DE1238587B - Anordnung zur Erzeugung eines intensitaetsreichen Ladungstraegerstrahles kleiner Apertur - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-21/01

Nummer: 1238587

Aktenzeichen: Z 8773 VIII c/21 g

1 238 587 Anmeldetag: 27.Mail961

Auslegetag: 13. April 1967

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung eines intensitätsreichen Ladungsträgerstrahles kleiner Apertur, insbesondere zur Bearbeitung von Materialien, mittels eines eine Ladungsträgerquelle, eine Fokussierungselektrode und eine Beschleunigungselektrode aufweisenden Strahlerzeugungssystems, bei dem der zur Emission dienende Bereich der Ladungsträgerquelle in einem bezüglich seiner Stärke veränderbaren Magnetfeld liegt.

Bei der Erzeugung eines intensitätsreichen La- in dungsträgerstrahles mittels eines aus Glühkathode, Anode und Steuerelektrode bestehenden Strahlerzeugungssystems geht neben der Linsenwirkung des Beschleunigungsfeldes in unmittelbarer Nähe der Kathode die Feldstärke an der Elektronen emittierenden Kathodenfläche, die Stromdichte der Elektronenemission und die Größe der abgesaugten Kathodenfläche ein. Alle diese Faktoren zusammen bewirken, daß der erste Überkreuzungspunkt, d. h. also der Ort kleinsten Strahlquerschnitts, in einem Bereich auftritt, wo das Kathodenfeld nicht mehr seine stark sammelnde Wirkung ausübt. Dies bewirkt, daß die Apertur eines austretenden Ladungsträgerstrahlbündels hoher Strahlstromstärke hinter der Anode so groß ist, daß bei einer Fokussierung dieses Strahles zum Zweck der verkleinerten Abbildung des Überkreuzungspunktes mittels normaler Elektronenlinsen deren Öffnungsfehler zu sehr ins Gewicht fällt.

Bekannt ist die sogenannte Fernfokuskathode, bei welcher durch eine spezielle Ausbildung der Steuerelektrode dafür gesorgt ist, daß der Fokus des Strahlerzeugungssystems hinter der Anode liegt. Diese Fernfokuskathode hat jedoch den Nachteil, daß ohne die Einführung zusätzlicher Hilfselektroden die Brennweite stark von der Emission abhängig ist, d. h. also, daß sich die Lage des Fokus bei einer Veränderung der Steuerelektrodenvorspannung ändert. Ein weiterer Nachteil der Fernfokuskathode besteht darin, daß die Feldstärke an der Kathode nicht sehr groß gemacht werden kann, was zur Folge hat, daß in vielen Fällen der Richtstrahlwert durch die Raumladung begrenzt wird.

Es sind Anordnungen zur Erzeugung eines Elektronenstrahles hoher Stromdichte für Wanderfeldröhren bekannt, bei denen ein Elektronenstrahl in Richtung eines ersten Magnetfeldes einer bestimmten Intensität gerichtet ist, wobei die Kathode in einem Magnetfeld geringerer Intensität als das genannte erste Magnetfeld angeordnet ist. Durch diese Anordnung soll die Anzahl der miteinander in Ubereinstimmung zu bringenden Systemachsen zur Ausrichtung des Elektronenstrahles verringert werden.

Anordnung zur Erzeugung eines
intensitätsreichen Ladungsträgerstrahles kleiner
Apertur

Anmelder:

United Aircraft Corporation,
East Hartford, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dr.-Ing. A. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann und Dr. K. Fincke,

Patentanwälte, München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

Dr. Wilhelm Scheffels, Germering

Es ist ferner eine Anordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahles hoher Stromdichte ebenfalls für Wanderfeldröhren bekannt, bei welcher Mittel vorgesehen sind, um einen ringförmigen Elektronenstrahl zu erzeugen.

