Die Elektronenkanone (Electron Gun) ist der Ausgangspunkt der Elektronenemission und findet Anwendung in vielfältigen Gebieten. Es wird z.B. in Radar-, Mikrowellen-, HF-Geräte sowie Wanderfeldröhren, TWT Verstärker und Elektronenbeschleuniger für medizinische und industrielle Anwendungen eingesetzt.
Die charakteristische Funktion der Elektronenkanone besteht in der Erzeugung eines kontinuierlichen Stroms von Elektronen. Erst durch die Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl mit einer elektromagnetischen Welle kann eine gewünschte Funktionalität erzielt werden. Der technische Fortschritt der Entwicklung wird dadurch begünstigt, dass sich auch die Simulationssoftware weiterentwickelt. Zusammen mit dem Fortschritt der 3D Visualisierungs-Software wird ständig das Design der Elektronenkanonen weiter optimiert.
Die wichtigsten Schritte in der Entwicklung einer Elektronenkanone können folgendermaßen unterteilt werden:
Die am häufigsten eingesetzten Kathoden sind thermische Kathoden, die mit Hilfe eines Heizelements das Austrittspotential für eine Elektronenemission überwinden. Eine andere Möglichkeit wird als Feldemission bezeichnet. Dabei wird die Elektronenemission durch Anlegen einer hohen elektrischen Feldstärke erreicht (Größenordnung 109V/m).
Die thermischen Kathoden können je nach Materialwahl oder auch Herstellungsart weiter unterteilt werden. Hauptsächlich werden Vorratskathoden eingesetzt, bei dem das Vorratsmaterial entweder imprägniert oder als Reservoir bereitgestellt wird. In Abbildung 2 ist der Verlauf der Elektronenemission schematisch dargestellt.
Zur Emission von Elektronen aus einem Ausgangsmaterial muss das Austrittspotential der Emissionsfläche überwunden werden. Dadurch entsteht vor der Kathode eine Raumladungswolke. Die maximal erzielbare Stromdichte bei thermischen Kathoden ist abhängig von der absoluten Temperatur und dem Austrittspotential. Im Allgemeinen wird man eine thermische Kathode nicht im Sättigungsbetrieb betreiben, da der Sättigungsstrom abhängig von der Temperatur ist und die Lebensdauer sich auch dadurch verkürzt. Es wird ein temperaturunabhängiger Arbeitspunkt gewählt, der einen geringeren Raumladungsstrom liefert.
Eine seit Jahrzehnten ausgereifte Technologie stellen thermische Kathoden bzw. Glühkathoden dar. Durch stetige Verbesserung der Technologie können immer höhere Lebensdauern durch die Hersteller garantiert werden. Die am meisten eingesetzten Kathoden sind zum einen Vorratskathoden und zum anderen Oxid-Kathoden. Eine weitere Möglichkeit eine Emissionsstromdichte zu generieren wird als Feldemission bezeichnet, dass sich durch Anlegen einer hohen elektrischen Feldstärke auszeichnet.
Oxid-Kathoden werden durch beschichten eines Nickel-Kathodenkörpers mit einem Gemisch aus Barium-, Strontium- und Kalziumkarbonat realisiert. Durch Erhitzen des Gemischs im Vakuum entsteht unter Abgabe von Kohlendioxid das benötigte Barium-, Strontium-, Kalziumoxid. Höhere Temperaturen können durch Einsatz von Bariumoxid und Wolfram erreicht werden. Der Vorteil einer niedrigen Betriebstemperatur besteht darin, dass Oxidkathoden eine größere Ausdehnung besitzen können. Dadurch können schnelle und kostengünstige Möglichkeiten geschaffen werden, um viele Elektronen für Forschungsprojekte oder für andere Zwecke zu generieren. Aber der Nachteil der Oxidkathoden besteht darin, dass nur eine mittlere Stromdichte von ca. 1 A/cm2 erreicht wird. Im Betriebsfall mit gepulster Emission können problemlos Stromdichten von mehr als 20 A/cm2 erzielt werden. Ein Nachteil des oxidbeschichteten Nickels ist, dass es nur für eine einmalige Verwendung ausgelegt ist. Falls die oxidbeschichtete Nickel Kathode mit Luft in Berührung kommt, so muss die Kathode ersetzt werden. Das ist besonders bei modularen Systemen ein Problem, da die Systemkonfiguration aufgrund von Optimierungsuntersuchungen gelegentlich geändert werden muss.
