DE1059574B

DE1059574B - Feldemission-Elektronenstrahler mit hohem Richtstrahlwert

Info

Publication number: DE1059574B
Application number: DEA22656A
Authority: DE
Inventors: Manfred Von Ardenne
Original assignee: Vakutronik VEB
Current assignee: Vakutronik VEB
Priority date: 1955-05-10
Filing date: 1955-05-10
Publication date: 1959-06-18
Also published as: GB796424A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Feldemissionsstrahler mit hohem Richtstrahlwert, die ein elektrostatisches Absaugfeld mit parallelem Feldlinienverlauf aufweisen.

Es ist bereits eine Hohlkathode bekanntgeworden, und zwar die spezielle Form einer Kaltkathode in einer gasgefüllten Kathodenstrahlröhre, die einen scharf gebündelten, gegebenenfalls parallelen Strahl erzeugt.

Auch Feldemissionskathoden mit parallelem Absaugfeld sind bekannt. Die bisherigen Ausführungen sind aber so instabil, daß der Einsatz von Feldemissions-Elektronenstrahlern in der Technik praktisch nicht erfolgen konnte, weder für kontinuierlichen Betrieb noch für Impulsbetrieb.

Nur bei feinen hochgereinigten Wolframspitzen (Krümmungsradien 0,02 bis 1 μ, sehr kleine Emissionsfläche) und sehr gutem A^akuum (10^—7 bis IQ— 8 Torr, genügend langsame Änderung des Elektronenaustrittspotentials durch Wolframoxydation im Restgas) konnten bisher die hohen Elektronenstromdichten der Feldemission (Zefe=IO⁴ bis IO⁸A-Cm—²) stationär realisiert werden. Trotz der hohen Emissionsstromdichte ergeben aber Elektronenquellen solcher Art nur einen relativ mäßigen Richtstrahlwert

i?==~~-, weil die Elektronen von der Spitze aus

in einen sehr großen Raumwinkel πα² (a = Aperturwinkel) emittiert werden. Die Emission aus ganz oder nahezu ebenen Kathoden in einen kleinen Raumwinkel πα² ist bisher nicht gelungen, auch nicht bei impulsmäßiger Beanspruchung von Feldemissionskathoden.

Die Ursache der Instabilität sind Schwankungen des Wertes der Elektronenaustrittsarbeit an der Feldemissionskathodenzone sowie Undefinierte Nebenemissionszonen, z. B. erzeugt durch Maltereffekte, ferner Änderungen der Geometrie der Feldemissionsströme, z. B. durch im Entladungsraum vagabundierende Ionen, welche die Feldemissionskathode durch Zerstäubung abtragen.

Diese an sich geringfügigen Einflüsse bewirken bei der außerordentlichen Steilheit der Feldemissionscharakteristik Schwankungen der Elektronenemission um Größenordnungen. Hieran und an der mit der Fläche zunehmenden Wahrscheinlichkeit von Nebenemissionsstrom (z. B. Verunreinigungen) scheiterte bisher die Entwicklung eines technisch brauchbaren Feldemissions-Elektronenstrahlers mit sehr hohem Richtstrahlwert.

Diese Nachteile werden vermieden, wenn erfindungsgemäß die Feldemission aus einem Metall mit sehr großer Elektronenaustrittsarbeit, insbesondere durch Heizung gereinigtes Platin, besteht, in dessen Feldemission-Elektronenstrahler
mit hohem Richtstrahlwert

Anmelder:
VEB Vakutronik,
Dresden-A 21, Dornblüthstr. 14

Manfred von Ardenne, Dresden-Bad Weißer Hirsch,
ist als Erfinder genannt worden

Mittelpunkt eine sehr kleine Kathodenfläche aus einem Material kleiner Elektronenaustrittsarbeit, insbesondere Tantal oder Magnesium, angeordnet ist.

