Elektronenoptik

Die Elektronenoptik befasst sich mit der Fokussierung und Abbildung von Elektronenströmen im Vakuum mittels elektrischer oder magnetischer Felder.

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Grundlagen

Elektrische und magnetische Felder wirken auf geladene Teilchen im Vakuum ähnlich wie optische Medien auf den Lichtstrahl. Dies wurde 1926 erstmals von Hans Busch beschrieben und berechnet, der als Begründer der Elektronenoptik gilt.

Elektrische Felder wirken entsprechend der elektrostatischen Anziehung bzw. Abstoßung auf die Elektronen, da diese negativ geladen sind. Magnetische Felder lenken bewegte Elektronen aufgrund der Lorentzkraft senkrecht zum Magnetfeld ab.
Zylindersymmetrische Felder, seien sie nun elektrisch oder magnetisch, entsprechen Linsensystemen, parallele elektrisch geladene Platten entsprechen Prismen und mit feinen geladenen Netzen und dahinter liegenden geladenen Platten lassen sich Spiegel realisieren. Sind die bewegten geladenen Teilchen Ionen, so spricht man von Ionenoptik (z. B. beim Feldionenmikroskop, mit dem Erwin Wilhelm Müller 1950 erstmals einzelne Atome "sehen" konnte), bei Elektronen von Elektronenoptik. Viele Prinzipien der Lichtoptik lassen sich auf die Elektronenoptik übertragen, so lässt sich die Brechzahl aus dem Fermatschen Prinzip herleiten. Auch die Betrachtungen einiger optischen Abbildungsfehler sind auf die Elektronenoptik übertragbar. So gelten die Abbildungsgesetze rotationssymetrischer Felder für den "paraxialen" Strahlengang, also für Elektronen die "dicht" an der Symmetrieachse bleiben. Der Farbe in der Optik entspricht die Geschwindigkeit der Elektronen. So werden schnelle Elektronen weniger ausgelenkt als langsame.

Anwendungen

Elektronenoptische Systeme findet man vor allem zur Fokussierung des Elektronenstrahles in Bildröhren (Braunsche Röhre, Kathodenstrahlröhre) und Bildaufnahmeröhren (Fernsehaufnahmeröhren) und zur Projektion eines aus Elektronen bestehenden Bildes (Elektronen-Abbildung) in Bildwandlerröhren und Transmissionselektronenmikroskopen (TEM).

Ein Einsatzgebiet ist auch das Rasterelektronenmikroskop. Die Elektronen werden hier wie bei einer Bildröhre von einer beheizten Kathode durch Glühemission emittiert. Im sogenannten Strahlsystem befinden sich beschleunigende und abbremsende Elektroden in Form von Lochblenden. Sie werden als Wehneltzylinder, Fokussier- und Beschleunigungselektroden bezeichnet und oft mit g1,g2 usw. der Reihe nach durchnummeriert. Der extrem genau fokussierte Elektronenstrahl wird abgelenkt und tastet rasterartig die Probe ab.

Zu Beginn der Fernsehtechnik in den 1960er Jahren wurde zur Fokussierung des Elektronenstrahls auf den Bildschirm eine magnetische Fokussierung verwendet. Sie bestand aus einer mechanisch verstellbaren Kombination aus zwei gegensinnig hintereinander angeordneten Ringmagneten auf dem Bildröhrenhals. Ein Beispiel war z. B. die Fernsehbildröhre Typ „B43M1“.

Die Ringmagnete wirken als magnetische Linse auf den Elektronenstrahl, ähnlich wie Kondensorlinsen in der Optik, mit denen ein Lichtstrahl beispielsweise in einem Projektor auf das zu projizierende Objekt fokussiert wird.

Magnetische Fokussierung wird auch heute bei Systemen mit hohen Strahlleistungen angewendet.

Für Farbfernseher ist sie jedoch ungeeignet, da die hier erforderlichen drei Strahlen gegeneinander verdreht würden. Auch sind die schweren Magnete am Bildröhrenhals unpraktisch.

Abstimmanzeigeröhren (Magische Augen) enthielten bereits vor der Entwicklung von Bildröhren Ablenkstäbchen als Elektroden zur Veränderung der die Anzeige bildenden Strahlform.

Die Fokussierung ließ sich später, wie das bereits bei den Oszillografenröhren der Fall war, statt der Ringmagnete auch in Bildröhren mit elektrischen, durch Lochblenden erzeugten Feldern erreichen.

Bei den Bildröhren mit statischer Fokussierung wird der Leuchtpunkt des Elektronenstrahls durch Einstellen eines Feldes an den Fokussiergittern g3,g4,g5 durch eine sogenannte elektrostatische Linse gebündelt. Die Punktschärfe (Fokussierung) wird durch eine oder zwei Spannungen (Fokussierspannung) eingestellt. Die Spannungen werden wie auch die Anodenspannung im Zeilentransformator erzeugt und können mit einem Potentiometer im Inneren des Fernsehers eingestellt werden.

Um an jeder Stelle des Bildschirmes einen scharfen Leuchtpunkt zu erhalten, müsste der Bildschirm jedoch die Form einer Kugelkalotte haben. Da dies nicht der Fall ist, käme es zu einer Unschärfe in den Eck- und Randregionen des Bildschirmes. Dies kann man durch eine elektronische Korrektur der Fokussierspannung in Abhängigkeit vom Strom in den Ablenkspulen verhindern. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass die Punktschärfe über die gesamte Bildschirmfläche elektronisch korrigiert werden kann.

Siehe auch: Feldemissionsmikroskop