Elektronenkanone von der Größe einer Streichholzschachtel

23. November 2016, 19:04
20 Postings

Internationales Team baut Elektronenbeschleuniger im Kleinformat, der kurze und stark gebündelte Strahlen erzeugt

Hamburg – Bisher waren Apparate zur Erzeugung von Elektronenstrahlen von teilweise enormer Größe. Nun aber ist es einem internationalen Forscherteam gelungen, eine neuartige Elektronenquelle zu entwickelt, die kleiner ist als eine gewöhnliche Streichholzschachtel. Die Miniquelle produziert kurze und stark gebündelte Elektronenstrahlen, die sich zur Untersuchung verschiedenster Materialien einsetzen lassen, von Biomolekülen bis hin zu Supraleitern. Außerdem könnte sie die Teilchenbeschleuniger der nächsten Generation von Röntgenlasern mit maßgeschneiderten Elektronenpaketen versorgen.

Das Team um den Wissenschafter Franz Kärtner vom deutschen Elektronen-Synchrotron DESY, der auch eine Forschungsgruppe am MIT in Boston (USA) leitet, stellt seine Miniatur-Elektronen-Gun im Fachblatt "Optica" vor. Die Neuentwicklung nutzt Terahertz-Strahlung statt der üblichen Hochfrequenzfelder, um Elektronen aus der Ruheposition zu beschleunigen. Da Terahertz-Strahlung viel kürzere Wellenlängen hat als Hochfrequenz-Strahlung, können die Abmessungen des gesamten Aufbaus erheblich schrumpfen. So misst die neuartige Elektronenquelle nur 34 mal 24,5 mal 16,8 Millimeter – das ist etwas kleiner als eine Standard-Streichholzschachtel.

Intensivere und kürzere Elektronenstrahlen

"Terahertz-Elektronenquellen sind klein und effizient", erläutert Hauptautor W. Ronny Huang vom MIT. "Darüber hinaus können die verwendeten Terahertz-Wellenleiter viel höhere Feldstärken vertragen als bei Hochfrequenz-Wellenlängen, wodurch die Elektronen einen viel stärkeren Anschub bekommen. So entstehen deutlich intensivere und kürzere Elektronenstrahlen." Ultrakurze Elektronenstrahlen mit minimaler Streuung der Energie der individuellen Teilchen, hoher Ladung und geringer zeitlicher Fluktuation können beispielsweise genutzt werden, um Phasenübergänge in Metallen, Halbleitern und Molekülkristallen mit Hilfe der Methode der ultraschnellen Elektronendiffraktion zu beobachten.

"Unsere Quelle besitzt einen Nanometer-dünnen Kupferfilm, aus dem ultraviolette Strahlungsblitze kompakte Elektronenwolken herausschlagen", erläutert Huang. "Eine maßgeschneiderte Mikrostruktur kanalisiert die eingespeiste Terahertz-Laserstrahlung dann so, dass sie die maximale Wirkung auf die Elektronen entfaltet." Auf diese Weise erreicht die Quelle einen Beschleunigungsgradienten von 350 Megavolt pro Meter.

"Das Beschleunigungsfeld ist fast doppelt so stark wie bei den modernsten konventionellen Quellen", sagt Huang. "Wir konnten kompakte Pakete von je 250 000 Elektronen von 0 auf 500 Elektronenvolt beschleunigen, wobei die Energie der individuellen Teilchen kaum schwankt. Mit diesen Eigenschaften könnten die Elektronenstrahlen aus unserer Quelle bereits direkt für Untersuchungen mit Hilfe der niederenergetischen Elektronendiffraktion verwendet werden." (red, 23.11.20106)

  • Das Funktionsprinzip der Mini-Elektronenquelle : Ein UV-Blitz (blau) beleuchtet die Photokathode von der Rückseite, die freigesetzte Elektronenwolke wird von einem Terahertz-Puls (rot) beschleunigt.
    illustr.: w. ronny huang, cfel/desy/mit

    Das Funktionsprinzip der Mini-Elektronenquelle : Ein UV-Blitz (blau) beleuchtet die Photokathode von der Rückseite, die freigesetzte Elektronenwolke wird von einem Terahertz-Puls (rot) beschleunigt.

Share if you care.