Der Aufbau von Vorratskathoden besteht im Wesentlichen aus einer porösen Wolfram-Emissionsscheibe, dem Heizelement und dem Barium-Vorrat. Vorratskathoden können als imprägnierte Variante oder als Reservoir Variante ausgeführt werden, die über eine poröse Wolfram-Matrix verfügen. Das Funktionsprinzip beruht darauf, dass der Barium-Vorrat bei Betriebstemperatur langsam an die Oberfläche der Wolfram-Emissionsscheibe diffundiert. Die Herstellung der Emissionsscheibe erfolgt durch Pressen und Sintern des Wolframpulvers. Dabei ist die Porosität der Scheibe abhängig von der verwendeten Korngröße des Materials.
Bei imprägnierten Kathoden wird das Barium in den Poren der Matrix gespeichert. Die Barium auf Wolfram Variante besitzt eine niedrige Austrittsarbeit (ca. 2eV), die durch den weiteren Zusatz von Osmium sogar noch mehr gesenkt werden kann. Es ist in der Regel möglich aus einer mit Osmium bestrichene, getränkte Kathode bei 980º Celsius eine Stromdichte von 4-5 A/cm2 zu bekommen. Diese Belastung kann auf über 20 A/cm2 angehoben werden, wenn die Temperatur erhöht wird. Diese Kathoden haben eine längere Lebensdauer als Oxid-beschichtete Kathoden. Sie können über 60.000 Stunden bei 4 A/cm2 betrieben werden.
Bei Reservoir Kathoden befindet sich der Barium-Vorrat hinter der porösen Wolfram-Emissionsscheibe. Durch Erhitzung des Bariums, diffundiert es an die Oberfläche der Emissionsscheibe. Mit Reservoir Kathoden können noch höhere Stromdichten erreicht werden (bis zu 100 A/cm2). Außerdem besitzen diese Kathoden eine sehr lange Lebensdauer, mehr als 100.000 Stunden.
Um die Lebensdauer der Kathode zu verbessern, muss die Betriebstemperatur bzw. Austrittsarbeit erniedrigt werden. Dadurch kann die Abdampfrate des Bariums von der Oberfläche der Kathode beeinflusst werden.
Eine weitere Kathodenvariante besteht aus Lanthanhexaborid, die bei etwa 1450°C arbeitet. Es wird oft in Rasterelektronenmikroskope, Lithographie-Systeme für Halbleiter und in Systemen eingesetzt, die geöffnet werden müssen. Die charakteristischen Eigenschaften verschlechtern sich trotz fehlender Vakuum-Umgebung nicht.
Schließlich gibt es noch die reine Wolframdraht Kathode, die bei 2100°C arbeitet. Wenn die Oberfläche mit Thorium beschichtet wird, kann diese Temperatur um ca. 100 -200°C abgesenkt werden.
Der zukünftige Trend bei abbildenden Röntgenstrahl-Systemen geht in Richtung höherer Durchsatz, geringe Röntgendosis, bessere Bildqualität, geringere Fehlalarmrate und geringe Betriebs- bzw. Wartungskosten. Deshalb wird sich die abbildende Röntgentechnologie mit den Aufgabenstellungen von stationären Computer Tomographie Systemen befassen müssen, die mit einer hohen Anzahl von Röntgenemittern ausgestattet sind. Diese Emitter müssen mit einer hoch entwickelten und robusten Mehrkanal-Elektronik zeitlich sehr exakt ansteuerbar sein. Eine mögliche Konfiguration stellt die Multifokus-Röntgenröhre dar.
Im nachfolgenden werden die Anwendungsgebiete für die Entwicklung einer Mehrkanal-Elektronik aufgezählt:
Als Anwendungsgebiete sind vor allem Computertomographie-Anlagen in der Medizintechnik und Röntgenscanner für sicherheitsrelevante Einrichtungen zu nennen. In der Industrie sind besonders Materialuntersuchungen bei kritischen Bauelementen von Interesse (Mikrorisse, Fehlstellen etc.).
Um die Emitter-Kathoden in einem so genannten Scanner-Mode zu betreiben, muss die Kontrollelektronik in der Lage sein, jede einzelne Emitter-Kathode in deren optimalen Arbeitspunkt anzusteuern. Außerdem muss der zeitliche Ablauf einer vordefinierten Sequenz sichergestellt werden. Das betrifft vor allem die kontrollierte Aussendung einer benötigten Röntgenstrahldosis pro Puls, die gemäß den Systemspezifikationen eingestellt werden kann.
Die Aufgabenstellung der Kontrollelektronik ist die Einstellung des Arbeitspunkts jedes einzelnen Emitters mit Hilfe einer Hochspannungsquelle und einer nachfolgenden geeigneten Schaltmatrix. Aufgrund der herstellungsbedingten Schwankungen der Arbeitspunkte der Emitter kann das benötigte Hochspannungssignal variieren und dient gleichzeitig zur Kontrolle und Einstellung der pulse on/off-time der Kanäle.
