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An Potentialeinstellmittel angeschlossenes Elektrodensystem zur Erzeugung eines Ladungsträgerstrahles. Als Strahlerzeugungssystem für Elektro- nenstrahIgeräte, insbesondere für Elektronenmikroskope, verwendet man in der Regel ein aus Glühkathode, Wehnelt-Zylinder und Anode bestehendes Triodensystem. Bei der mit. Wehnelt-Zylinder versehenen Elektrode sind ihre intensitätssteuernde sowie ihre elektronenoptische Wirksamkeit eng miteinander gekoppelt.
Die Intensitätssteuerung wird im wesentlichen durch Begrenzung der zum Emissionsstrom beitragenden Gebiete der Kathode erreicht. Gleichzeitig bedeutet eine Einengung dieses Bereiches eine Verringerung des Strahlquerschnittes. Das gleiche gilt für Geräte, die mit positiven Ladungsträgern arbeiten.
Ein derartiges bekanntes und bisher ge- brä.nehliches System stellt elektronenoptisch ein sehr kurzbrennweitiges Immersionssystem dar. Die aus der Raumladungszone austretenden, noch sehr langsamen Elektronen werden durch ein stark sammelndes elektrisches Feld in unmittelbarer Nähe des Systems in einem Brennfleck fokussiert, aus welchem der gebildete Elektronenstrahl mit verhältnismässig starkerDivergenzaustritt. Dadurch ist.
in vielen praktischen Fällen die Stromdichte des Elektronenstrahls auf einem züi bestrahlenden Objekt, welches in gewisser Entfernung von der Kathode angeordnet ist, schon so stark abgesunken, dass man zur Verbesserung der Ob- jektbestrahlung einen Kondensor verwenden muss.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu vermeiden.
Gegenstand der Erfindung ist ein an Potentialeinstellmittel angeschlossenes Elek- trodensystem zur Erzeugung eines Ladungs- trägerstrahls mit einer Emissionselektrode, einem dieselbe umgebenden Steuerelektrodengebilde und einer Beschleunigungselektrode. Dasselbe zeichnet sich erfindungsgemäss dadurch aus, dass zwischen der Emissionselek- trode und dem Steuerelektrodengebilde in unmittelbarer Nähe der Emissionselektrode ein in Strahlrichtung stark vorgewölbtes Hilfs- elektrodengebilde vorgesehen.
ist, dessen mittleres Potential gegenüber der Emissionselektrode das gleiche Vorzeichen besitzt wie die emittierten Ladungsträger, so dass nur ein aus dem Hilfselektrodengebilde in Strahlrichtung vorragender Teil der Emissionselektrode Ladungsträger emittiert. Durch geeignete Einstellung des mittleren Potentials des Hilfselektrodengebildes und desjenigen des Stenerelektrodengebildes kann die gewünschte Pokussiei-ting erreicht werden.
Die Emissionselektrode kann Elektronen oder positiv geladene Materialteilchen, also Ionen emittieren.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass eine einzige, die
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Emissionselektrode in ihrem hintern Teil umgebende, kegelförmige Hilfselektrode vorgesehen ist. Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass .das Hilfselektrodengebilde unterteilt ist, und dass ferner Mittel vorgesehen sind, um dessen einzelnen Teilen Potentiale verschiedener Grössen, jedoch gleichen Vorzeichens wie dasjenige der emittierten Ladungsträger zuzuführen. Ebenfalls vorteilhaft ist es, das Steuerelektrodengebilde zu unterteilen, wobei hier ebenfalls Mittel vorgesehen sind, um dessen einzelnen Teilen Spannungen verschiedener Grösse,
jedoch gleichen Vorzeichens wie dasjenige der emittierten Ladungsträger zuzuführen. Dabei können die Mittel zum Einstellen der Potentiale für das Steuerelektrodengebilde oder deren Teile und der Potentiale für das Hilfselektrodengebilde oder deren Teile mechanisch und elektrisch unabhängig voneinander sein.
