Observations from the Earth's geomagnetic tail have established that the current sheet is often bifurcated with two peaks in the current density. These so-called bifurcated current sheets have also been reported in a variety of simulations and often occur in conjunction with significant temperature anisotropy. In this work, a new self-consistent Vlasov equilibrium is developed that permits both the current profile and temperature anisotropy to be independently adjusted. This new equilibrium has a sufficient flexibility to model a wide variety of bifurcated sheets observed in both kinetic simulations and space observations, and transforms continuously back to the standard Harris sheet model with a single peak in the current density. The linear stability of these layers with respect to the tearing mode is examined in the framework of resistive MHD and full Vlasov theory. From the simplified fluid theory, it is demonstrated that a bifurcated current profile has a stabilizing influence on the resistive tearing instability. However, the resistive MHD model is not really appropriate to model the highly collisionless plasma conditions in the magnetosphere. To obtain reliable predictions, Vlasov theory is required and the approach in this thesis employs both standard analytic techniques and a formally exact treatment in which the full orbit integral is numerically evaluated. The resulting linear growth rate for the collisionless tearing instability and the mode structure are verified with 2D full kinetic particle-in-cell simulations. The simplified analytic theory is reasonably accurate in capturing these dependencies for long wavelength modes, but the short wavelength regime generally requires the full numerical treatment to accurately compute the growth rate. The results from these different approaches consistently demonstrate that a bifurcated current profile has a strong stabilizing influence on the collisionless tearing mode in comparison to centrally peaked layers with a similar thickness. In collisionless tearing, electron temperature anisotropy is strongly destabilizing in the limit $T_{e \perp} > T_{e \parallel}$ and strongly stabilizing when $T_{e \perp} < T_{e \parallel}$. Thus, the collisionless tearing instability is determined by the competition between these two influences.

Ce manuscrit de thèse décrit le développement d'un faisceau d'électrons intense et bref qui s'insère dans le cadre de la recherche sur les propriétés nucléaires de la matière au sein des plasmas chauds et denses. Afin d'obtenir un tel faisceau, une nouvelle source a été imaginée, dont le principe est basé sur l'extraction des électrons d'un plasma produit par une impulsion laser intense. La caractérisation du plasma produit par laser lors de son expansion fait l'objet d'une première partie expérimentale de ce manuscrit. Ensuite, une différence de potentiel électrique de l'ordre de quelques kV appliquée sur le plasma lors de son expansion montre que l'extraction des électrons est un processus dynamique. Ces observations expérimentales sont validées par des études numériques à l'aide du code de simulation Particle-In-Cell "XOOPIC". Enfin, les distributions en surface et en énergie des électrons extraits du plasma sont déterminées expérimentalement et numériquement tout au long de l'expansion du plasma, ce qui fait l'objet d'une ultime partie de ce manuscrit. Pour cela, un détecteur de type Faraday Cup est utilisé. Une analyse de l'intensité d'émission du courant d'électrons via un modèle numérique met en évidence la présence d'un pré-plasma fournissant un champ électrique extracteur supplémentaire. / This Ph.D thesis describes the development of an intense and brief electron beam and forms part of the research on the nuclear properties of matter in hot and dense plasmas. In order to obtain such a beam, a new source has been created, the principle is based on the extraction of electrons from a plasma produced by an intense laser pulse. The characterization of the laser-produced plasma during its expansion is the subject of a first experimental part of this thesis. Then, an electrical potential of the order of a few kV applied to the plasma during its expansion shows that the extraction of the electrons is a dynamic process. These experimental observations are validated by numerical studies using Particle-In-Cell simulation code "XOOPIC". Finally, the surface and energy distributions of the electrons extracted from the plasma are determined experimentally and numerically throughout the plasma expansion, which is the final part of this thesis. For this, a Faraday Cup type detector is used. An analysis of the emission intensity of the electron current with a numerical model shows the presence of a pre-plasma providing an additional extracting electric field.

