DE102016124673B3

DE102016124673B3 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Quellenstroms von Ladungsträgern mittels Feldemission und Verfahren zur Stabilisierung eines mittels eines Feldemissionselements emittierten Quellenstroms von Ladungsträgern

Info

Publication number: DE102016124673B3
Application number: DE102016124673.5A
Authority: DE
Inventors: Felix Düsberg; Michael Bachmann
Original assignee: KETEK GmbH
Current assignee: KETEK GmbH
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2036-12-17
Also published as: US10546712B2; US10957510B2; US20200144015A1; US20180174792A1

Abstract

In einer Ausführungsform dient die Vorrichtung (100) zur Erzeugung eines Quellenstroms von Ladungsträgern mittels Feldemission. Die Vorrichtung umfasst ein Feldemissionselement (1), aus dem im Betrieb der Vorrichtung die Ladungsträger austreten, die zu einem Emissionsstrom im Feldemissionselement (1) führen. Außerdem beinhaltet die Vorrichtung eine Extraktionselektrode (7) zum Anlegen einer Extraktionsspannung, um die Ladungsträger aus dem Feldemissionselement (1) zu extrahieren. Dabei trägt ein erster Teil der extrahierten Ladungsträger zu dem Quellenstrom bei und ein zweiter Teil der extrahierten Ladungsträger trifft auf die Extraktionselektrode (7) und führt zu einem Extraktionsstrom in der Extraktionselektrode. Eine Regelungsvorrichtung (21) der Vorrichtung ist dazu eingerichtet, im Betrieb der Vorrichtung (100) Schwankungen einer für den Quellenstrom charakteristischen Regelgröße Q zu verringern.