Eine Möglichkeit, dem Steuerelektro- dengebilde und dem Hilfselektrodengebilde voneinander unabhängige Potentiale zuzuführen, besteht, darin, der Hauptbetriebsspannung einen Widerstand parallel zu schalten und das oder die Potentiale für das Steuerelektrodengebilde und für das Hilfselektro- dengebilde von mindestens zu Teilen des Parallelwiderstandes parallel geschalteten hochohmigen Potentiometern abzugreifen.
Soweit ungewollte Änderungen der Apertur des Ladungsträgerstrahls bei Änderung von dessen Intensität auftreten würden, können diese vorteilhaft durch elektrische oder mechanische Kopplung der Mittel zum Einstellen der Potentiale kompensiert werden, so dass die Apertu.r konstant bleibt. Diese Kopplung kann auch aus einer gemischten elektrischen und mechanischen Kopplung bestehen und mittelbar oder unmittelbar sein.
Das Elektrodensystem kann auch zur Erzeugung von bandförmigen, hohlkegelförmigen und holzylinderförmigen Elektronenstrahlen ausgebildet werden, indem man die Emissionselektrode in zahlreiche kleine Elemente geringer Dicke unterteilt -und dieselben auf einer Geraden oder einem Kreise, gege- benenfalls mit zueinander geneigter Achsen- richtung entsprechend der gewünschten Form des Elektronenstrahls aneinanderreiht.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen in schematischer Darstellung zwei Ausführungsbeispiele des Elektrodensystems gemäss der Erfindung mit einer Elektronen emittierende Emissionselek- trode, Glas heisst einer Glühkathode.
In Fig. 1 ist. ein Glühkathodendraht 1 innerhalb einer sie umgebenden, derbekannten Wehnelt-Elektrode entsprechenden Steuerelektrode 2 gegenüber einer mit einem Loch ver- sehenen, auf einer gegenüber dem Kathodendraht hohen positiven Spannung liegenden Anode 4 angeordnet.
Die Elektronen des strichpunktiert gezeichneten Strahls 3 werden durch eine den hintern Teil der Kathode eng umschliessende, kegelförmige Elektrode 5, die gegenüber dem Kathodendraht negativ vorgespannt ist, gerade in dem Teil ihrer Bahn, in dem sie die geringste Geschwindigkeit aufweisen, stark beeinflusst, und zwar derart, dass der Überkreuzungspunkt in Strahlrich- 'tung weit hinter der Anode .1 liegt. Ohne die Hilfselektrode 5 würde die Elektronenbahn entsprechend den punktiert. bezeichneten Linien verlaufen.
Infolge ihres negativen Potentials verhindert. die Hilfselektrode 5 die Elektronenemission auf dem von ihr umschlossenen Teil der auf Glühtemperatur gebrachten Kathode 1, so dass nur der aus ihr hervorragende Teil der Kathode emittiert, wobei die Emission von der Wehnelt-Elektrode 2 in ihrer Intensität gesteuert wird. Beide Elektroden 2 und 5 sind rotationssymme- trisch und ungeteilt. Die Hilfselektrode 5 kann mit der Wehnelt-Elektrode 2 auf dem gleichen Potential gehalten werden.
In Fig. 1 ist der Fall dargestellt, ,dass die Hilfselektrode 5 und ihr Träger 6 von der Wehnelt-Elektrode isoliert ist, so dass ihre Potentiale unabhängig voneinander gesteuert. werden können. Eine Schaltungsanordnung hierfür besteht nach Fig. 1 darin, dass die Potentiale der Hilfselektrode 5 und der Wehnelt-Elektrode 2 in bezug auf die Kathode 1 von zwei Potentio- metern 7 und 8 abgegriffen werden. Der
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Stromkreis der in üblicher Weise angeschlossenen Anode 4 des Strahlerzeugungssystems ist nicht weiter dargestellt.