One of the most conspicuous problems in space physics for the last decades has been to theoretically describe how the large parallel electric fields on auroral field lines can be generated. There is strong observational evidence of such electric fields, and stationary theory supports the need for electric fields accelerating electrons to the ionosphere where they generate auroras. However, dynamic models have not been able to reproduce these electric fields. This thesis sheds some light on this incompatibility and shows that the missing ingredient in previous dynamic models is a correct description of the electron temperature. As the electrons accelerate towards the ionosphere, their velocity along the magnetic field line will increase. In the converging magnetic field lines, the mirror force will convert much of the parallel velocity into perpendicular velocity. The result of the acceleration and mirroring will be a velocity distribution with a significantly higher temperature in the auroral acceleration region than above. The enhanced temperature corresponds to strong electron pressure gradients that balance the parallel electric fields. Thus, in regions with electron acceleration along converging magnetic field lines, the electron temperature increase is a fundamental process and must be included in any model that aims to describe the build up of parallel electric fields. The development of such a model has been hampered by the difficulty to describe the temperature variation. This thesis shows that a local equation of state cannot be used, but the electron temperature variations must be descibed as a nonlocal response to the state of the auroral flux tube. The nonlocal response can be accomplished by the particle-fluid model presented in this thesis. This new dynamic model is a combination of a fluid model and a Particle-In-Cell (PIC) model and results in large parallel electric fields consistent with in-situ observations.

<p>One of the most conspicuous problems in space physics for the last decades has been to theoretically describe how the large parallel electric fields on auroral field lines can be generated. There is strong observational evidence of such electric fields, and stationary theory supports the need for electric fields accelerating electrons to the ionosphere where they generate auroras. However, dynamic models have not been able to reproduce these electric fields. This thesis sheds some light on this incompatibility and shows that the missing ingredient in previous dynamic models is a correct description of the electron temperature. As the electrons accelerate towards the ionosphere, their velocity along the magnetic field line will increase. In the converging magnetic field lines, the mirror force will convert much of the parallel velocity into perpendicular velocity. The result of the acceleration and mirroring will be a velocity distribution with a significantly higher temperature in the auroral acceleration region than above. The enhanced temperature corresponds to strong electron pressure gradients that balance the parallel electric fields. Thus, in regions with electron acceleration along converging magnetic field lines, the electron temperature increase is a fundamental process and must be included in any model that aims to describe the build up of parallel electric fields. The development of such a model has been hampered by the difficulty to describe the temperature variation. This thesis shows that a local equation of state cannot be used, but the electron temperature variations must be descibed as a nonlocal response to the state of the auroral flux tube. The nonlocal response can be accomplished by the particle-fluid model presented in this thesis. This new dynamic model is a combination of a fluid model and a Particle-In-Cell (PIC) model and results in large parallel electric fields consistent with in-situ observations.</p>

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Le domaine de la physique des plasmas froids a émergé avec les premières découvertes fondamentales en physique atomique et en physique des plasmas il y a plus d’un siècle. Toutefois, ce domaine a été rapidement orienté vers les applications. L’une des plus importantes dans la première moitié du XXème est le "Calutron" (California University Cyclotron), inventé par E. Lawrence à Berkeley, qui faisait partie du projet Manhattan, et utilisé comme un spectromètre de masse pour séparer les isotopes de l’uranium. Dans un rapport du projet Manhattan daté de 1949, D. Bohm fait deux observations qui sont fondamentales pour la physique des plasmas froids :(i) Les ions doivent avoir une énergie cinétique minimales lorsqu’ils entrent dans la gaine du plasma, estimée à Te/2, Te étant la température électronique.