<Desc/Clms Page number 1>
Ladungsträgerstrahlgerät mit intermittierend gesteuertem Strahl
Bei mit intermittierend gesteuertem Strahl arbeitenden Ladungsträgerstrahlgeräten ist es üblich, als
Beschleunigungsspannung eine konstante Gleichspannung zu verwenden und den intermittierenden Strahl durch periodisches Auftasten des normalerweise gesperrten Strahlerzeugungssystems zu erzeugen. Es be- steht jedoch der Wunsch, nicht mit konstanter Gleichspannung, sondern mit periodisch veränderlicher oder iintermittierenderhochspannung zu arbeiten. Hiedurch lässt sich der Hochspannungserzeuger vereinfachen, und es lässt sich, bedingt durch den Wegfall der Dauerbeanspruchung, die Spannungsfestigkeit der Hoch- spannungsisolation im Gerät erhöhen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladungsträgerstrahlgerät zu schaffen, bei welchem der Strahlstrom rechteckimpulsförmig gesteuert ist und bei welchem die Beschleunigungsspan- nung einen periodischen Verlauf hat.
Eine einfache Lösung dieser Aufgabe kann dadurch erreicht werden, dass der Steuerelektrode des
Strahlerzeugungssystems eine solche Vorspannung gegen die Kathode gegeben wird, dass erst beim Über- schreiten eines gewünschten Schwellenwertes der sich periodisch ändernden Hochspannung das Strahler- zeugungssystem entsperrt und ein Ladungsträgerstrahl erzeugt wird. Mit Unterschreiten des Schwellen- wertes wird das Strahlerzeugungssystem wieder gesperrt, so dass also kein Ladungsträgerstrahl erzeugt wird.
Bei einem Ladungsträgerstrahlgerät besteht jedoch die Forderung, dass sich während der Erzeugung eines Ladungsträgerstrahles die Beschleunigungsspannung am Strahlerzeugungssystem möglichst wenig än- dert. Ändert sich nämlich diese Spannung, so wird der während der Spannungsänderung erzeugte Strahl durch die fokussierenden Elemente des Gerätes nicht richtig fokussiert. Aus diesem Grunde ist es im all- gemeinen nicht möglich, in der geschilderten einfachen Weise Ladungsträgerstrahlimpulse zu erzeugen, welche allen Forderungen genügen.
Das neue Ladungsträgerstrahlgerät mit intermittierend gesteuertem Strahl vermeidet den geschilder- ten Nachteil und erreicht eine Reihe von wesentlichen, im folgenden näher aufgeführten Vorteilen. Bei diesem Gerät ist in bekannter Weise das Strahlerzeugungssystem durch eine gegenüber der Kathode nega- tive Vorspannung einer Steuerelektrode gesperrt und wird durch eine ebenfalls dieser Steuerelektrode zu- geführte pulsierende Steuerspannung periodisch entsperrt. Gemäss der Erfindung hat die zwischen Kathode und Anode des Strahlerzeugungssystems liegende Hochspannung einen periodischen Verlauf und die der
Steuerelektrode zugeführte pulsierende.
Steuerspannung hat einen solchen Verlauf und ist in der Art mit der Hochspannung synchronisiert, dass das Strahlerzeugungssystem nur während des Teilabschnittes der
Hochspannungsperiode entsperrt wird über den sich die Hochspannung nur wenig von ihrem Maximalwert unterscheidet. Die Sperrspannung des Strahlerzeugungssystemes ist dabei so hoch, dass auch bei der höch- sten auftretenden Betriebsspannung kein Strom fliesst, sofern nicht das Strahlerzeugungssystem durch einen der Steuerelektrode zugeführten Steuerimpuls aufgerastet wird.
