title: Electrostatic electron beam guiding and Smith-Purcell radiation from optimized structures
title: Elektrostatisches Führen von Elektronenstrahlen und Smith-Purcell-Strahlung von optimierten Strukturen
Creators: name: Seidling, Michael
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften und Mathematik :: 53 Physik :: 530 Physik

description: The application of free electron beams ranges from large accelerators to tabletop electron microscopes. The spectrum of usage is very multifaceted, from free-electron lasers to lithography and from material sciences to biology. In all fields, however, control of the electron beam is an essential part of the application. While a large number of optical elements is available in light optics, the number of optical elements in electron optics is severely limited. Here, electrostatic counterparts to Paul traps are presented, paving the way for a new type of electron optics. Future versions of these electron optics could enable the use of quantum mechanical measurement protocols with free electron beams. In particular, for imaging biological or other sensitive samples, the use of interaction-free measurement techniques can increase the resolution of the images. The electron optics presented here allow the guiding and splitting of an electron beam. In addition, the combination of switchable electron mirrors with a linear guiding structure, an electron resonator, is introduced. The working principle of these optics is based on ponderomotive forces generated by the movement of electrons through an arrangement of electrostatic electrodes on a chip structure. The shape and strength of the corresponding pseudopotential can be locally adjusted by the shape of the electrodes, their applied voltage and the velocity of the electron. With one of the guiding structures presented here, electrons with beam energy from 20 eV to 9:5 keV can be guided on a curved path. Furthermore, the analogy of the structures with the linear Paul trap was exploited to realize an energy filter. The splitting of an electron beam is shown for kinetic energies up to 1700 eV using an appropriately tuned pseudopotential. In addition, simulations of the time-dependent Schrödinger equation are performed, yielding a possible future design for an adiabatic electron beam splitter. In the implemented version of a guided electron resonator, electrons with an energy of 50 eV can be detected after seven round trips. The stability of the resonator can be further improved by enhancing the electron mirrors. In addition to these electron optical elements, an inverse nanophotonic design method is applied to the Smith-Purcell effect to enhance the emission of light at a specific wavelength at the appropriate angle. Experimental demonstration yields a 3� higher efficiency and 2:2� higher emitted power of the optimized structure compared to previously used rectangular gratings. With the same electron beam parameters and a more precisely fabricated structure, simulations indicate an increase in peak efficiency by a factor of 96. Increasing the radiation efficiency of free electron light emitters is a major step toward practical applications. Combining the presented electron optics with the optimized Smith-Purcell structures is a promising way to further increase the total radiated power.
description: Die Anwendung von freien Elektronenstrahlen reicht von großen Beschleunigern bis zu Tischelektronenmikroskopen. Die Anwendungsgebiete sind sehr facettenreich, von Freie-Elektronen-Lasern über Lithographie und bis hin zu Materialwissenschaften und zur Biologie. In allen Bereichen ist jedoch die Kontrolle über den Elektronenstrahl ein essenzieller Teil der Anwendung. Während in der Lichtoptik eine große Anzahl von optischen Elementen zur Verfügung steht, ist die Anzahl der optischen Elemente in der Elektronenoptik stark begrenzt. In der vorliegenden Arbeit werden elektrostatische Gegenstücke zu Paul-Fallen vorgestellt, die den Weg zu einer neuen Art der Elektronenoptik ebnen. Zukünftige Versionen dieser Elektronenoptiken könnten den Einsatz von quantenmechanischen Messprotokollen mit freien Elektronenstrahlen ermöglichen. Insbesondere bei der Abbildung biologischer oder anderer empfindlicher Proben würde die Verwendung von wechselwirkungsfreien Messverfahren die Auflösung der Bilder erhöhen. Die hier vorgestellten Elektronenoptiken ermöglichen das Führen und das Teilen eines Elektronenstrahls. Zusätzlich wird die Kombination von schaltbaren Elektronenspiegeln mit einer linearen Führungsstruktur, ein Elektronenresonator, vorgestellt. Das Funktionsprinzip dieser Optiken beruht auf ponderomotorischen Kräften, die durch die Bewegung der Elektronen durch eine Anordnung von elektrostatischen Elektroden auf einer Chipstruktur entstehen. Form und Stärke des entsprechenden Pseudopotentials können durch die Form der Elektroden, ihre angelegte Spannung und die Geschwindigkeit des Elektrons lokal angepasst werden. Mit einer der hier vorgestellten Führungsstruktur können Elektronen mit einer kinetischen Energie von 20 eV bis 9:5 keV auf einer gekrümmten Bahn geführt werden. Des Weiteren wurde die Analogie der Strukturen mit der linearen Paul-Falle ausgenutzt, um einen Energiefilter zu realisieren. Das Aufteilen eines Elektronenstrahls wird für kinetische Energien bis zu 1700 eV mithilfe eines entsprechend angepassten Pseudopotentials gezeigt. Darüber hinaus sind Simulationen der zeitabhängigen Schrödinger-Gleichung durchgeführt worden, die zu einem möglichen zukünftigen Design für einen adiabatischen Elektronenstrahlteiler führen. In der realisierten Version eines Elektronenresonators können Elektronen mit einer Energie von 50 eV nach sieben Umläufen nachgewiesen werden. Die Stabilität des Resonators kann durch eine Verbesserung der Elektronenspiegel noch weiter verbessert werden. Zusätzlich zu diesen elektronenoptischen Elementen wird ein inverser nanophotonischer Designprozess auf Smith-Purcell-Strukturen angewendet, um die Abstrahlung von Licht einer bestimmten Wellenlänge im entsprechenden Winkel zu verstärken. Die experimentelle Demonstration ergibt eine 3� höhere Effizienz und eine 2:2� höhere abgestrahlte Leistung der optimierten Struktur im Vergleich zu zuvor verwendeten rechteckigen Gittern. Bei gleichen Elektronenstrahlparametern und einer präziser gefertigten Struktur deuten Simulationen auf eine Steigerung der Spitzeneffizienz um den Faktor 96 hin. Die Erhöhung der Strahlungsausbeute bei Lichtemittern basierend auf freien Elektronen ist ein wichtiger Schritt in Richtung praktischer Anwendungen. Eine vielversprechende Möglichkeit, die abgestrahlte Gesamtleistung weiter zu erhöhen, ist die Kombination der vorgestellten Elektronenoptiken mit den optimierten Smith-Purcell- Strukturen.