Für die Anwendung ist der vordefinierte Einschalt-/Ausschaltvorgang (switching on-/off time) von enormer Bedeutung. Bei den wichtigsten Systemkomponenten handelt es sich zum einen um die Hochspannungsquelle und zum anderen um den Mikrocontroller/FPGA, der für die Auswahl des aktiven Kanals durch Ansteuerung der MOSFET-Schalter zuständig ist.
Ein grundlegendes Problem beim Einschalt-/Ausschaltvorgang der Hochspannung stellen die parasitären Effekte dar. Dabei kommt es zu einem unerwünschten Überschwingverhalten. In diesem Zeitabschnitt kann das System keine Messung vornehmen. Deshalb muss man schaltungstechnisch versuchen, die Zeitdauer des Einschwingvorgangs zu minimieren.
Grundlage für die Verstärkung eines Wanderfeldröhrenverstärkers ist die Wechselwirkung zwischen einer elektromagnetischen Welle und einem Elektronenstrahl. Um eine Verstärkung der elektromagnetischen Welle zu erreichen, müssen der Elektronenstrahl und die elektromagnetische Welle ungefähr gleiche Geschwindigkeiten aufweisen. D.h. die elektromagnetische Welle muß abgebremst werden. Das Prinzip der Verstärkung beruht darauf, dass der Elektronenstrahl einen Teil seiner Bewegungsenergie abgibt und somit das elektrische Signal verstärkt.
Die Elektronen werden zunächst durch eine Kathode freigesetzt und durch ein Hochspannungsfeld beschleunigt. Ein magnetische Feld verhindert die Aufspreizung des Elektronenstrahls während es die Helix durchläuft. Ein Teil der kinetischen Energie des Elektronenstrahls wird an das elektrische Signal auf der Helix abgegeben, wenn die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls geringfügig höher ist als die Phasengeschwindigkeit des elektrischen Signals. Am Ende der Röhre werden die Elektronen abgebremst und durch den Kollektor aufgefangen. Dabei wird die kinetische Energie der Elektronen in Verlustwärme umgewandelt. Um die Kühlungsproblematik zu minimieren und den Gesamtwirkungsgrad zu maximieren, sollte das Kollektorpotential sich dem Potential der Verzögerungsleitung anpassen.
Wanderfeldröhren (TWT-Verstärker) sind rauscharme und breitbandige Mikrowellenverstärker mit einer großen Verstärkung. Es sind Verstärkungsfaktoren bis zu 40 dB bei einer Bandbreite von mehr als einer Oktave üblich. Wanderfeldröhren werden für Frequenzen ab 300 MHz bis zu Frequenzen von mehr als 50 GHz gebaut. Die Wanderfeldröhre ist in erster Linie ein Spannungsverstärker. Die hohe Bandbreite und der große Verstärkungsfaktor machen die Wanderfeldröhre zu einem weit verbreiteten Bauteil in der Radartechnik.
Das Bild oben zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Wanderfeldröhre. Ausgehend von der Kathode wird der Elektronenstrahl von dem Wehneltzylinder und einem äußeren permanenten Magnetfeld gebündelt und innerhalb der Wendel bis zum Kollektor geführt. Ansonsten würde sich der Elektronenstrahl durch die gegenseitige Abstoßung der Elektronen aufweiten. Die in den HF - Eingang eingekoppelte Welle gelangt auf die Drahtwendel und pflanzt sich in Richtung HF - Ausgang fort. Aufgrund des längeren Weges (Wendel) den die Welle zurücklegen muss, wird die hohe Geschwindigkeit der Welle an die niedrigere Geschwindigkeit des Elektronenstrahls angeglichen, so dass sich beide nebeneinander, mit nahezu gleicher Geschwindigkeit auf den HF- Ausgang zu bewegen. Dabei beeinflusst die Welle mit seinen am Wendel entstehenden E- Feld örtlich die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls, indem die Elektronen teilweise beschleunigt und teilweise abgebremst werden (Geschwindigkeitsmodulation). Die Geschwindigkeitsmodulation geht dann in eine Dichtemodulation über und es bilden sich Elektronenpakete aus, die aufgrund der Influenz das HF-Signal kohärent verstärkt.
Die Abbildung unten zeigt das durch die Welle erzeugte elektrische Längsfeld im Inneren der Wendelleitung.