Die Stabilisierung des Arbeitspunktes auf der Feldemissionskurve wird durch einen Regelmechanismus mit sehr geringer Zeitkonstante, die kleiner als IO^-5 ist, erreicht. Dadurch werden Emissionsstromdichten von der Größenordnung IO⁶ A/cm² beherrschbar, während üblicherweise in der Technik nur Elektronenstromdichten von bis zu 100 A/cm² bei Kathoden erzielt wurden. Es ergibt sich also ein quantitativer Fortschritt von vier Größenordnungen gegenüber dem Bekannten.

Im Hinblick auf die Laufzeit der vom Feldstrom gebildeten Ionen hat dieser Regelmechanismus vorteilhaft eine Zeitkonstante von kleiner als IO^-5 Sekunden. Die Regelung kann beispielsweise bei kapazitätsarmem Elektrodenaufbau einfach durch einen hochohmigen Vorwiderstand in der Zuleitung zur Feldemissionskathode 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. Bedeutend rationeller ist eine Stabilisierung des Feldelektronenstromes durch die eigene Raumladung. Die Nachrechnung ergibt, daß eine automatische Stabilisation durch die feldabschirmende Wirkung der Raumladung bei Beschleunigungsspannungen um U_b = S · IO⁴ Volt (Absaugabständen df ^iIO^-3 cm!) für Emissionsstromdichten um j_ek = IO⁶A-Cm—² zu erwarten ist. ·—■ Die Wahrscheinlichkeit von Nebenemissionszentren läßt sich, wie Versuche zeigten, durch Beschränkung der Nebenfläche auf den zur Reduktion der Feldliniendivergenz notwendigen Mindestwert und Verwendung von durch permanente Ausheizung hochgereinigtem Platin genügend klein halten.

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Bei ElektiOdeii von handelsüblichen Röntgenröhren ist es an sich bekannt, die Feldemissionskathodenfläche aus einem Material mit kleiner Elektronenaustrittsarbeit, z. B. Tantal, herzustellen. Es ist auch bereits bekannt, die Teile, die keine autoelektronischen Entladungen aussenden sollen, mit einem Überzug von z. B. Chromoxyd zu versehen, der eine störende Feldemission herabsetzen soll. Demgegenüber besteht die Erfindung in der Kombination einer Kathodenfläche aus einem AIaterial kleiner Elektronenaustrittsarbeit mit einer unmittelbar angrenzenden Nebenkathodenfläche aus einem Metall von sehr großer Elektronenaustrittsarbeät, insbesondere Platin.

Die Zeichnung veranschaulicht in den Fig. 1 und 2 zwei beispielsweise Ausführungsformen des beschriebenen Strahlerzeugungssystems.

Durch die gewählte Geometrie des Elektronenabsaugfeldes, insbesondere wegen der Kleinheit der Beschleunigungsstrecke (etwa IO^² mm !), ist ein kritisch schneller Abbau der Mikrokathode infolge Zerstäubung durch A-uftreffen von Restgasionen bei normalen Drücken bis etwa IO "³ Torr nicht mehr zu befürchten.

Durch die gewählte Kleinheit der eigentlichen Feldemissionskathodenfläche F wird sichergestellt, daß trotz der hohen Emissionsstromdichte der Emissionsstrom J_ek des Strahlers sich in der heute üblichen Größenordnung von 0,1 bis 10 Milliampere hält.

Bei dem System nach Fig. 1 erfolgt die Emissionsstromstabilisation durch äußere Schaltungsmittel. Als eigentliche Feldemissionskathode dient die Tantaloder Magnesiumstirnfläche eines feinsten Drahtes 2, welcher beispielsweise von einem geheizten oder heizbaren Platinmantel 1 der gezeichneten Geometrie 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 Schaltungsmittel notwendig ist.

