Feldemissions-Elektronenstrahler mit hohem Riehtstrahlwert sowie Verfahren zu dessen Herstellung und Betrieb Die Erfindung betrifft einen Feldemissions-Elek- tronenstrahler mit hohem Richtstrahlwert, der ein elektrostatisches Absaugfeld mit mindestens annähernd parallelem Feldlinienverlauf aufweist, wobei die eigent liche Feldemissionskathodenfläche aus einem Material mit kleiner Elektronenaustrittsarbeit, insbesondere Tantal oder Magnesium,
und die der Parallelausrich tung der Feldlinien dienende Nebenkathodenfläche aus einem Metall möglichst sehr grosser Elektronenaus trittsarbeit, insbesondere Platin, gebildet ist.
Die Nebenkathodenfläche soll in den Bereichen hoher Feldstärken möglichst klein sein, zweckmässig gerade so gross, dass die erforderliche Parallelrichtung des Absaugfeldes eintritt. Sie kann durch poliertes Platin gebildet sein, welches durch permanentes oder gelegentliches Aufheizen auf etwa<B>600'</B> bis<B>1000'</B> C von isolierenden Filmen oder Partikeln gereinigt wird.
Der Elektronenstrom kann sich seinen Weg durch die Anodenelektrode selbst bohren. Die Feldkathode kann aus einer aufgedampften Kalotte von einem Material kleiner Elektronenaustrittsarbeit bestehen, welche durch Aufdampfung im Hochvakuum durch eine feine Folienbohrung hindurch hergestellt werden kann, wobei die Bohrung in der Hilfsfolie mit etwa 1,u oder einigen ,u Durchmesser durch Elektronen unter Anwendung elektronenoptischer Verkleinerungsmittel gebohrt sein kann.
Die Grösse der Feldemissionsfläche zur Emissionsstromdichte kann im Arbeitspunkt der art abgestimmt sein, dass der Elektronenstrahlstrom in einer Grösse zwischen etwa 0,1 bis 10 Milliampere bleibt, wobei eine Stabilisierung des Arbeitspunktes auf der steilen Feldemissionslinie vorgenommen werden kann.
Es kann weiter ein Vorwiderstand vorgesehen sein, welcher gegebenenfalls unter Einsatz von Gleich stromverstärkern, bei kapazitätsarmem Elektroden auf bau die Stabilisierung bewirken würde und wobei die feldabschirmende Wirkung der Raumladung des Feldemissionsstromes selbst zur Arbeitspunktstabili- sierung Verwendung finden würde.
Nur bei feinen hochgereinigten Wolframspitzen (Krümmungsradien 0,02 bis 1,u, sehr kleine Emissions fläche) und sehr gutem Vakuum (10-' bis 10-a Torr, genügend langsame Änderung des Elektronen-Aus- trittspotentials durch Wolframoxydation im Restgas) konnten bisher die hohen Elektronenstromdichten der Feldemission (jek = 104 bis 108 A - cm-2) stationär realisiert werden.
Trotz der hohen Emissionsstrom dichte ergeben aber Elektronenquellen solcher Art nur einen relativ mässigen Richtstrahlwert
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(jek = Emissionsstrom), weil die Elektronen von der Spitze aus in einen sehr grossen Raumwinkel nag (a = Aperturwinkel) emittiert werden.
Die Emission aus ganz oder nahezu ebenen Kathoden in einen kleinen Raum winkel nag ist bisher nicht gelungen, auch nicht bei impulsmässiger Beanspruchung von Feldemissions- kathoden. Die Entwicklung eines Feldemissions- Elektronenstrahlers mit sehr hohem Richtstrahlwert scheiterte an der mit der Fläche zunehmenden Wahr scheinlichkeit von Nebenemissionszentren (Verunreini gungen usw.) und an dem ausserordentlich steilen Ver lauf der Feldemissionscharakteristik.
Schon geringfügige Änderungen des örtlichen Aus trittspotentials durch Veränderungen an der Ober flächenschicht, Diffusionsvorgänge längs der Ober fläche, Kondensate aus organischen Dämpfen und Ionenaufprall in Abhängigkeit vom emittierten Strom usw. und vor allem Änderungen der örtlichen Ober flächengeometrie ergaben Schwankungen des Feld emissionsstromes um viele Grössenordnungen. Die Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten. Nebenemissionszentren können mit Hilfe eines das Feldemissionszentrum umgebenden und von isolieren den Filmen oder Partikeln weitgehend gereinigten Metallmantels kleiner Fläche weitgehend vermieden werden.
