Podcasts about elektronenstrahl

Auftragsverfahren gibt es in der Additiven Fertigung viele. Einige wurden in diesem Podcast schon intensiv beleuchtet: Laser trifft auf Pulver (Folge 3), Lichtbogen trifft auf Draht (Folge 26), Elektronenstrahl trifft auf Draht (Folge 31) sowie das Kaltgasspritzen (Folge 4). Beinahe erstaunlich ist, dass die Kombination aus Draht und Laser bisher kaum eine Rolle spielt. Dabei hat sie durchaus einige Vorteile zu bieten. So ist das Rohmaterial vergleichsweise günstig und unkompliziert in der Handhabe. Weitere Details erklärt in dieser Folge einer der Pioniere der drahtbasierten Laser Metal Deposition (LMD): Rainer Beccard, Geschäftsführer und Gründer der Herzogenrather Lunovu GmbH.

Wenn Metallteile im industriellen Umfeld gedruckt werden sollen, ist das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen meist das Mittel der Wahl. Doch es gibt Alternativen, etwa das Elektronenstrahlschmelzen. Vorteil: Die eingebrachte Energie wird vom Werkstoff besser absorbiert. Außerdem wird der Strahl nicht mit Spiegeln, sondern im Magnetfeld abgelenkt. Es muss also keine Rücksicht genommen werden auf die Belastbarkeit von Galvoscannern. So kann die Aufbaurate deutlich gesteigert werden. Auch beim drahtbasierten Auftragsschweißen kann der Elektronenstrahl gute Dienste leisten. Wie das funktioniert – und wo die Unterschiede im Vergleich zum Lichtbogenschweißen liegen – erklärt Thorsten Löwer, CTO der pro-beam GmbH & Co. KGaA, in dieser Folge.

Ein internationales Forschungsteam hat ein Mini-Hybrid-Beschleuniger entwickelt, der nur wenige Zentimeter groß ist und Laser- und Elektronenstrahl kombiniert. Damit lassen sich Teilchen auf Lichtgeschwindigkeit bringen. Damit ist der Miniatur-Plasmabeschleuniger nicht nur bei geringer Größe enorm leistungsfähig, sondern die Technologie ist zudem auch kostengünstiger als die üblichen, großen Teilchenbeschleuniger, wie zum Beispiel der Large Hadron Collider (LHC) am CERN. Thumbnail: T. Heinemann/Strathclyde und A. Martinez de la Ossa/DESY

Sogenannte wechselwirkungsfreie Messungen sind ein aus der Quantenmechanik bekanntes Interferenzphänomen, mit dessen Hilfe die Anwesenheit eines Objekts detektiert werden kann, ohne das Objekt in irgendeiner Weise zu stören. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit wechselwirkungsfreien Messungen mit Elektronen. Integriert in ein Mikroskop könnte diese Technik es ermöglichen, die bei Elektronenmikropskopie auftretenden Strahlenschäden erheblich zu reduzieren. Es werden verschiedene Ansätze zur Realisierung von wechselwirkungsfreien Messungen mit Elektronen und die dabei auftretenden Schwierigkeiten besprochen. Hauptthema hierbei ist der benötigte Elektronen-Strahlteiler. Wir stellen einen möglichen Ansatz vor, der auf der Kontrolle und dem Einschluss eines Elektronenstrahls durch Mikrowellenfelder beruht. Mit diesem Strahlteiler ist es gelungen, einen langsamen Elektronenstrahl mit kinetischer Energie von ungefähr 1 eV in zwei Strahlen zu spalten. Wir diskutieren in einem vereinfachten quantenmechanischen Modell, welche Eigenschaften ein solcher Strahlteiler aufweisen muss, um Elektronenwellen ohne Störung zu teilen und wechselwirkungsfreie Messungen zu ermöglichen. Außerdem beschäftigen wir uns mit der Anwendung von interaktionsfreien Messungen in der Bildgebung, insbesondere mit der Frage, inwiefern sie die Messung und Unterscheidung von Graustufen erlauben. Es stellt sich heraus, dass die Messung von Graustufen im typischen Interferenzaufbau einer wechselwirkungsfreien Messung zwar möglich ist, aber der dabei entstehende Schaden am Messobjekt nur in speziellen Fällen geringer ist als in einer herkömmlichen Transmissionsmessung. Wir untersuchen auch den Einfluss von Phasenverschiebungen. Bei Messobjekten, die Graustufen aufweisen und Phasenverschiebungen verursachen, können wechselwirkungsfreie Messungen