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Stabile Feldelektronenemissionskathode Feldelektronenemissionskathoden,
wie sie z. B. in Feldelektronenemissionsmikroskopen verwandt werden, haben keine
breite technische Anwendung gefunden, da die Emissionsdaten nicht konstant sind
und da die Lebensdauer nicht allzu hoch ist.
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Die wesentliche Ursache der Instabilität der Feldkathoden liegt darin,
daß atomar glatte Oberflächen durch ein elektrisches Feld zu einem Oberflächengebirge
aufgerauht werden können. üblicherweise erfolgt dies bei Kathodentemperaturen, bei
denen eine nennenswerte Oberflächenwanderung von Gitteratomen stattfindet (bei Wolfram:
T> 900° C). In abgewandelter Weise tritt dieser Effekt auch bei Raumtemperatur auf.
Die emittierten Elektronen treffen und ionisieren Moleküle des Restgases. Die. Kathode
wird von diesen Ionen beschossen und an den Auftreffstellen lokal kurzzeitig erwärmt.
Dies reicht aus, um lokal eine Oberflächenwanderung und damit eine Aufrauhung durch
das Feld wirksam werden zu lassen. Je nach der Güte des Vakuums wird also nach längerer
Zeit eine Aufrauhung der Emissionsfläche stattfinden, die zu lokalen Erhöhungen
der Feldstärke und damit zu einer beachtlichen Verstärkung des Emissionsstromes
führt. An besonders hohen Gipfeln der Aufrauhung tritt infolge der Jouleschen Wärme
eine ständige lokale Temperaturerhöhung ein. Dies kann erstens eine Verdampfung
von Atomen an den Gipfeln bewirken und damit in Zangen Zeiträumen zu einem Kristallabbau
führen, der mit einer Vergrößerung des Spitzenradius, einer Verringerung der mittleren
Oberflächenfeldstärke und einer Verringerung des Emissionsstromes verbunden ist.
Zweitens kann das Gipfelwachstum fortgesetzt werden, bis die Temperatur so hoch
ansteigt, daß es zur Zündung eines Vakuumbogens kommt, der die Spitze zerstört.
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Erst in jüngster Zeit ist bekanntgeworden, daß bei Betrieb atomar
glatter Kathoden mit Impulsen von etwa 10-s Sekunden Dauer und Impulsfolgefrequenzen
der Größenordnung 50 Hz laboratoriumsmäßig stabilere Kathoden erhalten werden. Nachteile
sind der relativ hohe Aufwand zur Erzeugung der Impulse sowie die Beschränkung auf
Impulsbetrieb.
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Es ist schon eine Feldelektronenemissionskathode bekannt, bei welcher
verhältnismäßig makroskopische Spitzen eines Metallkörpers gegen ein die Feldstärke
an den Spitzen erhöhendes Dielektrikum stoßen. Auf der anderen Seite des Dielektrikums
befindet sich eine dünne Schicht aus einem Metall geringerer Austrittsarbeit.
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Ferner ist bei einer Feldemissionskathode für pulsierenden Betrieb
bereits eine zusätzliche Heizung vorgeschlagen worden. Während bisher als emittierende
Kathodenfläche möglichst glatte Oberflächen verwendet wurden, besteht der Grundgedanke
der Erfindung darin, -als Emissionsfläche eine schwach aufgerauhte Oberfläche zu
verwenden, wie sie erhalten. wird,. falls die Bedingungen für starke Aufrauhung
und für völlige Einebnung schnell hintereinander abwechseln, das bedeutet einen
schnellen Wechsel der Oberflächenfeldstärke. Hierzu wird die Kathode - mit- Wechselspannung,
pulsierender Gleichspannung oder mit Spannungsimpulsen von 1 bis 10-5 Sekunden Dauer
betrieben. Wegen der Trägheit der Formänderung stellt sich gleichgewichtsartig ein
Zustand sanfter Aufrauhung ein. Wie erwartet, erwies sich die Emission solcher Kathoden
bei hoher Lebensdauer als ausreichend konstant.
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Der Betrieb einer Feldkathode mit Wechselspannung ist bereits vor
einigen Jahren unter anderem vom Verfasser erprobt worden. In all diesen Untersuchungen
wurden erstens so stark überhöhte Spannungen angelegt, daß die Emission infolge
der einsetzenden Feldverdampfung der Spitze nicht mehr stabil blieb. Zweitens wurde
weder diskutiert noch experimentell festgestellt, daß mit Wechselspannungen konstante
Emissionsbedingungen und lange Lebensdauer der Kathoden erzielt werden können.
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Die Frequenz sowie die Form des Spannungsimpulses innerhalb einer
Periode ist beliebig. Doch kann es empfehlenswert sein, die Scheitelspannungsdauer
kurz zu halten, sowohl im absoluten Sinne (z. B. 10-3 Sekunden) als auch relativ
zur Dauer einer Periode (z. B. 1: 20).
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Aufrauhung und Einebnung der Stufen findet normalerweise nur bei Temperaturen
statt, bei denen ein
nennenswerter Platzwechsel der Oberflächenbausteine
der Kathode stattfindet. Hierzu ist bei den bisher verwendeten Metallen (z. B. Wolfram
oder Molybdän) eine Heizung der Kathode erforderlich z. B. mittels Stromwärme. Eine
solche Heizvorrichtung ist nach der Erfindung entbehrlich, falls ein Kathodenmaterial
verwendet wird, das bereits bei Raumtemperatur (oder Betriebstemperatur der Kathode)
einen Oberflächenplatzwechsel aufweist. Hierfür sind Metalle oder Halbleiter mit
im Vergleich . zu den bisher verwendeten Metallen (z. B. Wolfram oder Molybdän)
relativ geringer Schmelztemperatur geeignet.
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Wenn die Kathode auch grundsätzlich jede beliebige geometrische Form
aufweisen darf, so dürften doch Spitzen am zweckmäßigsten sein. Die parallele Anwendung
von mehreren oder zahlreichen Spitzen kann die Kathodeneigenschaften verbessern.
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Für Röhren mit stabilen Feldkathoden ergeben sich mehrere Anwendungsmöglichkeiten,
beispielsweise dort, wo bisher Glühkathoden verwandt wurden, z. B. als Gleichrichter.
Durch geeignete Gitterelektroden lassen sich elektronische Steuerungen erzielen.
Da die Emissionsfläche einer Spitze im Vergleich mit Glühkathoden sehr klein ist,
sollten Feldkathoden als praktisch fast punktförmige Elektronenquellen in der Elektronenoptik
Anwendung finden können, beispielsweise für elektronenoptische Materialbearbeitung
oder zur Erzeugung des Brennflecks in einem Röntgenschattenmikroskop. Ferner können
Röhren mit stabilen Feldkathoden, deren Anode als Leuchtschirm ausgebildet ist,
zu einer Verwirklichung des bekannten Vorschlages führen, Röhren mit Feldkathoden
als Lichtquellen zu verwenden.
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Die Herstellung der Spitze einer stabilen Kathode erfolgt beispielsweise
durch Ätzen eines Drahtes, z. B. elektrolytisch. Zur Formierung der Spitzen im Hochvakuum
dürfte neben dem üblichen Tempern auch die Felddesorption von Adsorptionsschichten
und die Feldverdampfung von Gitterbausteinen zweckmäßig sein.
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Zum Betrieb einer Feldkathode sind üblicherweise Scheitelspannungen
in der Größenordnung von einigen kV erforderlich. Ein Übergang zu geringeren Betriebsspannungen
ist möglich, falls der Abstand Kathode-Anode so klein gewählt wird, daß er nur Bruchteile
eines Millimeters beträgt.