Dieser als Nebenkathodenfläche wirkende Mantel wird aus einem Metall möglichst hoher Elek- tronenaustrittsarbeit hergestellt. Diese Bedingung lässt sich beispielsweise mit der Forderung nach Reinhal tung von isolierenden Filmen und Partikeln vereinigen, wenn der Mantel aus Platin hergestellt wird und das Platin durch Erhitzung auf beispielsweise<B>600'</B> bis <B>1000'</B> C entweder fortlaufend oder in geeigneten Zeit abständen gereinigt wird (Zersetzung und Abdampfung von Platinoxyd und Umwandlung isolierender, orga nischer Kondensate in leitende Kohlefilme).
Der Feldemissionsstrom kann mit Hilfe eines Regel mechanismus stabilisiert werden, welcher die an der Feldemissionskathode angreifende Feldstärke E redu ziert, sobald die Feldstromdichte über einen bestimm ten Wert ansteigt und umgekehrt.
Im Hinblick auf die Laufzeit der vom Feldstrom gebildeten Ionen hat dieser Regehnechanismus vorteil haft eine Zeitkonstante von kleiner als 10-5 Sekunden. Die Regelung kann beispielsweise bei kapazitätsarmem Elektrodenaufbau einfach durch einen hochohmigen Vorwiderstand bewirkt werden, welcher die Spannung zwischen den beteiligten Elektroden reduziert, sobald der Feldstrom kräftig ansteigt. Wenn erforderlich, lässt sich die Zeitkonstante der Regelung unter Verwendung von Regelverstärkern, welche jedoch einen gewissen Aufwand bedeuten, stets genügend klein halten. Be deutend rationeller ist eine Stabilisierung des Feld elektronenstromes durch die eigene Raumladung.
Die Nachrechnung ergibt, dass eine automatische Stabili sation durch die feldabschirmende Wirkung der Raum ladung bei Beschleunigungsspannungen um UB = 5 - 104 Volt '(Absaugabständen d -- 10-3 cm) für Emissionsstromdichten um jek = 10s A - cm-2 zu er warten ist.
Die Wahrscheinlichkeit von Neben emissionszentren lässt sich, wie Versuche zeigten, durch Beschränkung der Nebenfläche auf den zur Reduktion der Feldliniendivergenz notwendigen Mindestwert und Verwendung von durch permanente Ausheizung hoch gereinigtem Platin genügend klein halten.
Infolge der die Elektronenstrahlung parallel rich tenden Form des Absaugfeldes, der extrem hohen Emissionsstromdichten und der geringen Voltge- schwindigkeitsstreuung von Feldemissionselektronen ergeben sich Richtstrahlwerte, welche um mehrere Grössenordnungen die Richtstrahlwerte der gegen wärtig üblichen Elektronenstrahler übertreffen.
Die Zeichnung veranschaulicht in den Fig. 1 und 2 beispielsweise Ausführungsformen von Elektronen strahlern nach der Erfindung.
Durch die gewählte Geometrie des Elektronen absaugfeldes insbesondere wegen der Kleinheit der Beschleunigungsstrecke (etwa 10-2 mm), ist ein kri tisch schneller Abbau der Mikrokathode infolge Zer- stäubung durch Auftreffen von Restgasionen bei nor malen Drucken bis etwa 10-5 Torr nicht mehr zu be fürchten.
Durch die gewählte Kleinheit der eigentlichen Feld emissionskathodenfläche F wird sichergestellt, dass trotz der hohen Emissionsstromdichte der Emissions strom Jek des Strahlers sich in der heute üblichen Grössenordnung von 0,1 bis 10 Miniampere hält.
Bei dem Mikrosystem nach Fig. 1 erfolgt die Emissionsstromstabilisation durch äussere Schaltungs mittel. Als eigentliche Feldemissionskathode dient die Tantal- oder Magnesiumstirnfläche eines feinsten Drahtes 2, welcher beispielsweise von einem geheizten oder heizbaren Platinmantel 1 der gezeichneten Geo metrie eingehüllt ist.
(Herstellung etwa nach Art der Wollastondrahtmethode). Ein Nachteil des Systems nach Fig. 1 liegt darin, dass der gesamte Feldstrom der Nebenkathodenfläche nur wenig kleiner ist als der Strom der eigentlichen Feldemissionskathode, sowie dass zur Stabilisation der Aufwand äusserer Schaltungs mittel notwendig ist.
Bei dem Mikrosystem nach Fig. 2 sind diese Nach teile vermieden. Hier ist die Emission der eigentlichen Feldernissionskathode um viele Grössenordnungen höher als die Emission der Nebenkathodenfläche. Dieser grosse Unterschied wird vorzugsweise durch die Kalottenform der eigentlichen Feldemissionskathode (z. B. Tantal) erreicht, welche die an der Oberfläche angreifende Feldstärke in diesem Gebiet beträchtlich erhöht. Die Stabilisierung erfolgt durch die feld abschirmende Wirkung der Strahlraumladung auf einfachste Weise.
Allerdings tritt diese Wirkung erst bei Emissionsstromdichten der Grössenordnung 10s A cm-2 ein, so dass zur Kleinhaltung des gesamten Emissionsstromes eine eigentliche Feldemissions- kathode von nur etwa 1,u Durchmesser zur Anwendung kommen kann. Die Herstellung einer definierten Kalotte von etwa 1,u Durchmesser aus beispielsweise Tantal auf der polierten und hochgereinigten Platin oberfläche 3 ist nicht ganz einfach.
Diese Kalotte lässt sich jedoch in der gewünschten Geometrie in folgender Weise aufbringen: Unmittelbar vor der hochgereinig ten Platinstirnfläche 3 wird im Abstand von beispiels weise 1,u eine durchbohrte Folie 4 im Vakuum angeord net. Die Bohrung in der Folie 4 wird beispielsweise durch Elektronen in einem elektronenoptischen System mit verkleinernder Elektronenoptik mit 1,u bis 2,u Bohrungsdurchmesser hergestellt.
Dampft man im Hochvakuum durch eine solche Bohrung hindurch Tantal aus einem Verdampfungsschiffchen in genügen der Menge heraus, so bildet sich auf der Stirnfläche der Kathodenelektrode eine Tantalkalotte 6 mit etwa der gezeichneten Geometrie.
Die Einstellung des die Feldstärke mitbestimmen den Mikroabstandes d zwischen Kathode und Anode 4 kann in besonders bequemer Weise durch Veränderung der Temperatur und damit der thermischen Aus dehnung von Teilen des Mikrosystems geregelt werden. Beispielsweise kann die Temperatur des Platin- kathodendrahtes (1 in Fig. 1 bzw. 5 in Fig. 2) zwischen <B>500'</B> und<B>1000'</B> C verändert und hierdurch der Fein abgleich des Absaugabstandes d und damit der Feld stärke E erfolgen. Die zu erwartenden Daten für die jeweiligen Elek- tronenaustrittsarbeiten, Geometrie und Anodenspan nung sind aus der zur Erläuterung beigelegten Tabelle ersichtlich.
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<I>Mikrosystem <SEP> 1 <SEP> (abgeschätzte <SEP> Daten)</I>
<tb> Daten <SEP> Kathode <SEP> Nebenkathode
<tb> Ta <SEP> (Mg) <SEP> Pt. <SEP> I <SEP> (Pt.II)
<tb> Absaugabstand <SEP> d <SEP> 10-3 <SEP> ? <SEP> 10-3 <SEP> cm
<tb> Anodenspannung <SEP> UB <SEP> 42 <SEP> 42 <SEP> kV
<tb> Absaugfeldstärke <SEP> E <SEP> 4,2 <SEP> 4,2 <SEP> 10-' <SEP> V <SEP> - <SEP> cm-' Eff.
<SEP> Kathodenfläche <SEP> F <SEP> 10-7 <SEP> <B>3-10-1</B> <SEP> cm <SEP> 2
<tb> Emissionsstromdichte <SEP> jek <SEP> 103(104) <SEP> 1 <SEP> (10-3) <SEP> A <SEP> - <SEP> cm-?
<tb> Emissionsstrom <SEP> Jek <SEP> <B>0,1(1)</B> <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 10-3 <SEP> (3 <SEP> - <SEP> 10-4) <SEP> mA
<tb> Stabilisation <SEP> Durch <SEP> äussere <SEP> Mittel
<tb> <I>Mikrosystem <SEP> 2 <SEP> (abgeschätzte <SEP> Daten)</I>
<tb> Daten <SEP> Kathode <SEP> Nebenkathode
<tb> Ta <SEP> (Mg) <SEP> Pt. <SEP> I <SEP> (Pt. <SEP> 1I)
<tb> Absaugabstand <SEP> d <SEP> 10-3 <SEP> 10-3 <SEP> cm
<tb> Anodenspannung <SEP> UB <SEP> 25...30 <SEP> 25...30 <SEP> kV
<tb> Absaugfeldstärke <SEP> E <SEP> 7...8,5 <SEP> 2,5 <SEP> 10-7 <SEP> V. <SEP> <B>CM-1</B>
<tb> EfI:
<SEP> Kathodenfläche <SEP> F <SEP> 10-8 <SEP> <B>3-10-1</B> <SEP> cm2
<tb> Emissionsstromdichte <SEP> jek <SEP> 10s...107 <SEP> 10-s <SEP> A <SEP> - <SEP> cm-2
<tb> Emissionsstrom <SEP> Jek <SEP> 10...100 <SEP> <B>3-10-11</B> <SEP> mA
<tb> Stabilisation <SEP> Durch <SEP> Raumladung