Bei dem System nach Fig. 2 sind diese Nachteile vermieden. Hier ist die Emission der eigentlichen Feldemissionskathode um viele Größenordnungen 15

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 feldabschirmende Wirkung der Strahlraumladung auf einfachste Weise. Allerdings tritt diese Wirkung erst bei Emissionsstromdichten der Größenordnung IO⁸ A ·αη~- ein, so daß zur Kleinhaltung des gesamten Emissionsstromes eine eigentliche Feldemissionskathode von nur etwa 1 μ Durchmesser zur Anwendung kommen kann. Die Herstellung einer definierten Kaiotte von etwa 1 μ Durchmesser aus beispielsweise Tantal auf der polierten und hochgereinigten Platinoberfläche 3 ist nicht ganz einfach. Diese Kalotte läßt sich jedoch in der gewünschten Geometrie in folgender Weise aufbringen:

Unmittelbar vor der hochgereinigten Platinstirnao fläche 3 wird im Abstand von beispielsweise 1 μ eine durchbohrte Folie 4 im Vakuum angeordnet. Die Bohrung in der Folie 4 wird beispielsweise durch Elektronen in einem elektronenoptischen System mit verkleinernder Elektronenoptik mit 1 bis 2 μ Bohrungsdurchmesser hergestellt. Dampft man im Hochvakuum durch eine solche Bohrung hindurch Tantal aus einem Verdampfungsschiffchen in genügender Menge heraus, so bildet sich auf der Stirnfläche der Kathodenelektrode eine Tantalkalotte 6 mit etwa der gezeichneten Geometrie.

Die Einstellung des die Feldstärke mitbestimmenden Absaugabstandes d zwischen Kathode und Anode kann in besonders bequemer Weise durch Veränderung der Temperatur und damit der thermischen Ausdehnung von Teilen des Systems geregelt werden. Beispielsweise kann die Temperatur des Platinkathodendrahtes (1 in Fig. 1 bzw. 5 in Fig. 2) zwischen 500 und 1000° C verändert und hierdurch der Feinabgleich des Absaugabstandes d und damit der Feldstärke E erfolgen.

Die zu erwartenden Daten für die jeweiligen Elektronenaustrittsarbeiten, Geometrie und Anodenspannung sind aus den nachfolgenden Tabellen ersichtlich.

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System 1
(Abgeschätzte Daten)

Daten

Kathode Ta(Mg)	Nebenkathode PtI(PtII)
10-3	> 10-3	cm
42	42	kV
4,2	<4,2	ΙΟ-⁷ V · cm-i
10-7	3· ΙΟ-⁵	cm²
103 (1Q4)	1 (10-3)	A · cm—²
0,1 (1)	3-ΙΟ-³ (3-ΙΟ-*)	mA
Durch äußere Mittel
System 2

Absaugabstand d

Anodenspannung U_b

Absaugfeldstärke E

Eff. Kathodenfläche F ...
Emissionsstromdichte j_ek

Emissionsstrom J_eI_l

Stabilisation

(Abgeschätzte Daten)

Daten	Kathode Ta(Mg)	Nebenkathode PtI(PtII)
10-3 25 ... 30 7... 8.5 IO-⁸ IO⁶... 107 10... 100	> ΙΟ-³ 25 ... 30 2.5 3 · ΙΟ-⁵ ΙΟ-⁶ 3 · ΙΟ-⁸ Durch Raumladung	cm kV 10-⁷V-cm-i cm² A · cm^-2 mA

Claims

Patentansprüche:

1. Feldemissionskathode mit hohem Richtstrahlwert und parallelem Absaugfeld, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionskathode aus einem Kathodenkörper aus einem Metall mit sehr großer Elektronenaustrittsarbeit, insbesondere durch Heizung gereinigtes Platin, besteht, in dessen Mittelpunkt eine sehr kleine Kathodenfläche aus einem Material kleiner Elektronenaustrittsarbeit, insbesondere Tantal oder Magnesium, angeordnet ist.

2. Feldemissionskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein feiner Tantal- oder Magnesiumdraht (2) von einem heizbaren Platinmantel (1) eingehüllt ist (Fig. 1).

3. Feldemissionskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte einer polierten, hochgereinigten und heizbaren Platinoberfläche (5) eine Kalotte (6) aus Magnesium oder Tantal aufgebracht ist (Fig. 2).

4. Verfahren zur Herstellung einer Feldemissionskathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalotte dadurch hergestellt wird, daß das Magnesium oder Tantal im Vakuum durch eine feine Folienbohrung hindurch auf die Platinoberfläche aufgedampft wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 575 361, 680'824,
;9 830, 735 313.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

& 909 557/338 6.