FEXRay – Verwendbarkeit von Feldemissionskathoden als Elektronenquellen in miniaturisierten Röntgenquellen

In einer Röntgenröhre werden Elektronen im Vakuum aus einer Kathode mittels Hochspannung auf eine Anode beschleunigt, wodurch Röntgenstrahlung erzeugt wird. In derzeit kommerziell erhältlichen Systemen werden die Elektronen in aller Regel durch Glühemission freigesetzt. Doch die Erzeugung der Elektronen kann auch durch kalte Feldemission erfolgen. Hierzu wird Hochspannung an Spitzen mit sehr kleinem Krümmungsradius (wenige nm) angelegt, was zu großen elektrischen Feldstärken am Ort der Spitzen führt (einige GV/m). Dadurch werden Elektronen ohne zusätzliche Heizung aus dem Material freigesetzt. Dieser Prozess bietet gegenüber der Glühemission einige Vorteile, da er sehr effizient ist und schnell an- und wieder abgeschaltet werden kann, wodurch sich die Lebensdauer des Emitters verlängert.

Im Rahmen des Projekts FEXRay wurde solch ein Feldemitter auf Basis von Siliziumspitzen hergestellt und charakterisiert. Silizium als Ausgangsmaterial bietet zusätzlich Kostenvorteile und ermöglicht die monolithische Integration mit einem Röntgendetektor. Herausforderung ist allerdings, eine zeitlich stabile Elektronenemission zu erreichen. Der erarbeitete Herstellungsprozess erlaubt die Realisierung von Silizium-Feldemitterspitzen mit einer Höhe von etwa 1 µm und den nötigen Spitzenradien im nm-Bereich (siehe Abb.). Durch die Säulenstruktur wurde bei p-dotiertem Silizium eine sehr gute Stabilität mit Stromschwankungen von lediglich ±2 % erreicht. Zudem konnte gezeigt werden, dass der Betrieb der Emitter bei einem Betriebsdruck von 10─6 mbar möglich ist, wodurch derartige Feldemitter in einer Röntgenröhre als Elektronenquelle Anwendung finden können.