für Objekte mit hoher Transparenz weniger Schaden verursachen als konventionelle Transmissionsmessungen und Messungen mit einem Mach-Zehnder-Interferometer. Ein weiteres Thema dieser Arbeit ist die optische Feldverstärkung an Nanospitzen. Wir untersuchen in numerischen Simulationen über einen großen Parameterbereich, wie die Höhe der Feldverstärkung von der Geometrie und dem Material der Spitze abhängt. Dabei stellen wir fest, dass neben dem Krümmungsradius der Spitze auch der Öffnungswinkel einen überraschend großen Einfluss auf die Feldverstärkung hat, welchen wir durch ein vereinfachtes Modell qualitativ erklären können. Anwendung findet die optische Feldverstärkung in der Photoemission von Elektronen aus scharfen Metallspitzen. Hierzu zeigen wir Experimente in verschiedenen Regimes der Photoemission: einerseits Multiphotonenemission mit einem Erbium-Faserlaser und andererseits Photoemission im Starkfeldregime mit einem Titan-Saphir-Oszillator. Letztere Messungen erlauben es, mit Hilfe einer neuen, auf Elektronen-Rückstreuung beruhenden Methode die optische Feldverstärkung in unmittelbarer Nähe der Spitzenoberfläche zu ermitteln. Die so erhaltenen Ergebnisse stimmen gut mit den Simulationen überein.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Experimente, in denen freie Elektronen in den Mikrowellenfeldern eines Quadrupolleiters manipuliert werden. Die Erzeugung der elektrischen Felder mit Hilfe eines planaren Mikrowellensubstrats ermöglicht es, die Bewegung langsamer Elektronen mit Energien unterhalb von 10 eV auf vielfältige Art und Weise zu beeinflussen. In diesem Zusammenhang bieten planare Substrate den zentralen Vorteil, dass fein strukturierte Potentiallandschaften im Nahfeld der Mikrowellenanregung erzeugt werden können. Zudem kann ein tiefer Einschluss der Elektronen in diesem Potential gewährleistet werden. Dies schafft ideale Voraussetzungen für die Realisierung von planaren Strahlteilern oder Resonatoren für Elektronen, die wiederum Perspektiven für neuartige Quantenoptikexperimente mit geführten Elektronen eröffnen. Im Rahmen dieser Arbeit ist es zum ersten Mal gelungen, einen geführten Elektronenstrahl an der Oberfläche eines strukturierten Mikrowellensubstrats aufzuspalten und die Funktionsweise des Strahlteilers experimentell zu untersuchen. Die erfolgreiche Durchführung dieses Experiments basiert auf der Erzeugung eines mikrostrukturierten Strahlteilerpotentials und dem Einsatz von Treiberfrequenzen im Gigahertzbereich. Zu diesem Zweck haben wir ein Mikrowellensubstrat entwickelt, das ein einschließendes Potential erzeugt, in dem Elektronen entlang eines Pfades geführt werden, der sukzessive in zwei Pfade auffächert. In unserem Experiment beobachten wir hinter dem Strahlteilersubstrat zwei symmetrisch aufgespaltene Elektronenstrahlen. Außerdem stellen wir fest, dass ab einer Elektronenenergie von 3 eV erhebliche Verluste das Elektronensignal dominieren. Aus diesem Grund präsentieren wir Simulationen, die die Welleneigenschaften der Elektronen berücksichtigen und das Strahlteilerpotential in der Hinsicht verbessern, dass Anregungen der Elektronenbewegung während der Aufspaltung minimiert werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Entwurf und der experimentellen Vermessung einer Elektronenkanone, die auf eine scharfe Metallspitze als Elektronenquelle zurückgreift. Mit Hilfe dieser Elektronenkanone wollen wir einen gepulsten, beugungslimitierten Elektronenstrahl erzeugen und diesen in den Elektronenleiter einspeisen. Des Weiteren können wir im Rahmen dieses Experiments mittels Elektroneninterferenz nachweisen, dass ein von einer lasergetriebenen Metallspitze photoemittierter Elektronenstrahl hervorragende räumliche Kohärenzeigenschaften besitzt. Diese Beobachtung ist für alle zeitaufgelösten Anwendungen relevant, die eine lasergetrieben Metallspitze zur Erzeugung