Die Synchronisierung zwischen der Hochspannung und der Steuerspannung ist so gewählt, dass das
Strahlerzeugungssystem jeweils zum günstigsten Zeitpunkt des Verlaufs der Hochspannungsperiode entsperrt wird. Dieser Zeitpunkt ist dann erreicht, wenn sich die Hochspannung über den folgenden Teilabschnitt ihres Verlaufs nur wenig von ihrem Maximalwert unterscheidet. Es wird also während der Dauer der Auftastung des Strahlerzeugungssystemes ein Ladungsträgerstrahl von annähernd konstanter Beschleu-
<Desc/Clms Page number 2>
nigungsspannung erzeugt, der von den abbildenden Elementen gut fokussiert werden kann.
Hat die Hochspannung sinusförmigen Verlauf oder die Form von aufeinanderfolgenden Rechteckimpulsen und ist die Synchronisierung zwischen der Hochspannung und der Steuerspannung so gewählt, dass der das Strahlerzeugungssystem auftastende Steuerimpuls jeweils zum gleichen günstigen Zeitpunkt des Verlaufs der Hochspannungsperiode einsetzt, so werden Strahlstromimpulse erzeugt, deren Dauer allein durch die Steuerimpulse bestimmt ist. Die Impulsfolgefrequenz ist dagegen durch die Periodizität der Hochspannung gegeben.
Hat die Hochspannung die Form aufeinanderfolgender Rechteckimpulse, so lässt sich eine hohe Flankensteilheit der Hochspannungsimpulse nur sehr schwer erreichen, da die grosse Spannungsänderung der un- vermeidlichen Lastkapazität in sehr kurzer Zeit nur durch sehr hohe Schaltströmstösse zu erreichen wäre.
Die Spannungsänderungen an der Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystemes, welche zum Ein-und Ausschalten des Strahlstromimpulses erforderlich sind, sind wesentlich kleiner. Aus diesem Grunde lässt sich eine flankensteile Impulssteuerung des Strahlstromes durch synchron zu den Hochspannungsimpulsen getastete Impulssteuerung der Steuerelektrode mit verhältnismässig geringem Aufwand erreichen. Jeder der Steuerimpulse schneidet sozusagen aus dem entsprechenden Hochspannungsimpuls geringer Flankensteilheit einen Strahlimpuls kürzerer Dauer und grösserer Flankensteilheit heraus.
Das neue Ladungsträgerstrahlgerät findet besonders-vorteilhafte Verwendung in Verbindung mit einem zur Übertragung der Hochspannungsimpulse dienenden Hochspannungs-Impulstransformator. Bei einem solchen ergibt sich nämlich die Impulsform aus einem Kompromiss zwischen den Übertrager eigenschaften für hohe und tiefe Frequenzen, die die Flankensteilheit bzw. den Dachabfall des Impulses bestimmen.
Bei der beschränkten erzielbaren Bandbreite eines solchen Transformators lässt sich ein möglichst kleiner Dachabfall des Impulses nur durch Verschieben des Frequenzbereiches nach tieTeren Frequenzen und damit auf Kosten der Steilheit der Impulsflanken erreichen. Da nun bei dem Ladungsträgerstrahlgerät nach der Erfindung die Flankensteilheit der Strahlimpulse allein durch die Flankensteilheit der Steuerimpulse bestimmt wird, so kann der Impulstransformator für gute Übertragung tiefer Frequenzen ausgelegt werden, da seine geringe Flankensteilheit nicht zur Geltung kommt.
Das neue Ladungsträgerstrahlgerät enthält zweckmässig einen mit der Steuerelektrode verbundenen, auf dem Potential der Hochspannung liegenden fremdgesteuerten Steuerimpulsgenerator sowie ein zwischen dem Hochspannungsgenerator und dem Eingang des Steuerimpulsgenerators angeordnetes Verzögerungsglied. Zwischen die Kathode und die Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystemes ist dabei in bekannter Weise ein Gleichspannungserzeuger geschaltet, welcher die Vorspannung der Steuerelektrode erzeugt. Durch diese Vorspannung wird der Ladungsträgerstrahl so lange gesperrt, bis durch die vom Steuerimpulsgenerator gelieferten Steuerimpulse entgegengesetzter Polarität die Spannung zwischen Kathode und Steuerelektrode für die Impulsdauer soweit herabgesetzt wird, dass ein Strahlstrom fliesst.
