DE2116014C3

DE2116014C3 - Field emission electron gun

Info

Publication number: DE2116014C3
Application number: DE19712116014
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Kodaira Tokio Komoda (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1970-04-01
Filing date: 1971-04-01
Publication date: 1977-09-08

Description

Bei einer Feldemissions-Elektronenkanone der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art besteht wegen des hohen Potentials der ersten Anode die Gefahr, daß von dieser Anode Überschläge zu auf Erdpotential liegenden Teilen der Elektronenkanone, insbesondere etwa zu dem das Elektrodensystem umgebenden Röhrenkolben, auftreten. Derartige Überschläge haben zur Folge, daß die erste Anode vorübergehend selbst auf Erdpotential gerät und somit einen weiteren Überschlag zwischen der ersten Anode und der Kathodenspitze verursacht. Derartige Überschläge führen zu einer raschen Zerstörung des obersten Teils der Kathodenspitze, so daß an diesem Teil die Elektronen-Feldemission aufhört. Die Lebensdauer der Kathodenspitze ist aus diesem Grund bei herkömmlichen Feldemissions-Elektronenkanonen kurz und macht ein häufiges Auswechseln der Kathodenspitze erforderlich.In a field emission electron gun of the type specified in the preamble of claim 1 Because of the high potential of the first anode, there is a risk of flashovers from this anode Parts of the electron gun that are at ground potential, in particular about that of the electrode system surrounding tubular flask, occur. Such flashovers have the consequence that the first anode temporarily itself on earth potential and thus another flashover between the first anode and the cathode tip. Such flashovers lead to rapid destruction of the uppermost part of the cathode tip, so that the electron field emission stops at this part. The lifespan the cathode tip is for this reason in conventional field emission electron guns short and requires frequent replacement of the cathode tip.

Andererseits ist es bekanntlich erforderlich, in der Elektronenkanone ein Ultrahochvakuum aufrechtzuerhalten. Beim Auswechseln der Kathodenspitze wird dieses Vakuum notwendigerweise aufgehoben. Daher ist nach dem Einsetzen der neuen Kathodenspitze eine erneute Evakuierung erforderlich, die einen aufwendigen und zeitraubenden Arbeitsgang darstellt und in erster Linie für die Dauer der Betriebsunterbrechung verantwortlich ist.On the other hand, as is well known, it is necessary to maintain an ultra-high vacuum in the electron gun. When changing the cathode tip, this vacuum is necessarily released. Hence After inserting the new cathode tip, a renewed evacuation is necessary, which is time-consuming and is a time-consuming operation and primarily for the duration of the business interruption responsible for.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrische Überschläge zwischen der Kathodenspitze und der ersten Anode zu vermeiden, um die Lebensdauer der Kaihodenspitze zu erhöhen.The invention is based on the object of electrical flashovers between the cathode tip and the to avoid the first anode in order to increase the lifespan of the tip of the kaihod.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach der Lehre des Patentanspruchs 1. Danach verhindert die an das Potential der Kathodenspitze geschaltete Schirmelektrode, daß durch elektrische Überschläge von der ersten Anode aus zwischen dieser und der Kathodenspitze eine für Überschläge zwischen der Kathodenspitze und der ersten Anode ausreichende Potentialdifferenz entsteht.This problem is solved according to the teaching of claim 1. Thereafter, the to prevent Potential of the cathode tip switched shield electrode that by electrical flashovers from the first Anode off between this and the cathode tip one for flashovers between the cathode tip and the first anode sufficient potential difference arises.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 19 33 607 ist es zwar bekannt, die erste Anode einer Feldemissions-Elektronenkanone mit einer weiteren Elektrode zu umgeben, die auf ein bestimmtes Potential gelegt wird. Diese weitere Elektrode hat jedoch eine ganz andere Aufgabe. Bei der bekannten Elektronenkanone liegt nämlich die erste Anode auf einem Wechseipotential, das zur Folge hat, daß die Linsenwirkung zwischen der ersten und der zweiten Anode in weiten Grenzen schwankt. Die die erste Anode umgebende weitere Elektrode hat nun die Aufgabe, diese Schwankungen hinsichtlich der Linsenwirkung zu kompensieren. Zu diesem Zweck liegt im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen direkten Verbindung zwischen der Kathodenspitze und der weiteren Elektrode eine Spannungsquelle, die zwischen diesen beiden Elementen eine endliche Spannung erzeugt. Daher kann bei der bekannten Elektronenkanone die weitere Elektrode nicht die Funktion der erfindungsgemäßen Schirmelektrode zum Schutz der ersten Anode gegen elektrische Überschläge ausüben.From the German Offenlegungsschrift 19 33 607 it is known, the first anode of a field emission electron gun to be surrounded by another electrode that is placed on a certain potential. However, this additional electrode has a completely different task. In the known electron gun lies namely the first anode at an alternating potential, which has the consequence that the lens effect between the first and second anode fluctuates within wide limits. The other one surrounding the first anode The electrode now has the task of compensating for these fluctuations in terms of the lens effect. to For this purpose, in contrast to the direct connection according to the invention, there is a voltage source between the cathode tip and the further electrode, which creates a finite tension between these two elements. Therefore, with the known Electron gun, the further electrode does not perform the function of the shield electrode according to the invention Exercise protection of the first anode against electrical flashovers.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in F i g. 1 und 2 der Zeichnung schematisch dargestellt sind, näher erläutert.The invention is illustrated in the following description of two preferred exemplary embodiments, which are shown in FIG F i g. 1 and 2 of the drawing are shown schematically, explained in more detail.