Description

Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Quellenstroms von Ladungsträgern mittels Feldemission angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Stabilisierung eines mittels eines Feldemissionselements emittierten Quellenstroms von Ladungsträgern angegeben.
Die Druckschrift US 2002/0130625 A1 betrifft eine Elektronenquelle, die mit einem closed loop-Regelverfahren betrieben wird. Dabei erfolgt eine Ladungsträgeremission an einer kalten Kathode.
Aus der Druckschrift DE 11 2014 002 139 B4 ist eine Elektronenkanone mit einer Elektronenquelle, mit Leistungsquellen, mit Steuerelektroden und mit einer Beschleunigungselektrode bekannt. Eine Ansteuerung der Elektronenkanone erfolgt basierend auf Abständen zwischen den beteiligten Elektroden und aufgrund deren Öffnungsdurchmessern.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, eine Vorrichtung anzugeben, mit der zeitlich stabil ein Quellenstrom von Ladungsträgern erzeugbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Erzeugung eines Quellenstroms von Ladungsträgern mittels Feldemission oder Feldionisation eingerichtet. Vereinfachend ist nachfolgend meist nur von Feldemission die Rede, jedoch gelten die Ausführungen hierzu genauso für die Feldionisation. Mit anderen Worten eignet sich die hier beschriebene Vorrichtung als Feldemissionselement wie auch als Feldionisationsquelle. Bei den Ladungsträgern handelt es sich insbesondere um Elektronen oder Ionen.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung eines oder mehrere Feldemissionselemente. Aus dem mindestens einen Feldemissionselement treten im Betrieb der Vorrichtung die Ladungsträger aus. Die ausgetretenen Ladungsträger führen dabei zu einem Emissionsstrom im Feldemissionselement. Bei dem Feldemissionselement handelt es sich etwa um eine oder mehrere Emitter. Diese können im Speziellen Spitzen sein, zum Beispiel aus einem Halbleiter wie Silizium, einem Metall wie Wolfram, einem Isolator wie Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, einem kohlenstoffbasierten Material wie diamantähnlicher Kohlenstoff, Carbon Nano Tubes, Graphen, oder anderen Materialien wie LaB₆, an denen eine Extraktionsspannung angelegt ist. Das Feldemissionselement ist bevorzugt als positivste oder negativste Elektrode, etwa als Kathode, geschaltet.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zumindest eine Extraktionselektrode zum Anlegen der Extraktionsspannung, um die Ladungsträger aus dem Feldemissionselement zu extrahieren. Bei der oder bei den Extraktionselektroden handelt es sich zum Beispiel um eine Ringelektrode oder eine Gitterelektrode.
Erfindungsgemäß trägt ein erster Teil der extrahierten Ladungsträger zu dem Quellenstrom bei und ein zweiter Teil der extrahierten Ladungsträger trifft auf die Extraktionselektrode und führt zu einem Extraktionsstrom in der Extraktionselektrode. Mit anderen Worten trifft ein Teil der von dem Feldemissionselement emittierten Ladungsträger auf die Extraktionselektrode und wird von der Extraktionselektrode absorbiert, sodass diese absorbierten Ladungsträger nicht weiter ein Teil des Quellenstroms sind.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung wenigstens eine Regelungsvorrichtung. Die Regelungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, im Betrieb der Vorrichtung Schwankungen einer für den Quellenstrom charakteristischen Regelgröße Q zu verringern. Bei der Regelgröße Q handelt es sich um einen Strom an an einer zusätzlichen Elektrode (Elektrodenstrom). Die charakteristische Regelgröße Q wird durch den Strom in der zusätzlichen Elektrode (Elektrodenstrom) bestimmt. Bei der zusätzlichen Elektrode handelt es sich bevorzugt um die positivste Elektrode oder um die negativste Elektrode, abhängig davon, ob Elektronen oder positive Ionen erzeugt werden.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Strahlungserzeugung eingerichtet. Dabei ist ein Photonenfluss bei der Strahlungserzeugung bevorzugt proportional oder näherungsweise proportional zum Elektrodenstrom in der zusätzlichen Elektrode.
Erfindungsgemäß dient die Vorrichtung zur Erzeugung eines Quellenstroms von Ladungsträgern mittels Feldemission. Die Vorrichtung umfasst zumindest ein Feldemissionselement, aus dem im Betrieb der Vorrichtung die Ladungsträger austreten, die zu einem Emissionsstrom im Feldemissionselement führen. Außerdem beinhaltet die Vorrichtung zumindest eine Extraktionselektrode zum Anlegen einer Extraktionsspannung, um die Ladungsträger aus dem Feldemissionselement zu extrahieren. Dabei trägt ein erster Teil der extrahierten Ladungsträger zu dem Quellenstrom bei und ein zweiter Teil der extrahierten Ladungsträger trifft auf die Extraktionselektrode und führt zu einem Extraktionsstrom in der Extraktionselektrode. Eine Regelungsvorrichtung der Vorrichtung ist zudem dazu eingerichtet, im Betrieb der Vorrichtung Schwankungen einer für den Quellenstrom charakteristischen Regelgröße Q zu verringern.
Es hat sich herausgestellt, dass der Quellenstrom von von ähnlichen Vorrichtungen erzeugten Ladungsträgern relativ starke Schwankungen aufweist. Diese Schwankungen sind durch die Regelung auf die Regelgröße Q bei der hier beschriebenen Vorrichtung reduzierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zumindest ein Steuerelement. Das oder die Steuerelemente sind dazu eingerichtet, den Emissionsstrom zu ändern. Dabei ist bevorzugt die Regelungsvorrichtung dazu eingerichtet, das Steuerelement anzusteuern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zumindest eine Variationselektrode, die dazu eingerichtet ist, eine kinetische Energie der extrahierten Ladungsträger des Quellenstroms mittels einer an die Variationselektrode angelegten Variationsspannung zu ändern. Insbesondere hierzu ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass die Variationsspannung in Abhängigkeit von einer für die kinetische Energie der extrahierten Ladungsträger charakteristischen Größe K variiert wird. Zum Beispiel handelt es sich bei der charakteristischen Größe K um eine Spannungsdifferenz zwischen dem Feldemissionselement und der Variationselektrode. Eine solche Variationselektrode kann alternativ oder zusätzlich zu der zusätzlichen Elektrode, welche bevorzugt als positivste oder negativste Elektrode dient, vorhanden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform steuert das Steuerelement den Emissionsstrom. Insbesondere steuert das Steuerelement den Ladungsträgerzufluss zum Feldemissionselement oder die Extraktionsspannung. Zum Beispiel ändert das Steuerelement den Emissionsstrom durch eine Änderung eines Widerstands und/oder einer Spannung insbesondere hin zum Feldemissionselement, durch die Ansteuerung eines Transistors oder Beleuchtung oder Temperaturbeaufschlagung einer Diode oder eines Transistors. Das Steuerelement kann auch in das Feldemissionselement integriert sein.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Erzeugung eines Quellenstroms von Ladungsträgern mittels Feldemission zumindest ein Feldemissionselement, aus dem im Betrieb der Vorrichtung Ladungsträger austreten, die zu einem Emissionsstrom im Feldemissionselement führen und zumindest zum Teil zum Quellenstrom von Ladungsträgern beitragen. Zudem umfasst die Vorrichtung zumindest ein Steuerelement, das dazu eingerichtet ist, den Emissionsstrom zu ändern und zumindest eine Regelungsvorrichtung, wobei die Regelungsvorrichtung eingerichtet ist, das Steuerelement anzusteuern. Des Weiteren ist zumindest eine Variationselektrode vorhanden, die dazu eingerichtet ist, die kinetische Energie der extrahierten Ladungsträger des Quellenstroms mittels einer an die Variationselektrode angelegten Variationsspannung zu ändern. Die Vorrichtung ist derart ausgebildet, dass die Variationsspannung in Abhängigkeit von einer für die kinetische Energie der extrahierten Ladungsträger charakteristischen Größe K variiert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die charakteristische Größe K mittels eines Spannungsabfalls an dem Steuerelement erhaltbar. Bevorzugt ist die Vorrichtung so ausgebildet, dass bei wachsendem Spannungsabfall am Steuerelement die Variationsspannung erhöht wird und/oder bei sinkendem Spannungsabfall am Steuerelement die Variationsspannung verringert wird. Mit anderen Worten ist es möglich, dass die charakteristische Größe K mittels des Spannungsabfalls an dem Steuerelement gemessen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eines oder mehrere Addierelemente. Das mindestens eine Addierelement ist mit der Variationselektrode elektrisch leitend verbunden. Dabei ist die Vorrichtung bevorzugt so eingerichtet, dass die Variationsspannung mittels Addition aus der Extraktionsspannung und dem Spannungsabfall am Steuerelement erhalten wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform führt der Spannungsabfall am Steuerelement zu einer Verbreiterung der Verteilung der kinetischen Energie der Ladungsträger des Quellenstroms. Bevorzugt wird dieser Verbreiterung mittels der Variationselektrode entgegengewirkt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Masseanschluss und/oder eine elektrische Versorgungsleistungsquelle, kurz Leistungsquelle. Dabei ist das Steuerelement in einem Leitungspfad zwischen der Versorgungsleistungsquelle und dem Feldemissionselement angeordnet. Alternativ ist das Steuerelement in einem Leitungspfad zwischen dem Masseanschluss und dem Feldemissionselement angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Steuerelement um einen Transistor, im speziellen ein MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, kurz MOSFET, und/oder um eine Diode, im speziellen eine PIN-Diode, im Besonderen einen Silizium-Drift-Detektor, der als Diode betrieben wird. Weiterhin können Bipolartransistoren und/oder IGBTFETs für das Steuerelement verwendet werden. Es ist möglich, dass das Steuerelement den Ladungsträgerfluss im Emitter über eine elektrisch leitende Anbindung an den Emitter steuert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Steuerelement mit der Extraktionselektrode elektrisch leitend verbunden. Das Steuerelement ist dann bevorzugt dazu ausgelegt, den Emissionsstrom durch Änderung der Extraktionsspannung zu ändern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Vorrichtung derart ausgebildet, sodass im Betrieb der Vorrichtung eine zeitliche Verteilung der für den Quellenstrom charakteristischen Größe Q eine relative Standardabweichung S_Q aufweist, die kleiner oder gleich einem der folgenden Werte ist: 10 %, 5 %, 1 %, 0,5 %, 0,1 %, 0,05 %, 0,01 %, 0,005 %, 0,001 %. Das kann zur Folge haben, dass der Emissionsstrom durch die Vorrichtung instabiler oder stabiler wird. Bei der für den Quellenstrom charakteristischen Größe handelt es sich etwa um einen Strom an der positivsten oder negativsten Elektrode.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Regelungsvorrichtung zumindest einen Eingang, dem ein aktueller Wert der Regelgröße zugeführt wird, und zumindest einen Ausgang auf, der mit dem Steuerelement verbunden ist. Bevorzugt ist die Vorrichtung dabei so ausgebildet, dass das Steuerelement über den insbesondere genau einen Ausgang so angesteuert wird, sodass die Regelgröße einen vorgegebenen Sollwert annimmt. Dabei kann der Sollwert konstant sein oder sich zeitlich ändern. Auch die Regelgröße kann zeitlich moduliert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Vorrichtung zumindest ein Differenzbildungselement auf. Dabei ist Q bevorzugt eine Funktion der Differenz aus dem Emissionsstrom und dem Extraktionsstrom. Bei der Differenz kann es sich auch um die Spannungsabfälle am jeweiligen Erfassungselement handeln, zum Beispiel um Spannungsabfälle an einem Widerstand, der von dem zugehörigen Strom durchflossen wird.
Erfindungsgemäß ist Q eine Funktion eines durch den Quellenstrom von Ladungsträgern in der zusätzlichen Elektrode, auf den die Ladungsträger auftreffen, hervorrufbaren Elektrodenstroms.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine oder mehrere zusätzliche Elektroden auf, auf der der Quellenstrom von Ladungsträgern auftrifft und zu einem Elektrodenstrom in der zusätzlichen Elektrode beiträgt. Dabei ist die Regelgröße Q eine Funktion des Elektrodenstroms an dieser zusätzlichen Elektrode, die insbesondere eine positivste oder negativste Elektrode ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine oder mehrere Ladungsträgeroptiken auf. Mit der zumindest einen Ladungsträgeroptik kann eine Flugbahn und/oder eine kinetische Energie der erzeugten Ladungsträger beeinflusst und/oder gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich ist eine Variationselektrode vorhanden.
Bei der Bestimmung der Regelgröße Q ist es möglich, einen elektrischen Strom, verursacht durch von der zusätzlichen Elektrode absorbierten Ladungsträger, zu berücksichtigen. So ist die Regelgröße Q insbesondere der Emissionsstrom verringert um den Extraktionsstrom und verringert um einen Strom an der Ladungsträgeroptik und verringert um einen Strom an der zusätzlichen Elektrode und verringert um einen Strom an der Variationselektrode.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung als Strahlungsquelle ausgebildet. Hierbei wird die von der Strahlungsquelle zu emittierende elektromagnetische Strahlung mittels des auf die zusätzliche Elektrode treffenden Quellenstroms erzeugt. Das heißt, es entsteht zum einen Bremsstrahlung durch den Verlust der kinetischen Energie der Ladungsträger und zum anderen durch die Ladungsträger werden insbesondere Elektronen in einem Material der zusätzlichen Elektrode in höhere Energieniveaus gehoben und beim Zurückfallen der Elektronen in die ursprünglichen Energieniveaus wird die Strahlung erzeugt. Bei der erzeugten Strahlung handelt es sich um Röntgenstrahlung, insbesondere um harte Röntgenstrahlung. Beispielsweise handelt es sich bei der erzeugten Strahlung um Röntgenstrahlung mit einer mittleren Photonenenergie von mindesten 5 keV oder 20 keV oder 60 keV und/oder von höchstens 250 keV oder 120 keV oder 30 keV.
In einer nicht erfindungsgemäßen Abwandlung ist die Vorrichtung als Ladungsträgerquelle ausgeführt. Bei den Ladungsträgern handelt es sich insbesondere um Elektronen oder Ionen, die aus dem Feldemissions- oder Feldionisationselement stammen. Ebenso kann es sich um Sekundärelektronen aus der zusätzlichen Elektrode oder um Ionen, etwa aus einem Gasvolumen, handeln, in das der Quellenstrom eintritt und über Stoßionisation die Ionen erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eines oder sind mehrere der folgenden Komponenten der Vorrichtung für den Quellenstrom durchlässig oder teilweise durchlässig ausgeführt, sodass im Betrieb der Vorrichtung die Ladungsträger des Quellenstroms durch dieses oder diese Elemente hindurchtreten können: die zusätzliche Elektrode, die Variationselektrode, die Ladungsträgeroptik. Es ist auch möglich, dass die zusätzliche Elektrode die Variationselektrode bildet, sodass beide Komponenten identisch sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eines, eine beliebig ausgewählte Mehrzahl von oder alle der folgenden Stromerfassungselemente auf:

Emissionsstromerfassungselement,
Extraktionsstromerfassungselement,
Elektrodenstromerfassungselement,
Ladungsträgeroptikstromerfassungselement,
Variationselektrodenstromerfassungselement. Hierbei umfasst eines der Stromerfassungselemente zum Beispiel mindestens einen Widerstand, wobei der Spannungsabfall an dem Widerstand oder den Widerständen den Strom der entsprechenden Elektrode charakterisiert.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eines, eine beliebig ausgewählte Mehrzahl von oder alle der folgenden Stromerfassungselemente eine Temperaturkompensation auf: Extraktionsstromerfassungselement, Emissionsstromerfassungselement, Elektrodenstromerfassungselement, Ladungsträgeroptikstromerfassungselement, Variationselektrodenstromerfassungselement. Dabei weist bevorzugt eines, eine beliebig ausgewählte Mehrzahl von oder alle der Stromerfassungselemente eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Widerständen auf. Bei einem der Widerstände kann es sich dabei um einen PTC-Widerstand handeln und alternativ oder zusätzlich ist ein anderer der Widerstände ein NTC-Widerstand. PTC steht hierbei für Positive Temperature Coefficient, ein Material hierfür ist beispielsweise eine halbleitende, polykristalline Keramik. NTC steht für Negative Temperature Coefficient, zum Beispiel ist der NTC-Widerstand aus einem Draht, etwa aus einer Platinlegierung oder aus Nickel und Eisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, den Quellenstrom konstant zu halten. Über den konstanten Quellenstrom ist eine konstante Ladungsträgererzeugung und/oder eine konstante Strahlungserzeugung ermöglicht. Konstant bedeutet zum Beispiel, dass eine Standardabweichung des Quellenstroms bei höchstens 10 % oder 5 % oder 1 % oder 0,5 % oder 0,1 % oder 0,05 % oder 0,01 % oder 0,005 % oder 0,001 % liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle oder zumindest einige elektronische Komponenten der Vorrichtung in einem gemeinsamen Mikrochip oder Mikroprozessor integriert. Bei den elektronische Komponenten handelt es sich insbesondere um Halbleiterkomponenten wie Dioden, Operationsverstärker, Transistoren, Addierelemente, Steuereinheiten und Speicherbausteine. Ebenso ist es möglich, dass auch Spannungsquellen oder Stromquellen oder zumindest deren Ansteuerung teilweise oder vollständig in dem Mikrochip oder Mikroprozessor integriert sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung wird das Feldemissionselement und/oder die Extraktionselektrode mehrstufig mit elektrischer Spannung beaufschlagt. Das heißt insbesondere, dass mehrere in Serie geschaltete Versorgungselemente wie Transistoren, zum Beispiel sogenannte PowerMOS-Transistoren, vorhanden sind. Es ist möglich, dass eine Parallelschaltung von solchen Serienschaltungen gegeben ist.
Die hier beschriebene Vorrichtung kann zusammenfassend also insbesondere mit den folgenden Regelungsarten betrieben werden, auch in Kombination:

- Anoden- oder Kathodenstromregelung oder Regelung des Stroms der positivsten oder negativsten Elektrode
- Differenzstromregelung mit mindestens zwei, einer Auswahl der oder allen Elektroden aus jeder Elektrodenkombination, wobei der Strom in jedem Zwischenbereich geregelt werden kann,
- Emissionsstromregelung.

In allen Ausführungsformen und bei allen Regelungsarten können ergänzende Elektroden vorhanden sein, jeweils eine oder mehrere, auch in beliebigen Kombinationen, wobei jeweils zumindest eine zusätzliche Elektrode vorhanden ist:

- Variationselektroden, entweder direkt oder zum Beispiel über einen Addierer angesteuert,
- zusätzliche Elektroden, insbesondere als letzte Elektrode der Vorrichtung vor einem Verlassen der Ladungsträger der Vorrichtung oder vor einem Auftreffen der Ladungsträger auf einen Zielbereich, englisch target, wobei die zusätzliche Elektrode in Transmission oder Reflexion betrieben werden kann,
- einem oder mehrerer elektronenoptischer oder ionenoptischer Elemente etwa zur Fokussierung der Ladungsträger.

In allen Ausführungsformen und bei allen Regelungsarten und Elektrodenkonfigurationen können insbesondere die folgenden Steuerparameter herangezogen werden: Strombegrenzung, etwa gegen Masse oder auf der sogenannten „High-Seite“, Licht und Temperatur, Extraktionsspannung etwa über einen OPV. Alternativ oder zusätzlich kann eine Variationen der Schaltungen erfolgen: Temperaturkompensation, Verstärkung, Entkoppelung der Schaltungsteile, Bandbreite und/oder Reglertyp oder Reglerparameter.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben, angegeben.
Erfindungsgemäß dient das Verfahren zur Stabilisierung eines mittels eines Feldemissionselements emittierten Quellenstroms von Ladungsträgern, wobei der Quellenstrom durch die Ladungsträger gebildet ist, die eine Extraktionselektrode, mittels derer die Ladungsträger aus dem Feldemissionselement extrahiert wurden, bereits passiert haben, und wobei in dem Verfahren eine für den Quellenstrom charakteristische Größe ermittelt wird und diese Größe einer Regelungsvorrichtung als Regelgröße übergeben wird.
Nachfolgend werden eine hier beschriebene Vorrichtung und ein hier beschriebenes Verfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1 bis 9 schematische Funktionsprinzipen anhand von schematischen Schaltplänen für Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Vorrichtungen für hier beschriebene Verfahren zur Erzeugung eines Quellenstroms von Ladungsträgern mittels Feldemission oder Feldionisation,
10 und 11 schematische Darstellungen von Aufbauten von Ausführungsbeispielen der Vorrichtung, und
12 bis 14 Messkurven für den Elektrodenstrom, den Emissionsstrom und den Extraktionsstrom sowie den Röntgenfluss in einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung.
1 zeigt schematisch das Funktionsprinzip einer hierin vorgeschlagenen Vorrichtung 100 zur Erzeugung eines Quellenstroms von Ladungsträgern mittels Feldemission.

