Techniklexikon

Elektronenquelle

TeilchenphysikAtom- und Molekülphysik, Gerät zur Erzeugung freier Elektronen. Für eine Vielzahl von Experimenten der Atom-, Molekül- und Festkörperphysik werden Elektronenquellen benötigt. Je nach Anforderung des Experiments kommen unterschiedliche Typen von Elektronenquellen zum Einsatz.Thermische Elektronenquellen sind relativ einfach zu realisieren und erreichen hohe Elektronenströme von bis zu 10⁶ A cm^-2sr^-1. Grundlage dieser Quellen ist die Glühemission von Elektronen aus Festkörpern. Meist arbeitet man nicht im thermischen Gleichgewicht, sondern saugt die Elektronen aus der Kathode durch eine Abzugsspannung zur Anode ab. Dadurch erhalten sie zusätzliche kinetische Energie. In der Praxis kommen neben einfachen Metallkathoden verschiedene andere Kathodentypen zum Einsatz:

1) Oxidbeschichtete Kathoden: Dabei werden Oxide der Erdalkaliatome Ba, Sr, Ca als emittierende Oberfläche verwendet.

2) Matrixkathoden: Um die Stabilität der Kathoden zu verbessern, wurden seit 1920 Kathoden entwickelt, bei denen das aktive Material (oft eine Ba-Verbindung) in eine Metallmatrix eingebaut werden. Als Matrixmaterial dient meist poröses Ni oder W.

3) Hart beschichtete Kathoden: Hierbei werden thermisch sehr stabile Emittermaterialien verwendet, die es erlauben, bei Temperaturen deutlich über 1000 °C zu arbeiten, was sehr hohe Elektronenströme zur Folge hat. Solche Materialien sind z.B. Oxide von Th oder Hexaboride von La, Ca, oder Sr, die sich durch extrem hohe Schmelzpunkte über 2100 °C auszeichnen.

4) Thorierte Kathoden: Hierbei wird als Kathodenmaterial eine Legierung aus z.B. W oder Rh und einigen Prozent Th verwendet. Durch kurzfristiges Heizen auf über 2000 °C bildet sich eine Monolage ThO₂ an der Oberfläche, die als Emitter dient.

Thermische Elektronenquellen werden z.B. in der Atomphysik für Elektronenstossexperimente verwendet. Technologisch wichtige Anwendungen sind der Einsatz in Elektronenröhren, Röntgenröhren sowie in der Auger-Elektronenspektroskopie.

Für höhere Ströme werden häufig Feldemissionsquellen (Feldemission) eingesetzt. Photoelektronenquellen eignen sich hervorragend als Quellen monoenergetischer Elektronen. Eine weitere Möglichkeit, freie Elektronen zu erzeugen, ist die Sekundärelektronenemission. Die in der Teilchenphysik benötigten kurzen Elektronenpakete erzeugt man beispielsweise durch Beleuchtung von Halbleitern mit schnell aufeinanderfolgenden Laserimpulsen und nachfolgender Verstärkung des Signals in Sekundärelektronenvervielfachern. Die am Ende der Beschleunigungsstrecke entstandene Elektronenlawine wird dann in einen Beschleuniger eingespeist.