In F i g. 1 bedeuten 1 eine nadeiförmige Kathodenspitze, 2 eine erste Anode, 3 eine zweite Anode, 4 und 5 Löcher in den Anoden 2 bzw. 3 durch die ein Elektronenstrahl hindurchtritt, 6 und U 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. Eine hohe negative Spannung von beispielsweise -3OkV wird der Kathoden-In Fig. 1 denotes 1 a needle-shaped cathode tip, 2 a first anode, 3 a second anode, 4 and 5 Holes in the anodes 2 and 3 through which an electron beam passes, 6 and U insulators, 7 and 9 electrode connections, 8 a hairpin-shaped tungsten thread and 10 a contact spring. This Elements are known and form the conventional structure of an electron gun. At 12 there is a first Designated shield electrode. A high negative voltage of e.g. -3OkV will affect the cathode

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spitze 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.tip 1 fed through the electrode terminal 7, while a further high negative voltage of about -27 kV is supplied to the first anode via the electrode connection 9 and the contact spring 10. In addition, the second anode 3 is grounded.

Da bei der obigen Elektronsnkanone die elektrische Feldstärke in der Nähe des obersten Teiles der Kathodenspitze ί aufgrund des Potentialunterschiedes zwischen der Kathodenspitze ί und der ersisn Anode 2 etwa 10⁷ bis 10⁸ V/cm beträgt, wird durch den den Faden 8 durchsetzenden elektrischen Heizstrom bewirkt, daß die Kathodenspitze 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.Since in the above electron gun the electric field strength in the vicinity of the uppermost part of the cathode tip ί due to the potential difference between the cathode tip ί and the ersisn anode 2 is about 10 ⁷ to 10 ⁸ V / cm, the electric heating current penetrating the thread 8 is caused that the cathode tip 1 emits electrons. These electrons passing through the hole 4 are focused by an electric field which exists between the first anode 2 and the second anode 3 and acts as an electronic lens, so that an electron beam with a small diameter and high intensity is obtained at the exit of the hole 5.

Da die Kathodenspitze 1 von der ersten Anode 2 umgeben ist, tritt zwischen der Kathodenspitze i 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.Since the cathode tip 1 is connected to the first anode 2 is surrounded, occurs between the cathode tip i and parts lying at ground potential, such as the (not shown) piston of the electron gun, almost never a discharge, even if the high described above negative voltage is at the cathode tip 1.

Es wird daher vermutet, daß bei herkömmlichen Elektronenkanonen eine Entladung zwischen der ersten Anode 2 und auf Erdpotential liegenden Teilen stattfindet.It is therefore believed that in conventional electron guns, a discharge between the first Anode 2 and parts lying at ground potential takes place.

Tritt eine solche Entladung auf, so nimmt die erste Anode 2 sofort Eidpotential an, und der Potr ntialunterschied zwischen der Kathodenspitze 1 und der ersten Anode 2 wird sehr hoch, so daß die von der Kathodenspitze 1 emittierte Elektronenmenge rasch und außerordentlich stark zunimmt.If such a discharge occurs, the first anode 2 immediately assumes potential and the potential difference between the cathode tip 1 and the first anode 2 is very high, so that the Cathode tip 1, the amount of electrons emitted increases rapidly and extremely rapidly.

Im allgemeinen wird der oberste Teil der Kathodenspitze 1 sehr scharf gemacht, damit durch ein elektrisches Feld Elektronen von dort emittiert werden können. Beispielsweise wird als Kathodenspitze ein Wolframdraht mit einem Durchmesser von etwa 0,1 bis 0,2 mm verwendet, dessen oberster Teil nadeiförmig mit einem Krümmungsradius von bis hinunter zu 500 Ä ausgebildet ist. 'Infolge des rapiden Anwachsens von Elektronen bei Auftreten der Entladung wird daher der oberste Teil der Kathodenspitze 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 Kathodenspitze 1 auf einen derart geringen Wert abfällt, der zur Emission von Elektronen nicht mehr ausreicht.Generally the uppermost part becomes the cathode tip 1 made very sharp so that electrons are emitted from there by an electric field be able. For example, a tungsten wire with a diameter of about 0.1 to 0.2 mm is used, the uppermost part of which is needle-shaped with a radius of curvature of down to 500 Å is trained. Therefore, due to the rapid growth of electrons when the discharge occurs, the uppermost part of the cathode tip 1 is extremely heated and thereby destroyed, so that the electron emission from this point ceases because the electric field strength in the vicinity of the uppermost part of the Cathode tip 1 drops to such a low value that it is no longer necessary for the emission of electrons sufficient.

Aus den obigen Gründen ist erklärlich, daß ein positiver Potentialunterschied zwischen der Kathodenspitze und der ersten Anode nicht übermäßig wird, wenn die besagte Entladung zwischen der ersten Anode und auf Erdpotential liegenden Teilen verhindert wird; dadurch kann dann eine Zerstörung des obersten Teiles der Spitze vermieden werden.For the above reasons, it can be explained that a positive potential difference between the cathode tip and the first anode does not become excessive, when said discharge is prevented between the first anode and parts at ground potential; in this way, destruction of the uppermost part of the tip can then be avoided.

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektronenkanone gemäß F i g. 1 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 Spannungzugeführ! wie der Kathodenspitze 1.In one embodiment of the electron gun according to the invention according to FIG. 1 therefore surrounds the first Shield electrode 12, the first anode 2. The first shield electrode 12 is connected to the electrode via a 7 connected contact spring 13 the same voltage supply! like the cathode tip 1.

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 6' des Isolators 6 umgeben, um eine Entladung von diesem zu verhindern.In addition, between the first anode 2 and the first shield electrode 12 is an insulator 15 with a Breakdown voltage of at least 5 kV arranged; if necessary, a second shield electrode 14 surround the end portion 6 'of the insulator 6 to prevent discharge therefrom.

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 Bodenteil 16 der Schirmelektrode 12 eine gekrümmte glatte Oberfläche aufweist, die hochpoliert ist, so daß keine großen Schwankungen in der elektrischen Feldverteilung zwischen den beiden Anoden auftreten, findet fast keine Entladung dazwischen statt.The first shield electrode 12 also has a bottom part 16 which the first anode 2 against the second Anode 3 and shields against said earth potential parts; However, since this bottom part 16 of the shield electrode 12 has a curved smooth surface which is highly polished so that no large There are almost no fluctuations in the electrical field distribution between the two anodes Discharge takes place in between.

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.On the other hand, between the contact parts 17 and 18 or the contact parts 19 and 20 between the Insulator 11 and the two anodes easily discharge.

Daher kann die erste Elektrode so modifiziert sein, daß der Bodenteil 16 nach F i g. 1 praktisch weggelassen und statt dessen ein Vorsprung 12' gemäß Fig. 2 vorgesehen ist.Therefore, the first electrode can be modified so that the bottom part 16 according to FIG. 1 practically omitted and instead a projection 12 'according to FIG. 2 is provided.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Field emission electron gun with a heated needle-shaped cathode tip opposite the parts of the Electron gun is at a high negative potential, a first anode that also compared to the parts lying on earth potential is at a high negative potential, but iü relative to the cathode tip is biased so that between the cathode tip and the first There is an electric field for electron emission on the anode, as well as with one at ground potential second anode, which is opposite to the first anode a rs Generating acceleration field for electrons, characterized in that a shield electrode (12) the first anode (2) surrounds at points the parts of the electron gun that are at ground potential opposite, and that the shield electrode by direct electrical connection with the cathode tip is at the same potential as this.

2. Apparatus according to claim 1 with a cup-like shaped first anode, which in its Bottom wall has a hole for the electrons to pass through, and one at a distance from the bottom wall arranged second anode, characterized in that the shield electrode (12) from an annular part surrounding the outer wall of the first anode (2) and a bottom part (16), which is arranged between the bottom wall of the first anode and the second anode (3) is.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the bottom part (16) of the shield electrode (12) a curved, highly polished surface on its side facing the second anode (3) having.

4. The device according to claim 1 with a cup-like shaped first anode, which in its Bottom wall has a hole for the electrons to pass through, and one at a distance from the bottom wall Second anode held by insulators, characterized in that the shield electrode (12) 4s has a ring-shaped part surrounding the outside of the first anode (2) that is attached to the annular part of the first anode (2) is connected to an insulator (H) through which the second anode (3) is supported against the shield electrode (12), so and that the shield electrode with arranged inside the insulator (11) on the second anode (3) pointing projections (12 ') is provided.

5. Device according to one of claims 1 to 4, wherein the cathode and anode connections through a cup-shaped insulator part are guided, characterized in that between the insulator part (6) and a further shield electrode (14) is arranged on the first anode (2).

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