kohärenter Elektronenstrahlen einsetzen. In zukünftigen Experimenten wollen wir die hohe zeitliche Kontrolle der lasergetriebenen Elektronenquelle mit der räumlichen Kontrolle über geführte Elektronen vereinen. Der transversale Einschluss geführter Elektronen führt naturgemäß dazu, dass die Dynamik im einschließenden Potential durch diskrete Quantenzustände beschrieben wird. Im Prinzip sollte es daher möglich sein, Elektronen in quantisierten Bewegungszuständen zu erzeugen, die tief im Potential des Elektronenleiters liegen. Grundvoraussetzung dafür ist eine beugungslimitierte Elektronenquelle, sowie ein Potential, das Elektronen einen sanften Übergang in den Elektronenleiter erlaubt. In dieser Arbeit zeigen wir, dass mit Hilfe einer optimierten Einkoppelstruktur und einer gepulsten Elektronenquelle Elektronen nahezu störungsfrei in das einschließende Potential überführt werden können. Dies ist eine wichtige Maßnahme, um Elektronen in weiterführenden Experimenten direkt in Quantenzustände des Elektronenleiters einzuspeisen.

In dieser Arbeit berichten wir über die Beobachtung der dielektrischen Laserbeschleunigung nichtrelativistischer Elektronen mithilfe des inversen Smith-Purcell Effekts bei optischen Wellenlängen. Wenn die Phasengeschwindigkeit von evaneszenten Wellen nahe periodischer Gitterstrukturen mit der Elektronengeschwindigkeit übereinstimmt, kann eine vorwärtsgerichtete elektrische Feldkomponente das Elektron kontinuierlich beschleunigen. Dieser Effekt tritt jedoch nur im Nahfeld passender photonischer Strukturen auf, d.h., dass der Elektronenstrahl die Struktur in Abständen, die kleiner als die Wellenlänge sind, passieren muss. Für die Beschleunigung nichtrelativistischer 28keV Elektronen verwenden wir die dritte Raumharmonische eines Quarzgitters, die mittels Lichtpulsen eines Titan-Saphir-Oszillators angeregt wird. Wir messen einen maximalen Energiegewinn von 280eV, was einem Beschleunigungsgradienten von 25MeV/m entspricht. Dieser Wert ist vergleichbar mit dem Gradienten heutiger Radiofrequenz-Linearbeschleuniger. Um diese Beschleunigung zu erfahren, passieren die Elektronen die Gitteroberfläche in einem Abstand von weniger als 100nm. Im Rahmen dieser Arbeit beschreiben wir die Theorie der Elektronenbeschleunigung im Nahfeld von Gitterstrukturen und diskutieren Simulationsergebnisse zu dieser dielektrischen Laserbeschleunigung. Unsere Messergebnisse stimmen sehr gut mit den Simulationen überein und bestätigen deshalb die direkte Beschleunigung im Lichtfeld. Zusätzlich diskutieren wir die Elektronenbeschleunigung in Doppelgitterstrukturen, das Dephasieren nichtrelativistischer Elektronen, sowie den Raumladungseffekt, der den Spitzenstrahlstrom in diesen neuartigen, auf Mikrostrukturen basierenden Beschleunigern begrenzt. Die hier verwendeten photonischen Gitterstrukturen können direkt aneinandergereiht werden und erfüllen damit die Voraussetzung für skalierbare Linearbeschleuniger. Außerdem sind unsere Strukturen kompatibel mit den Mikrostrukturen, an denen die dielektrische Laserbeschleunigung relativistischer Elektronen zeitgleich durch unsere Kollegen in Stanford demonstriert wurde. Das Potenzial dielektrischer Laserbeschleuniger liegt in dem bis zu zwei Größenordnungen höheren Beschleunigungsgradienten verglichen mit konventionellen Beschleunigereinrichtungen, was sich letztendlich auf die größere Zerstörschwelle dielektrischer Materialien bei optischen Wellenlängen im Vergleich zu Metallen im Radio- und Mikrowellenbereich zurückführen lässt, die eine erhöhte Oberflächenspannungsfestigkeit zur Folge hat. Dieser erhöhte Beschleunigungsgradient könnte den Bau von deutlich kompakteren und kostengünstigeren Beschleunigern erlauben. Wir geben einen Ausblick auf den möglichen Aufbau solcher zukünftiger optischen Beschleuniger und auf deren potentiellen Anwendungen in kompakten Freie-Elektronen-Lasern.