Außerdem werden anhand der 1 einige weiter oben und im Folgenden benutzte Begriffe näher erläutert.
1 und die anderen Ausführungsbeispiele sind, soweit nicht anders kenntlich gemacht, für die Erzeugung von Elektronen als Ladungsträger formuliert. Bei einer anderen Ladungsträgerpolarität, also bei der Erzeugung von positiven Ionen, gilt hinsichtlich der beschriebenen Spannungspolaritäten dann demgemäß das Umgekehrte.
Die Vorrichtung 100 der 1 weist ein Feldemissionselement 1, bestehend aus einem oder mehreren einzelnen Emittern wie einem Emitterarray, auf, beispielsweise ein Metall oder einen Halbleiter wie Silizium oder einem Oxid oder einem kohlenstoffbasierten Material wie diamantähnlichem Kohlenstoff, Carbon Nano Tubes, Graphen oder anderen Materialien wie LaB₆ enthaltend oder daraus bestehend auf. Aus diesem Feldemissionselement 1 können im Betrieb der Vorrichtung 100 mittels Feldemission Ladungsträger, insbesondere Elektronen, extrahiert werden. Die aus dem Feldemissionselement 1 extrahierten Ladungsträger sind in 1 durch die Pfeile mit den Bezugszeichen 3 und 5 angedeutet.
Die Vorrichtung 100 weist weiterhin zumindest eine Extraktionselektrode 7 auf. Diese ist dem Feldemissionselement 1 zugeordnet. Mittels der Extraktionselektrode 7 kann eine Extraktionsspannung Vext an das Feldemissionselement 1 angelegt werden. Zu diesem Zweck ist die Extraktionselektrode 7 elektrisch leitend mit einer elektrischen Leistungsquelle 9, vorzugsweise einer Spannungsquelle, verbunden. Die Extraktionselektrode 7 kann mit einem Extraktionselektrodenanschluss der Leistungsquelle 9 elektrisch leitend verbunden sein.
Außer dem Extraktionsanschluss kann die Leistungsquelle 9 einen Masseanschluss 91, auch als Groundanschluss oder GND bezeichnet, aufweisen. Der Extraktionselektrodenanschluss wird von der Spannungsquelle 9 zweckmäßigerweise mit einer höheren oder niedrigeren Spannung versorgt als der Masseanschluss 91, abhängig von der Ladungsträgerpolarität. Deshalb wird hierin die durch den Extraktionselektrodenanschluss bereitgestellte Anschlussmöglichkeit der Leistungsquelle 9 manchmal auch als Hochvoltseite oder High-Side der Leistungsquelle 9 bezeichnet. Der Masseanschluss 91 andererseits wird manchmal auch als Niedervoltseite oder Low-Side bezeichnet.
Es ist auch denkbar und in einigen Fällen praktikabler, dass die letzte Elektrode auf Masseanschluss (Ground, GND) liegt und alle emitternäheren auf entsprechend negativerem oder positiverem Potential. Dies gilt entsprechend für alle anderen Ausführungsbeispiele. Im Folgenden ist nur der Fall eines emitterseitigen Masseanschlusses gezeigt, die Beispiele sind mit entsprechendem Massepotential ungleich 0 V aber auch realisierbar.
Das Feldemissionselement 1 ist über einen Versorgungsanschluss 11 mit einer Versorgungsleistungsquelle elektrisch leitend verbunden, über die das Feldemissionselement 1 mit Ladungsträgern versorgt werden kann, die durch die Extraktionselektrode 7 aus dem Feldemissionselement 1 extrahiert werden können. Die über den Versorgungsanschluss angelegte Versorgungsspannung Vv ist im Falle der Erzeugung von Elektronen zweckmäßigerweise kleiner als die Extraktionsspannung Vext, im Falle der Erzeugung von positiven Ionen gilt demgemäß das Umgekehrte. Beispielsweise beträgt die Versorgungsspannung 20 V oder weniger, bis hin zu negativen Spannungen. Die Versorgungsleistungsquelle kann durch die Leistungsquelle 9 gegeben sein. Der Versorgungsanschluss 11 kann durch den Masseanschluss 91 der Leistungsquelle 9 verwirklicht sein.
Typische Spannungsdifferenzen zwischen dem Feldemissionselement 1 und der Extraktionselektrode 7, die ausreichen, um Ladungsträger aus dem Feldemissionselement 1 zu extrahieren, liegen im Bereich größer oder gleich 50 V oder von einigen 100 V, zum Beispiel von größer oder gleich 500 V oder größer oder gleich 800 V. Die erforderlichen Spannungen sind abhängig vom Material und von der Geometrie des Feldemissionselements.
Das Feldemissionselement 1 weist an seiner der Extraktionselektrode 7 zugewandten Seite eine Spitze auf, wodurch die Extraktion von Ladungsträgern begünstigt wird. Für den Durchtritt von extrahierten Ladungsträgern durch die Extraktionselektrode ist diese bevorzugt ausgespart. Die aus dem Feldemissionselement 1 extrahierten Ladungsträger tragen in ihrer Gesamtheit zu einem von dem Feldemissionselement weg in Richtung des Versorgungsanschlusses 11 fließenden Emissionsstrom Iemission bei. Der Emissionsstrom Iemission ist durch die Gesamtheit aller aus dem Feldemissionselement 1 extrahierter Ladungsträger verursacht. Das heißt, der Emissionsstrom ist gleich der Summe aus dem Extraktionsstrom und dem Quellenstrom.
Die aus dem Feldemissionselement 1 extrahierten Ladungsträger weisen zwei Anteile auf, die Anteile 3 und 5. Der Ladungsträgeranteil 3 tritt durch die Extraktionselektrode 7 hindurch. Hierfür ist die Extraktionselektrode 7, vorzugsweise in einem Bereich, in dem die Feldemission vorwiegend stattfindet, ausgespart, zweckmäßigerweise in dem Bereich, der über der zumindest einen Spitze des Feldemissionselements 1 liegt. Ein zweiter Ladungsträgeranteil 5 der extrahierten Ladungsträger gelangt, insbesondere unmittelbar nach der Extraktion aus dem Feldemissionselement 1, auf die Extraktionselektrode 7 und generiert in der Extraktionselektrode einen Extraktionsstrom Iext. Sind die Ladungsträger Elektronen, so ist die technische Stromflussrichtung von der Leistungsquelle 9 zur Extraktionselektrode 7 hin, wie in 1 veranschaulicht.
Der durch die Extraktionselektrode 7 hindurchgetretene Ladungsträgeranteil 3 trägt bei zu dem oder bildet den von dem Feldemissionselement 1 mittels Feldemission erzeugten Quellenstrom von Ladungsträgern. Folglich ist Anteil 3 um die in der Extraktionselektrode 7 absorbierten Ladungsträgeranteil 5 geringer als die Gesamtheit der extrahierten Ladungsträger.
Außerdem umfasst die Vorrichtung 100 der 1 eine Regelungsvorrichtung 21, die lediglich stark vereinfacht illustriert ist. Bevorzugt weist die Regelungsvorrichtung 21 einen in 1 nicht gezeichneten GND-Anschluss auf und/oder ist mit einer anderen Spannungsversorgung verbunden. Weiterhin nimmt die Regelungsvorrichtung 21 bevorzugt Einfluss auf das elektrische Potential der Extraktionselektrode 7, des Feldemissionselements 1 und/oder der zusätzlichen Elektrode 13, wobei die hierfür nötigen elektrischen Verbindung in 1 nicht oder nur sehr schematisch gezeichnet sind. Die Regelungsvorrichtung 21 ist in Verbindung mit den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Vorrichtung 100 mit der Extraktionselektrode 7 und dem Feldemissionselement 1 kann als Ladungsträgerquelle dienen, zum Beispiel für Anwendungen, die freie Ladungsträger erfordern. Solche Anwendungen sind beispielsweise: für eine Röntgenröhre, für Elektronenstrahllithographie oder E-Beam Lithographie, für Gasionenmobilitätsspektroskopie, für einen Rauchmelder, für die Massenspektrometrie oder ähnliche Anwendungen. Die Vorrichtung 100 kann insbesondere als Vorrichtung für die genannten Zwecke ausgebildet sein und somit, abgesehen von den vorgenannten Komponenten, noch weitere Komponenten aufweisen, wie sie etwa für ein Gerät zur Elektronenstrahllithographie oder für eine Röntgenröhre erforderlich sind.
Wie in 1 dargestellt, weist die Vorrichtung 100 eine zusätzliche Elektrode 13 auf, insbesondere eine positivste oder negativste Elektrode. Der Quellenstrom von Ladungsträgern, gebildet durch den durch die Extraktionselektrode 7 hindurchgetretenen Ladungsträgeranteil 3, kann auf die zusätzliche Elektrode 13 treffen.
Die zusätzliche Elektrode 13 kann mit einem Elektrodenanschluss einer Leistungsquelle 15 elektrisch leitend verbunden sein. Über die Leistungsquelle 15 kann die Elektrode mit der Elektrodenspannung Velektrode beaufschlagt werden, so dass diese Spannung an der zusätzlichen Elektrode 13 anliegt. Die Elektrodenspannung Velektrode ist bevorzugt am positivsten oder negativsten. Die Leistungsquelle 15 kann durch die Leistungsquelle 9 oder eine andere Leistungsquelle gegeben sein, wobei der Elektrodenanschluss zweckmäßigerweise verschieden vom Extraktionselektrodenanschluss ist. Der waagrechte Strich in 1 symbolisiert hierbei wiederum den Masseanschluss 151, 91 der jeweiligen Leistungsquelle.
Die auf der zusätzlichen Elektrode 13 auftreffenden Ladungsträger führen zu einem in der zusätzlichen Elektrode 13 fließenden Elektrodenstrom Ielektrode. Sind die Ladungsträger Elektronen, so ist die technische Stromflussrichtung von der Leistungsquelle 15 zur zusätzlichen Elektrode 13 hin. Weiter oben und im Folgenden können der Elektrodenstrom und die Elektrodenspannung auch als Anodenstrom und Anodenspannung bezeichnet sein.
Die auf die zusätzliche Elektrode 13 treffenden Ladungsträger erzeugen Röntgenstrahlung. Die Strahlung kann von der zusätzlichen Elektrode 13 abgestrahlt werden. Dies ist in 1 durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen 17 angedeutet, der die erzeugte elektromagnetische Strahlung symbolisiert.
Ergänzend kann eine Variationselektrode 75 vorgesehen sein, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen. Bevorzugt ist die Variationselektrode 75 zwischen der zusätzlichen Elektrode 13 und der Extraktionselektrode 7 angeordnet. Der Ladungsträgerfluss durchläuft somit zunächst die Variationselektrode 75 und kann erst später auf die zusätzliche Elektrode 13 treffen. Auf die zusätzliche Elektrode 13 kann alternativ dann auch verzichtet werden. Weiterhin kann die Vorrichtung 100 ein optisches Element 76, insbesondere ein elektronenoptisches Element, der Ladungsträgeroptik aufweisen. Solche optische Elemente 76 umfassen zum Beispiel Lochblenden, Wehneltzylinder, Kondensatorplatten und/oder Magnete wie Ringmagnete.