Bei diesen beiden bekannten Anordnungen soll ein Überkreuzungspunkt des Elektronenstrahles gar nicht erreicht werden. Diese Anordnungen sind also beispielsweise zur Bearbeitung von Materialien nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die insbesondere zur Bearbeitung von Materialien geeignet ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Magnetfeld den Strahl in Strahlrichtung hinter der Beschleunigungselektrode in einem Überkreuzungspunkt sammelt. Es ist möglich, die Stärke des sammelnden Magnetfeldes so zu wählen, daß nur ein reeller Überkreuzungspunkt auftritt und ein weiterer Überkreuzungspunkt virtuell hinter der Kathode liegt. Es läßt sich auf diese Weise ein Strahl besonders geringer Apertur erzeugen, was unter anderem gerade für die Materialbearbeitung vorteilhaft ist.

Das Magnetfeld kann dazu dienen, die Lage des Überkreuzungspunktes unabhängig von der Emission zu steuern bzw. konstant zu halten. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Feldstärke

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an der Anode sehr groß gehalten werden, so daß ein Richtstrahlwert nahe dem maximalen Richtstrahlwert erreichbar ist.

Es ist auch möglich, das Magnetfeld so zu wählen, daß es den Strahl zusätzlich in einem zwischen Ladungsträgerquelle und Beschleunigungselektrode liegenden Überkreuzungspunkt sammelt. Dieser Punkt kann sehr nahe an der Kathode liegen, so daß das Kathodenfeld auch hinter diesem ersten Überkreuzungspunkt noch eine stark sammelnde Wirkung ausübt, so daß ein hinter der Beschleunigungselektrode liegender zweiter Überkreuzungspunkt erzeugt werden kann. Durch Veränderung der Stärke des Magnetfeldes kann dieser zweite Überkreuzungspunkt beliebig in der Strahlachse verschoben werden.

Zur Erzeugung eines Elektronenstrahles mit einer Glühkathode kann zweckmäßig die Kathode von einer auf Kathodenpotential liegenden, stromdurchflossenen Spule umgeben sein, die vorteilhaft mit der Anode bezüglich ihrer Stromversorgung in Reihe geschaltet sein kann. Bei einer kleinen Änderung des Heizstromes wird in diesem Fall das Magnetfeld schon merkbar in seiner Stärke verändert, während die Veränderung des Heizstromes fast ohne Einfluß auf die Emission der Kathode bleibt, insbesondere, wenn die Kathode im Raumladungsgebiet arbeitet.

Es kann auch vorteilhaft sein, auf dem Potential der Steuerelektrode liegende, mit der Steuerelektrode elektrisch verbundene Mittel zur Erzeugung des Magnetfeldes vorzusehen. Die Mittel zur Erzeugung des Magnetfeldes bestehen dabei zweckmäßig aus einer elektromagnetischen Linse, deren einer Polschuh von dem Teil der Steuerelektrode gebildet wird, der der Kathode am nächsten ist.

Die Forderung maximaler Feldstärke an der Kathode bei sehr hoher Emissionsdichte wird am besten von der geheizten Spitzenkathode erfüllt. Bei dieser wirkt sich jedoch normalerweise nachteilig aus, daß die Elektronen in einem ungewöhnlich großen Raumwinkel austreten. Man erhält bei Verwendung dieser Kathode, insbesondere beim Arbeiten mit Impulsbetrieb, hohe Stromstärken, jedoch ist die Apertur des austretenden Elektronenbündels hinter der Anode unzulässig groß.

Das Magnetfeld kann z. B. durch Permanentmagnete erzeugt werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden F i g. 1 bis 5 näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 ein aus Kathode, Steuerzylinder und Anode bestehendes Strahlerzeugungssystem üblicher Bauart,

F i g. 2 ein gemäß der Erfindung aufgebautes Strahlerzeugungssystem,

F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung nach der Erfindung,

F i g. 4 ein neues Strahlerzeugungssystem, bei welchem die Mittel zur Erzeugung des sammelnden Magnetfeldes mit der Anode verbunden sind,

F i g. 5 ein mit einer geheizten Spitzenkathode ausgerüstetes, gemäß der Erfindung aufgebautes Strahlerzeugungssystem.

In F i g. 1 ist mit 1 die Glühkathode, mit 2 die Wehneltelektrode und mit 3 die Anode eines Strahlerzeugungssystems üblicher Bauart bezeichnet. Werden die Daten dieses Strahlerzeugungssystems so gewählt, daß ein intensitätsreicher Elektronenstrahl erzeugt wird, so hat der aus der Anode 3 austretende Elektronenstrahl 4 eine sehr große Apertur.

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Wie aus F i g. 1 zu erkennen ist, entsteht der erste Überkreuzungspunkt S zwischen Kathode und Anode in einem Bereich, wo das Kathodenfeld nicht mehr eine stark sammelnde Wirkung hat. Aus diesem Grund ist die Apertur bei hohem Strahlstrom des Elektronenstrahles 4 groß.

Das in F i g. 2 gezeigte Strahlerzeugungssystem besteht aus einer Glühkathode 1, der Wehneltelektrode 2 und der Anode 3. Die Glühkathode 1 ist von einer auf Kathodenpotential liegenden stromdurchflossenen Spule 9 umgeben. Diese Spule ist mit der Glühkathode bezüglich ihrer Stromversorgung in Reihe geschaltet. Bei einer kleinen Änderung des Heizstromes tritt eine ins Gewicht fallende Änderung des Magnetfeldes der Spule 9 auf, während die Emission der Kathode 1 kaum merkbar verändert wird.

Die Spule 9 übt auf die aus der Glühkathode 1 austretenden, dort noch langsamen Elektronen eine stark sammelnde Wirkung aus und unterstützt damit die sammelnde Wirkung des Kathodenfeldes in der Nähe der Kathode. Dadurch entsteht der erste Überkreuzungspunkt 5 in unmittelbarer Nähe der Glühkathode 1, d. h. in einem Bereich des Kathodenfeldes, in welchem dieses eine stark sammelnde Wirkung ausübt. Bedingt durch diese Wirkung des Kathodenfeldes werden die Elektronen hinter dem ersten Überkreuzungspunkt 5 wieder gesammelt, und es entsteht ein zweiter in Strahlrichtung gesehen hinter der Anode 3 gelegener Überkreuzungspunkt 11.

Durch Verändern des durch die Spule 9 fließenden Stromes wird das sammelnde Magnetfeld in der Nähe der Kathode verändert. Dadurch wird der Ort des ersten Überkreuzungspunktes 5 in der Strahlachse verschoben, so daß sich also auch der Ort des zweiten Überkreuzungspunktes in der Strahlachse verschiebt.

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Glühkathode 1 von einer elektromagnetischen Linse 13 umgeben, deren einer Polschuh 14 als Steuerelektrode ausgebildet ist. Demzufolge liegt die Linse 13 auf dem Potential der Steuerelektrode. Die Linse 13 erzeugt ein sammelndes Magnetfeld, so daß also ebenso wie im Fall der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ein zweiter Überkreuzungspunkt der Elektronen erzeugt wird, welcher in Strahlrichtung gesehen hinter der Anode 3 liegt.

F i g. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem die Glühkathode mit 1, der Wehneltzylinder mit 2 und die Anode mit 3 bezeichnet ist. Die Anode besteht aus einem dünnen Blech aus nicht oder nur schwach magnetischem Material, welches die elektromagnetische Linse 13 bedeckt. Der Polschuh 18 dieser Linse 13 liegt an der Anode 3; die Linse 13 liegt auf Anodenpotential. Der andere Polschuh 20 der Linse 13 ist durch einen Luftspalt von dem ferromagnetischen Einsatz 22 im Steuerzylinder 2 getrennt. Der Einsatz 22 liegt auf dem Potential des Steuerzylinders 2.

Durch den Einsatz 22 wird erreicht, daß das sammelnde Magnetfeld in der Nähe der Glühkathode 1 verstärkt wird.