Die Dichtemodulation beginnt bereits am Wendelanfang und erreicht am Wendelende ihre höchste Ausprägung. Die Frequenz der Dichtemodulation ist gleich der Frequenz der eingekoppelten Welle. Die durch die Dichtemodulation entstehenden Elektronenpakete beeinflussen im Gegenzug wiederum die Welle, indem sie ihr im Wechsel Energie entziehen und zuführen. Durch geeignete bauliche Maßnahmen wird erreicht, dass der Welle wesentlich mehr Energie zugeführt als entzogen wird und damit am HF - Ausgang ein erheblich verstärktes HF- Signal ansteht.
Charakteristische Eigenschaften
Die erreichbare Leistungsverstärkung ist im Wesentlichen von folgenden Faktoren abhängig:
Aus dem Bild oben ist für kleine Eingangsleistungen ein linearer Bereich und damit eine konstante Leistungsverstärkung von etwa 26 dB erkennbar. Vergrößert man die Eingangsleistung, so steigt die Ausgangsleistung nicht weiter an, d.h. der Verstärkungsfaktor sinkt. Es tritt eine Begrenzungswirkung ein, so dass bei sehr starken Eingangssignalen eine Übersteuerung der nachfolgenden Stufe (z.B. Mischstufe) verhindert wird.
Da bei der Wanderfeldröhre der Verstärkungseffekt durch Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und fortschreitender Welle auf einer Verzögerungsleitung erreicht wird, ist für die erreichbare Bandbreite in erster Linie das Frequenzverhalten der Wendel verantwortlich. Eine frequenzunabhängige Feldverteilung auf einer Leitung wird nur erreicht, wenn diese Leitung angepasst betrieben wird. Diese Anpassung kann natürlich nur über ein begrenztes Frequenzband aufrechterhalten werden, kann aber eine Größenordnung von mehreren Gigahertz annehmen.
Der wichtigste Parameter für den Einsatz der Wanderfeldröhre als Eingangsverstärker in Radaranlagen ist die Rauschzahl der Wanderfeldröhre. Dadurch wird die Empfindlichkeit des gesamten Empfängers und damit die Reichweite der Radarstation bestimmt. Die Rauschzahl moderner Eingangswanderfeldröhren liegt bei 3 ... 10 dB.
Hauptursachen des Rauschens sind:
Die Rauschzahl ist abhängig von der Größe der meisten Speisespannungen der Wanderfeldröhre. Sind die Spannungen an den Elektroden z.B. um 5% geringer als die Optimalwerte, so verdoppelt sich etwa die Rauschzahl.
Da eine Anpassung der Wanderfeldröhre nicht über das gesamte Frequenzband gewährleistet werden kann, kann es also trotzdem zu Reflexionen zwischen Eingang und Ausgang der Wanderfeldröhre kommen. Um die Gefahr einer Selbsterregung (Schwingen) zu verringern, wird die Wendel zusätzlich bedämpft.
Diese Dämpfung wird entweder als:
Die Ring-Loop Wanderfeldröhre nutzt eine Sonderform der Verzögerungsleitung und erreicht dadurch eine etwas höhere Leistung. Durch deren parasitäre Kapazitäten hat sie allerdings mit nur 18 GHz eine wesentlich geringere obere Grenzfrequenz als Wanderfeldröhren mit Helix.
Die Verstärkung ist mit 40…60 dB wie bei der Helix-TWT, die Bandbreite beträgt jedoch nur etwa 5…15%. Im X-Band wurden 8 kW Impulsleistung bei etwa 400 W Dauerstrichleistung erzeugt.
Die Ring-Bar TWT hat ähnliche Eigenschaften wie die Ring Loop TWT. Die Verzögerungsleitung lässt sich aber leichter fertigen (wird mittels eines LASERs aus einem Rohr geschnitten) und ist auch stabiler gegen Erschütterungen.
Auch die Coupled-cavity Wanderfeldröhre nutzt eine Sonderform der Verzögerungsleitung. Es sind abgestimmte Hohlraumresonatoren, die der Elektronenstrom durchfließt und welche wechselseitig Schlitze aufweisen und somit eine gekoppelte Leitung ergeben.
Der HF-Pfad (in der Grafik Blau) verläuft durch die Kopplungsschlitze in den Resonatoren im Zick-zack und kreuzt somit ständig den Elektronenstrahl (in der Grafik Rot).
Durch die hohe Güte der einzelnen Resonatoren hat die Coupled-cavity TWT bei einer wesentlichen Leistungssteigerung aber eine bessere obere Grenzfrequenz. Der Nachteil der frequenzabhängigen Resonatoren ist die sehr geringe Bandbreite.
