Elektronenquelle


Elektronenquelle

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Aufbau einer Elektronenquelle im Elektronenmikroskop

Eine Elektronenquelle ist eine technische Vorrichtung, mit der Elektronen aus einem elektrischen Leiter – der Kathode – in ein Vakuum entlassen werden, um dort einen Elektronenfluss hin zu einer Anode zu ermöglichen. Elektronenquellen werden z. B. in Elektronenröhren eingesetzt. Wenn die Elektronen zusätzlich zu einem gebündelten und gerichteten Elektronenstrahl zusammengefasst werden, wie beispielsweise in Elektronenmikroskopen und Kathodenstrahlröhren, spricht man dagegen von einer Elektronenkanone.

Aufbau einer Elektronenquelle

Aus einem Filament (der Kathode) werden die Elektronen (meist durch Wärme) emittiert.

Der Wehneltzylinder wird in unmittelbarer Nähe zur Glühkathode angebracht und mit einem negativen elektrischen Potential gegenüber der Kathode versehen. Hierbei handelt es sich um eine Steuerelektrode zum Fokussieren von Elektronenstrahlen und zum Regeln der Helligkeit in Kathodenstrahlröhren. Er wurde in den Jahren 1902/03 von Arthur Wehnelt entwickelt.

Durch Einstellen der Spannung am Wehneltzylinder verändert sich die Anzahl der Elektronen, die das Potential überwinden können, und somit die Intensität des Elektronenstrahles. Es bildet sich eine sogenannte Raumladungszone aus.

Weiterhin werden Elektronen, deren Flugrichtung sehr weit von der Strahlachse abweicht, durch das negative Potential der Zylinderwand gleichmäßig von dieser abgestoßen und somit zur Strahlachse hin gelenkt. Der Elektronenstrahl wird somit gebündelt. Durch Einsatz des Wehneltzylinders konnte die vorher notwendige sehr hohe Anodenspannung deutlich reduziert werden.

Durch die Anodenspannung werden die Elektronen beschleunigt. In der Anode befindet sich ein Loch, durch das der Elektronenstrahl durchgelassen wird.

Filamentarten in Elektronenmikroskopen

In Elektronenmikroskopen kommen verschiedene Arten von Filamenten (Kathoden) zum Einsatz:

Haarnadelkathode

Viele Geräte besitzen eine Glühkathode (auch Filament genannt) aus einer Wolframlegierung. Diese Kathoden - wegen ihrer Form auch Haarnadelkathoden genannt - sind relativ preiswert, einfach zu handhaben und liefern einen hohen Strahlstrom, der z. B. für WDX- und EDX-Analysen nötig ist. Ein Nachteil der Haarnadelkathode ist, dass sie keine punktförmige Elektronenquelle ermöglicht, wodurch auch die Auflösung eingeschränkt wird. Ferner ist diese Elektronenquelle relativ wartungsintensiv, da das Filament bei Gebrauch immer dünner wird und schließlich durchbrennt und ersetzt werden muss. Die Lebensdauer eines Filaments beträgt einige Wochen.

Daneben werden auch Spitzenkathoden mit aufgeschweißter Wolframspitze angeboten. Der vordere Spitzenradius beträgt nur wenige Mikrometer. Dadurch ist die Emission von Elektronen auf einen geringeren Querschnitt konzentriert und liefert einen kohärenteren Strahl mit höherer Gesamthelligkeit. Die Spitzenkathoden erfordern ein äußerst gutes Vakuum, weil ansonsten die Lebensdauer durch Sputterprozesse auf nur wenige Stunden verkürzt wird.[1]

Lanthanhexaborid-Kathoden und Ceriumhexaborid-Kathoden

Einkristalline Lanthanhexaborid oder Ceriumhexaborid-Kathoden (LaB6, CeB6) bestehen aus winzigen Spitzen, die auf einem Kohle-Heizstift sitzen. Lanthanhexaborid und Ceriumhexaborid haben eine sehr niedrige Elektronenaustrittsarbeit. Im Rasterelektronenmikroskop führt die so gewonnene Leuchtdichte zu einer besseren Bildauflösung und zu einem im Vergleich zur Wolframkathode besseren Signal-/Rauschverhältnis. Bei mikroanalytischen Anwendungen (EDX, EDS) wird ein kleiner Strahldurchmesser und eine bessere Zählstatistik erreicht. Die Lebensdauer ist mit bis zu 3000 Stunden im Vergleich zur Wolframkathode höher, verlangt aber ein relativ gutes Vakuum im Kathodenraum von 10-7 Torr oder besser. Außerdem muss die Kathode vorsichtig gehandhabt, zentriert und geheizt/gekühlt werden.[1]

Feldemissions-Kathode

Bei modernen Elektronenmikroskopen kommen für höchste Auflösungen Feldemissionskathoden(FEM) zum Einsatz. In der kalten Feldemissions-Kathode (Feldemitter) werden Elektronen ausschließlich durch eine hohe Spannung aus einer feinen monokristallinen Nadelspitze herausgezogen und in Richtung Anode beschleunigt. Der Vorteil dieser "kalten Kathode" ist ein sehr dünner Primärstrahl, der Nachteil ist der relativ geringe Strahlstrom.

Seit Anfang der neunziger Jahre sind immer häufiger Feldemissions-Rasterelektronenmikroskope (FESEM vom engl. Field Emission Scanning Electron Microscope) und Transmissionselektronenmikroskope mit Schottky-Feldemissionskathode anzutreffen. Diese auch als warme Feldemission bezeichnete Technik stellt einen sinnvollen Kompromiss zwischen hoher Elektronenausbeute einer Glühkathode und Feinheit des Elektronenstrahls der Feldemissions-Kathode dar. Das Resultat ist ein universell einsetzbares Elektronenmikroskop, das sowohl sehr hohe Auflösungen, als auch sehr gute Analysefähigkeiten besitzt. Die Parameter des Elektronenstrahls sind bei diesem Kathodentyp über lange Zeiträume konstant, was der Qualität von Langzeit-Untersuchungen sehr zugute kommt. Ein Nachteil ist der relativ hohe Preis, der jedoch durch die hohe Lebensdauer von 1,5-2 Jahren wieder kompensiert wird.

Feldemission als 'Mikroskop'

Das ursprüngliche "Feldemissionsmikroskop" ist eine einfache Form eines Elektronenmikroskops, welches auf der bei sehr hohen Feldstärken stattfindenden Feldemission von Elektronen aus einer monokristallinen, feinen, nadelförmigen Probe beruht. Hiermit lässt sich die atomare Struktur der Probe als Projektion der daraus emittierten Elektronen auf einem Szintillatorschirm sichtbar machen. Es wurde von Erwin Wilhelm Müller erfunden.

Einzelnachweis

  1. 1,0 1,1 Plano GmbH: Kathoden und Blenden