DE2116014A1 - Feldemissions-Elektronenkanone - Google Patents

Description

DA-4250

Beschre i b u η ,g

zu der
Patent- und Gebrauchsmuster-Hilfsanmeldung

der Firma
Hitachi Limited
1-5-1, Marunouchi, Chiyoda-ku Tokyo / Japan

betreffend

Feldemi s si ons-Elektronenkanone (Priorität: 1. April 1970, Japan, Nr. 27022)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenkanone oder Elektronenschleuder des Feldemissionstyps, die sich insbesondere als Elektronenstrahlquelle in einem Elektronenmikroskop oder dgl. eignet.

Bekanntlich weist eine herkömmliche Elektronenkanone eine nadeiförmige Kathodenspitze auf, Mittel zur Beheizung der Spitze sowie eine Anode, die bewirkt, daß durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen der Spitze und der Anode Elektronen von der Spitze emittiert werden.

Bei einer solchen Elektronenkanone tritt beim Betrieb häufig unerwünschte Entladung auf, wodurch der oberste Teil der Spitze zerstört wird, so daß die Elektronen-Feldemission von diesem Teil aufhört.

Da die Lebensdauer der Kathodenspitze in der herkömmlichen

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Elektronenkanone aus den beschriebenen Gründen sehr kurz ist, ist ein häufiges Auswechseln der Spitze erforderlich. ·

Andererseits muß in der Elektronenkanone ein superhoher Vakuumzustand aufrechterhalten werden; wird dieser Zustand zum Auswechseln der Spitze unterbrochen, so muß die Elektronenkanone erneut evakuiert werden. Um eine solche Evakuierung zu erzielen, ist Jedoch eine komplizierte und sehr "zeitraubende Behandlung erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektronenkanone oder -schleuder mit sehr hoher Lebensdauer zu schaffen, wobei die Häufigkeit, mit der die Kathodenspitze ausgewechselt und die besagte Evakuierung durchgeführt v/erden muß, sehr gering ist. Vorzugsweise soll die erfindungsgemäße Elektronenschleuder als Elektronenstrahlquelle in einem Elektronenmikroskop oder dgl. geeignet sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich die erfindungsgemäße Elektronenkanone dadurch, daß eine Schirmelektrode, an der die gleiche Spannung liegt wie an der Kathodenspitze, eine Beschleunigungsanode umgibt, um diese gegen auf Erdpotential liegende Teile, etwa den Röhrenkolben, abzuschirmen und dadurch zu verhindern, daß zwischen der Anode und den Erdpotential-Teilen eine Entladung stattfindet. Dadurch wird der Nadelteil der Kathodenspitze gegen Zerstörung durch die besagte Entladung geschützt."

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in Fig. 1 und 2 der Zeichnung schematisch dargestellt sind.

In Fig.1 bedeuten 1 eine nadeiförmige Kathodenspitze, 2 eine erste Anode, 3 eine zweite Anode, 4 und 5 Löcher

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in den /moden 2 bzw. 3, durch die ein Elektronenstrahl hindurchtritt, 6 und 11 Isolatoren, 7 und 9 Elektrodenanschlüsse, 8 einen haarnadelförmigen Wolframfaden und 10 eine Kontaktfeder. Diese Elemente sind bekannt und bilden den herkömmlichen Aufbau einer Elektronenkanone. Mit 12 ist eine erste Schirmelektrode bezeichnet, die ein kennzeichnendes Element der Erfindung darstellt. Bei einem herkömmlichen Aufbau wird eine hohe negative Spannung von beispielsweise -30 KV der Kathodenspitze 1 über den Elektrodenanschluß 7 zugeführt, während eine weitere hohe negative Spannung von etwa -27 KV über den Elektrodenanschluß 9 und die Kontaktfeder 10 der ersten Anode zugeführt wird. Außerdem ist die zweite Anode 3 geerdet.

Da bei der obigen Elektronenkanone herkömmlichen Aufbaus die elektrische Feldstärke in der Nähe des obersten Teiles der Kathodenspitze 1 aufgrund des Potentialunterschiedes zwischen der Spitze 1 und der ersten Anode 2

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etwa 10 bis 10 V/cm beträgt, wird durch den den Faden 8 durchsetzenden elektrischen Heizstrom bewirkt, daß die Spitze 1 Elektronen emittiert. Diese das Loch 4 durchsetzenden Elektronen werden durch ein elektrisches Feld fokussiert, das zwischen der ersten Anode 2 und der zweiten Anode 3 besteht und als elektronische Linse wirkt, so daß am Ausgang des Loches 5 ein Elektronenstrahl mit kleinem Durchmesser und hoher Intensität erhalten wird.

Da die Kathodenspitze 1 von der ersten Anode 2 umgeben ist, tritt zwischen der Spitze 1 und auf Erdpotential liegenden Teilen,etwa dem (nicht gezeigten) Kolben der Elektronenkanone fast nie eine Entladung auf, selbst wenn die oben beschriebene hohe negative Spannung an der Kathodenspitze 1 liegt.

Es wird daher vermutet, daß Entladung zwischen der ersten Anode 2 und den Erdpotential-Teilen stattfindet.

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Tritt eine solche Entladung auf, so nimmt die erste Anode 2 sofort Erdpotential an, und der Potenialunterschied zwischen der Spitze 1 und der ersten Anode 2 wird sehr hoch, so daß die von der Spitze 1 emittierte Elektronenmenge rasch und außerordentlich stark zunimmt .

Im allgemeinen wird der oberste Teil der Spitze 1 sehr scharf gemacht, damit durch ein elektrisches Feld Elektronen von dort emittiert werden können* Beispielsweise wird als Spitze ein Woframdraht mit einem | Durchmesser von etwa 0,1 bis 0,2 mm verwendet, dessen oberster Teil nadeiförmig mit einem Krümmungsradius von bis hinunter zu 500 λ ausgebildet ist. Infolge des rapiden Anwachsens von Elektronen bei Auftreten der Entladung wird daher der oberste Teil der Spitze 1 außerordentlich stark erhitzt und dadurch zerstört, so daß die Elektronenemission von dieser Stelle aufhört, da die elektrische Feldstärke in der Umgebung des obersten Teils der Spitze 1 auf einen derart geringen Wert abfällt, der zur Emission von Elektronen nicht mehr ausreicht.

Aus den obigen Gründen ist erklärlich, daß ein positiver W Potentialunterschied zwischen der Spitze und der ersten Anode nicht übermäßig wird, wenn die besagte ■ Entladung zwischen der ersten Anode und den auf Erdpotential liegenden Teilen verhindert wird; dadurch kann dann eine Zerstörung des obersten Teiles der Spitze vermieden werden.

Beim Aufbau der erfindungsgemäßen Elektronenkanone umgibt daher die erste Schirmelektrode 12 die erste Anode 2. Der ersten Schirmelektrode 12 wird über eine mit dem Elektrodenanschluß 7 verbundene Kontaktfeder 13 die gleiche Spannung zugeführt wie der Spitze 1.

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Außerdem ist zwischen der ersten Anode 2 und der ersten Schirmelektrode 12 ein Isolator 15 mit einer Durchbruchspannung von mindestens 5 KV angeordnet; falls erforderlich, kann eine zweite Schirmelektrode 14 den Stirnabschnitt 6¹ des Isolators 6 umgeben, um eine Entladung von diesem zu verhindern.

Die erste Schirmelektrode 12 hat außerdem einen Bodenteil 16, der die erste Anode 2 gegen die zweite Anode 3 sowie gegen die besagten Erdpotential-Teile abschirmt; da jedoch dieser Bodentdl 16 der Schirmelektrode 12 eine gekrümmte glatte Oberfläche aufweist, die hochpoliert ist, so daß keine großen Schwankungen in der elektrischen Feldverteilung zwischen den bei den Anoden auftreten, findet fast keine Entladung dazwischen statt.

Andererseits kann zwischen den Kontaktteilen 17 und 18 oder den Kontaktteilen 19 und 20 zwischen dem Isolator 11 und den beiden Anoden leicht eine Entladung auftreten.

Daher kann die erste Elektrode so modifiziert sein, daß der Bodenteil 16 nach Fig. 1 praktisch weggelassen und statt dessen ein Vorsprung 12· gemäß Fig. 2 vorgesehen ist.

Erfindungsgemäß wird dadurch, daß der oberste Teil der Kathodenspitze gegen Zerstörung infolge von Entladungen geschützt ist, die Lebensdauer der Spitze erheblich verlängert, Die Erfindung läßt sich bei allen Elektronenkanonen des Feldemissionstyps anwenden, die mindestens die nadeiförmige Kathodenspitze und die Anode zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen der Spitze und der Anode zur Bewirkung einer Elektronenemission von der Spitze aufweisen.

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Claims (6)

Ansprüche

1. Feldemissions-Elektronenkanone mit einer beheizten nadeiförmigen Kathodenspitze und einer Anode, wobei ein elektrisches Feld zwischen der Spitze und der Anode eine Elektronenemission von der Spitze

^ bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2) von einer Schirmelektrode (12) umgeben ist, an der die gleiche Spannung liegt wie an der Anode und die die Anode gegen auf Erdpotential liegende Teile der Anordnung abschirmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmelektrode (12) zwischen der Anode (2) und auf Erdpotential liegenden Teilen angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einer becherartig geformten ersten Anode, die in ihrer Bodenwand ein Loch zum Durchtritt der Elektronen aufweist, sowie einer im Abstand von der Bodenwand angeordneten zweiten Anode, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmelektrode (12) aus einem die Außenwand der ersten Anode (2) umgebenden ringförmigen Teil sowie einem Bodenteil (16) besteht, der zwischen der Bodenwand der"ersten Anode

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und der zweiten Anode (3) angeordnet ist.

4. Vorrichtlang nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenteil (16) der Schirmelektrode (12) auf seiner der zweiten Anode (3) zugewandten Seite eine gekrümmte, hochpolierte Oberfläche aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einer becherartig geformten ersten Anode, die in ihrer Bodenwand ein Loch zum Durchtritt der Elektronen aufweist, sowie einer in Abstand.von der Bodenwand durch Isolatoren gehaltenen zweiten Anode, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmelektrode (12) einen die Außenseite der ersten Anode (2) umgebenden ringförmigen Teil aufweist und mit innerhalb der Isolatoren (11) angeordneten, auf die zweite Anode (3) weisenden Vorsprüngen (12·) versehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kathoden- und Anodenanschlüsse durch ein becherförmiges Isolatorteil geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Stirnwand (6·) des Isolatorteils (6) und der Anode (2) eine weitere Schirmelektrode (14) angeordnet ist.

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