Das Einsatzgebiet eines Teilchenbeschleunigers liegt hauptsächlich in der Teilchenforschung und in der Medizintechnik und dient zur Beschleunigung von geladenen Teilchen, vorwiegend Elektronen oder Protonen.
Als Anwendungsfälle sind zu nennen:
Teilchenbeschleuniger werden häufig in Verbindung mit Hochenergiephysik gebracht. Ungefähr 50% der weltweit installierten Systeme werden für medizinische Anwendungen eingesetzt (Strahlentherapie, Produktion von medizinischen Radioisotopen, Biomedizinische Forschung).
Teilchenbeschleuniger spielen auch eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der technischen Merkmale der medizinischen Diagnostik.
Die Tatsache ist, dass der Einsatz von Radionuklide in hochentwicklter medizinischer Bildgebung ständig wächst. Das gilt sowohl für konventionelle Radiographie (CT und MRI) als auch für SPECT und PET Bildgebung in der Nuklearmedizin.
Beispiel für eine Teilchenbeschleuniger Anwendung:
Die Bedeutung von Teilchenbeschleunigern für medizinische Anwendungen nimmt stetig zu. Die Synergie zwischen den Disziplinen Medizin (Radiotherapie, Radiologie, Nuklearmedizin, Onkologie) und Physik (Nuklear- und Beschleuniger-Physik) nimmt auch immer weiter zu und wird zukünftig eine Herausforderung darstellen, um eine bessere Lebensqualität zu erreichen. Es wurden bereits verschiedene Studien zur Bestimmung der Anzahl an potentiellen Patienten für die Hadrontherapie (Partikeltherapie) durchgeführt, aber mit unterschiedlichen Resultaten. Man geht davon aus, dass ca. 30% der Patienten, die mit der konventionellen Strahlentherapie behandelt werden, einen Vorteil durch die Behandlung mit der Partikeltherapie erhalten.
Durch die Ausnutzung der Teilchenbeschleuniger Technologie wird sich die Leistungsfähigkeit der medizinischen Bildgebung erheblich steigern. Dadurch können viele Krankheiten in einem frühen Stadium diagnostiziert und behandelt werden. Das betrifft vor allem die frühzeitige Erkennung von Tumoren.
Lebensmittelsicherheit ist ein weltweites Problem. Das betrifft Hunderte von Millionen von Menschen, die durch kontaminierte Lebensmittel unter Krankheiten leiden. Die Weltgesundheitsorganisation nennt es "eines der am weitest verbreiteten gesundheitlichen Probleme und eine wichtige Ursache der reduzierten wirtschaftlichen Produktivität".
Durch E-Beam- und Röntgen-Bestrahlung werden die Lebensmittel vor dem Verfall über einen langen Zeitraum geschützt. Hierbei wird keine chemische Lösung verwendet.
Durch die Bestrahlung wurde auch festgestellt, dass es das einzige Verfahren ist, wodurch die Lebensmittel ohne Änderung der Qualität, Geschmack, Aussehen und Konsistenz haltbar gemacht werden.
Röntgenstrahlung wird seit langem aufgrund seiner radiographischen Eigenschaften für zerstörungsfreie Prüfzwecke eingesetzt, bei dem es hauptsächlich um die Bestimmung der Kontur von versteckten Objekten geht. Da diese Methoden sehr zeitaufwändig sind und kaum Informationen über die Materialbeschaffenheit der Objekte liefern, wurde auch nur ein geringer Teil von grenzüberschreitenden Frachtlieferungen untersucht.
Neueste nationale Sicherheitsinitiativen streben nun eine 100% Kontrolle von grenzüberschreitenden Frachtlieferungen an Häfen, Flughäfen und Landesgrenzen an. Die neuen Zielvorgaben sind ein hoher Durchsatz, eine automatische Detektion, Möglichkeit zur Bestimmung der Kernladungszahl der versteckten Objekte und eine deutlich verbesserte Fehlalarmrate. Dadurch sollen versteckte Explosivstoffe und Drogen aufgespürt werden und es soll eine Unterscheidung zwischen gefährlichen und ungefährlichen Stoffen ermöglicht werden.
Radiographie von dickwandigen Absperrventilen
Die Herstellung von schweren und großen Gussteilen ist immer mit einer hausinternen Materialprüfanlage verbunden, die für die Endkontrolle eingesetzt wird.
Das Foto zeigt einen 7,000kg schweres Absperrventil Gussteil, dass 100% radiographisch mit einem 8.5MeV Linearbeschleuniger geprüft wurde.
Andere Anwendungsfälle sind z.B.: