Emission freier Elektronen aus laserinduzierten Plasmen

  • Emission of free electrons from laser-induced plasma

Wüppen, Jochen; Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2012)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Kurzfassung

Diese Arbeit zeigt die Ergebnisse der Entwicklung einer Elektronenquelle, die auf der Emission freier Elektronen aus laserinduzierten Plasmen basiert. Diese Quelle stellt dabei eine konsequente Weiterentwicklung bisher bekannter Plasmaelektronenquellen dar, um sie für den speziellen Einsatz in Röntgenröhren zu qualifizieren. Durch die Fokussierung eines Ultrakurzpulslasers auf ein leitendes Festkörpertarget wird das Plasma erzeugt, das anschließend den Hohlraum eines dielektrischen Rohres füllt. Senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Plasmas befindet sich eine Öffnung, die von einem feinmaschigen Gitter bedeckt wird. An dieser Stelle werden die Elektronen emittiert und zur Anode beschleunigt. Durch die Emission senkrecht zur Ausbreitungsrichtung wird verhindert, dass Teile des abgetragenen Materials in den Raum vor der Anode gelangt. Elektrische Durchbrüche werden verhindert. Zwischen der Kathode und dem Gitter besteht durch das Plasma ein leitender Kontakt. Durch Anlegen einer Hochspannung von einigen Kilovolt am Gitter fließt ein Entladungsstrom zwischen Kathode und Gitter. Bei geeigneter Wahl der Maschenweite, der Spannung, des elektrischen Widerstandes und der geometrischen Abmessungen fließt der Großteil des Entladungsstromes nicht über das Gitter, sondern wird durch das Gitter hindurch in Form von freien Elektronen emittiert. Nach einer eingehenden Darstellung der bekannten Plasmaelektronenquellen (Plasmahohlkathode und Plasma Edge Cathode) und der zugehörigen Theorie, wird die Entwicklung der lasergesteuerten Plasmakathode beschrieben. Es folgt die Charakterisierung der Elektronenquelle hinsichtlich Stromstärke und Stromdichte in Abhängigkeit der prozessbestimmenden Parameter. Durch die Vermessung des erzeugten Röntgenstrahls wird die Brightness bestimmt. Mit geeignet gewählten Parametern wurden stabile und reproduzierbare Arbeitspunkte eingestellt mit Emissionsstromstärken bis zu 1,75 A. Dies entspricht einer Emissionsstromdichte von 2,73 A=cm^2. Bei kleineren Emissionsflächen wurden Stromdichten bis 5 A=cm^2 gemessen bei Stromstärken bis 1 A. Der Elektronenstrahl weist eine geringe Divergenz auf, mit einer Brightness von 4,5 x 10^8 A/m^2/rad^2.

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