Der Steuerimpulsgenerator wird über das Verzögerungsglied synchron mit dem periodischen Hochspannungsverlauf getastet, so dass der Steuerimpuls jeweils zu einem gewünschten Zeitpunkt des Hochspannungsverlaufs einsetzt.
Bei der geschilderten Anordnung liegen sowohl der Vorspannungserzeuger als auch der Heizstromerzeuger und der Steuerimpulsgenerator auf Hochspannung. Dies bringt isolationsmässig einige Schwierigkeiten mit sich, welche durch die Verwendung eines Hochspannungstransformators vermieden werden können.
Es ist deshalb auch vorteilhaft eine Anordnung zu wählen, bei welcher ein primärseitig an den Hoch-
EMI2.1
potential liegender Steuerimpulsgenerator vorgesehen ist. Die beiden hochspannungsseitigen Enden der Sekundärwicklungen stehen dabei mit der Kathode bzw. der Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystems in Verbindung. Durch die bifilare Ausführung der Sekundärwicklung des Hochspannungs-Transformators wird erreicht, dass sich die Induktivitäten der Sekundärwicklungen für die von Erd- auf Hochspannungs- potential zu übertragenden Impulse praktisch aufheben, so dass auch sehr flankensteile Impulse ohne wesentliche Verzerrung übertragen werden können.
Der Effekt der restlichen Induktivität wird vorteilhaft dadurch herabgesetzt, dass die bifilare Wicklung durch einen zwischen ihren hochspannungsseitigen Enden angeordneten geeigneten Widerstand hochfrequenzmässig wie eine Verzögerungsleitung abgeschlossen wird.
Es ist auch bei dieser Anordnung vorteilhaft, einen fremdgesteuerten Steuerimpulsgenerator zu verwenden und zwischen den Hochspannungsgenerator und den Eingang des Steuerimpulsgenerators ein Verzögerungsglied zu schalten.
<Desc/Clms Page number 3>
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 - 5 näher erläutert. Dabei zeigen Fig. l ein gemäss der Erfindung aufgebautes Ladungsträgerstrahlgerät ; Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Ladungsträgcrstrahlgerätes nach der Erfindung ; Fig. 3 die Form des auf die
EMI3.1
ses.
In Fig. l ist mit 1 ein Elektronenstrahlgerät bezeichnet, dessen Strahlerzeugungssystem aus der Katho- de 2, der Steuerelektrode 3 und der geerdeten Anode 4 besteht. Mit 5 ist ein Gerät zur Erzeugung des
Heizstromes bezeichnet, welches über einen primärseitig auf Erdpotential liegenden Isoliertransformator 6 gespeist wird.
Das Gerät 7 dient zur Erzeugung der Hochspannung als Folge von Rechteckimpulsen. Diese Hoch- spannungsimpulse werden der Kathode 2 und einem zur Erzeugung der Vorspannung der Steuerelektrode 3 dienenden Gerät 8 zugeleitet. Dieses Gerät liegt auf Hochspannungspotential und wird über einen primär- seitig auf Erdpotential liegenden Isoliertransformator 9 gespeist. Mit 10 ist ein Gerät zur Erzeugung der, der Steuerelektrode 3 zugeführten Steuerimpulse bezeichnet. Dieses Gerät wird über einen, primärseitig auf Erdpotential liegenden Isoliertransformator 11 gespeist.