In einem Fadenstrahlrohr befindet sich eine Elektronenkanone, die einen Elektronenstrahl erzeugt. Durch ein äußeres Magnetfeld kann die Richtung der Elektronen geändert werden und diese auf eine Kreisbahn zwingen.

In einem Fadenstrahlrohr befindet sich eine Elektronenkanone, die einen Elektronenstrahl erzeugt. Durch ein äußeres Magnetfeld kann die Richtung der Elektronen geändert werden und diese auf eine Kreisbahn zwingen.

Die Diagnose einer koronaren Atherosklerose durch die Bestimmung der koronaren Verkalkungen zur Abschätzung des Risikos eines zukünftigen kardialen Ereignisses erfährt seit einigen Jahren eine zunehmende Verbreitung. Bisher wurden dazu dezidierte Elektronenstrahl Computertomographen eingesetzt. Neuerdings können koronare Kalzifikationen auch mit Mehrzeilen-Detector CT Geräten erfasst und quantifiziert werden. Die Bestimmung der koronaren Kalzifikationen mit der Mehrzeilen-Detector- gegenüber der Elektronstrahlen-CT hat den Vorteil, dass die Untersuchung kostengünstiger und an weit mehr Standorten durchgeführt werden kann. Koronare Kalzifikationen wurden bisher mit einem proprietären Algorithmus (Agatston Score) quantifiziert. Der Übergang zur Quantifizierung von koronaren Kalzifikationen mit modernen CT Geräten erfordert Quantifizierungsalgorithmen, die von allen CT Gerätetypen gleichermaßen durchgeführt werden können und eine hohe Reproduzierbarkeit haben. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden die Elektonenstrahl- und Mehrzeilen-Detector Computertomographie sowie verschiedene Quantifizierungsalgorithmen (Agatston Score, Volumen, Masse, Dichte und Anzahl der Läsionen) in einem Patientenkollektiv (n=100), bei dem das Ausmaß der koronaren Atherosklerose bestimmt werden sollte, miteinander verglichen. Bei einem Teil der Patienten (n=59) wurde zudem eine Herzkatheteruntersuchung durchgeführt. Bei diesen Patienten konnte die Genauigkeit der verschiedenen Quantifizierungsalgorithmen zur Bestimmung einer koronaren Herzkrankheit ermittelt werden. Die Korrelation zwischen Elektronenstrahl- und Mehrzeilen-Detector CT war für alle Quantifizierungsalgorithmen sehr hoch (0.901-0.993). Aufgrund des unterschiedlichen Untersuchungsprotokolls kam es allerdings zu einem systematischen Fehler mit konstant höheren Werten in der Mehrzeilen-Detector CT. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass koronare Kalzifikationen mit vergleichbarer Sensitivität und Genauigkeit mit der Elektronenstrahl- und Mehrzeilen-Detector-CT erfasst werden können. Da die Quantifizierung der koronaren Kalzifikationen mit der Masse am besten mit allen Geräten zu reproduzieren war, sollte dieser Algorithmus in der Zukunft in weiteren Studien verwendet werden, die zum Ziel haben, den prognostischen Wert von koronaren Kalzifikationen zu bestimmen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Evaluation der linksventrikulären Myokardmasse und deren Massenänderung bei Patienten mit hypertropher obstruktiver Kardiomyopathie (HOCM), die eine transkoronare Ablation der Septumhypertrophie (TASH) erhalten haben. Hierzu erfolgte ein nichtinvasives Follow-up durch Einsatz der Elektronenstrahl-Computertomographie (electron beam computed tomography = EBCT). Im Vordergrund stand hierbei die Bestimmung der linksventrikulären Myokardmasse (in g) vor der Intervention, direkt danach sowie nach sechs und zwölf Monaten. Um die Massenänderungen auch einzelnen Regionen zuordnen zu können, wurden das Septum und die