(ii) Le transport du plasma à travers un champ magnétique est augmenté par des instabilités.La propulsion électrique par plasma est utilisée pour des satellites militaires et des sondes spatiales depuis les années 1960 et a suscité un intérêt grandissant ces vingt dernières années avec le développement des applications commerciales des technologies spatiales. Néanmoins, les mêmes questions que celles auxquelles D. Bohm était confronté, c’est-à-dire le transport multidimensionnel, l’interaction plasma-gaine, et les instabilités, se posent toujours. La théorie et les simulations sont d’autant plus importantes pour la conception des systèmes de propulsion électrique que les tests en conditions réelles nécessitent le lancement d’un satellite dans l’espace.Dans ce travail, nous établissons les équations du transport multidimensionnel dans un plasma isotherme, nous proposons un critère de gaine qui permet de rendre compte de la saturation du champ magnétique dans un plasma froid et faiblement ionisé, et nous modélisons le refroidissement des électrons à travers le filtre magnétique du propulseur PEGASES (Plasma Propulsion with Electronegative Gases). Toutes les théories sont motivées et validées par un grand nombre de simulations particulaires PIC bi-dimensionnelles, en utilisant le code LPPic qui a été partiellement développé dans le cadre du projet. Enfin, les cas de simulation sont étendus à une décharge inductive à plasma dans l’iode, avec un nouvel ensemble de section efficaces de réaction. / The field of low temperature plasma physics has emerged from the first fundamental discoveries in atom and plasma physics more than a century ago. However, it has soon become very much driven by applications. One of the most important of them in the first half of the XXth century is the "Calutron" (California University Cyclotron) invented by E.~Lawrence in Berkeley, that was part of the Manhattan project, and operated as a mass spectrometer to separate uranium isotopes. In a 1949 report of the Manhattan project, D.~Bohm makes two observations that are fundamental for low-temperature plasma physics.(i) The ions must have minimum kinetic energy when they enter the plasma sheath estimated to T_e/2 , Te being the electron temperature in eV ;(ii) Plasma transport across a magnetic field is enhanced by instabilities.Plasma electric propulsion is used on military satellites and space probes since the 1960s and has gained more and more interest for the last twenty years as space commercial applications were developing. However, the same questions as the ones D.~Bohm was faced with, namely multi-dimensional transport, plasma sheath interaction, and instabilities, arise. Theory and simulation are even more important for electric space propulsion systems design since testing in real conditions involves to launch a satellite into space.In this work, we derive the equations of the multi-dimensional isothermal plasma transport, we establish a sheath criterion that causes the magnetic confinement to saturate in low-temperature, weakly ionized plasmas, and we model the electron cooling through the magnetic filter of the PEGASES (Plasma Propulsion with Electronegative Gases) thruster. All the theories are driven and validated with extensive two-dimensional particle-in-cell (PIC) simulations, using the LPPic code that was partially developed in the frame of this project. Finally, the simulation cases are extended to an iodine inductively coupled plasma (ICP) discharge with a new set of reaction cross sections.

Entladungsbasierte Elektronenquellen mit Kaltkathode waren gegen Ende des 19. Jahr hunderts weithin genutzte Forschungswerkzeuge und ermöglichten die Entdeckung des Elektrons und der Röntgenstrahlung. In jüngster Zeit erfahren sie erneutes Interesse in Wissenschaft und Industrie, motiviert durch ihre Fähigkeit, Elektronenstrahlen hoher Leistung für Produktionsprozesse (wie das Schweißen, die Materialverdampfung in der Vakuum beschichtung oder die Vakuum-Schmelzveredlung in der Metallurgie) basierend auf einem robusten Design sowie einfachen Versorgungs- und Steuerungssystemen zu erzeugen. Entladungsbasierte Elektronenquellen könnten also eine wirtschaftlich attraktive Alternative zu den gegenwärtig noch etablierten Elektronenstrahlkanonen mit Glühkathoden bieten. Trotz der langen Geschichte und vieler empirischer Ansätze, Gasentladungen zur Elektronenstrahlerzeugung für diverse Anwendungen zu nutzen, sind die bestimmenden Mechanismen bei dieser Art von Elektronenquellen immer noch unzulänglich verstanden. Es war deshalb das Ziel der für die vorliegende Dissertation