kathode und Anode, als auch nach der Anode angebracht sein. Man spricht dementsprechend von elektrostatischer bzw. magnetischer Fokussierung. Zur magnetischen Fokussierung werden axialsymmetrische Magnetfelder eingesetzt.

Der Elektronenstrahl kann durch ein Ablenksystem, d. h. durch quer verlaufende elektrische oder magnetische Felder aus seiner Richtung abgelenkt werden, um ihn an einem bestimmten Ort auftreffen zu lassen.

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 auch dann konstant bleibt, wenn sich die Perveanz der Kathode (die maximale Rate der Elektronenemittision) 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.

Der Strahlstrom kann mit einem die Raumladungszone der Kathode begrenzenden Wehneltzylinder (negatives Potential gegenüber der Kathode) gesteuert werden.

Technische Realisierung

Querschnitt durch eine Elektronenkanone einer Wanderfeldröhre.

Sämtliche Teile einer Elektronenkanone befinden sich im Hochvakuum, um die mittlere freie Weglänge der Elektronen auf Distanzen der Größenordnung des Aufbaues zu vergrößern. Die Freisetzung der im Kathodenmaterial vorhandenen Elektronen findet meist durch einen der folgenden drei Prozesse statt:

• Glühemission (Edison-Effekt)
• Feldemission
• Photoemission (äußerer Photoelektrischer Effekt).

Meist werden Glühkathoden als Elektronenemitter verwendet. Im Bild wird das Heizelement (Ziffer 1 im Bild) über die Zuleitungen (2) und (3) (Außenkontakt nicht sichtbar) an die externe Heizspannungsquelle angeschlossen.

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 Elektronenstrahlsysteme, die mit hoher Beschleunigungsspannung betrieben werden, wird die Kathode oft von einem Wehneltzylinder eingeschlossen. Der beschleunigte Strahl tritt aus diesem durch ein kleines Loch auf der Stirnseite aus. Der Wehneltzylinder gestattet die nahezu leistungslose Steuerung des Strahlstromes, da er in der Regel negativ gegenüber der Kathode ist und er so selbst keinen Strom führt.

Wehneltzylinder mit Pierce-Blende (4) sind um die bzw rechts von der Heizquelle angeordnet. Die roten Linien deuten den Pierce-Winkel zwischen dem Elektronenstrahl (gelbe Linien) und Pierce Blende an. Die Anode (5) und die Hochspannungszuleitung beschleunigen den Elektronenstrahl.

Der Elektronenstrahl verbleibt meist (zum Beispiel bei Bildröhren oder Wanderfeldröhren) im Vakuum, kann jedoch durch aerodynamische Fenster oder Fenster z. B. aus dünnem Aluminium auch aus dem Vakuum austreten. Er hat in Luft eine seiner Beschleunigungsspannung entsprechende Reichweite von bis zu einigen Zentimetern. Im Bild tritt der Elektronenstrahl durch die Blende (7) in den rechten Teil der hier nicht gezeigten Wanderfeldröhre ein.

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

Anwendungen

Elektronenstrahlsysteme finden Anwendung sowohl in der Forschung (als Elektronen-Injektor für Beschleuniger (Betatron)) wie auch in der Industrie (Elektronenstrahlschweißen, Härten, Perforieren, Strahlenvernetzung, Sterilisieren, Elektronenstrahllithografie, Elektronenstrahlabgleich).

Eine bekannte technische Anwendung von Elektronenstrahlsystemen ist die Braunsche Röhre (Kathodenstrahlröhre (Oszillografenröhren, Röhrenmonitore, Fernseher mit Bildröhre)). Auch Röntgenröhren verwenden Elektronenstrahlen.

Elektronenstrahlen werden auch für die Elektronenmikroskopie und in Laufzeitröhren (Wanderfeldröhre, Gyrotron) verwendet.

Röntgenstrahlung

Elektronen erzeugen beim Auftreffen insbesondere auf Metallflächen Röntgenbremsstrahlung. Dieser Effekt wird in Röntgenröhren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung ausgenutzt, ist jedoch bei den meisten anderen Elektronenstrahlsystemen unerwünscht. Die Härte (Quantenenergie bzw. Reziprok der Wellenlänge) der Röntgenstrahlung steigt mit zunehmender Beschleunigungsspannung an, ihre Intensität steigt mit zunehmender Dichte des Targets sowie dem Strahlstrom an. Härtere Röntgenstrahlung, wie sie bei hohen Beschleunigungsspannungen auftritt, vermag die Wandung der Vakuumapparatur zu durchdringen und kann Strahlenschäden verursachen. Sie muss dann abgeschirmt werden.

Die Emission von Röntgenstrahlung tritt auch bei anderen Elektronenröhren hoher Anodenspannung auf. Sie ist ein Grund, weshalb die Beschleunigungsspannung von Bildröhren auf etwa 27 Kilovolt begrenzt wird.