Techniklexikon

thermische Elektronenquellen

Atom- und Molekülphysik, Gerät zur Erzeugung freier Elektronen durch thermische Emission aus Festkörpern. Thermische Elektronenquellen werden seit Anfang des 20.Jh. für atomphysikalische Experimente eingesetzt (z.B. Franck-Hertz-Versuch, 1913). Grundlage des Gerätes ist die Glühemission von Elektronen aus Glühkathoden (siehe Abb.). 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, die durch die Abzugsspannung bestimmt ist. In der Praxis kommen neben einfachen Metallkathoden verschiedene andere Kathodentypen zum Einsatz:

1. Mit Oxid beschichtete Kathoden:

Dabei werden Oxide der Erdalkaliatome Ba, Sr, Ca als emittierende Oberfläche verwendet. Die Herstellung erfolgt gewöhnlich durch Aufbringen einer Mischung von Erdalkali-Carbonaten mit einem organischen Bindemittel auf ein Trägermaterial, in der Regel Ni. Diese Carbonate werden dann unter Vakuum thermisch zerlegt, um die aktive Oxid-Oberfläche zu erhalten.

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 wird. Ein Grundmaterial wird durch Diffusion aus einem Reservoir in die Matrix eingebracht, wo durch chemische Reaktionen mit Matrixatomen das Emittermaterial erzeugt wird. 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 Röntgenröhren sowie in der Auger-Elektronenspektroskopie.

thermische Elektronenquellen: Glühkathode mit Anodenbatterie.