Parallel zur Hauptbetriebsspannung ist ein aus Teilwiderständen 9, 10, 11 und 12 gebildeter Widerstand geschaltet. Die Potentiometer 7 und 8, die mindestens im Vergleich zu den zu ihnen parallel liegenden Teilwiderständen 9 und 10 sehr hochohmig sind, liefern. daher gegenüber der Kathode 1 veränderliche Regelspannungen für die Wehnelt-Elektrode'2 und die Hilfselektrode 5, die voneinander elektrisch entkoppelt sind. Mit 13 und 14 sind die An- schlüsse an die im übigen nicht dargestellte Hochspannungsanlage, mit 15 und 16 die Kathodenheizungsanschlüsse bezeichnet.
Beim Elektrodensystem nach den Fig. 2 (in Ansicht) und 3 (im Mittelschnitt) ist die Wehnelt-Elektrode in sechs voneinander isolierte Sektoren 2' und die Hilfselektrode in sechs entsprechend- voneinander isolierte Sektoren 5' unterteilt, an die j e verschiedene Potentiale gelegt seien. Eine elektrische Potentiometerschaltung hierfür entspricht im Aufbau grundsätzlich derjenigen von Fig. 1 und ist nicht im einzelnen dargestellt.
Es ist aber ohne weiteres durchführbar, die verschiedenen Potentiale für die einzelnen Sektoren an weiteren Abgriffen der Potentiometer 7 und 8 (Fig. 1) oder an gesonderten Pot.entio- metern abzugreifen und zu regeln.
Die Potentialverhältnisse sind beispielsweise so gewählt, dass, wenn die Anode sich auf dem Potential Null befindet., das Wehnelt-Elektrodengebilde 2' und das Hilfselek- trodengebilde 5' im Mittel je auf Potentialen von -50,5 kV und die Glühkathode 1 auf --50,0 kV gehalten werden. Dabei können dann die Potentiale des Wehnelt- und des Hilfselektrodengebildes verschieden geregelt werden.
Unterteilt man die Elektrodengebilde, etwa nach Fig. 2 und 3 in Sektoren, und führt man diesen Sektoren verschiedene Potentiale zu, so kann man je nach der Wahl dieser Potentiale sowohl die Richtung des Elektronenstrahls beeinflussen, also eine Schwenkung des Strahls vornehmen, als auch die Form des Elektronenstrahls zweckentspre- chend wählen, was beispielsweise bei Röntgenröhren von Bedeutung ist.
Dabei können die an die einzelnen Teile des Hilfselektroden- gebildes gelegten Potentiale derart. gewählt werden, dass durch eine zu einer senkrecht zur Strahlachse stehenden Achse symmetrische Potentialverteilung ein Strahl mit länglichem, vorzugsweise bandförmigem Querschnitt gebildet wird. Atü diese Weise kann auch bei kreisrunder Emissionsfläche die Kathode einen Strahl erzeugen, der auf _ der' Antikathode der Röntgenröhre einen länglichen, vorzugsweise nahezu strichförmigen Brenn- \Fleck .erzeugt.
Wendet man ein solches Strahl- erzeugungssystem auf eine Röntgenröhre an, deren Antikathodenoberfläche gegen eine zur Strahlrichtung senkrechte Ebene nur wenig geneigt ist, so kann die Potentialverteilung der Teile der Hilfselektrode so, gewählt werden, dass die Richtung der grössten Erstrek- kuung des länglichen Querschnittes in der die Strahlachse und die Antikathodennormale enthaltenden Ebene liegt.
Die Zeichenschärfe einer solchen Röntgenröhre ist in derjenigen Richtung besonders gross, aus denen der längliche Brennfleck etwa kreisrund oder quadratisch erscheint. Man kann eine solche Röntgenröhre wegen der besseren Wärmeableitung des länglichen Brennfleckes bekanntlich bei gleicher Zeichenschärfe weit höher belasten als eine Röntgenröhre mit kreisrundem oder' quadratischem Brennfleck. Das Elektroden- systein gestattet also im Bedarfsfalle, zur Erhöhung der Strombelastbarkeit die Röhre anstatt mit einem runden, mit einem länglichen, vorzugsweise strichförmigeri,
Brennfleck zu verwenden.
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Electrode system connected to potential adjustment means for generating a charge carrier beam. A triode system consisting of a hot cathode, Wehnelt cylinder and anode is generally used as the beam generation system for electron beam devices, in particular for electron microscopes. At the with. Wehnelt cylinder equipped electrodes, their intensity-controlling and their electron-optical effectiveness are closely linked.
The intensity control is achieved essentially by limiting the areas of the cathode that contribute to the emission current. At the same time, narrowing this area means reducing the beam cross-section. The same applies to devices that work with positive charge carriers.
Such a known and hitherto common system is electron-optically a very short focal length immersion system. The still very slow electrons emerging from the space charge zone are focused by a strongly collecting electric field in the immediate vicinity of the system in a focal spot from which the formed Electron beam with a relatively strong divergence exit. This is.
In many practical cases the current density of the electron beam on an object to be irradiated, which is arranged at a certain distance from the cathode, has already decreased so much that a condenser has to be used to improve the object irradiation.
The present invention aims to avoid this disadvantage.
The subject matter of the invention is an electrode system, connected to potential setting means, for generating a charge carrier beam with an emission electrode, a control electrode structure surrounding the same and an acceleration electrode. The same is characterized according to the invention in that an auxiliary electrode structure which is strongly arched in the direction of the beam is provided between the emission electrode and the control electrode structure in the immediate vicinity of the emission electrode.
whose mean potential with respect to the emission electrode has the same sign as the emitted charge carriers, so that only a part of the emission electrode protruding from the auxiliary electrode structure in the beam direction emits charge carriers. The desired focus can be achieved by suitable setting of the mean potential of the auxiliary electrode structure and that of the stener electrode structure.
The emission electrode can emit electrons or positively charged material particles, i.e. ions.
An advantageous embodiment of the invention is that a single, the
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Emission electrode is provided in its rear part surrounding, conical auxiliary electrode. A further embodiment consists in that the auxiliary electrode structure is subdivided, and that means are also provided in order to supply its individual parts with potentials of different sizes, but with the same sign as that of the emitted charge carriers. It is also advantageous to subdivide the control electrode structure, in which case means are also provided to reduce its individual parts with voltages of different sizes,
but to be supplied with the same sign as that of the emitted charge carriers. The means for setting the potentials for the control electrode structure or its parts and the potentials for the auxiliary electrode structure or its parts can be mechanically and electrically independent of one another.
One possibility of supplying independent potentials to the control electrode structure and the auxiliary electrode structure is to connect a resistor in parallel with the main operating voltage and the potential or potentials for the control electrode structure and for the auxiliary electrode structure from high-resistance potentiometers connected in parallel to at least parts of the parallel resistor to tap.
Insofar as undesired changes in the aperture of the charge carrier beam would occur with a change in its intensity, these can advantageously be compensated for by electrical or mechanical coupling of the means for setting the potentials, so that the aperture remains constant. This coupling can also consist of a mixed electrical and mechanical coupling and be indirect or direct.
The electrode system can also be designed to generate ribbon-shaped, hollow-cone-shaped and wood-cylindrical electron beams by dividing the emission electrode into numerous small elements of small thickness - and these on a straight line or a circle, if necessary with mutually inclined axis directions according to the desired shape of the electron beam strung together.
1 to 3 show a schematic representation of two exemplary embodiments of the electrode system according to the invention with an electron-emitting emission electrode, glass is called a hot cathode.
In Fig. 1 is. a hot cathode wire 1 is arranged within a control electrode 2 surrounding it, corresponding to the known Wehnelt electrode, opposite an anode 4 provided with a hole and on an anode 4 which is high positive voltage compared to the cathode wire.
The electrons of the dash-dotted beam 3 are strongly influenced by a conical electrode 5, which tightly encloses the rear part of the cathode and which is negatively biased towards the cathode wire, precisely in the part of their path in which they have the lowest speed, namely in such a way that the crossover point lies far behind the anode .1 in the beam direction. Without the auxiliary electrode 5, the electron path would be punctured according to FIG. designated lines run.
Prevented as a result of their negative potential. the auxiliary electrode 5 emits the electron emission on the part of the cathode 1 that is enclosed by it, which is brought to the annealing temperature, so that only the part of the cathode protruding from it emits, the emission being controlled in its intensity by the Wehnelt electrode 2. Both electrodes 2 and 5 are rotationally symmetrical and undivided. The auxiliary electrode 5 can be kept at the same potential as the Wehnelt electrode 2.
In FIG. 1, the case is shown in which the auxiliary electrode 5 and its carrier 6 are insulated from the Wehnelt electrode, so that their potentials are controlled independently of one another. can be. According to FIG. 1, a circuit arrangement for this consists in that the potentials of the auxiliary electrode 5 and the Wehnelt electrode 2 with respect to the cathode 1 are tapped off by two potentiometers 7 and 8. Of the
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The circuit of the anode 4 of the beam generating system connected in the usual way is not shown any further.
A resistor formed from partial resistors 9, 10, 11 and 12 is connected in parallel to the main operating voltage. The potentiometers 7 and 8, which are very high resistance at least in comparison to the partial resistors 9 and 10 lying parallel to them, supply. therefore variable control voltages for the Wehnelt electrode 2 and the auxiliary electrode 5, which are electrically decoupled from one another, compared to the cathode 1. With 13 and 14 the connections to the high-voltage system, not shown in the usual, are designated, with 15 and 16 the cathode heating connections.
In the electrode system according to FIGS. 2 (in view) and 3 (in the middle section), the Wehnelt electrode is divided into six sectors 2 'isolated from one another and the auxiliary electrode into six correspondingly isolated sectors 5', each of which has different potentials . An electrical potentiometer circuit for this purpose basically corresponds in structure to that of FIG. 1 and is not shown in detail.
However, it is easily possible to tap and regulate the different potentials for the individual sectors at further taps on the potentiometers 7 and 8 (FIG. 1) or at separate potentiometers.
The potential ratios are selected, for example, so that when the anode is at zero potential, the Wehnelt electrode structure 2 'and the auxiliary electrode structure 5' are each on average at potentials of -50.5 kV and the hot cathode 1 at - -50.0 kV can be maintained. The potentials of the Wehnelt and the auxiliary electrode structure can then be regulated differently.
If the electrode structure is divided into sectors, for example according to FIGS. 2 and 3, and different potentials are applied to these sectors, then, depending on the choice of these potentials, both the direction of the electron beam can be influenced, i.e. the beam can be pivoted, as well as the Select the shape of the electron beam appropriately, which is important in the case of X-ray tubes, for example.
The potentials applied to the individual parts of the auxiliary electrode structure can thereby. can be selected that a potential distribution symmetrical to an axis perpendicular to the beam axis forms a beam with an elongated, preferably band-shaped cross-section. In this way, even with a circular emission surface, the cathode can generate a beam which generates an elongated, preferably almost line-shaped, focal point on the anti-cathode of the X-ray tube.
If such a beam generation system is applied to an X-ray tube whose anticathode surface is only slightly inclined in relation to a plane perpendicular to the direction of the beam, the potential distribution of the parts of the auxiliary electrode can be selected so that the direction of the greatest extension of the elongated cross-section in the plane containing the beam axis and the anticathode normals.
The definition of such an X-ray tube is particularly great in the direction from which the elongated focal point appears roughly circular or square. Because of the better heat dissipation of the elongated focal spot, it is known that such an X-ray tube can be subjected to far higher loads than an X-ray tube with a circular or square focal spot while maintaining the same definition. The electrode system allows, if necessary, to increase the current-carrying capacity, the tube instead of a round, with an elongated, preferably line-shaped,
To use focal spot.