Emission freier Elektronen aus laserinduzierten Plasmen

Wüppen, Jochen; Poprawe, Reinhart

doi:999910310810

Emission freier Elektronen aus laserinduzierten Plasmen = Emission of free electrons from laser-induced plasma

Wüppen, Jochen (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jochen Wüppen

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang117 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-03-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-41730
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82894/files/4173.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektron (Genormte SW) ; Elektronenemission (Genormte SW) ; Laser (Genormte SW) ; Plasma (Genormte SW) ; Lasererzeugtes Plasma (Genormte SW) ; Elektronenquelle (Genormte SW) ; Röntgenquelle (Genormte SW) ; Röntgenstrahler (Genormte SW) ; Emission (Genormte SW) ; Physik (frei) ; freie Elektronen (frei) ; Plasmahohlkathode (frei) ; brightness (frei) ; electron gun (frei) ; plasma electron source (frei) ; hollow cathode (frei) ; laser-induced (frei) ; x-ray source (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

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.

In this work the results of the development of an electron source, based on the emission of free electrons from laser-induced plasmas. This source is a consequent enhancement of known plasma electron sources for the special application in X-ray tubes. By focusing intense ultra-fast Lasers to a solid target plasma is generated, expanding through a hollow dielectric pipe. Perpendicular to the propagation direction of the plasma, a fine-meshed grid covers an emission hole in the pipe. At this place, the electrons are emitted and accelerated towards an anode. Due to the emission of the electrons perpendicular to the propagation direction of the plasma, no ablated material is present in the space between emission hole and anode, whereby electrical discharges are avoided. Between the Laser target (the cathode) and the grid the plasma acts as a conductor. By applying a high-voltage of several kilovolts a discharge current flows through the plasma between cathode and grid. For suitable values of the mesh size, the voltage, the resistor and the geometry the main part of the discharge current is emitted through the grid towards the anode. Beside a detailed description of the known plasma-based electron sources (plasma hollow cathode and plasma edge cathode) and the related theory, the development of the laser-driven plasma electron source is described, followed by a characterization of the latter with regard to current rating and density in dependence of the process-determining parameters. Measuring the X-ray characteristics lead to the brightness of the electron beam. For appropriate parameters, stable and reproducible points of operation were attained with currents of free electrons of 1,75 A. This corresponds to a current density of 2,73 A/cm^2. For smaller emission areas current densities up to 5 A/cm^2 were measured at currents up to 1 A. The minor divergence of the electron beam had a brightness of 4,5 x 10^8 A/m^2/rad^2.

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