CS219225B1

CS219225B1 - High voltage source for electron autoemission

Info

Publication number: CS219225B1
Application number: CS403781A
Authority: CS
Inventors: Armin Delong; Vladimir Kolarik
Original assignee: Armin Delong; Vladimir Kolarik
Priority date: 1981-06-01
Filing date: 1981-06-01
Publication date: 1983-03-25

Abstract

Zdroj prd autoemisi elektronů využívá přihřívané katody a je výhodný zejména pro vysokovakuové elektronově optické přístroje. Jeho předností je, že jeho konstrukční uspořádání odstraňuje nebezpečí náhodných výbojů mezi uzemněným pláštěm a katodou. Podstatou zdroje je jednak sériově zapojený zdroj extrakčního napětí se zdrojem vysokého napětí a jednak konstrukce celé soustavy elektronové trysky, sestávající ze tří, v sobě uzavřených elektrostatických systémů v přísně koaxiálním uspořádání s vnějším elektrostatickým stínícím systémem připojeným na zemní potenciál. Vysokonapěťový zdroj je určen pro vysokovakuové elektronové zařízení, například pr-o elektronové biografy.The self-emission source of electrons uses heated cathodes and is particularly advantageous for high-vacuum electron-optical devices. Its advantage is that its design eliminates the risk of accidental discharges between the grounded shell and the cathode. The essence of the source is, firstly, a series-connected source of extraction voltage with a high-voltage source and, secondly, the design of the entire electron nozzle system, consisting of three self-contained electrostatic systems in a strictly coaxial arrangement with an external electrostatic shielding system connected to ground potential. The high-voltage source is intended for high-vacuum electron devices, for example, for electron biographs.

Description

Vynález se týká vysokonapěťového zdroje pro autoemisi elektronů s přihřívanou katodou.The present invention relates to a high voltage source for electron autoemission with a heated cathode.

Elektronově optické systémy, například elektronový rastrovací mikroskop, elektronový litograf používají zdroje o napětí řádově několika desítek kV. Na tyto VN zdroje jsou kladeny vysoké požadavky, pokud jde o stabilitu, spolehlivost apod. Zvláště kritická je situace, použijeme-li jako zdroje elektronů některého' typu autoemisních katod. Autoemisní katody pracují buď za pokojové teploty nebo za teploty zvýšené. Vzhledem k tomu musí příslušný VN zdroj obsahovat zdroj proudu pro vyhřívání katody pracující na vysokém potenciále. Každý VN zdroj určený pro- napájení autoemisní elektronové trysky musí obsahovat zdroj extrakčního napětí, který je rovněž svým zemním koncem připojen na zdroj VN. Zdroj extrakčního napětí musí být regulovatelný ze zemního potenciálu, právě tak jako zdroj proudu pro vyhřívání autoemisní katody. Zdroj extrakčního napětí je běžně připojen ke zdroji VN paralelně a slouží k vytváření relativně kladného potenciálu první anody autoemisní trysky, čímž se reguluje proud elektronů.Electron optical systems, such as an electron scanning microscope, an electron lithograph, use sources of several tens of kV. These high voltage sources are subject to high demands in terms of stability, reliability, etc. The situation is particularly critical when using some type of auto-emission cathode as the electron source. Autoemission cathodes operate either at room temperature or at elevated temperature. Accordingly, the respective MV source must include a high potential cathode heating current source. Each MV source intended for supplying an auto-emission electron gun shall contain an extraction voltage source which is also connected to the MV source at its ground end. The extraction voltage source must be controllable from the ground potential as well as the current source for heating the auto-emission cathode. The extraction voltage source is commonly connected to the MV source in parallel and serves to generate a relatively positive potential of the first anode of the auto-emission nozzle, thereby regulating the electron current.