durchgeführten experimentellen und theoretischen Arbeiten, nicht nur die technologischen Potentiale und Limitierungen entladungsbasierter Elektronenstrahlquellen zu untersuchen, sondern auch die Kenntnis grundlegender physikalischer Effekte zu verbessern. Analysiert wurden zunächst verschiedene, im Fraunhofer FEP vorhandene Kaltkathoden-Strahlquellen, die - ungeachtet der Tatsache, dass sie für unterschiedliche Anwendungen konstruiert wurden - sämtlich auf demselben Funktionsprinzip beruhen: Innerhalb des Gerätes wird eine Hochspannungs-Glimmentladung (HSGE) unterhalten. Ionen erfahren im Kathodenfall einen Energiezuwachs, treffen auf die Kathode und setzen dort Sekundärelektronen frei. Diese Elektronen werden in Richtung des Plasmas be schleu nigt und verlassen schließlich die Strahlquelle, um am Prozessort die beabsichtigte Wirkung zu erzielen. Zur Optimierung der Stabilität der die Ionen produzierenden Entladung, der Effizienz der Strahlerzeugung sowie der Strahlleistungsdichte und Kathodenlebensdauer wurden verschiedene Kombinationen von Kathodenmaterialien und Plasma-Arbeitsgasen experimentell untersucht. Die Abhängigkeit der Ausdehnung des Kathodenfalls von Strom und Spannung der Entladung wurde gemessen und konnte durch ein analytisches Modell erklärt werden. Emittanz und Richtstrahlwert sind wichtige Kenngrößen zur Charakterisierung der Qualität von Elektronenstrahlen. Beide wurden in dieser Arbeit für den Elektronenstrahl einer HSGE-basierten Kaltkathoden-Schweißstrahlquelle bestimmt, wobei zwei Ansätze verfolgt wurden: Zum einen konnte die Emittanz aus der Randstrahlgleichung gewonnen werden, die den experimentell beobachteten Verlauf des Strahldurchmessers entlang der Ausbreitungsachse analytisch beschreibt. Zum anderen wurde die Emittanz anhand des aus der numerischen Simulation berechneten Phasenraumprofils ermittelt. Eine Kernaufgabe dieser Arbeit war es, Software-Werkzeuge zur Simulation der Strahl erzeugung in verschiedenen geometrischen Konfigurationen zu entwickeln und zu validieren, mit denen künftig die Konstruktion und Optimierung neuer entladungsbasierter Strahlerzeuger unterstützt werden sollte. Da kommerziell verfügbare Programme zur Simulation der Erzeugung und Führung von Elektronenstrahlen grundlegende Effekte plasma basierter Quellen, wie z. B. die Raumladung der Ionen oder die ioneninduzierte Sekundär elektronen-Freisetzung, nicht berücksichtigen, wurde für diese Arbeit eine neue Herangehensweise favorisiert: „Particle-in-Cell“ (PIC)-Algorithmen werden in der Plasma forschung üblicherweise zur Modellierung von Entladungen sowie zum Studium nichtlinearer Probleme, wie z. B. Instabilitäten, verwendet. Deshalb wurde nun eine PIC-Simulations umgebung zur Modellierung der HSGE und der damit verbundenen Strahlerzeugung entwickelt. Die Simulation reproduziert experimentelle Ergebnisse, wie etwa die Charakteristik der Entladung, die Emittanz des Strahls oder die Ausdehnung des Kathodendunkelraums, in befriedigender Weise. Schließlich wurde im Rahmen dieser Arbeit eine entladungsbasierte Elektronenstrahlquelle neuen Typs entwickelt und charakterisiert, die die Einfachheit der bekannten Kaltkathoden-Strahler und vorteilhafte Leistungsparameter, z. B. eine hohe Strahlleistungsdichte und niedrige Arc-Rate, wie sie bisher nur mit traditionellen Glühkathodenstrahlern erreichbar waren, in sich vereinigt. Die Kathode bestand aus LaB6 - einem Material, das sowohl eine hohe Sekundärelektronen-Ausbeute als auch eine niedrige Austrittsarbeit aufweist - und wurde gegen die Halterung thermisch isolierend montiert. Dadurch kann sie von Ionen aus einer HSGE auf hohe Betriebstemperaturen geheizt werden und in erheblichem Maße thermisch freigesetzte Elektronen emittieren. Neben technisch nützlichen Gebrauchs eigenschaften weist diese so genannte „Hybrid-Kathode“ auch ein physikalisch interessantes Verhalten auf. Einige neuartige Effekte, die von Entladungen mit kalten Kathoden nicht bekannt waren, konnten beobachtet und erklärt werden, wie z.B. die auffällige „N-förmige“ Druck-Strom-Charakteristik, die bei plötzlicher Abschaltung der Entladung nur langsam und ungleichmäßig abklingende Elektronenemission, die Limitierung des erreichbaren Strahl stromes und eine Fülle von Kathodenverschleiß-Mechanismen. Physikalische Modelle zur Beschreibung verschiedener Aspekte der Hybridkathoden-Entladung wurden erarbeitet und mit den experimentellen Befunden verglichen. / Discharge-based, cold-cathode electron sources were routinely used as research tools at the end of the 19th century and facilitated then the discovery of the electron and of the x-rays. In recent time, they experience a renewed interest in science and industry due to their capability of generating high power electron beams for production processes (like welding, evaporation of materials for vapor deposition, and vacuum melt refining in metallurgy) relying on rugged mechanic designs as well as simple supply and control systems. Hence, discharge-based electron sources could provide an economically attractive alternative to the currently established electron beam guns with thermionic cathodes. Despite the long history and many empirical trials to utilize electron beam generation by gas discharges in several applications, the mechanisms governing this kind of electron sources are far from being well understood. Therefore, it was the purpose of the theoretical and experimental work performed for this thesis not only to investigate in the technological potentials and limitations of discharge-based electron beam guns but also to improve the knowledge of physical basic effects. At first, several cold-cathode beam sources existing at Fraunhofer FEP were analyzed. Regardless that they were designed for different applications, all were based on the same function principle: A high-voltage glow-discharge (HVGD) is sustained inside the device. Ions gain energy in the cathode fall, hit the cathode and release secondary electrons. These electrons will be accelerated towards the plasma then and can finally leave the beam source to perform the desired action at the process site. In order to optimize stability of the ions generating discharge, efficiency of the beam generation, beam power density and longevity of the cathode, different combinations of cathode materials and plasma forming gases have been investigated experimentally. The dependence of the cathode dark space width on current and discharge voltage was measured and could be explained by an analytic model. Emittance and brightness are important measures which quantify the quality of electron beams. In this work, both were determined for the beam originating from a HVGD based cold-cathode electron gun designed for welding following two approaches: First the emittance could be extracted from the envelope equation which analytically describes the evolution of the experimentally observed beam diameter along the propagation axis. Second the emittance was calculated from numerically simulated traces in the phase space. It was a core purpose of this work to develop and validate software tools capable of simulating the beam formation in various geometric configurations. This task was aimed at supporting the design and optimization of new discharge-based beam sources. Since commercially available software for modeling electron beam generation and transport do not consider the key mechanisms of plasma-based sources like the ion space charge or the ion-dependent production of free electrons, a new attempt was favored for this work: Particle-in-Cell (PIC) are being used in plasma research for studying nonlinear problems like instabilities. Therefore, a PIC simulation environment was utilized to numerically model the HVGD and the related beam generation. The simulation satisfactorily reproduces experimental findings, like the characteristics of the discharge, the emittance of the beam or the cathode dark space dimension. Finally, a discharge-based electron-beam sources of a new type was developed and characterized in the frame of this work. It merges the simplicity of known cold cathode devices with beneficial performance parameters, like high beam power density and low arcing rate, which have been reached so far with traditional thermionic electron sources only. The cathode of the new beam source consists of LaB6 - a material with a high secondary electron yield and a low thermionic work function - and was mounted thermally insulated against the holder. Then, an elevated operation temperature resulting in considerable thermionic emission was maintained by ions extracted from a HVGD. Besides to technically advantageous features, this so called “hybrid“ cathode mode of beam generation shows a physically interesting behaviour. Several new effects - not known from traditional cold-cathode discharges - could be observed, like a peculiar “N-shaped“ appearance of the pressure-current characteristic, the slowly and irregularly decreasing electron emission after a sudden discharge cutoff, a limitation of achievable beam current, and a multitude of possible cathode wear mechanisms. Physical models describing various features of the hybrid cathode discharge were elaborated and compared with the experimental findings.

Entladungsbasierte Elektronenquellen mit Kaltkathode waren gegen Ende des 19. Jahr hunderts weithin genutzte Forschungswerkzeuge und ermöglichten die Entdeckung des Elektrons und der Röntgenstrahlung. In jüngster Zeit erfahren sie erneutes Interesse in Wissenschaft und Industrie, motiviert durch ihre Fähigkeit, Elektronenstrahlen hoher Leistung für Produktionsprozesse (wie das Schweißen, die Materialverdampfung in der Vakuum beschichtung oder die Vakuum-Schmelzveredlung in der Metallurgie) basierend auf einem robusten Design sowie einfachen Versorgungs- und Steuerungssystemen zu erzeugen. Entladungsbasierte Elektronenquellen könnten also eine wirtschaftlich attraktive Alternative zu den gegenwärtig noch etablierten Elektronenstrahlkanonen mit Glühkathoden bieten. Trotz der langen Geschichte und vieler empirischer Ansätze, Gasentladungen zur Elektronenstrahlerzeugung für diverse Anwendungen zu nutzen, sind die bestimmenden Mechanismen bei dieser Art von Elektronenquellen immer noch unzulänglich verstanden. Es war deshalb das Ziel der für die vorliegende Dissertation durchgeführten experimentellen und theoretischen Arbeiten, nicht nur die technologischen Potentiale und Limitierungen entladungsbasierter Elektronenstrahlquellen zu untersuchen, sondern auch die Kenntnis grundlegender physikalischer Effekte zu verbessern. Analysiert wurden zunächst verschiedene, im Fraunhofer FEP vorhandene Kaltkathoden-Strahlquellen, die - ungeachtet der Tatsache, dass sie für unterschiedliche Anwendungen konstruiert wurden - sämtlich auf demselben Funktionsprinzip beruhen: Innerhalb des Gerätes wird eine Hochspannungs-Glimmentladung (HSGE) unterhalten. Ionen erfahren im Kathodenfall einen Energiezuwachs, treffen auf die Kathode und setzen dort Sekundärelektronen frei. Diese Elektronen werden in Richtung des Plasmas be schleu nigt und verlassen schließlich die Strahlquelle, um am Prozessort die beabsichtigte Wirkung zu erzielen. Zur Optimierung der Stabilität der die Ionen produzierenden Entladung, der Effizienz der Strahlerzeugung sowie der Strahlleistungsdichte und Kathodenlebensdauer wurden verschiedene Kombinationen von Kathodenmaterialien und Plasma-Arbeitsgasen experimentell untersucht. Die Abhängigkeit der Ausdehnung des Kathodenfalls von Strom und Spannung der Entladung wurde gemessen und konnte durch ein analytisches Modell erklärt werden. Emittanz und Richtstrahlwert sind wichtige Kenngrößen zur Charakterisierung der Qualität von Elektronenstrahlen. Beide wurden in dieser Arbeit für den Elektronenstrahl einer HSGE-basierten Kaltkathoden-Schweißstrahlquelle bestimmt, wobei zwei Ansätze verfolgt wurden: Zum einen konnte die Emittanz aus der Randstrahlgleichung gewonnen werden, die den experimentell beobachteten Verlauf des Strahldurchmessers entlang der Ausbreitungsachse analytisch beschreibt. Zum anderen wurde die Emittanz anhand des aus der numerischen Simulation berechneten Phasenraumprofils ermittelt. Eine Kernaufgabe dieser Arbeit war es, Software-Werkzeuge zur Simulation der Strahl erzeugung in verschiedenen geometrischen Konfigurationen zu entwickeln und zu validieren, mit denen künftig die Konstruktion und Optimierung neuer entladungsbasierter Strahlerzeuger unterstützt werden sollte. Da kommerziell verfügbare Programme zur Simulation der Erzeugung und Führung von Elektronenstrahlen grundlegende Effekte plasma basierter Quellen, wie z. B. die Raumladung der Ionen oder die ioneninduzierte Sekundär elektronen-Freisetzung, nicht berücksichtigen, wurde für diese Arbeit eine neue Herangehensweise favorisiert: „Particle-in-Cell“ (PIC)-Algorithmen werden in der Plasma forschung üblicherweise zur Modellierung von Entladungen sowie zum Studium nichtlinearer Probleme, wie z. B. Instabilitäten, verwendet. Deshalb wurde nun eine PIC-Simulations umgebung zur Modellierung der HSGE und der damit verbundenen Strahlerzeugung entwickelt. Die Simulation reproduziert experimentelle Ergebnisse, wie etwa die Charakteristik der Entladung, die Emittanz des Strahls oder die Ausdehnung des Kathodendunkelraums, in befriedigender Weise. Schließlich wurde im Rahmen dieser Arbeit eine entladungsbasierte Elektronenstrahlquelle neuen Typs entwickelt und charakterisiert, die die Einfachheit der bekannten Kaltkathoden-Strahler und vorteilhafte Leistungsparameter, z. B. eine hohe Strahlleistungsdichte und niedrige Arc-Rate, wie sie bisher nur mit traditionellen Glühkathodenstrahlern erreichbar waren, in sich vereinigt. Die Kathode bestand aus LaB6 - einem Material, das sowohl eine hohe Sekundärelektronen-Ausbeute als auch eine niedrige Austrittsarbeit aufweist - und wurde gegen die Halterung thermisch isolierend montiert. Dadurch kann sie von Ionen aus einer HSGE auf hohe Betriebstemperaturen geheizt werden und in erheblichem Maße thermisch freigesetzte Elektronen emittieren. Neben technisch nützlichen Gebrauchs eigenschaften weist diese so genannte „Hybrid-Kathode“ auch ein physikalisch interessantes Verhalten auf. Einige neuartige Effekte, die von Entladungen mit kalten Kathoden nicht bekannt waren, konnten beobachtet und erklärt werden, wie z.B. die auffällige „N-förmige“ Druck-Strom-Charakteristik, die bei plötzlicher Abschaltung der Entladung nur langsam und ungleichmäßig abklingende Elektronenemission, die Limitierung des erreichbaren Strahl stromes und eine Fülle von Kathodenverschleiß-Mechanismen. Physikalische Modelle zur Beschreibung verschiedener Aspekte der Hybridkathoden-Entladung wurden erarbeitet und mit den experimentellen Befunden verglichen.:1 Einleitung 1.1 Hintergrund und Motivation 1.2 Aufgabenstellung und Gliederung 2 Grundlagen 2.1 Erzeugung freier Elektronen 2.1.1 Elektronenfreisetzung durch Glüheffekt und Feldemission 2.1.2 Elektronenfreisetzung durch Teilchenbeschuss 2.2 Hochspannungsglimmentladungen 2.3 Kathodenverschleiß 2.4 Hochspannungsüberschläge 2.5 Aspekte der Strahlphysik 2.5.1 Strahlgüte 2.5.2 Strahlinstabilitäten 3 Experimentelle Basis 3.1 Elektronenstrahlquellen 3.1.1 CCGD-5/30 3.1.2 CCDG-EXP 3.1.3 CCGD-60/30 3.1.4 CCGD-400/40 3.1.5 EasyBeam-60/40 3.2 Messmethoden 3.2.1 Messung von Strom und Spannung 3.2.2 Druck- und Gasflussmessung 3.2.3 Messung des Kathodendunkelraums 3.3 Strahlstromregelung 4 Experimente mit Kaltkathoden-Elektronenstrahlquellen 4.1 Vermessung und Modellierung der Ausdehnung des Kathodendunkelraums 4.2 Untersuchungen zur Effizienz der Strahlerzeugung 4.3 Untersuchungen zum Kathodenverschleiß 5 Untersuchung und Charakterisierung der Strahlqualität 5.1 Überblick über etablierte Messmethoden 5.2 Eigene Messmethode 5.2.1 Aufbau und Messprinzip 5.2.2 Datenauswertung 5.2.3 Bestimmung der Emittanz 5.2.4 Diskussion 6 Numerische Simulation von Kaltkathoden-Elektronenstrahlquellen 6.1 Grundlagen zur Simulation von Plasmen und Elektronenstrahlen 6.2 Literaturübersicht zur Simulation von Hochspannungsglimmentladungen 6.3 Plasmasimulation mit Particle-in-Cell-Programmen 6.3.1 Skalierungsregeln und Stabilitätskriterien 6.3.2 Eingesetztes Simulationsprogramm und implementierte Modelle 6.4 Vergleich von Simluationsergebnissen und Experimenten 6.5 Fazit 7 Strahlerzeugung mit einer entladungsgeheizten thermionischen Kathode 7.1 Motivation 7.2 Funktionsweise und Wahl der Materialien 7.3 Experimentelle Ergebnisse 7.4 Erarbeitung und Diskussion von Modellvorstellungen 8 Zusammenfassung und Ausblick A Häufig verwendete Abkürzungen und Symbole A.1 Abkürzungen und Indizes A.2 Symbole A.3 Konstanten Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis / Discharge-based, cold-cathode electron sources were routinely used as research tools at the end of the 19th century and facilitated then the discovery of the electron and of the x-rays. In recent time, they experience a renewed interest in science and industry due to their capability of generating high power electron beams for production processes (like welding, evaporation of materials for vapor deposition, and vacuum melt refining in metallurgy) relying on rugged mechanic designs as well as simple supply and control systems. Hence, discharge-based electron sources could provide an economically attractive alternative to the currently established electron beam guns with thermionic cathodes. Despite the long history and many empirical trials to utilize electron beam generation by gas discharges in several applications, the mechanisms governing this kind of electron sources are far from being well understood. Therefore, it was the purpose of the theoretical and experimental work performed for this thesis not only to investigate in the technological potentials and limitations of discharge-based electron beam guns but also to improve the knowledge of physical basic effects. At first, several cold-cathode beam sources existing at Fraunhofer FEP were analyzed. Regardless that they were designed for different applications, all were based on the same function principle: A high-voltage glow-discharge (HVGD) is sustained inside the device. Ions gain energy in the cathode fall, hit the cathode and release secondary electrons. These electrons will be accelerated towards the plasma then and can finally leave the beam source to perform the desired action at the process site. In order to optimize stability of the ions generating discharge, efficiency of the beam generation, beam power density and longevity of the cathode, different combinations of cathode materials and plasma forming gases have been investigated experimentally. The dependence of the cathode dark space width on current and discharge voltage was measured and could be explained by an analytic