Zwischen dem Hochspannungsgenerator 7 und dem Eingang des Steuerimpulsgenerators 10 ist ein Ver- zögerungsglied 12 angeordnet. Die vom Hochspannungsgenerator 7 abgeleiteten Tastimpulse werden in diesem Verzögerungsglied verzögert und über einen Hochspannungskondensator 13 dem Steuerimpulsge- nerator 10 zugeftihrt. Dieser Generator wird durch die Tastimpulse so gesteuert, dass ein Steuerimpuls erst dann einsetzt, wenn der entsprechende Hochspannungsimpuls schon einen Maximalwert erreicht hat. Der
Steuerimpuls ist kürzer als der zugeordnete Hochspannungsimpuls, so dass also die hintere Flanke des
Hochspannungsimpulses die Form des entstehenden Strahlstromimpulses nicht beeinflusst.
Die Wirkungsweise der in Fig. l dargestellten Anordnung ist folgende. Solange vom Hochspannungimpulsgenerator 7 kein Hochspannungsimpuls geliefert wird, liegt die Kathode 2 gegenüber der Steuerelektrode 3 auf einer Spannung von beispielsweise + 120 V. Da somit die Steuerelektrode gegen die Kathode 2 negativ vorgespannt ist, ist das Strahlerzeugungssystem gesperrt. Wird nun ein Hochspannungsimpuls ausgelöst, so liegt die Kathode auf einer Spannung von-99, 88 kV, während die Steuerelektrode auf einer Spannung von-100 kV liegt. An der Sperrung des Strahlerzeugungssystemes hat sich dadurch nichts geändert.
Wird nunmehr über das Verzögerungsglied 12 der Steuerimpulsgenerator 10 aufgetastet, so liefert dieser einen Steuerimpuls, welcher die Vorspannung der Steuerelektrode 3 gegenüber der Kathode 2 so weit abträgt, dass während der Dauer dieses Steuerimpulses das Strahlerzeugungssystem entsperrt wird. Es wird also ein Strahlstromimpuls erzeugt, dessen Flankensteilheit lediglich von der Flankensteilheit des Steuerimpulses bestimmt ist.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung liegen sämtliche oberhalb der gestrichelten Linie 14 angeordneten Schaltelemente auf Hochspannung.
Bei der inFig. 2 dargestellten Anordnung ist zur Übertragung der Hochspannungsimpulse und der Steuerimpulse auf das Strahlerzeugungssystem ein Hochspannungstransformator 15 mit bifilar ausgeführter Sekundärwicklung vorgesehen. Die Primärwicklung 16 dieses Transformators ist mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 17 verbunden. Auf diese Weise entsteht in beiden Leitern der Sekundärwicklungen 18 und 19 der gleiche Hochspannungsverlauf. Das eine Ende der Sekundärwicklung 19 ist geerdet und zwischen das entsprechende Ende des andern Leiters 18 und Erde ist ein Gleichspannungserzeuger 20 geschaltet. Die beiden andern Enden der Sekundärwicklungen 18 und 19 sind mit der Kathode 2 bzw. der Steuerelektrode 3 verbunden.
Zwischen diesen beiden Enden erscheint die vom Gerät 20 erzeugte Gleichspannung auf dem periodisch gegen Erde veränderlichen Potential der Hochspannung. Die vom Gerät 20 gelieferte Gleichspannung ist so gewählt, dass das Strahlerzeugungssystem gesperrt ist.
Zwischen dem erdseitigen Ende der Sekundärwicklung 18 und dem erdseitigen Ende der Wicklung 19 ist weiterhin ein Steuerimpulsgenerator 21 angeordnet. Die von diesem Generator erzeugten Steuerimpulse werden über die Sekundärwicklungen 18 und 19 auf das Strahlerzeugungssystem übertragen. Die Magnetfelder der beiden bifilaren Leiter 18 und 19 kompensieren sich in kleinem Abstand völlig, d. h. also, sie wirken praktisch nicht auf den Kern ein und ihre Induktivitäten heben sich für den übertragenen Steuerimpuls praktisch auf. Dadurch wird der flankensteile Steuerimpuls nicht wesentlich verzerrt.
Dieser Steuerimpuls setzt die Vorspannung der Steuerelektrode 3 gegenüber der Kathode 2 so weit herab, dass das Strahlerzeugungssystem entsperrt wird und während der Dauer jedes Steuerimpulses ein Strahlstromimpuls grosser Flankensteilheit entsteht.