Bei dem in F i g. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird durch das sammelnde Magnetfeld der erste Überkreuzungspunkt in der Nähe der Glühkathode 1 erzeugt. Es entsteht ein zweiter Überkreuzungspunkt 11, welcher in Strahlrichtung gesehen hinter der Anode 18 liegt.

Claims (9)

F i g. 5 zeigt ein Strahlerzeugungssystem, welches aus einer geheizten Spitzenkathode 23 besteht, welche auf negativem Potential liegt. In unmittelbarer Nähe dieser Spitzenkothode ist eine gegenüber der Kathode auf positivem Potential liegende Elektrode 14 angeordnet, welche einen Polschuh der elektromagnetischen Linse 13 bildet. Die auf positivem' Potential gegenüber der Spitzenkathode 23 liegende Anode ist mit 3 bezeichnet. Die Regelung des Emissionsstromes erfolgt hier durch Veränderung der Temperatur der Kathode mittels des Heizstromes. Die elektromagnetische Linse 13 umgibt den zur Emission dienenden Bereich der Spitzenkathode 23 und erzeugt hier ein sammelndes Magnetfeld, welches die unter einem großen Raumwinkel aus der Kathode 23 austretenden Elektronen sammelt. Es entsteht demzufolge ein reeller Überkreuzungspunkt 11, welcher in Strahlrichtung gesehen hinter der Anode 3 liegt. Es ist auch möglich, an Stelle der in den F i g. 3 bis 5 dargestellten elektromagnetischen Linse hinsichtlich ihrer Stärke veränderbare Permanentmagneten vorzusehen. Patentansprüche: 25

1. Anordnung zur Erzeugung eines intensitätsreichen Ladungsträgerstrahles kleiner Apertur, insbesondere zur Bearbeitung von Materialien, mittels eines eine Ladungsträgerquelle, eine Fokussierungselektrode und eine Beschleunigungselektrode aufweisenden Strahlerzeugungssystems, bei dem der zur Emission dienende Bereich der Ladungsträgerquelle in einem bezüglich seiner Stärke veränderbaren Magnetfeld liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld den Strahl in Strahlrichtung hinter der Beschleunigungselektrode (3) in einem Überkreuzungspunkt (11) sammelt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld den Strahl überdies in einem zwischen der Ladungsträgerquelle (1) und der Beschleunigungselektrode (3) liegenden Überkreuzungspunkt (5) sammelt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 zur Erzeugung eines Elektronenstrahles mit einer Glühkathode, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode von einer auf Kathodenpotential liegenden stromdurchflossenen Spule umgeben ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode und die Spalte bezüglich ihrer Stromversorgung in Reihe geschaltet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch auf dem Potential der Steuerelektrode liegende, mit der Steuerelektrode elektrisch verbundene Mittel zur Erzeugung des Magnetfeldes.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des Magnetfeldes aus einer elektromagnetischen Linse bestehen, deren einer Polschuh von dem Teil der Steuerelektrode gebildet wird, welcher der Kathode am nächsten liegt.

7. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zur Erzeugung des sammelnden Magnetfeldes dienende elektromagnetische Linse sowie durch einen in unmittelbarer Nähe der Kathode angeordneten, auf einem anderen Potential als die elektromagnetische Linse liegenden ferromagnetischen Einsatz, welcher durch einen Spalt von der Linse getrennt ist.

8. Anordnung nach Ansprach 1, bei welcher das Strahlerzeugungssystem aus einer geheizten Spitzenkathode und einer in unmittelbarer Nähe dieser Kathode angeordneten, auf einem gegenüber der Kathode positiven Potential liegenden Elektrode besteht, dadurch gekennzeichnet, daß diese Elektrode zugleich einen Polschuh einer die Kathode umgebenden elektromagnetischen Linse bildet.

9. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch Permanentmagneten erzeugt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 756 575;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 058 638;
britische PatentschriftNr. 864 215;
USA.-Patentschrift Nr. 2 812 467;
The Review of Scientific Instruments, Vol. 27,
1956, Nr. 11, S. 907 bis 909.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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