Elektronenstrahl

Als Elektronenstrahl bezeichnet man Elektronen, die sich entlang einer Linie mit gleicher Geschwindigkeit in eine Richtung bewegen.

Herstellung

„Elektronenkanone“, ausgebaut aus einem Farbfernseher. links: Seitenansicht; Deutlich zu erkennen die Vakuumdurchführung, rechts: Frontansicht; Man sieht deutlich die Austrittslöcher der drei Elektronenstrahlen, die die drei Farben ansteuern

Technisch erzeugte Elektronenstrahlen werden historisch auch als Kathodenstrahlen bezeichnet, da sie meist aus einer Glühkathode austreten. Die Strahlerzeugung erfolgt technisch meist mit einer Elektronenkanone, einem Strahlensystem, wie es auch in der Kathodenstrahlröhre (Braunschen Röhre und Bildröhre) vorkommt. Bei diesen werden die Elektronen durch ein elektrostatisches Feld beschleunigt.

Eine weitere Beschleunigung kann mit Teilchenbeschleunigern (Linearbeschleuniger, Betatron, Zyklotron, Mikrotron) erfolgen.

Eigenschaften

Im Gegensatz zu den Photonen elektromagnetischer Strahlen besitzen Elektronen eine Ruhemasse von 9,10938188 × 10−31 kg und eine elektrische Ladung (Elementarladung). Zudem besteht ein Elektronenstrahl aus bewegten Ladungen, er ist damit ein elektrischer Strom, und erzeugt somit ein Magnetfeld. Elektronenstrahlen lassen sich daher elektrostatisch und magnetisch mit einem Ablenksystem ablenken.

Aufgrund der gleichnamigen Ladung der Elektronen im Elektronenstrahl hat dieser das Bestreben, auseinander zu laufen. Dem wirkt man mit elektrostatischer oder magnetischer Bündelung (Fokussierung) entgegen (siehe Elektronenoptik).

Anwendungsbereiche

Der klassische Anwendungsbereich von Elektronenstrahlen ist die Bilderzeugung in Kathodenstrahlröhren, wie sie bei Bildröhren, Oszilloskopen usw. zum Einsatz kommen.

Beschleunigte gepulste abgelenkte Elektronenstrahlen mit relativistischer Geschwindigkeit dienen an Synchrotrons u. a. als Quelle für elektromagnetische Strahlung (Synchrotronstrahlung) vom Infraroten bis zu weicher Gammastrahlung (siehe auch Freie-Elektronen-Laser).

Elektronenstrahlen wechselwirken stark mit Materie, so erhitzt sich beispielsweise ein Festkörper, wenn er mit Elektronenstrahlen bestrahlt wird. Ausgenutzt wird dies unter anderem zum Aufschmelzen von Materialien beispielsweise beim Elektronenstrahlschmelzen oder als Heizer beim Elektronenstrahlverdampfer. Über eine entsprechende Strahlführung lassen sich auch Strukturen im Mikrometerbereich leicht beeinflussen, z. B. Widerstandsabgleich. In der Metallbearbeitung werden Elektronenstrahlen hoher Leistung (Größenordnung 100 kW) zum Schmelzen, Härten, Glühen, Bohren, Gravieren und Schweißen eingesetzt. Die Bearbeitung geschieht meist im Vakuum (mindestens 10−2 mbar). Beim Elektronenstrahlschweißen an Atmosphärendruck (engl. non-vacuum electron beam welding, NVEBW) kann ein Elektronenstrahlschweißvorgang jedoch auch unter Normaldruck geschehen. Hier muss der Arbeitsabstand zwischen Strahlaustritt und Werkstück zwischen 6 und 30 mm liegen, der Übergang vom Hochvakuum zum Atmosphärendruck geschieht dann über mehrere Druckstufen.

Den Elektronen eines Elektronenstrahles lassen sich nach Louis de Broglie entsprechend ihrer Energie auch Wellenlängen zuordnen, sie sind aber selbst keine elektromagnetische Welle. Ihre De-Broglie-Wellenlänge liegt für typische Energien, dabei weit unterhalb eines Nanometers. Elektronenstrahlen weisen daher keine Einschränkungen des Auflösungsvermögens aufgrund von Beugungserscheinungen auf und eignen sich zur Herstellung feinster Strukturen im Nanometerbereich, wie sie beispielsweise in er Elektronenstrahllithografie. Zusammen mit der starken Wechselwirkung mit Materie werden daher zur Abbildung und Analyse der inneren Struktur und der Oberfläche von Festkörpern eingesetzt (siehe Elektronenmikroskop, Photoelektronenspektroskopie und Elektronenstrahlmikroanalyse).


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