model. Emittance and brightness are important measures which quantify the quality of electron beams. In this work, both were determined for the beam originating from a HVGD based cold-cathode electron gun designed for welding following two approaches: First the emittance could be extracted from the envelope equation which analytically describes the evolution of the experimentally observed beam diameter along the propagation axis. Second the emittance was calculated from numerically simulated traces in the phase space. It was a core purpose of this work to develop and validate software tools capable of simulating the beam formation in various geometric configurations. This task was aimed at supporting the design and optimization of new discharge-based beam sources. Since commercially available software for modeling electron beam generation and transport do not consider the key mechanisms of plasma-based sources like the ion space charge or the ion-dependent production of free electrons, a new attempt was favored for this work: Particle-in-Cell (PIC) are being used in plasma research for studying nonlinear problems like instabilities. Therefore, a PIC simulation environment was utilized to numerically model the HVGD and the related beam generation. The simulation satisfactorily reproduces experimental findings, like the characteristics of the discharge, the emittance of the beam or the cathode dark space dimension. Finally, a discharge-based electron-beam sources of a new type was developed and characterized in the frame of this work. It merges the simplicity of known cold cathode devices with beneficial performance parameters, like high beam power density and low arcing rate, which have been reached so far with traditional thermionic electron sources only. The cathode of the new beam source consists of LaB6 - a material with a high secondary electron yield and a low thermionic work function - and was mounted thermally insulated against the holder. Then, an elevated operation temperature resulting in considerable thermionic emission was maintained by ions extracted from a HVGD. Besides to technically advantageous features, this so called “hybrid“ cathode mode of beam generation shows a physically interesting behaviour. Several new effects - not known from traditional cold-cathode discharges - could be observed, like a peculiar “N-shaped“ appearance of the pressure-current characteristic, the slowly and irregularly decreasing electron emission after a sudden discharge cutoff, a limitation of achievable beam current, and a multitude of possible cathode wear mechanisms. Physical models describing various features of the hybrid cathode discharge were elaborated and compared with the experimental findings.:1 Einleitung 1.1 Hintergrund und Motivation 1.2 Aufgabenstellung und Gliederung 2 Grundlagen 2.1 Erzeugung freier Elektronen 2.1.1 Elektronenfreisetzung durch Glüheffekt und Feldemission 2.1.2 Elektronenfreisetzung durch Teilchenbeschuss 2.2 Hochspannungsglimmentladungen 2.3 Kathodenverschleiß 2.4 Hochspannungsüberschläge 2.5 Aspekte der Strahlphysik 2.5.1 Strahlgüte 2.5.2 Strahlinstabilitäten 3 Experimentelle Basis 3.1 Elektronenstrahlquellen 3.1.1 CCGD-5/30 3.1.2 CCDG-EXP 3.1.3 CCGD-60/30 3.1.4 CCGD-400/40 3.1.5 EasyBeam-60/40 3.2 Messmethoden 3.2.1 Messung von Strom und Spannung 3.2.2 Druck- und Gasflussmessung 3.2.3 Messung des Kathodendunkelraums 3.3 Strahlstromregelung 4 Experimente mit Kaltkathoden-Elektronenstrahlquellen 4.1 Vermessung und Modellierung der Ausdehnung des Kathodendunkelraums 4.2 Untersuchungen zur Effizienz der Strahlerzeugung 4.3 Untersuchungen zum Kathodenverschleiß 5 Untersuchung und Charakterisierung der Strahlqualität 5.1 Überblick über etablierte Messmethoden 5.2 Eigene Messmethode 5.2.1 Aufbau und Messprinzip 5.2.2 Datenauswertung 5.2.3 Bestimmung der Emittanz 5.2.4 Diskussion 6 Numerische Simulation von Kaltkathoden-Elektronenstrahlquellen 6.1 Grundlagen zur Simulation von Plasmen und Elektronenstrahlen 6.2 Literaturübersicht zur Simulation von Hochspannungsglimmentladungen 6.3 Plasmasimulation mit Particle-in-Cell-Programmen 6.3.1 Skalierungsregeln und Stabilitätskriterien 6.3.2 Eingesetztes Simulationsprogramm und implementierte Modelle 6.4 Vergleich von Simluationsergebnissen und Experimenten 6.5 Fazit 7 Strahlerzeugung mit einer entladungsgeheizten thermionischen Kathode 7.1 Motivation 7.2 Funktionsweise und Wahl der Materialien 7.3 Experimentelle Ergebnisse 7.4 Erarbeitung und Diskussion von Modellvorstellungen 8 Zusammenfassung und Ausblick A Häufig verwendete Abkürzungen und Symbole A.1 Abkürzungen und Indizes A.2 Symbole A.3 Konstanten Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis