DE2219393B2 - Einrichtung zum Schutz der Kathode einer Feldemissions-Elektronenkanone - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schutz der Kathode einer Feldemissions-E'ektronenkanone mit einer beheizten Kathode, einer Anode, einer Hochspannungsquelle, die zwischen der Kathode und der Anode eine der Beschleunigung der Elektronen dienende Potentialdifferenz erzeugt, einer Elektrode, die zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist und einer Spannungsquelle, die zwischen der Kathode und der Elektrode eine Potentialdifferenz erzeugt.

Bei der Feldemissions-Elektronenkanone besteht die Gefahr, daß die Kathode äußerst leicht beschädigt werden kann, und zwar auf Grund eines Zusammenbruches der elektrischen Spannung, der von einer Verschlechterung des Vakuums in der Elektronenstrahlkammer herrühren kann und dazu führt, daß in der Nähe der Kathodenspitze ein außergewöhnlich starkes elektrisches Feld erzeugt wird. Hieraus entsteht eine Vakuumlichtbogenentladung, wodurch die Kathodenspitze ihre Form ändert und sie nicht mehr verwendet werden kann.

Aus der Veröffentlichung »The Review of Scientific Instruments«, Band 39, Nr. 4, S. 576 bis 583, ist insbesondere aus der S. 580 eine Feldemissions-Elektronenkanone bekannt, die eine Hochspannungsquelle aufweist, welche zwischen der Kathode und der Anode zur Beschleunigung der Elektronen eine Potentialdifferenz erzeugt. Außerdem befindet sich zwischen der Kathode und der Anode eine Elektrode, wobei zwischen der Kathode und dieser Elektrode mittels einer zweiten Spannungsquelle eine Potentialdifferenz erzeugt wird. Diese Feldemissions-Elektronenkanone weist nun den ■eingangs geschilderten Nachteil auf, nämlich daß bei Verschlechterung des Vakuums in der Elektronenstrahl-393

kammer ein Durchschlag mit nachfolgender Lichtbogenentladung entsteht, wodurch die Spitze der Kathode zerstört wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird daher darin gesehen, eine Verformung der Kathodenspitze bei einem elektrischen Durchschlag in der Elektronenstrahlkammer zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird bei der Feldemissions-Elektronenkanone der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Hochspannungsquelle und der Elektrode bzw. einer zwischen der Elektrode und der Anode angeordneten weiteren Elektrode eine Schutzeinrichtung angeordnet ist, die bei einem Zusammenbruch der elektrischen Spannung zwischen der Elektrode bzw. der weiteren Elektrode und der Anode verhindert, daß die Potentialdifferenz zwischen der Kathode und der Elektrode über einen Wert ansteigt, der die Beschädigung der Kathodenspitze herbeigeführt.

Aus der deutschen Auslegeschrift 11 51 884 ist es bei einem Elektronenstrahlgerät, das bei Elektronenstrahlschmelz- und -aufdampfanlagen Verwendung findet, bekannt, ein.2 Schutzeinrichtung vorzusehen, die im wesentlichen aus einem Kathodenwiderstand und einer Elektronenröhre bestehl, über die der gesamte Verbraucherstrom fließt. Auf das Steuergitter der Elektronenröhre wird ein Spannungsimpuls gegeben, wenn die am Widerstand abgegriffene Spannung einen vorgegebenen Vergleichswert übersteigt, wodurch dann der Verbraucherstrom unterbrochen wird. Bei der bekannten Vorrichtung ist es notwendig, entweder die Anode und das zu schmelzende Material vom Gehäuse des Elektronenstrahlgerätes zu isolieren oder das Gehäuse von Erde zu isolieren. Weiterhin können, da die Elektronenröhre im Verbraucherkreis liegt, nur verhältnismäßig geringe Spannungen zur Anwendung kommen. Bei der bekannten Vorrichtung wird, um ein Auftreten von Entladungen im Elektronenstrahlgerät zu unterbinde.!, der Verbraucherstrom unterbrochen. Demgegenüber wird bei der Erfindung ein Durchschlag zugelassen, der jedoch in der Elektronenstrahlkammer lokalisiert ist.

Bei einei bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Impedanz der Schutzeinrichtung verkleinert, wenn die elektrische Spannung zwischen der Kathode und der Elektrode in die Nähe der Zündspannung kommt.

In der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen soll die Erfindung an Hand der Zeichnung noch näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. la und Ib jeweils schematisch eine bekannte Feldemissions-Elektronenkanone,

F i g. 2 ein Schaltbild mit einer Ausführungslorrr einer Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung und

F i g. 3 bis 9 weitere bevorzugte Ausführungsformel der Schutzeinrichtung.

Wie aus Fig. la ersichtlich, enthält eine Elektronen strahlkammer 1 eine Heizwendel 2, die von eine Wechselstromquelle 3 über einen Isolationstransforma tor 4 erhitzt wird, eine an die Heizwendel ; angeschlossene Kathode 5, eine erste Elektrode ( mittels der in der Nähe der Kathodenspitze ein starke elektrisches Feld (etwa 10¹ V/cm) erzeugt wird und ein an Erdpotential gelegte Anode 7. Eine Spannungsquell 8 liefert eine Spannung, so daß zwischen der Kathode und der ersten Elektrode 6 eine konstante oder ein pulsmodulierte Potentialdifferenz erzeugt wird, um au der Kathodenspitze Elektronen zu ziehen. Eine weiter

Spannungsquelle 9 hält die Kathode 5 auf einem hohen negativen Gleichspannungspotential, um die ausgesand- ^en Elektronen zu beschleunigen.

Bei dieser Art von Elektronenkanone ergibt sich häufig ein Zusammenbruch der elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrode 6 und der Anode 7, und zwar auf Grund der hohen Spannungsdifferenz, die hier im Vergleich zu derjenigen zwischen der ersten Elektrode 6 und der Kathode 5 existiert.

Aus Fig. Ib sind die Impedanzen Zio und Zn der Spannungsquellen 8 bzw. 9 und die Impedanz Zn zwischen den beiden Spannungsquellen 8,') ersichtlich.

Wenn sich zwischen der ersten Elektrode 6 und der Anode 7 ein elektrischer Durchschlag ergibt, wird das Potential der ersten Elektrode 6 zu Null (Erde) und der Entladestrom fließt durch die Impedanzen Zio, Zi2 und Zu.

Wenn daher die Impedanz Zio im Vergleich zu der Gesamtsumme der Impedanzen Zn und Zn nicht ausreichend klein ist, wird die Potentialdifferenz zwischen der Kathode 5 und der ersten Elektrode 6 groß, was zu einer Beschädigung der Kathodenspitze führt.

Aus F i g. 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, bei der die Beschädigung der Kathodenspitze dadurch vermieden ist, daß eine Schutzschaltung 13 vorgesehen ist.

Wie F i g. 2 zu entnehmen, ist die Schutzschaltung 13 parallel zur Spannungsquelle 8 geschaltet und weist ein Thyratron 14, eine veränderbare Gleichspannungsquel-Ie 15 zum Einstellen der Zündspannung des Thyratrons 14 sowie einen Kopplungskondensator 16 auf.

Wenn die vom elektrischen Durchschlag herrührende Spitzenspannung an die Schutzschaltung 13 über die Spannungsquelle 8 her gelangt, wird die Impedanz der Schaltung 13 verkleinert, wodurch die Kathodenspitze vor einer Beschädigung durch diese Spitzenspannung geschützt wird.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 ist zwischen der ersten Elektrode 6 und der Anode 7 eine weitere Elektrode 18 vorgesehen, die im folgenden als »zweite Elektrode« bezeichnet wird. Das an die zweite Elektrode 18 angelegte Potential ist durch die Spannungsquelle 9 und durch eine Gleichspannungsquelle 19 bestimmt. In diesem Fall entspricht die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 19 fast derjenigen der Spannungsquelle 8, falls die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 8 eine Gleichspannung ist; falls dagegen die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 8 eine Wechselspannung ist, entspricht die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 19 fast der Impulshöhe der Ausgangsspannung der Spannungsquelle 8. Darüber hinaus ist jedoch die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 19 sehr viel kleiner als die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 9. Demgemäß ergibt sich fast immer ein elektrische:· Durchschlag zwischen der weiteren Elektrode 18 und der Anode 7, bevor sich der elektrische Durchschlag zwischen der weiteren Elektrode 18 und der ersten Elektrode 6 ergibt.

In dem Augenblick, in dem zwischen der weiteren Elektrode 18 und der Anode 7 ein Durchschlag erfolgt, ändert sich das Potential der weiteren Elektrode 18 von negativer Hochspannung zu Erdpotential. Demgemäß wächst die Potentialdifferenz zwischen der weiteren Elektrode 18 und der ersten Elektrode 6 schlagartig an, und zwar auf Grund des plötzlich durch die Impedanz der Gleichspannungsquelle 19 fließenden Entladestroms. Dadurch wird die Schutzschaltung 13 betätigt, die einen Silizium-Symmetrie Schalter 20 aufweist, wodurch die Impedanz zwischen den beiden Elektroden verkleinert wird und dadurch das neuerliche Entstehen eines elektrischen Durchschlags verhindert wird, da die Spannungsschwankung zwischen den beiden Elektroder und der Kathode 5 etwa dieselbe ist.

Ein zusätzlicher Vorteil bei dieser Ausführungsform liegt darin, daß der Bereich der Schutzschaltungszündspannung vergrößert ist gegenüber der Ausführungsform nach F i g. 2. Dies rührt daher, daß es bei der Ausführungsform nach Fig.2 erforderlich ist, die Zündspannung gemäß der Ausgangsspannung der Spannungsquelle 8 einzustellen, die jedesmal, wenn die Kathode 5 ausgewechselt wird, verändert werden muß. Bei der Ausführungsform gemäß Fig.3 ist die Bezugsspannungsquelle jedoch die Spannungsquelle 19, die selten verändert wird.

Bei dieser Ausführungsform ist es daher fast nie erforderlich, die Zündspannung der Schutzschaltung 13 einzustellen. Aus diesem Grund ist es möglich, an Stelle des komplizierteren Thyratrons 14 und der ihm zugeordneten Schaltung eine einfache Schaltvorrichtung mit einem Schalter 20 der erwähnten Art zu verwenden.

Die aus Fig.4 ersichtliche Ausführungsform stimmt im weseniüchen mit derjenigen gemäß Fig.3 überein. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch eine Isolationssäule 21 mittels eines Hochspannungskabels 26 an den Schaltkreis 25 der Elektronenstrahlkammer 1 angeschlossen. Die Isolationssäule 21 enthält den Isolationstransformator 4, die Hochspannungsquelle 9 und einen Filterkreis, der aus einem Widerstand 23 und aus Kondensatoren 24 besteht. Weiterhin wird an Stelle des Potentials der Kathode 5 das Potential an der Verbindungsstelle der Abgleichwiderstände 27, 28 verwendet, und die Schutzschaltung 13, die in diesem Fall eine Stoßspannungsschutzröhre 29 beinhaltet, ist zwischen diese Verbindungsstelle und die weitere Elektrode 18 geschaltet.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.4 ergibt sich, theoretisch gesehen, keine Vakuum-Lichtbogenentladung zwischen der Kathode 5 und der ersten Elektrode 6. wenn sich der elektrische Durchschlag zwischen der weiteren Elektrode 18 und der Anode 7 ergibt. Wenn in der Praxis jedoch die Restimpedanz in der Schutzschaltung groß ist, wird auch die Potentialdifferenz zwischen der Elektrode 6 und der weiteren Elektrode 18 auf Grund des fließenden Entladestromes entsprechend groß sein.

Die Spitzenspannung Ed der Potentialdifferenz isl durch folgende Gleichung bestimmt:

Hierbei bedeutet

Zm die Impedanz zwischen der weiteren Elektro de 18 und der Kathode 5.

Z31 die Impedanz der Differenz zwischen de; Impedanz Zw und der Gesamtimpedanz, di< im Entladeweg des auf Grund des elektrische! Durchschlags entstehenden Entladestrom existiert.
Ca die Streukapazität zwischen der Elektrode I

und der Kathode 5.
Cb die Streukapazität zwischen der Elektrode I

und der weiteren Elektrode 18.
Die Ausführungsformen gemäß F i g. 3 und 4 sind si ausgebildet, daß die Impedanz Zio während de

Entladung verringert wird, so daß die Spitzenspannung Ed so klein wie möglich gehalten wird, d. h. daß die Potentialdifferenz zwischen der Elektrode 6 und der weiteren Elektrode 18 verringert wird.

Die aus F i g. 5 ersichtliche Ausführungsform ist so ausgebildet, daß die Spitzenspannung Eo der Potentialdifferenz weiter reduziert wird, und zwar durch Vergrößern der Impedanz Zi\ während der Entladung zusätzlich zur Verringerung der Impedanz Zv>.

Dies wird dadurch ermöglicht, daß eine Schaltung 32 eingegliedert wird, die aus einem Transformator 33, Abgleichwiderständen 34, 35, 36 und 37 und aus einem Hochleistungswiderstand 38 besteht, der die hohe Ausgangsspannung der Spannungsquelle 9 aushalten kann. Die beiden Enden des Hochleistungswiderstandes 38 sind einerseits an die Verbindungsstelle der Abgleichwiderstände 36, 37 und andererseits an die Verbindungsstelle der Abgleichwiderstände 34, 35 angeschlossen. Wenn keine Entladung vorliegt, funktioniert diese Ausführungsform auf die gleiche Weise wie jo die Ausführungsform gemäß Fig.4. Wenn zwischen der zweiten Elektrode 18 und der Anode 7 ein elektrischer Durchschlag auftritt, ist der durch den Hochleistungswiderstand 38 fließende Entladungsstrom in seiner Größe außerordentlich stark reduziert, und die Potentialdifferenz zwischen der Kathode 5 und der ersten Elektrode 6 ist nicht so groß.

Aus F i g. 6 ist eine praktische Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, deren Funktion und Arbeitsweise im wesentlichen mit derjenigen der Ausführungsform gemäß Fig.4 und 5 übereinstimmt. Bei dieser Ausführungsform sind der Impulsgenerator 39, der Isolationstransformator 41. die Gleichspannungsquelle 19 usw. insgesamt in der Isolationssäule 21 angeordnet. Außerdem wird an Stelle des Potentials am Mittelabgriff der Eingangswindung des Transformators 33 das Potential am Mittelabgriff der Ausgangswindung des Transformators 33 verwendet Der Widerstand 44 weist dieselbe Funktion wie der Widerstand 43 gemäß F i g. 5 auf. Fig.7 zeigt eine Ausführungsform für einen Gleichspannungsfeld-Emissionsvorgang entsprechend der Ausführungsform gemäß F ig. 6. Bei dieser Ausführungsform entsprechen sich die Funktionen der Widerstände 38.44 und 45.