Velkým problémem autoemisních katod je jejich velká citlivost k výbojům a mikrovýbojům, jak na systému elektrod, tak v kabeláži a vlastním zdroji. Jakýkoliv výboj extrakční elektrody vůči zemnímu potenciálu vede nutně ke zničení katody, poněvadž prudce poklesne potenciál této elektrody, přiblíží se potenciálu zemnímu, a tím dojde ke zvýšení potenciálu katody vůči extrakční elektrodě. Vzhledem k exponenciální závislosti emisního proudu na extrakčním potenciále, proteče v takovémto případě katodou neúměrně vysoký proud a tím dojde k tepelnému poškození vlastního emitujícího hrotu katody, jehož pracovní poloměr se pohybuje od 100 do 10 000 A. Tím se stává katoda nepoužitelnou a je ji třeba vyměnit, což je proces, vzhledem k požadavkům· na vysoké pracovní vakuum, zdlouhavý a vyžadující odbornou manipulaci. Jako hlavní příčinu poškození katody při zkratování extrakční elektrody výbojem na zemní potenciál lze označit kapacity vlastní katody elektrod a přívodů vysokonapětového zdroje vůči zemnímu potenciálu. Nevýhoda dosavadních zapojení se jeví převážně v tom,, že použité napěťové a vysokonapfetové zdroje jsou paralelně zapojeny, což je příčinou nežádoucích potíží.A major problem with auto-emission cathodes is their high sensitivity to discharges and micro-discharges, both on the electrode system and in wiring and self-supply. Any discharge of the extraction electrode against the ground potential necessarily results in the destruction of the cathode, since the potential of the electrode drops sharply, approaching the ground potential, thereby increasing the potential of the cathode to the extraction electrode. Due to the exponential dependence of the emission current on the extraction potential, a disproportionately high current will flow through the cathode, thereby causing thermal damage to the actual emitting cathode tip, whose working radius ranges from 100 to 10,000 A. This makes the cathode unusable and Replace, which is a process, due to the high working vacuum requirements, lengthy and requiring professional handling. The main cause of cathode damage when the extraction electrode is short-circuited by discharge to earth potential can be described as capacities of the actual cathode of the electrodes and high-voltage source leads to earth potential. The disadvantage of the existing circuitry appears mainly in that the used voltage and high-voltage power supplies are connected in parallel, which causes undesirable problems.

U zdrojů paralelně zapojených je třeba pro omezení nebezpečí výboje používat předřadných odporů v obvodu katody, umístěných velice blízko vlastní katody. Toto činí potíže například při umísťování odporů přímo do vakuového pracovního prostoru a navíc vede ke zvýšení nestability energie emitovaných elektronů, způsobenému úbytky napětí na předřadném odporu v důsledku relativně málo stabilního* autoemisního proudu katody.In parallel-connected power supplies, resistors in the cathode circuit located very close to the cathode itself must be used to reduce the risk of discharge. This makes it difficult, for example, to place resistors directly in the vacuum working space and, moreover, leads to an increase in the energy instability of the emitted electrons caused by the voltage drop across the ballast resistor due to the relatively unstable cathode emission current.

Tyto dosavadní nedostatky odstraňuje vysokonapěťový zdroj pro autoemisi elektronů s přihřívanou katodou, jehož podstatou je, že sestává ze tří v sobě uzavřených elektrostatických systémů, z nichž první elektrostatický stínící systém uzavírá zdroj extrakčního napětí a zdroj žhavícího proudu, který je spojen jednak s vláknem katody a jednak elektrickým středem s* prvním vývodem zdroje extrakčního napětí 3 prvním elektrostatickým stínícím .systémem, přičemž druhý vývod zdroje extrakčního napětí je spojen v sérii se zdrojem vysokého napětí a s druhým elektrostatickým stínícím systémem, který koaxiálně obklopuje první elektrostatický systém s vláknem’ katody, přičemž druhý vývod zdroje vysokého napětí je spojen do uzlu se zemním potenciálem a s třetím elektrostatickým systémem, koaxiálně překrývajícím druhý elektrostatický systém.These prior art drawbacks are overcome by a high voltage cathode electrode auto-emission source having a heated cathode, consisting of three closed electrostatic systems, the first electrostatic screening system closing off the extraction voltage source and the glow current source connected to the cathode fiber and on the one hand, an electrical center with a first outlet of the extraction voltage source 3 with a first electrostatic shielding system, the second outlet of the extraction voltage source being connected in series with the high voltage source and a second electrostatic shielding system coaxially surrounding the first electrostatic cathode fiber system; the outlet of the high voltage source is coupled to the ground potential node and to a third electrostatic system coaxially overlapping the second electrostatic system.

Předností zapojení je, že odstraňuje vznik kapacity mezi obvodem katody a zemním potenciálem a tím zabraňuje v podstatě zničení katody výbojem. Zdroj vysokého napětí a zdroj extrakčního napětí je zapojen v sérií a je tedy třeba řídit při změnách potenciálu extrakční elektrody jak zdroj VN, tak zdroj extrakčního napětí, aby výsledná energie elektronů zůstávala konstantní. Toto dodatečné řízení není zdrojem principiálních potíží, ani zdrojem dodatečných parazitních kapacit při použití například řízení pomocí optické trasy. Jedině takovéto sériové uspořádání zdrojů umožňuje provést dxWedně koaxiální, uspořádání kónstrnkcě vlastních, zdrojů, včetně přívodů a elektronové autoemisní trysky.The advantage of the circuitry is that it eliminates the formation of capacitance between the cathode circuit and the ground potential, thereby substantially preventing the cathode from being destroyed by the discharge. The high voltage source and the extraction voltage source are connected in series, and therefore, as the potential of the extraction electrode changes, both the MV source and the extraction voltage source need to be controlled so that the resulting electron energy remains constant. This additional control is not a source of principal problems, nor is it a source of additional parasitic capacities using, for example, optical path control. Only such a series arrangement of sources makes it possible to carry out a single coaxial arrangement of the constriction of one's own sources, including the leads and the electron emission nozzle.

Při navrhovaném uspořádání vede vznik náhodného: výboje mezi částmi na; potenciále extrakční elektrody a zemí k současnému poklesu potenciálu extrakční elektrody a systému katody tak, že extrakční potenciál se nemění a tím nedojde k proudovému přetížení katody.In the proposed arrangement, a random: discharge between the parts results in; the potential of the extraction electrode and the ground to simultaneously decrease the potential of the extraction electrode and the cathode system so that the extraction potential does not change, thereby avoiding current overload of the cathode.

Vynález blíže objasní výkres, kde na obr. 1 je schematicky naznačen základní, princip zapojení, na obr. 2 je příklad provedení vlastní autoemisní elektronové trysky, sestávající z koaxiálně vytvořeného systému elektrod.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram of the principle of engagement; FIG. 2 is an example of an embodiment of a self-emission electron gun consisting of a coaxially formed electrode system.

Příklad základního koaxiálního uspořádání zdroje pro· emisi elektronů na obr. 1 znázorňuje jednak elektrické zapojení a jednak jeho koaxiální uspořádání, sestávající z prvního elektrostatického stínícího systému 1, který uzavírá zdroj 4 žhavicího proudu a zdroj 5 extrakčního napětí. Vlákno 7 katody je spojeno s oběma vývody zdroje 4 žhavacífooi proudu, přičemž jeho elektrický střed je zapojen do uzlu s prvním vývodem zdroje 5 extrakčního napětí a s prvním elektrostatickým stínicím systémem 1, který v podstatě tvoří plášť v koaxiálním uspořádání, a který je spolu s přívody i s vláknem 7 katody zasunut do druhého elektrostatického stínícího systému 2, rovněž v koaxiálním uspořádání. Plášť druhého· elektrostatického stínicího systému 2 tvoří střední uzel sériového spojení zdroje 5 extrakčního napětí a zdroje 6 vysokého napětí, který je uzavřen spolu s druhým elektrostatickým systémem 2 v plášti třetího- elektrostatického systému 3, tvořící jediný koaxiální celek autoemisního zdroje. Plášť třetího elektrostatického systému 3 je spojen se zemním potenciálem, na který je rovněž připojen druhý vývod zdroje 6 vysokého napětí.The example of the basic coaxial arrangement of the electron emission source in FIG. 1 shows both the electrical connection and its coaxial arrangement, consisting of a first electrostatic shielding system 1 which closes the glow current source 4 and the extraction voltage source 5. The cathode filament 7 is connected to both terminals of the glow current source 4, its electric center being connected to a node with a first terminal of the extraction voltage source 5 and a first electrostatic shielding system 1, which essentially forms a sheath in a coaxial configuration and which is with the cathode filament 7 inserted into the second electrostatic screening system 2, also in a coaxial configuration. The housing of the second electrostatic shielding system 2 forms the central node of the serial connection of the extraction voltage source 5 and the high voltage source 6 which is enclosed together with the second electrostatic system 2 in the housing of the third electrostatic system 3 forming a single coaxial assembly of the autoemission source. The housing of the third electrostatic system 3 is connected to earth potential, to which the second outlet of the high voltage source 6 is also connected.

Praktický příklad vzájemného- konstrukčního· uspořádání elektrod vlastní autoemisní elektronové trysky je na obr. 2.A practical example of the mutual design of the electrodes of the auto-emission electron gun itself is shown in Fig. 2.

Plášť třetího elektrostatického systému 3 tvoří v podstatě vakuová komora 30, vytvářející stínění, spojené se zemním potenciálem. Vakuová komora 39 je v horní části spojena konektorovou spojkou 31, spojenou s vnějším stíněním přívodního kabelu 8. Na keramickém vakuotěsném Izolátoru 21 je připevněna rotačně symetrická elektroda 20, která je součástí druhého- elektrostatického stínicího systému 2. Válcový nástavec 22 izolátoru 21 je vodivě spojen s válcovým límcem 23, který je spojen s izolovaným vnitřním stínícím pláštěm 24 přívodního kabelu 8, který vlastně vytváří sériové spojení zdrojů 5 a 6 extrakčního» vysokého napětí. Proudové přívody 11 katody 7 procházejí izolovaně vnitřním stínícím pláštěm 24 a válcovým límcem 23 do izolačních vakuových průchodů 12 do vakua a jsou spojeny s katodou 7 a tvoří součást prvního elektrostatického stínicího systému. Elektrický střed proudových přívodů pro žhavení katody 7 je pak ve zdroji 4 žhavicího proudu připojen s krytem prvního elektrostatického stínicího systému 1.The housing of the third electrostatic system 3 consists essentially of a vacuum chamber 30 creating a shielding associated with earth potential. The vacuum chamber 39 is connected at the top by a connector connector 31 connected to the outer shield of the lead-in cable 8. A rotationally symmetric electrode 20, which is part of the second electrostatic shielding system 2, is mounted on the ceramic vacuum-tight insulator 21. with a cylindrical collar 23 which is connected to the insulated inner shielding sheath 24 of the lead-in cable 8, which in fact forms a series connection of the high-voltage extraction sources 5 and 6. The current leads 11 of the cathode 7 pass in isolation through the inner sheath 24 and the cylindrical collar 23 into the vacuum vacuum passages 12 to the vacuum and are connected to the cathode 7 and form part of the first electrostatic shielding system. The electric center of the current leads for the heating of the cathode 7 is then connected to the cover of the first electrostatic shielding system 1 in the heating current source 4.

Takto vytvořený zdroj pro autoemisi elektronů při důsledném konstrukčním dodržování zásad koaxiálního vedení včetně příslušných napájecích zdrojů účinně chrání hrot autoemisní katody 7 před vznikem výboje a zničením v důsledku průtoku proudu z parazitních kapacit katody vůči zemnímu potenciálu.The electron emission source thus created, while strictly following the principles of coaxial conduction, including the appropriate power supplies, effectively protects the tip of the auto-emission cathode 7 from discharge and destruction due to current flow from the cathode capacitance capacities to earth potential.

Zdroj pro autoemisi elektronů -s přihřívanou katodou je určen zejména pro· vysokovakuové elektronově optické soustavy, například rastrovací mikroskop nebo elektronový litograf.The electrode autoemission source with a heated cathode is particularly intended for high vacuum electron optical systems, for example a scanning microscope or an electron lithograph.

Claims

A high-voltage cathode heating electron emission source, characterized in that it consists of three electrostatic shielding systems (1, 2, 3) enclosed within one another, of which the first electrostatic shielding system (1) closes the extraction voltage source and the source (4). ) a heating current which is connected both to the cathode filament (7) and to the electrical center with a first outlet of the extraction voltage source (5) and a first electrostatic shielding system (1), the second outlet of the extraction voltage source (5) being connected in series with a high voltage source (6) and a second electrostatic screening system (2) coaxially surrounding the cathode fiber (7), the second outlet of the high voltage source (6) being connected to a ground potential node and a third electrostatic system (3) coaxially overlapping a second electrostatic system (2).