Dieses optische Element 76 kann entlang des Ladungsträgerflusses gesehen nach der Extraktionselektrode 7 und/oder der Variationselektrode 75 angeordnet sein. Durch das optische Element 76 der Ladungsträgeroptik kann der Quellenstrom von Ladungsträgern beispielsweise geeignet fokussiert werden, sodass er in einem definierten Bereich auf die zusätzliche Elektrode 13 trifft.
Abweichend von der Darstellung in 1 können die Variationselektrode 75 und das optische Element 76 auch in umgekehrter Reihenfolge vorliegen. Wird die Vorrichtung 100 als Elektronen- oder Ionenquelle genützt, sodass die Ladungsträger durch die zusätzliche Elektrode 13 transmittiert werden, so kann insbesondere das optische Element 76 auch nach der zusätzlichen Elektrode 13 angeordnet sein und/oder die Variationselektrode 75 kann als Elektronen- oder Ionentransmissionsfenster genützt werden. Entsprechendes gilt für alle anderen Ausführungsbeispiele.
In 1 ist optional eine Regelung und Beeinflussung des Verhaltens insbesondere des Feldemissionselements 1 und/oder der Regelungsvorrichtung 21 mittels einer Temperatureinheit 48 und alternativ oder zusätzlich mittels einer Beleuchtungseinheit 49 möglich. Mit der Temperatureinheit 48 ist eine Temperatur etwa des Feldemissionselements 1 und/oder der Regelungsvorrichtung 21 einstellbar. Mit der Beleuchtungseinheit 49 ist bevorzugt das Feldemissionselement 1 und/oder die Regelungsvorrichtung 21 beleuchtbar, zum Beispiel mit nahultravioletter Strahlung, sichtbarem Licht oder Infrarotstrahlung. Eine solche Temperatureinheit 48 und/oder Beleuchtungseinheit 49, die in 1 nur stark schematisiert gezeichnet ist, kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein.
Im Folgenden werden Maßnahmen beschrieben, mit denen der Quellenstrom von Ladungsträgern stabilisiert werden kann, wobei in den Ausführungsbeispielen je eine oder mehrere dieser Maßnahmen vorliegen. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass Schwankungen im Elektrodenstrom, in der erzeugten elektromagnetischen Strahlung und/oder die Breite der Verteilung der kinetischen Energie der Elektronen verringert werden.
Mit einer oder auch einer Kombination dieser Maßnahmen kann eine besonders stabile Ladungsträgerquelle oder Strahlungsquelle bereitgestellt werden. Besonders eignet sich die vorgeschlagene Ladungsträgerquelle für den Einsatz in einer Vorrichtung, die als Strahlungsquelle ausgebildet ist, da aufgrund des stabilen Quellenstroms auch die erzeugte Strahlung nur besonders geringe Intensitätsschwankungen aufweist. Auch eine Ladungsträgeroptik, die beispielsweise zur elektrostatischen Fokussierung der emittierten Ladungsträger dient, kann aufgrund des vorteilhaft schmalen Spektrums der Verteilung der kinetischen Energie der Ladungsträger vereinfacht ausgebildet werden.
Um den Quellenstrom von Ladungsträgern möglichst gleichförmig und konstant zu halten oder aber auf bestimmte Weise zu modulieren, werden vorliegend verschiedene Regelungskonzepte vorgeschlagen. Eine Gruppe von Konzepten hat dabei den Grundgedanken, für die Regelung des Quellenstroms eine Größe anzusetzen, die für den Quellenstrom selbst charakteristisch ist. Insbesondere ist dies eine Regelgröße, bei der berücksichtigt ist, dass ein Teil der extrahierten Ladungsträger nicht zum Quellenstrom beiträgt, sondern zu Strömen in einer oder mehrerer der Elektroden führt, wie oben erläutert. Eine weitere Gruppe von Konzepten bezieht sich darauf, dass zusätzlich oder alternativ zur zusätzlichen Elektrode 13 die Variationselektrode 75 vorgesehen ist, mittels derer die kinetische Energie der extrahierten Ladungsträger des Quellenstroms geändert werden kann.
Über die Regelung der für den Quellenstrom charakteristischen Regelgröße Q wird der Quellenstrom stabilisiert. Die Variationselektrode 75 kann dabei ergänzend zur Regelung über die Regelgröße Q eingesetzt werden oder aber auch bei anderen Regelungen, insbesondere solchen, die zur Folge haben, dass aufgrund der Regelung die kinetische Energie der extrahierten Ladungsträger schwankt, sodass über die Variationselektrode 75 die Schwankungen verringert werden können. Die Variationselektrode 75 kann also dazu führen, dass ein der Variationselektrode 75 nachgeordnetes optisches Element 76 der Ladungsträgeroptik wegen der schmaleren Verteilung der kinetischen Energie der Ladungsträger nach der Beeinflussung der kinetischen Energie durch die Variationselektrode 75 vereinfacht formbar ist.
Für die Regelgröße Q gilt insbesondere: Q = Iemission -Iext - Ielektrode - Ivar - Iopt, wobei Ivar der Strom durch die optionale Variationselektrode 75 und Iopt der Strom durch das optionale optische Element 76 ist. Q ist also insbesondere der Emissionsstrom abzüglich aller Elektrodenströme bis hin zur und inklusive der positivsten Elektrode. Um den Strom in einem gewählten Zwischenbereich zu regeln, kann zur Bildung der Differenz auch nur ein Teil der vorhandenen Elektroden herangezogen werden.
Messtechnisch erfassbar ist der Quellenstrom beispielsweise durch Messung des Elektrodenstroms oder durch Messung der durch die Ladungsträger an der zusätzlichen Elektrode 13 erzeugten elektromagnetischen Strahlung.
Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Regelung mittels einer Regelgröße, die nicht vom Extraktionsstrom abhängt, ist in 2 schematisch dargestellt.
Die Grundelemente der dargestellten Vorrichtung 100 sind bereits in 1 dargestellt und erläutert. Insoweit wird hierauf verwiesen. In dem in 2 vorgeschlagenen Konzept wird eine für den Elektrodenstrom Ielektrode charakteristische Größe als Regelgröße verwendet. Der Elektrodenstrom wird durch die Ladungsträger des Quellenstroms 3 in der zusätzlichen Elektrode 13 hervorgerufen, weshalb der Elektrodenstrom charakteristisch für den Quellenstrom ist.
Um den Elektrodenstrom zu erfassen, weist die Vorrichtung 100 ein Elektrodenstromerfassungselement 19, beispielsweise durch einen Messwiderstand Rmess gebildet, auf. Der Spannungsabfall Vist an dem Elektrodenstromerfassungselement 19 ist charakteristisch für den Elektrodenstrom Ielektrode.
Weiterhin weist die Vorrichtung 100 die Regelungsvorrichtung 21 auf. Im vorliegenden Beispiel ist die Regelungsvorrichtung 21 durch einen Operationsverstärker, kurz OPV, gebildet. Alternativ oder zusätzlich zu einem OPV können für die Regelungsvorrichtung 21 oder für optional vorhandene, andere OPVs auch HF-Verstärker oder ASICs zum Einsatz kommen. HF steht für Hochfrequenz und ASIC für anwendungsspezifische integrierte Schaltung, englisch application-specific integrated circuit.
Über die Regelungsvorrichtung 21 kann auf den die extrahierten Ladungsträger erzeugenden Teil der Vorrichtung 100 Einfluss genommen werden. Die Regelungsvorrichtung 21 weist einen Eingang 23 auf, dem die Regelgröße Q, also Vist, zugeführt ist. Der Eingang 23 ist also an den Zweig der zusätzlichen Elektrode 13 gekoppelt. Der Regelungsvorrichtung 21 wird weiterhin ein Sollwert Vsoll zugeführt oder ist in dieser gespeichert. Für die Zufuhr des Sollwerts kann die Regelungsvorrichtung 21 einen weiteren Eingang 25 aufweisen. Der Sollwert kann zeitlich konstant oder, falls eine Modulation des Quellenstroms gewünscht ist, sich in einer vorgegebenen Weise zeitlich ändern. Die Regelungsvorrichtung 21 weist weiterhin einen Ausgang 27 auf.
Die Vorrichtung 100 weist außerdem ein Steuerelement 29, insbesondere ein Stromsteuerelement, auf. Über das Steuerelement 29 kann der Ladungsträgerzufluss von der Versorgungsleistungsquelle 9 zum Feldemissionselement 1 gesteuert werden. Zweckmäßigerweise ist der Ausgang 27 der Regelungsvorrichtung 21 mit dem Steuerelement 29 elektrisch leitend verbunden. Im Betrieb der Vorrichtung wird die Regelgröße Q mit dem Sollwert verglichen und, falls ein Unterschied vorliegt, das Steuerelement 29 derart angesteuert, dass sich der Emissionsstrom auf eine Weise ändert, sodass der Quellenstrom 3 sich so verhält, dass der vorgegebene Sollwert erreicht wird. Insbesondere wird, falls die Regelungsvorrichtung 21 als Operationsverstärker ausgebildet ist, die Regelgröße mit dem Sollwert verglichen, und, falls eine Differenz vorliegt, die Differenz mit der vorgegebenen und eingestellten Verstärkung und/oder der eingestellten Integrationskonstante und/oder Differentationskonstante (PID-Regler) ausgegeben. Ebenso ist jede andere Art der Regelung denkbar, wie zum Beispiel eine Fuzzy Logic.
Das Steuerelement 29 kann beispielsweise als Transistor, insbesondere als Feldeffekttransistor, wie beispielsweise als MOSFET, ausgeführt sein. Bevorzugt ist der Ausgang 27 des Operationsverstärkers 21 mit dem Gate des Transistors des Steuerelements 29 verbunden, sodass solange Ladung auf das Gate des Transistors integriert wird, bis der Quellenstrom 3 so groß ist, dass der Istwert den vorgegebenen Sollwert annimmt.