linksventrikuläre laterale Wand gesondert analysiert. Auf einzelnen Schichten erfolgte jeweils eine manuelle Segmentierung durch Markierung der Epi- und Endokardgrenzen und eine Einteilung in Sektoren. Die septale Myokardmasse reduzierte sich erwartungsgemäß am stärksten unmittelbar in der ersten postinterventionellen Woche (6,8 ± 2,6 [2–12] d) um 4,4 ± 2,8 (-0,4–12,4) g. Dies ist durch den Gewebeuntergang durch Infarzierung nach Septalastokklusion zu erklären. Gleichzeitig reduzierte sich auch der die Beschwerden der Patienten verursachende Druckgradient, der über dem linksventrikulären Ausflusstrakt, bedingt durch die Septumhypertrophie, bestand. Dabei nehmen sowohl der Ruhegradient (60,3 ± 21,3 [15–100] mmHg) als auch der postextrasystolische Gradient (101,5 ± 41,9 [30–180] mmHg) signifikant ab. Neben der Reduktion der Septummasse verringerte sich auch die Masse der lateralen Ventrikelwand. Ursache dieser Massenreduktion ist der rückläufige oder verminderte Druckgradient, der als Auslöser einer druckbedingten Myokardhypertrophie gilt. Dieser Effekt wird als therapeutisches „Remodeling“ bezeichnet. Es nimmt somit auch die Masse an der lateralen Ventrikelwand und konsekutiv des gesamten linken Ventrikels ab. Die Änderungen in diesen Bereichen sind zwar auch im direkt postinterventionellen Zeitraum signifikant, im Gegensatz zur Septummasse erfolgt jedoch hier die stärkste Massenreduktion erst im Verlauf des ersten halben Jahres nach der Intervention. Zusätzlich wird der Stellenwert der EBCT in der Myokardmassenbestimmung im Vergleich zu anderen Verfahren dargestellt. Bisherige Studien bedienten sich der Echokardiographie zur Verlaufskontrolle. Sie liefert ebenso wie die EBCT Informationen über Funktion und Morphologie. Als problematisch ist hierbei jedoch insbesondere die Untersucher- und Patientenabhängigkeit herauszustellen. Zudem ist die Massenbestimmung in verschiedenen Verfahren unterschiedlich und variiert in ihren Ergebnissen. Die Unterteilung in verschiedene Regionen ist hierdurch erschwert. Neue dreidimensionale Rekonstruktionsverfahren sind bisher noch teuer und zeitaufwendig, liefern jedoch der EBCT vergleichbare Ergebnisse. Die Magnetresonanztomographie (MRT) liefert der EBCT entsprechende Massenergebnisse. Es gibt allerdings Beschränkungen in der Indikationsstellung. So sind Patienten, die schwer krank sind, durch fehlende Überwachungsmöglichkeiten oder mit implantiertem Herzschrittmacher von der Untersuchung ausgeschlossen. Dies ist besonders bei der Evaluation der HOCM-Patienten nach TASH zu beachten, da ca. 10 % der behandelten Patienten schrittmacherpflichtig werden. In dieser Studie erhielten 12,5 % der Patienten dauerhaft ein Implantat. In Zukunft wird wahrscheinlich die Multischicht-Computertomographie (MSCT) die EBCT in der kardialen Diagnostik als Alternativverfahren ablösen. Obwohl zur Zeit noch kein Algorithmus zur Massenbestimmung existiert, sind die Möglichkeiten durch das gleichzeitige Scannen großer Volumina doch gegeben. Die Limitation liegt weiterhin in den längeren Aufnahmezeiten (105–210 ms) der MSCT im Gegensatz zu 50 ms der EBCT. Die geringere zeitliche Auflösung bedingt derzeit noch die Überschätzung der Ventrikellumina. Zur Verbesserung dieses Aspektes sind weitere technische Entwicklungen im Gange. Der große Vorteil der MSCT liegt, abgesehen von der geringeren Strahlenbelastung für den Patienten, insbesondere in deren hohem Verbreitungsgrad und dem geringeren technischen Aufwand.

