DE1589467C - Verfahren zur Bestimmung des Endes der Betriebsfähigkeit eines Heizfadens einer Kathode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Endes der Betriebsfähigkeit eines haarnadelförmigen Heizfadens aus Wolfram einer Kathode, die beispielsweise in einer zerlegbaren Elektronenkanone verwendet wird.

Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung des Endes der Betriebsfähigkeit einer Wolframhaarnadelkathode besteht entweder darin, abzuwarten, bis der Faden ausgebrannt ist oder die Betriebsdauer zu messen und an Hand anschlägiger Untersuchungen das Ende der Betriebsfähigkeit abzuschätzen. Das letztgenannte Verfahren weist den wesentlichen Nachteil auf, daß es die geringen Temperaturänderungen des Fadens und die Druckschwankungen des umgebenden Vakuums, die beide einen bedeutenden Einfluß auf die Gesamtlebensdauer des Fadens ausüben, vernachlässigt, weshalb die an Hand der einzelnen Betriebsbedingungen abgeschätzte Lebensdauer des Fadens der üblichen bekannten Lebensdauer eventuell nicht entspricht. Bei einer bestimmten Betriebstemperatur bewirkt eine beispielsweise um 10()"C fehlerhaft abweichende Temperatur eine Abnahme der Fadenlebensdauer um 40 bis 50 Stunden.

Aus der schweizerischen Patentschrift 236 299 ist es bekannt, Heizfäden von Kathoden mit konstantem Strom oder mit konstanter Spannung oder mit konstantem Sättigungsstrom zu betreiben. Es hat sich dabei gezeigt, daß die Lebensdauer einer Glühkathoeinstrahlröhre-länger wird, wenn der Hei/faden mit konstantein Sättigungsstrom betlieben wird anstatt mit konstanter Heizspannung. Die höchste Lebensdauer wird also erreicht, wenn der Heizfaden mit konstantem Sätligungsstrom, die niedrigste, wenn der I lei/l'adcn mit konstantem Strom betrieben wird. Wie auch allgemein bekannt ist, läuft der Betrieb mit konstantem Sältigungsslrom auf einen Betrieb mit konstanter Temperatur des Heizfadens hinaus, da der Sättigungsstrom lediglich vom Material und von der Temperatur des Heizfadens abhängt.

Schließlich ist auch aus der deutschen Patentschrift 685 276 ein Verfahren zur Feststellung der von einer Entladungsröhre zurückgelegten Betriebszeit und eine Anordnung zur Ausübung dieses Verfahrens bekannt. Dabei wird von. der Zerstäubung eines Stoffes als Anzeigemittel ausgegangen. So ist es bekannt, daß die emissionsaktive Schicht von Glühkathoden und auch die Glühfadensubstanz von Glühlampen allmählich zerstäubt und sich in der Umgebung niederschlägt. Dies kann nun dazu ausgenützt werden, die von einer Entladungsröhre zurückgelegte Betriebszeit zu ermitteln.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Endes der Betriebsfähigkeit eines haarnadelförmigen Heizfadens aus Wolfram einer Kathode, die . beispielsweise in einer zerlegbaren Elektronenkanone verwendet wird, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Heizfaden mit konstanter Spannung betrieben wird und daß das Ende der Betriebsfähigkeit aus der Abnahme des durch den Heizfaden fließenden Stromes um einen Bruchteil, dessen Wert aus Erfahrung gewonnen worden ist, des Anfangsstromes der neuen Kathode ermittelt wird.

Das Verfahren arbeitet unabhängig von der Betriebstemperatur des Fadens und unabhängig vom Betriebsdruck. ,

Zur Erläuterung der Erfindung dient die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Figuren. Es zeigt

F i g. 1 die über der Betriebsdauer (Stunden) aufgetragene, auf den Nennstrom bezogene (normierte) prozentuale Stromänderung, wobei die Temperatur (gemessen in Grad Kelvin) als Parameter dient,

F i g. 2 die übender Betriebsdauer (Stunden) aufgetragene normierte prozentuale Stromänderung, wobei der Druck (gemessen in Torr) als Parameter dient,

F i g. 3 teilweise im Blockschaltbild eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung.

Wie bereits erläutert wurde, wird die Lebensdauer eines Fadens durch seinen Betrieb bei konstanter Temperatur verlängert. Zur Aufrechterhaltung einer konstanten Fadentemperatur kann diese kontinuierlich überwacht werden, wobei Schwankungen der Fadentempeiatur durch Optimierung der dem Faden zugeführten elektrischen Eingangsströme korrigierbar sind. Ein Verfahren dieser Art' ist jedoch wenig vorteilhaft. So ist beispielsweise die zur Durchführung der optischen Temperaturmessungen zur Verfügung stehende Zeit zu gering. Es wurde daher bei bereits bekannten Systemen schon versucht, den Faden mit einem konstanten Strom zu speisen, der konstante Arbeitstemperaturen für die Fäden schaffen soll. Wenn der Faden jedoch mit einem Strom konstanter Stromstärke gespeist wird,.nimmt die Temperatur mit der auf die Verdampfung zurückzuführenden Abnahme des Fadens zu, wobei die Lebensdauer des Fadens auf Grund der erhöhten Betriebstemperatur herabgesetzt wird.

Die vorliegende F-lrlindiing geht nun davon aus, den Kathodenfaden hei konstanter Spannung zu betreiben, wodurch eine Bedingung geschaffen wird, die

angenähert den zum Fadenbetrieb gewünschten konstanten Temperaturbedingungen entspricht. Es hat sich gezeigt, daß die Lebensdauer des Kathodenfadens beim Betrieb mit konstanter Spannung etwa um das Zehnfache höher ist als die ansonsten bei konstantem Strombetrieb erhältliche Lebensdauer. Bei Betrieb des Kathodenfadens bei konstanter Spannung läßt sich eine weitere Erhöhung der Lebensdauer des Fadens erreichen, wenn bei der Wahl Fadenlänge und der den Faden umgebenden Einrichtung die durch Wärmestrahlung und Wärmeleitung verursachten Wärmeverluste berücksichtigt werden.

Gemäß F i g. 1 kann bei einem Betrieb des Fadens bei konstanter Temperatur und anschließender Stromüberwachung die Lebensdauer des Fadens vorbestimmt werden. Es hat sich gezeigt, daß beim Absinken des in F i g. 1 dargestellten normierten Stromes auf einen Betrag von 80 °/₀ seines Nennwertes sich der Faden dem Ende seiner Betriebsfähigkeit nähert. Die in F i g. 1 dargestellte Abnahme des normierten Stromes entspricht der durch Verdampfen bedingten Abnahme der Fadendicke, wobei ein Absinken des Stromes um 20°/₀ vom Nennstrom etwa einer Abnahme der Fadendicke um 10°/₀ entspricht. Die Verdampfung des Fadenmaterials bewirkt eine Abnahme des durch den Faden fließenden Stromes, die als ausgezeichnete Anzeige für die Fadenlebensdauer verwendbar ist. Bei Annäherung an einen willkürlich gewählten Punkt, als welcher beispielsweise ein Wert gewählt wird, der 80% des Nennstromes beträgt, sind unabhängig von den während des Betriebes herrschenden Temperatur- und Druckbedingungen bereits etwa 90°/₀ der Lebensdauer des Fadens abgelaufen.

Die F i g. 2 zeigt, daß die zur Anzeige der Fadenlebensdauer geeignete Abnahme des durch den Faden fließenden Stromes auch dann erfolgt, wenn der Faden einem schlechten Vakuum ausgesetzt ist. (Siehe die einem Vakuum von 10~³ mm Hg entsprechende Kurve in F i g. 2.) Die einem Vakuum von 10~³ mm Hg zugeordnete Kurve nach F i g: 2 zeigt, daß sich auch in diesem Fall, d. h. beim Absinken des Stromes auf 80°/₀ des normierten Stromes, der Faden dem Ende seiner Betriebsfähigkeit nähert, obgleich der Faden nur einem zehnstündigen Betrieb ausgesetzt war. Der tatsächliche Zustand des Fadens, dessen Lebensdauer normalerweise erheblich länger ist als 10 Stunden, wird somit selbst dann zwangsweise angezeigt, wenn der Bedienende die schlechten Vakuumbedingungen außer acht läßt. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Endes der Betriebsfähigkeit eines Kathodenfadens ist somit dem eingangs erwähnten Verfahren, das die Vakuum- oder Temperaturverhältnisse, denen der Faden ausgesetzt war, vernachlässigt, weitgehend überlegen.
Die F i g. 3 zeigt eine Vorrichtung zum Anlegen einer konstanten Spannung an einen Kathodenfaden, wobei der durch den Faden fließende Strom dauernd überwacht wird, um die Betriebsbedingungen des Fadens kontinuierlich zu ermitteln und damit zu

ίο einem beliebigen Zeitpunkt eine Anzeige der restlichen Fadenlebensdauer zu erhalten. In F i g. 3 ist beispielsweise ein Teil einer handelsüblichen Elektronenmikroskopkanone 12 dargestellt, die eine Anode 14, ein Gitter 16 und einen Kathodenfaden 18 enthält.

Der Kathodenfaden 18 ist an eine konstante Spannungsquelle 20 angeschaltet, wobei eine Rückkopplung 22 zur Regelung der Fadenspannung dient. In Serie mit dem Kathodenfaden 18 ist ein Strommesser 24 geschaltet, der mit einem mit einem manuell regelbaren Abgriff 28 versehenen variablen Nebenschlußwiderstand 26 gekoppelt ist. Beim Bestücken der Elektronenkanone 12 mit einem neuen Kathodenfaden 18 wird der Strommesser durch manuelle Betätigung des Abgriffs 28 des zum Strommesser im Nebenschluß geschalteten Widerstandes 26 so justiert, daß sein Zeiger 30 in die Ausgangs- bzw. Anfangsstellung gelangt. Die Elektronenkanone 12 wird durch eine mit einer Einlaßleitung des Kathodenfadens 18 verbundene übliche Sparmungsquelle 32 auf den gewünschten Anoden-Kathoden-Betriebspotentialen gehalten.

Zur Schaffung der Betriebsvorspannung des Gitters 16 ist eine Gittervorspannungseinrichtung 34 zwischen die vorerwähnte Einlaßleitung des Kathodenfadens 18 und das in der Elektronenkanone 12 angeordnete Gitter 16 geschaltet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Anode 14 bei 36 geerdet, so daß die Spannungsquelle 32 gegen die Anode negativ vorgespannt ist.
Die konstante Spannungsquelle 20 kann von üblicher Art sein und einen Strom von 2 bis 3 A sowie eine Spannung von 1,4 bis 3 V liefern, die im Kathodenfaden 18 zu einer konstanten Spannung zwischen 1,4 bis 1,7 V führen. Als Strommesser 24 dient ein handelsüblicher Strommesser mit einem Anzeigebereich von beispielsweise 3 A.

An Stelle einer festen, das Ende der Betriebsfähigkeit und der Anfangsstellung anzeigenden Skala und des in F i g. 3 gezeigten justierbaren Nebenschlußwiderstandes 26 kann der Strommesser 24 bei Montage eines neuen Kathodenfadens 18 zusätzlich mit einer justierbaren Skala versehen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung des Endes der Betriebsfähigkeit eines haarnadelförmigen Heizfadens aus Wolfram einer Kathode, die beispielsweise in einer zerlegbaren Elektronenkanone verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizfaden mit konstanter Spannung betrieben wird und daß das Ende'der Betriebsfähigkeit aus der Abnahme des durch den Heizfaden fließenden Stromes um einen Bruchteil, dessen Wert aus Erfahrung gewonnen worden ist, des Anfangsstromes der neuen Kathode ermittelt wird. ■

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abnahme des Stromes von 20°/₀ des Anfangsstromes gewählt wird, um das Ende der Betriebsfähigkeit festzulegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahme des durch den Heizfaden fließenden Stromes mit einem Strommeßgerät bestimmt wird, dessen Anzeige nach dem Einbau einer neuen Kathode in die Elektronenkanone, wenn der Anfangsstrom fließt, auf eine vom Betrag des Anfangsstromes unabhängige Anfangsstellung eingestellt wird.