Die Extraktionsspannung Vext wird besonders bevorzugt derart gewählt, sodass die Regelungsvorrichtung 21 genügend Reserve hat, um den Emissionsstrom zu regeln. Das heißt etwa, dass der Arbeitspunkt des Feldemissionselements 1 deutlich über dem angestrebten Strom liegt. Somit wird durch die Regelung der Strom im Arbeitspunkt reduziert und einer Änderung der Feldemissionseigenschaften kann entgegengewirkt werden.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die zusätzliche Elektrode 13 undurchlässig für den Quellenstrom 3 ausgebildet. Abweichend von der Darstellung in 2 ist es ebenso möglich, dass die zusätzliche Elektrode 13 durchlässig oder teilweise durchlässig für den Quellenstrom 3 ist. Ist die zusätzliche Elektrode 13 durchlässig ausgebildet, so kann sie entweder von einem Teil des Quellstroms durchdrungen werden, beispielsweise wenn sie sehr dünn ausgebildet ist, oder entsprechend der Elektrode 7, die beispielsweise als Ringelektrode oder als Gitterelektrode ausgebildet ist, eine oder mehrere Aussparungen aufweisen, durch die ein Teil der Ladungsträger des Quellenstroms hindurchtritt. Ein weiterer Teil dieser Ladungsträger kann in der zusätzlichen Elektrode 13 absorbiert werden und zu dem Elektrodenstrom beitragen, der dann charakteristisch für den Quellenstrom ist. Ebenso ist eine gezielte, bestimmungsgemäße Ionisation etwa von Gas im Zwischenraum zwischen der zusätzlichen Elektrode 13 und dem Feldemissionselement 1 denkbar.
Die oben beschriebene Regelungsvariante, in der die Regelgröße Q unmittelbar vom Elektrodenstrom an der zusätzlichen Elektrode 13 erhalten ist, wird auch als Elektrodenstromregelung oder Anodenstromregelung oder Positivste Elektrodenstromregelung bezeichnet.
Eine Variante der Elektrodenstromregelung ist in 3 veranschaulicht. Im Unterschied zu 2 ist in 3 nicht der Ladungsträgerzufluss zum Feldemissionselement 1 geregelt, sondern die Extraktionselektrode 7 wird mittels der Regelungsvorrichtung 21 angesteuert, sodass die Extraktionselektrode 7 als Steuerelement 29 dient. Da über die Extraktionselektrode 7 der Emissionsstrom, hervorgerufen durch die Gesamtheit der extrahierten Ladungsträger, gesteuert wird, wird mittelbar auch der Quellenstrom gesteuert, da dieser durch einen Teil der extrahierten Ladungsträger, nämlich den Anteil 3 gemäß 2, gebildet ist. Hierbei erfolgt in der Regelungsvorrichtung 21 bevorzugt ein Abgleich zwischen einem Istwert Vist und einem Sollwert Vsoll, wie in Verbindung mit 2 erläutert.
Der Elektrodenstrom an der zusätzlichen Elektrode 13 kann jedoch nicht immer unmittelbar erfasst werden. Dies gilt beispielsweise dann, wenn die Vorrichtung 100 als reine Ladungsträgerquelle betrieben wird oder eine Vorrichtung zur Ionisierung von Gas ist. Daher wird im Folgenden ein Regelungskonzept beschrieben, in dem der Anteil des Quellenstroms 3 an den extrahierten Ladungsträgern aus den verfügbaren Größen berechnet wird. Ein solches Konzept ist anhand von 4 veranschaulicht und wird auch als Differenzstromregelung bezeichnet.
Auch diese Figur entspricht in den wesentlichen Komponenten wieder der 2. Der Block mit der zusätzlichen Elektrode 13 ist gestrichelt dargestellt.
In dem Konzept gemäß 4 werden insbesondere zwei andere Ströme erfasst, nämlich der Extraktionsstrom Iext und der Emissionsstrom Iemission. Hierzu weist die Vorrichtung 100 ein Extraktionsstromerfassungselement 31, beispielsweise einen Widerstand, auf. Über den Spannungsabfall am Widerstand kann der Extraktionsstrom erfasst werden. Weiterhin weist die Vorrichtung 100 ein Emissionsstromerfassungselement 33, beispielsweise einen Widerstand, auf. Es kann der Emissionsstrom durch den Spannungsabfall am Emissionsstromerfassungselement 33 erfasst werden.
Der Regelungsvorrichtung 21 vorgeschaltet und insbesondere mit dem Eingang 23 verbunden ist ein Regelungsgrößenermittlungselement 35. Das Regelgrößenermittlungselement 35 kann eine oder mehrere Eingänge 37, 39 aufweisen und etwa als OPV gestaltet sein. Weiterhin weist das Regelgrößenermittlungselement 35 einen Ausgang 41 auf. Dieser ist bevorzugt mit dem Eingang 23 der Regelungsvorrichtung 21 leitend verbunden, insbesondere direkt verbunden. Das Regelgrößenermittlungselement 35 kann beispielsweise ein Differenzbildungselement sein, in dem die Differenz einer für den Emissionsstrom charakteristischen Größe, beispielsweise des Spannungsabfalls an dem Emissionsstromerfassungselement 33, und eines für den Extraktionsstrom charakteristischen Größe, beispielsweise des Spannungsabfalls am Extraktionsstromerfassungselement 31, gebildet wird. Zusätzlich können einige oder mehrere der Ströme in weiteren Elektroden zur Bestimmung der Regelgröße, zum Beispiel durch Q = Iemission -Iext - Ielektrode - Ivar - Iopt, herangezogen werden, vergleiche die Ausführungen zu 1.
Einer der Eingänge, im Ausführungsbeispiel der Eingang 39, ist mit dem Extraktionsstromerfassungselement 31 leitend verbunden, sodass diesem Eingang der für den Extraktionsstrom charakteristische Wert zugeführt wird. Entsprechendes gilt für den Eingang 37 und das Emissionsstromerfassungselement 33. Die Regelgröße Q, die dem Eingang 23 der Regelungsvorrichtung 21 zugeführt wird, ist dementsprechend eine Funktion der Differenz von Werten, die den Extraktionsstrom und den Emissionsstrom charakterisieren. Beispielsweise wird der für den Extraktionsstrom charakteristische Wert, der üblicherweise kleiner ist, von dem für den Emissionsstrom charakteristischen Wert abgezogen. Durch die Differenz dieser Werte kann der Elektrodenstrom, der gegebenenfalls nicht auf einfache Weise ermittelt werden kann, abgeschätzt werden, da, wie dargestellt, der Quellenstrom 3 von Ladungsträgern, der den Elektrodenstrom hervorrufen kann, im Idealfall bis auf den Ladungsträgeranteil 5, der für den Extraktionsstrom verantwortlich ist, näherungsweise dem Emissionsstrom entspricht. Sind weitere Elektroden vorhanden, so kann eine Differenzregelung auch anhand anderer Steuergrößen erfolgen, wie oben ausgeführt.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 illustriert. Durch den Spannungsabfall am Steuerelement 29, insbesondere durch die Regelung mit dem MOSFET gebildet, ergibt sich ein durch die Variation des Abfalls verbreitertes Spektrum der kinetischen Energie der emittierten Ladungsträger. Dadurch wird das im Vergleich zur thermischen Emission schmale Spektrum der reinen Feldemission künstlich verbreitert. Dies kann die elektrostatische Fokussierung der emittierten Ladungsträger, insbesondere Elektronen, erheblich erschweren.
Durch eine weitere Elektrode 77 für eine sogenannte Tetrodenkonfiguration und durch ein Addierelement 78 kann dieser Spannungsabfall kompensiert werden. Die kinetische Energie der Ladungsträger variiert zwar dann an der zusätzlichen Elektrode 13, aber eine optionale Elektronenoptik (nicht gezeichnet) könnte genau zwischen der zusätzlichen Elektrode 13 und der weiteren Elektrode 77 sitzen oder aber es wird zum Beispiel genau zwischen diesen Elektroden ionisiert, das heißt, in diesem Bereich ein konstanter Strom und eine konstante kinetische Energie benötigt. Bei der weiteren Elektrode 77 kann es sich um die Variationselektrode 75 handeln oder die weitere Elektrode 77 ist von der Variationselektrode 75 verschieden. Das Addierelement 78 ist bevorzugt durch einen Addierer gebildet, dessen beide Eingänge insbesondere mit dem Feldemissionselement 1 und der Extraktionselektrode 7 verbunden sind und dessen Ausgang mit der weiteren Elektrode 77 und/oder der Variationselektrode 75 verbunden ist. Abweichend von der Darstellung in 5 kann die zusätzliche Elektrode 13 mit der weiteren Elektrode 77 identisch sein.
In 5 ist die Tetrodenkonfiguration zusammen mit dem Addierelement 78 für die Elektrodenstromregelung der 2 und 3 illustriert. Genauso kann eine solche Anordnung bei der Differenzstromregelung der 4 zum Einsatz kommen. In einer Variation der Ausführungsbeispiele der 3 und 4 kann auch direkt ein OPV mit Differenzregelung verwendet werden. Die unterschiedlichen Aspekte in den Ausführungsbeispielen der 3 bis 5 können auch vorteilhafterweise miteinander kombiniert werden.
Im Ausführungsbeispiel der 6 sind optionale, zusätzliche Aspekte gezeigt, die einzeln oder in Kombination auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein können.
In einem ersten Aspekt erfolgt eine Temperaturkompensation. Hierzu könnte es zweckmäßig sein, die Temperaturabhängigkeit insbesondere der Strommessungen durch eine geeignete Schaltung zu kompensieren oder durch geeignete Bauteile zu minimieren. Hierfür kann das Elektrodenstromerfassungselement 19 zum Beispiel eine Reihenschaltung mit zwei Widerständen mit entgegengesetztem Temperaturkoeffizient aufweisen oder hieraus bestehen.
In einem zweiten Aspekt kann eine Verstärkung reduziert werden. Das heißt, der OPV der Regelungsvorrichtung 21 wird durch eine Rückkopplung mit einem Widerstand 45 und einem zusätzlichem Vorwiderstand 43 mit reduzierter Verstärkung betrieben.
In einem dritten Aspekt kann der Transistor 29 und der Regler 21 entkoppelt werden. Dazu befindet sich ein Widerstand 44 zwischen dem Gate des MOSFET des Steuerelements 29 und dem Ausgang der Regelungsvorrichtung 21. Damit ist ein stabilerer Betrieb, insbesondere eine geringere Schwinganfälligkeit, erreichbar.
In einem vierten Aspekt kann der Regler angepasst werden, zum Beispiel der Integrieranteil durch einen zusätzlichen Kondensator 46 in der Rückkopplung der Regelungsvorrichtung 21, insbesondere zusätzlich zu einer Gatekapazität des Steuerelements 29. Alternativ sind auch andere Reglerkonzepte, wie beispielsweise eine Fuzzy Logik, denkbar.
In einem fünften Aspekt kann durch alle in 6 gezeigten, zusätzlichen Bauteile oder auch weitere Bauteile die Bandbreite angepasst werden.
Auch die zusätzlichen Aspekte in 6 für eine Elektrodenstromregelung können in gleicher Weise bei der Differenzstromregelung, vergleiche 4, zum Einsatz kommen.
In allen Ausführungsbeispielen zur Elektrodenstromregelung kann zudem eine weitere OPV-Schaltung (wie zum Beispiel der OPV 22 mit den Widerständen 41 und 42 in 6) mit möglichst geringem Eingangsstrom eingesetzt werden, um die Strommessungen zu entkoppeln und/oder um die Spannungen auf günstige Werte einzustellen. Auch mit Widerständen zwischen den Schaltungsteilen kann eine Entkoppelung realisiert werden.
Bei den Ausführungsbeispielen der 7 bis 9 wird je eine sogenannte High-Side-Messung, also Messung an der „High“-Seite, am Beispiel der Erfassung des Extraktorstroms gezeigt. Ebenso ist diese Art der Strommessung auch bei allen anderen Strömen, wie beim Strom an der Elektrode 13, möglich.
Hierbei erfolgt eine andere, insbesondere zweite Strommessung für die Differenzstromregelung auf der „High“-Seite des Netzteils. Dies wird durch eine Reihe von PowerMOS-Transistoren 29', M erreicht. Dabei lässt eine einzelne Stufe eine Spannung abhängig von der zulässigen Drain-Source-Spannung des jeweiligen Transistors zu. Mit derzeitig erhältlichen Transistoren lassen sich so zum Beispiel etwa 400 V pro Stufe erreichen. Für höhere Spannungen sind entsprechend mehrere Stufen M1-M4 vorhanden. Bei den Ausführungsbeispielen der 7 bis 9 ist je ein Stromerfassungselement 31 auf der High-Seite vorhanden.
Die High-Side-Messung wird zuerst anhand von 7, ohne die eigentlichen PowerMOS-Stufen, näher erläutert. Der Extraktionsstrom führt zu einen Spannungsabfall V_sense an einem Messwiderstand Rmess, 31. Der OPV U1 regelt, ähnlich zum vorgestellten Regelungskonzept aus den vorherigen Figuren, durch den Transistor 29' den Strom durch Rin derart, dass sich kein Spannungsabfall über die OPV-Eingänge ergibt. Das heißt, es ergibt sich im eingeregelten Zustand ein Spannungsabfall an Rin gleich dem Spannungsabfall V_sense am Messelement Rmess, 31. Der resultierende Strom über den Transistor 29' ist somit: I=V_sense/R_in .
Um den Messfehler möglichst klein zu halten, wird bevorzugt ein OPV mit möglichst großer Impedanz gewählt, damit der Strom in den Eingang des OPV U1 möglichst klein ist. Der Strom kann in eine Spannung transformiert werden mit Hilfe von Rout. Die resultierende Spannung ist somit: V_out=V_sense∗R_out/R_in.
Der Einsatzbereich der in 7 gezeigten Schaltung ist durch die Spannungsfestigkeit des Verstärkers U1 und des Transistors 29 begrenzt. In 8 ist ein Konzept gezeigt, mit dem sich die maximal zulässige Spannung vergrößern lässt.
Zur Entkopplung der Hochspannung von der Niederspannungsseite können weitere Transistoren M, insbesondere MOSFETs, zwischen dem Transistor 29' und dem Widerstand Rout und dem negativen Versorgungseingang des OPVs U1 und Masse eingebaut werden. Die verwendeten MOSFETs sind bevorzugt hochspannungsfeste p-Kanal-MOSFETs, zum Beispiel vom Typ FQD3P50. Um auch höhere Spannungen als die maximale Drain-Source-Spannung eines MOSFETs zu erreichen, kann diese Spannungsentkopplung mehrmals hintereinander aufgebaut werden, siehe die Transistoren M1-M4. Im Fall von 8 ist ein zweistufiger Aufbau gezeigt. In diesem Fall beträgt die maximale Isolationsspannung für einen n-Stufigen Aufbau, mit n=2, V_max=n∗V_DSS. Die Diode D1 kann, durch die Wahl einer geeigneten Durchbruchspannung, für die nötige Spannungsdifferenz zur Versorgung des OPVs U1 sorgen.
Die Spannung Vout der High-Side-Messung kann nun für eine der vorgestellten Arten der Reglung eingesetzt werden. 9 zeigt eine einstufige Version der High-Side-Messung in Verbindung mit der Differenzstromregelung aus 4. Die High-Side-Messung ist aber auch mit den anderen Regelarten, wie zum Beispiel der Emissionsstromregelung aus 2 und 3, möglich.
Hierfür ist es zweckmäßig, die Spannung Vout durch einen nicht invertierenden Verstärker 36 auf die Anforderungen der weiteren Schaltung anzupassen und davon zu entkoppeln. Nach dieser optionalen Zwischenstufe wird beispielsweise genau wie in 4 die Differenz des Emissionsstroms und des auf der High-Seite gemessenen Extraktorstroms geregelt.
In 10 ist ein Aufbau der Vorrichtung 100 im Bereich des Feldemissionselements 1 illustriert. Dabei ist das Feldemissionselement 1 durch ein Emitterarray 101 mit einer Vielzahl von Spitzen gebildet, siehe die schematische Querschnittszeichnung in 10A und die Rasterelektronenmikroskopaufnahmen in den 10B und 10C. Die Spitzen sind zum Beispiel aus Silizium geätzt und optional beschichtet.
Unter dem Emitterarray 101 befindet sich eine metallische Kontaktierung 105 der Emitterstruktur. Das Emitterarray 101 wird durch eine Schicht 103 aus einem Isolatormaterial, zum Beispiel Glimmer insbesondere mit einer Dicke zwischen einschließlich 20 µm und 150 pm, von der Extraktionselektrode 7 in Form eines Extraktionsgitters elektrisch isoliert. Auf der Extraktionselektrode 7 befindet sich eine metallische Kontaktierung 107 des Extraktionsgitters. Typische Werte für die elektrische Spannung zwischen der Extraktionselektrode 7 und den Spitzen liegen bei einem solchen Aufbau insbesondere zwischen 200 V und 1000 V.
Beim Ausführungsbeispiel der 11 umfasst die Vorrichtung 100 ein Feldemissionselement 1 mit integrierter Extraktionselektrode 7, siehe die schematische Darstellung in 11A und die Rasterelektronenmikroskopaufnahmen in den 11B bis 11D.
Dabei ist ein Array 101 aus Spitzen für das Feldemissionselement 1 vorhanden. Dieses Array 101 ist beispielsweise aus einem Halbleitermaterial wie Silizium geätzt. Auf dem Emitterarray 101 ist die isolierende Schicht 103 aufgebracht, die zum Beispiel aus Siliziumdioxid ist und insbesondere eine Dicke von ungefähr 1 µm aufweist. Die Metallisierung 107 für die Extraktionselektrode 7 ist als Gitter ausgeformt und beispielsweise aus Gold, insbesondere mit einer Dicke von ungefähr 200 nm. Die Spitzen des Arrays 101 können dabei die Extraktionselektrode 7 überragen. Insgesamt können sich die Extraktionselektrode 7 sowie die Spitzen in einer Ausnehmung eine Trägers, der durch das Material für die Spitzen gebildet ist, befinden. Das Emitterarray 101 und damit das Feldemissionselement 1 sind über die flächige Metallisierung 105 elektrisch kontaktiert. Typische Spannungswerte für diesen Aufbau liegen im Bereich zwischen einschließlich 20 V und 200 V.
In 11B sind die elektrischen Anschlüsse 108 für die Metallisierungen 105, 107 gezeigt, die zum Beispiel als Bondpads gestaltet sind. Das Emitterarray 101 mit der gitterförmigen Extraktionselektrode 7 ist in 11C zu sehen. Eine einzelne Spitze des Feldemissionselements 1 mit der zugehörigen Extraktionselektrode 7 ist in 11D gezeigt.
Die weiteren Teile oder alle elektronischen Komponenten der Vorrichtung 100 wie die Transistoren, Operationsverstärker, Dioden, Addierer und/oder Widerstände können in beiden Fällen, einer integrierten (siehe 11) oder mechanisch aufgebrachten Extraktorelektrode (siehe 10), in dem Träger aus einem halbleitenden Material, zum Beispiel Si, Ge oder SiGe, aus dem die Spitzen hergestellt sind, monolithisch integriert sein. Des Weiteren können auch mehrere der anderen, optional vorhandenen Elektroden 13, 75, 76, 77 durch einen Dünnschichtaufbau, ähnlich der Aufbringung des Gatemetalls in 11, monolithisch integriert sein. Es ist auch denkbar, die vorgestellten Schaltungskonzepte teilweise oder vollständig für jeden Einzelemitter oder Gruppen von Einzelemittern integriert zu realisieren.
In 12 sind Messkurven für den Elektrodenstrom Ielektrode, den Emissionsstrom Iemission und den Extraktionsstrom Iext einer beispielhaften Vorrichtung 100 gezeigt. Der Elektrodenstrom Ielektrode liegt bei ungefähr 40 % des Emissionsstroms Iemission, kann aber abweichend hiervon auch bei mindestens 0,05 % oder 0,2 % und/oder bei höchstens 100 % oder 2 % oder 1 % des Extraktionsstroms Iext liegen.
In den 13 und 14 ist, je in Abhängigkeit von der Zeit, der Emissionsstrom Iemission und der Fluss von Röntgenphotonen θX-Ray illustriert, wobei die Vorrichtung 100 als Strahlungsquelle für Röntgenstrahlung verwendet wird. Der Emissionsstrom Iemission ist in A bzw. µA aufgetragen, der Fluss θX-Ray in Zähleinheiten oder Tausend Zähleinheiten pro Sekunde (Countrate). Das Feldemissionselement 1 ist dabei ein aus 100 Einzelemittern bestehendes Array aus p-dotierten Siliziumsäulen mit einer Vielzahl von durch einen Ätzprozess realisierten Spitzen und wird in Sättigung betrieben.
In 13 ist zu sehen, dass ungeregelt die Röntgenflussstabilität niedriger als die Emissionsstromstabilität ist. Im geregelten Betrieb nimmt die Röntgenflussstabilität zu, aber die Emissionsstromstabilität nimmt ab. Die vorliegende Erfindung basiert insbesondere auf diesem Ergebnis.
In 14 ist gezeigt, dass die Regelung auch zum Einschalten und Ausschalten des Emissionsstroms genutzt werden kann. Hierzu wurde der Sollwert V_ist zeitlich (An/Aus) moduliert. Im eingeschalteten Zustand wird unmittelbar auf den Sollwert geregelt. Die Regelzeit für das Einschalten liegt unterhalb von 10 ms. Die Ausschaltzeit wird nicht durch einen physikalischen Effekt bedingt, sondern durch die Schaltung. Durch schaltungstechnische Optimierung können sowohl die Einschaltzeit wie auch die Ausschaltzeit noch reduziert werden. Im optimierten Fall lässt sich eine Ausschaltzeit gleich der Einschaltzeit erreichen.

Claims

Vorrichtung (100) zur Erzeugung eines Quellenstroms von Ladungsträgern mittels Feldemission oder Feldionisation, umfassend: - zumindest ein Feldemissionselement (1), aus dem im Betrieb der Vorrichtung (100) die Ladungsträger austreten, die zu einem Emissionsstrom im Feldemissionselement (1) führen, - zumindest eine Extraktionselektrode (7) zum Anlegen einer Extraktionsspannung (Vext), um die Ladungsträger aus dem Feldemissionselement (1) zu extrahieren, wobei ein erster Teil der extrahierten Ladungsträger zu dem Quellenstrom beiträgt, und ein zweiter Teil der extrahierten Ladungsträger auf die Extraktionselektrode (7) trifft und zu einem Extraktionsstrom (Iext) in der Extraktionselektrode (7) führt, - eine zusätzliche Elektrode (13), und - eine Regelungsvorrichtung (21), wobei - die Regelungsvorrichtung (21) dazu eingerichtet ist, im Betrieb der Vorrichtung (100) Schwankungen einer für den Quellenstrom charakteristischen Regelgröße Q zu verringern - der Quellenstrom von Ladungsträgern auf die zusätzliche Elektrode (13) auftrifft und zu einem Elektrodenstrom in der zusätzlichen Elektrode (13) beiträgt, - die Regelgröße Q eine Funktion des Elektrodenstroms ist, und - die Vorrichtung (100) als Strahlungsquelle ausgebildet ist und mittels des auf die zusätzliche Elektrode (13) treffenden Quellenstroms die von der Strahlungsquelle zu emittierende elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, die Röntgenstrahlung ist.
Vorrichtung (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, - mit zumindest einem Steuerelement (29), das dazu eingerichtet ist, den Emissionsstrom zu ändern, wobei die Regelungsvorrichtung (21) dazu eingerichtet ist, das Steuerelement (29) anzusteuern, und - mit zumindest einer Variationselektrode (75), die dazu eingerichtet ist, eine kinetische Energie der extrahierten Ladungsträger des Quellenstroms mittels einer an die Variationselektrode (75) angelegten Variationsspannung zu ändern, wobei die Vorrichtung (100) derart ausgebildet ist, dass die Variationsspannung in Abhängigkeit von einer für die kinetische Energie der extrahierten Ladungsträger charakteristischen Größe K variiert wird.
Vorrichtung (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei K mittels eines Spannungsabfalls an dem Steuerelement (29) erhalten ist und die Vorrichtung (100) so ausgebildet ist, dass bei wachsendem Spannungsabfall am Steuerelement (29) die Variationsspannung erhöht wird und bei sinkendem Spannungsabfall am Steuerelement (29) die Variationsspannung verringert wird.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, die ein Addierelement (78) aufweist, das mit der Variationselektrode (75) leitend verbunden ist, wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass die Variationsspannung mittels Addition aus der Extraktionsspannung und dem Spannungsabfall am Steuerelement erhalten wird.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Masseanschluss (91) und eine elektrische Versorgungsleistungsquelle (9), wobei das Steuerelement (29) entweder in einem Leitungspfad zwischen der Versorgungsleistungsquelle (9) und dem Feldemissionselement (1) oder in einem Leitungspfad zwischen dem Masseanschluss (91) und dem Feldemissionselement (1) angeordnet ist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Steuerelement (29) mit der Extraktionselektrode (7) elektrisch leitend verbunden ist und dazu ausgelegt ist, den Emissionsstrom durch Änderung der Extraktionsspannung zu ändern.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die derart ausgebildet ist, sodass im Betrieb der Vorrichtung (100) eine zeitliche Verteilung der für den Quellenstrom charakteristischen Größe Q eine Standardabweichung S_Q aufweist, die kleiner oder gleich 0,5 % ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Regelungsvorrichtung (21) zumindest einen Eingang (23, 25), dem ein aktueller Wert der Regelgröße zugeführt wird, und einen Ausgang (27) aufweist, der mit dem Steuerelement (29) verbunden ist, und die Vorrichtung (100) so ausgebildet ist, dass das Steuerelement (29) über den Ausgang (27) so angesteuert wird, dass die Regelgröße einen vorgegebenen Sollwert annimmt.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ein Differenzbildungselement aufweist, wobei Q eine Funktion der Differenz aus dem Emissionsstrom und dem Extraktionsstrom ist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ferner umfassend mindestens ein elektronenoptisches Element (76) und mindestens eine Variationselektrode (75) und mindestens eine zusätzliche Elektrode (13), wobei Q gleich ist dem Emissionsstrom verringert um die Ströme durch die Variationselektrode (75), das elektronenoptische Element (76) und die zusätzliche Elektrode (13) oder verringert um einen Teil dieser Ströme.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mehrere Leistungstransistoren (M, PMOS), die zumindest zum Teil elektrisch in Serie geschaltet sind, wobei die Leistungstransistoren (M, PMOS) zur Realisierung der Strommessung und Isolation von Spannungen über der Spannungsfestigkeit der eingesetzten Bauteile zwischen dem Feldemissionselement (1) und der Extraktionselektrode (7) oder der zusätzlichen Elektrode (13) angebracht sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) eines, eine beliebig ausgewählte Mehrzahl oder alle der folgenden Stromerfassungselemente aufweist: Emissionsstromerfassungselement (33), Extraktionsstromerfassungselement (31), Elektrodenstromerfassungselement (19), Ladungsträgeroptikstromerfassungselement, Variationselektrodenstromerfassungselement, wobei das Emissionsstromerfassungselement (33) mindestens einen Widerstand aufweist und der Spannungsabfall an dem Emissionsstromerfassungselement (33) den Emissionsstrom charakterisiert, und/oder wobei das Extraktionsstromerfassungselement (31) mindestens einen Widerstand aufweist, wobei der Spannungsabfall an dem Extraktionsstromerfassungselement (31) den Extraktionsstrom charakterisiert, und/oder wobei das Elektrodenstromerfassungselement (19) mindestens einen Widerstand aufweist, wobei der Spannungsabfall an dem Elektrodenstromerfassungselement (31) den Elektrodenstrom charakterisiert.
Vorrichtung (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eines, eine beliebig ausgewählte Mehrzahl oder alle der folgenden Stromerfassungselemente eine Temperaturkompensation aufweist: Extraktionsstromerfassungselement (31), Emissionsstromerfassungselement (33), Elektrodenstromerfassungselement (19), Ladungsträgeroptikstromerfassungselement, Variationselektrodenstromerfassungselement, wobei eines, eine beliebig ausgewählte Mehrzahl oder alle dieser Stromerfassungselemente eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Widerständen aufweist, wobei einer der Widerstände ein PTC-Widerstand ist und ein anderer der Widerstände ein NTC-Widerstand ist.
Verfahren zur Stabilisierung eines mittels des Feldemissionselements (1) emittierten Quellenstroms von Ladungsträgern, das mit einer Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird, wobei der Quellenstrom durch die Ladungsträger gebildet ist, die eine Extraktionselektrode (7), mittels derer die Ladungsträger aus dem Feldemissionselement (1) extrahiert wurden, bereits passiert haben, und wobei in dem Verfahren die für den Quellenstrom charakteristische Größe Q ermittelt wird und diese Größe der Regelungsvorrichtung (21) als Regelgröße übergeben wird.