Als Goldstandard der nicht-invasiven Erfassung der Verkalkungen der Herzkranzgefäße gilt bisher die Elektronenstrahl-Computertomographie. Wie die vorliegende Arbeit aufzeigt, ist die konventionelle Computertomographie mit EKG-Triggerung in der Lage die Ergebnisse der Elektronenstrahl-Computertomographie bei der Detektion und Quantifizierung atherosklerotischer Veränderungen der Herzkranzgefäße mit hoher Genauigkeit zu reproduzieren und damit auch mit den flächendeckend vorhandenen und ubiquitär einsetzbaren konventionellen Subsekundenscannern durchgeführt werden kann. Die konventionelle Koronarangiographie stellt den Goldstandard bei der Evaluation des Lumens der Herzkranzgefäße dar. Sie stellt jedoch eine invasive, mit seltenen Komplikationsrisiken behaftete Untersuchung dar, die gerade bei Patienten mit atypischem Brustschmerz, bzw. asymptomatischen Patienten mit einem niedrigen bis intermediären Risikoprofil einer genauen Abwägung bedarf. Das Ausmaß der verkalkten atherosklerotischen Wandveränderungen kann mit der konventionellen Katheterangiographie, einer Luminographie nur ungenügend erfasst werden. Möglichkeiten der Quantifizierung des Verkalkungsgrades fehlen vollständig. Da die Sensitivität zur Erfassung der koronaren Kalzifikationen mit dem konventionellen CT dem EBCT ebenbürtig ist, ist zu erwarten, dass in klinischen Studien auch mittels der konventionellen Computertomographie eine Ausschlussdiagnostik zur atherosklerotischen koronaren Herzkrankheit möglich sein dürfte. Weiterhin erlaubt die exakte Reproduzierbarkeit der Untersuchungsergebnisse die Verlaufskontrolle der Herzkranzgefäßverkalkungen bei einer Therapie bekannter Risikofaktoren bzw. Modifizierung der Lebensweise. Da effektive Therapiekonzepte für die Behandlung und Verzögerung der Progression der koronaren Herzerkrankung zur Verfügung stehen, ist und wird die frühzeitige Erfassung der Atherosklerose der Herzkranzgefäße von zunehmender Bedeutung sein. Daten der Framingham Studie belegen, dass nahezu 50% der Individuen, die an einem plötzlichen Herztod versterben zuvor keine kardiale Symptomatik in ihrer Krankengeschichte aufweisen. Eine erst kürzlich veröffentlichte Studie demonstriert, dass das Vorhandensein von Koronarverkalkungen deutlich mit dem Auftreten akuter koronarer Ereignisse bei initial asymptomatischen Patienten assoziiert ist. Zusätzlich scheint die Wertigkeit von Verkalkungen der Herzkranzgefäße stärker mit dem Auftreten kardialer Ereignisse assoziiert zu sein, als die bekannten konventionellen Risikofaktoren (Nikotinabusus, Bluthochdruck, Hypercholesterinämie, usw. ...). Der Grad der Verkalkung korreliert mit der Wahrscheinlichkeit für den Patienten zukünftig ein kardiales Ereignis zu erleiden. Umso bedeutender ist daher eine zuverlässige Abschätzung eines zukünftigen Risikos für ein akutes koronares Ereignis für eine effektive und präventive Medizin. Wie die vorliegende Arbeit demonstriert, ist die konventionelle Computertomographie mit EKG-Triggerung in der Lage die Ergebnisse der Elektronenstrahl-Computertomographie bei der Detektion und Quantifizierung atherosklerotischer Veränderungen der Herzkranzgefäße mit hoher Genauigkeit zu reproduzieren und stellt daher eine Alternative der als Goldstandard angesehenen EBCT dar.