UNSERE PASSION
Technologien, die mit Elektronenstrahlen arbeiten
Elektronenstrahlen sind unsere Leidenschaft und das technologische Fundament unseres Unternehmens.
Im folgenden Artikel würdigen wir die Leistungen der Wegbereiter, die zur Anwendung von Elektronenstrahlen in Wissenschaft und Industrie beigetragen haben.
Kathodenstrahlröhre
Die Existenz von Kathodenstrahlen wurde im Jahr 1868 von Johann Wilhelm Hittorf (1824-1914) an der Universität Münster bei Experimenten mit Gasentladungsröhren entdeckt. Nach Hittorfs Vorbild konstruierte Ferdinand Braun (1850-1918) seine erste Kathodenstrahlröhre an der Eberhard-Karls-Universität Tübingen im Jahr 1889.
Brauns erste Version bestand im Wesentlichen aus einer Vakuumröhre mit einer Kathode, einer Anode und einem Leuchtschirm. Durch Anlegen einer Hochspannung erzeugte er einen Kathodenstrahl, den er auf dem Leuchtschirm nachweisen konnte. 1895 wurde Braun an die Kaiser-Wilhelms-Universität Straßburg zum Direktor des Physikalischen Instituts berufen. Dort gelang es ihm den Kathodenstrahl mit einer Lochblende zu fokussieren und mit Hilfe von Magnetspulen horizontal und vertikal präzise auszulenken. Dieses Konzept wurde als Braunsche Röhre bekannt und bildet bis heute die Grundlage für die Steuerung von Elektronenstrahlen.
Entdeckung der Röntgenstrahlen
Die Braunsche Röhre faszinierte viele Wissenschaftler, so auch Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg. Er entdeckte 1895 eine bis dahin unbekannte Strahlungsart, die in einiger Entfernung von der Kathodenstrahlröhre ein lumineszierendes Papier zum Leuchten brachte. Die von ihm benannte X-Strahlung entstand durch die Wechselwirkung des Kathodenstrahls mit dem metallischen Schattenkreuz der Hittorf-Röhre. Die Erzeugung von Röntgenstrahlung durch Bombardement eines metallischen Targets ist bis heute das vorherrschende Prinzip technischer Röntgenquellen.
Noch im Jahr der Entdeckung der X-Strahlung 1895 gelingt es Röntgen die ersten Aufnahmen auf Fotoplatten anzufertigen. Der Begriff Röntgenstrahlung setzte sich im deutschen und slawischen Sprachraum erst später durch.
Entdeckung des Elektrons
Die physikalische Natur der Kathodenstrahlung blieb nach ihrer Entdeckung fast 30 Jahre ungeklärt. Im Jahr 1897 experimentierte der Physiker Joseph John Thomson (1856-1940) an der Universität Cambridge mit Kathodenstrahlröhren und erkannte, dass die Strahlung aus kleinen geladenen Teilchen besteht, die er Korpuskel nannte und die später als Elektronen bekannt wurden. Thomson gilt als der Entdecker des Elektrons und als ein Wegbereiter des modernen Atommodells.
Fortschritte bei der Elektronenerzeugung
Im Jahre 1902 gelang es Arthur Wehnelt (1871-1944), der als Professor an der an Friedrich-Alexander-Universität Erlangen lehrte, durch die Entwicklung einer geheizten Kathode die Elektronenerzeugung maßgeblich zu verbessern. Die thermische Emission ermöglichte die Extraktion von Elektronen bei wesentlich niedrigeren Anodenspannungen.
Gleichzeitig schlug Wehnelt die Verwendung eines negativ geladenen Zylinders vor, der die Kathode umschließt. Der Wehnelt-Zylinder bewirkt eine Bündelung des Strahls und ermöglicht die Steuerung der Helligkeit durch Variation des angelegten Potentials. Wehnelts Arbeiten bilden bis heute die Grundlage für die technische Erzeugung von Elektronenstrahlen und Röntgenquellen.
Auflösung und Wellenlänge
Bereits im Jahr 1873 berechnete Ernst Abbe an der Universität Jena die Auflösungsgrenze von Mikroskopen und erkannte, dass diese im Bereich der Wellenlänge des verwendeten Lichts liegt. Diese prinzipielle Grenze ist als Abbe-Limit in der Optik bekannt.
Im Jahr 1924 postulierte Louis de Broglie (1892-1987), dass auch massebehaftete Teilchen einen Wellencharakter besitzen. Für Elektronen, die eine Beschleunigung von 15 kV durchlaufen, berechnete er eine Wellenlänge von weniger als einem Nanometer. Der experimentelle Nachweis seiner Hypothese gelang Davisson und Germer im Jahr 1927 durch Beugung eines Elektronenstrahls an einem Nickelkristall.
Elektronenmikroskopie
Ernst Ruska (1906-1988) und Max Knoll (1897-1969) erkannten das revolutionäre Potential der extrem kurzen de Broglie-Wellenlänge von Elektronen zur Verschiebung des Abbe-Limits der Mikroskopie bis in den Nanometerbereich.
Ruska war Mitarbeiter von Knoll an der Technischen Hochschule Berlin und baute 1931 als Doktorand das weltweit erste Elektronenmikroskop. Die Elektronenquelle konstruierte er nach Wehnelts Vorbild mit thermischer Emission und elektrostatischer Bündelung. Ruska gelang die Entwicklung einer zweitstufigen magnetischen Linse, die eine 12.000-fache Vergrößerung erreichte. Sein Elektronenmikroskop arbeitete im Transmissionsmodus (TEM), das Elektronenbild projizierte er auf eine Mattscheibe. Um die Vergrößerung zu testen, verwendete Ruska kleine Metallgitter.
Ein weiterer Durchbruch gelang Manfred von Ardenne (1907-1997), der im Jahre 1937 die Rasterabtastung (SEM) für die Elektronenmikroskopie entwickelte. In diesem Modus wird das Untersuchungsobjekt punktweise mit dem Elektronenstrahl abgetastet. Zur Strahlsteuerung nutzte von Ardenne die Technologie der Braunschen Röhre. Der Rasterbetrieb ebnete den Weg für zahlreiche neue Detektionsprinzipien in der Bildgebung und Spektroskopie, darunter die Elementanalyse im Mikrobereich (EDX).
Bernhard E. Heneka - In Memoriam
Unser Firmengründer Bernhard E. Heneka war ein begeisterter Experte für Röntgenelementanalytik im Mikrobereich (EDX) aber auch Hobbymaler. Bereits in den 1980er Jahren setzte sich Bernhard E. Heneka künstlerisch mit seiner Berufung auseinander.
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