<Desc/Clms Page number 4>
Zwischen dem Hochspannungsgenerator 17 und dem Steuerimpulsgenerator 21 ist ein Verzögerungglied 22 eingeschaltet, welches ebenso wie in Fig. l das Verzögerungsglied 12 zur Synchronisierung des Steuerimpulsgenerators 21 mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 17 dient.
Der Effekt der restlichen Induktivität der beiden Sekundärwicklungen 18 und 19 wird durch den Widerstand 23 herabgesetzt, welcher die hochspannungsseitigen Enden der beiden Sekundärwicklungen hoch- frequenzmässig wie eine Verzögerungsleitung abschliesst. Die Sekundärwicklung 18 ist durch einen Widerstand 24 bedämpft, während die Sekundärwicklung 19 durch einen Widerstand 25 bedämpft ist.
Fig. 3 zeigt (nicht massstabgetreu) einen vom Hochspannungsimpulsgenerator 17 erzeugten Hochspannungsimpuls 26. Dieser wird bei der Übertragung im Hochspannungs-Transformator 15 so verschliffen, dass sekundärseitig ein stark von der Rechteckform abweichender Hochspa nnungsimpuls 27 auftritt. Der Transformator 15 ist so ausgelegt, dass er bei weniger guter Übertragung hoher Frequenzen tiefe Frequenzen besondeis gut Überträgt. Infolgedessen ist der Dachabfall des Hochspannungsimpulses 27 gering, während Impulsanstieg und Impulsabfall stark abgeflacht sind.
Fig. 4 zeigt einen vom Steuerimpulsgenerator 21 erzeugten Steuerimpuls 28. Wie aus den Fig. 3 und 4 zu erkennen ist, ist die Verzögerung so eingestellt, dass der Steuerimpuls 28 erst dann ausgelöst wird, wenn der Hochspannungsimpuls 27 seine volle Amplitude erreicht hat. Die Länge des Steuerimpulses 28 ist so gewählt, dass jeder Steuerimpuls vor dem zugeordneten Hochspannungsimpuls endet.
Fig. 5 zeigt die Form eines mit der Anordnung nach Fig. 2 erzeugten Strahlstromimpulses 29. Wie aus dieser Figur zu erkennen ist, hat der Strahlstromimpuls 29 dieselbe Flankensteilheit wie der Steuerim-
EMI4.1
nisse werden durch die gestrichelt eingezeichneten Impulse 27 und 28 ohne weiteres deutlich.
Die Amplitude der Strahlstromimpulse 29 kann durch entsprechende Wahl der im Gerät 20 erzeugten Steuerelektrodenvorspannung geregelt werden.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Geräte werden vorteilhaft für die verschiedensten Arten der Materialbearbeitung, wie z. B. Bohren, Fräsen, Löten, Schweissen oder zur Wärmebehandlung von Materialien verwendet. Sie können auch in Elektronenmikroskopen verwendet werden, wenn es sich darum handelt, die Objektbelastung herabzusetzen oder"Blitzlichtaufnahmen"herzustellen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Ladungsträgerstrahlgerät mit intermittierend gesteuertem Strahl, bei welchem das Strahlerzeugungssystem durch eine gegenüber der Kathode negative Vorspannung einer Steuerelektrode gesperrt und durch eine ebenfalls dieser Steuerelektrode zugeführte pulsierende Steuerspannung periodisch entsperrt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen Kathode und Anode des Strahlerzeugungssystemes liegende Hochspannung einen periodischen Verlauf hat und dass die der Steuerelektrode zugeführte pulsierende Steuerspannung einen solchen Verlauf hat, und in der Art mit der Hochspannung synchronisiert ist, dass das Strahlerzeugungssystem nur während des Teilabschnittes der Hochspannungsperiode entsperrt wird, über den sich die Hochspannung nur wenig von ihrem Maximalwert unterscheidet.