Die aus Fig.8 ersichtliche Ausführungsform ist derart ausgebildet daß die Impedanz Z31 induktiv anstatt mittels Widerständen, wie bei den Ausführungsformen gemäß F i g. 4 bis 7, vergrößert wird. Zu diesem Zweck weist die Ausführungsform eine Schaltung 32 auf, die aus Spulen Lu, Li2 ... L4N und aus Kondensatoren Ci, Ci... Cn besteht. Die Spulen Li 1 ... Lin, L21...L2N und L31...L3N, die jeweils Teile der genannten Spuler sind, müssen dieselbe Induktivität aufweisen und einsinnig gewickelt sein, wogegen die Spulen L41 ... L4N eine hiervon verschiedene oder dieselbe Induktivität aufweisen können und in der entgegengesetzten oder auch in der gleichen Richtung wie die obengenannten Spulen gewickelt sein können.

Aus F i g. 9 ist das physikalische Äquivalent der aus Fig.8 ersichtlichen Schaltung 32 ersichtlich, wobei Leitungsdrähte 46, 47, 48 und 49, die vom Hochspannungskabel 26 herkommen, auf einen Kern 50 aufgewickelt sind. Hierdurch ist es möglich, die Kondensatoren Ci, Ci usw. zu entfernen, solange die Streukapazität zwischen den Leitungsdrähten adäquat ist.

Demgemäß fließt bei der Ausführungsform gemäß F i g. 8 der Entladestrom durch die Schaltung 32, die eine hohe Induktivität hat; demgegenüber ist unter normalen Betriebsbedingungen die Induktivität der Schaltung 32 durch die Spulen beseitigt, weswegen sie Null ist. So werden beispielsweise die vom Impulsgenerator 39 erzeugten Impulssignale ohne Verluste über die Übertragungslinie, die aus den Spulen L21... L2N, L31... Un und aus den Kondensatoren O ... Cn besteht, zu der Eingangswindung des Transformators 42 und zum Kondensator Cn+i übertragen. Darüber hinaus kompensiert der Widerstand 51, der parallel zur Ausgangswindung des Transformators 42 geschaltet ist, den Durchgang der Impulsspannung, die zwischen der Kathode 5 und der ersten Elektrode 6 angelegt ist. Der Heizstrom für die Heizwendel 2 ist durch die Gleichrichterschaltung 52 gleichgerichtet Selbst wenn zum Erhitzen der Wendel 2 Wechselstrom verwendet wird, ergibt sich praktisch kein Verlust in der Schaltung 32, da die Spulen Ln ... Lin und L51... Un die gleiche Induktivität haben und einsinnig, d. h. in der gleicher Richtung gewickelt sind.

Es ist selbstverständlich möglich, bei der Ausfüh rungsform gemäß F i g. 2 ebenfalls Spulen des Schalt kreises 32 zwischen die Hochspannungsquellen 9 unc die Verbindungsstelle des Emitters mit der Spannungs quelle 8 zu schalten.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   22

   !.Einrichtung zum Schutz der Kathode einer Feldemissions-Elektronenkanone mit einer beheizten Kathode, einer Anode, einer Hochspannungsquelle, die zwischen der Kathode und der Anode eine der Beschleunigung der Elektronen dienende Potentialdifferenz erzeugt, dner Elektrode, die zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist, und einer Spannungsquelle, die zwischen der Kathode und der Elektrode eine Potentialdifferenz erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Hochspannungsquelle (9) und der Elektrode (6) bzw. einer zwischen der Elektrode (6) und der Anode (7) angeordneten weiteren Elektrode (18) eine Schutzeinrichtung (13) angeordnet ist, ,1ie bei einem Zusammenbruch der elektrischen Spannung zwischen der Elektrode (6) bzw. der weiteren Elektrode (18) und der Anode (7) verhindert, daß die Potentialdifferenz zwischen der Kathode (5) und der Elektrode (6) über einen Wert ansteigt, der die Beschädigung der Kathodenspitze herbeiführt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochleistungswiderstand (38) oder eine Induktivität (L) zwischen die Hochspannungsquelle (9) und die Kathode (5) geschaltet ist, wobei der Hochleistungswiderstand oder die Induktivität den Entladestrom während des Zusammenbruches der elektrischen Spannung zwischen der Anode (7) und der weiteren Elektrode (18) verringert.