DE1589974C3 - Glühkathodenanordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls hoher Intensität für Elektronenstrahl-Bearbeitungsgeräte - Google Patents

Description

40

Die Erfindung betrifft eine Glühkathodenanordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls hoher Intensität für Elektronenstrahlbearbeitungsgeräte, bei welcher das die Elektronen emittierende Material der Glühkathode aus einem Borid der Seltenen Erden besteht.

Eine große Zahl von Geräten für wissenschaftliche und technische Zwecke setzen die Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Intensität voraus. Unter diesen Geräten befinden sich zum Beispiel Werkzeugmaschinen, die sich eines Elektronenstrahls bedienen, wie Schweißvorrichtungen usw., und weiterhin Vorrichtungen, die Aufzeichnungen von Informationen mittels Elektronenstrahlen bewirken, um nur einige Möglichkeiten zu nennen.

Eine wesentliche Schwierigkeit, die bei einer Reihe dieser Geräte auftritt, ist darin zu erblicken, daß der Elektronenstrahl auch bei einem verhältnismäßig schlechtem Vakuum mittels einer emittierenden Kathode erzeugt und aufrechterhalten werden muß. Ferner ist in derartigen komplexen Geräten die Stabilität bzw. das Einjustieren des Elektronenstrahls besonders kritisch. Die einjustierte Position wird beeinträchtigt durch jede Bewegung der Elektronenquelle.

Derartige Bewegungen können durch eine Änderung der Lage des Emissionspunktes verursacht werden, was bei der Benutzung eines üblichen, in Form einer Haarnadel gebogenen Wolframdrahtes oft der Fall ist. Weiterhin ist die anfängliche Einjustierung des haarnadelförmigen Wolframdrahtes oft schwierig, da die eigentliche emittierende Stelle auf dem Draht nicht exakt vorausgesagt werden kann. Das Hauptkriterium für die Güte einer Kathode ist die Intensität des erzeugten Elektronenstrahls, die auf einen bestimmten Punkt fokussiert werden kann, und die gemessen wird in A/cm²/räumlichem Einheitswinkel. Die seit langem bekannte Langmuir'sche Beziehung besagt, daß die maximale Intensität, die von einer Glühkathode bei gegebener Temperatur ,geliefert werden kann, gegeben ist durch den Ausdruck:

nkT

Hierbei bedeutet:

B die Intensität (A/cm²/räumlichem Einheitswinkel),

ic die spezifische Emission der Kathode (A/cm²),

e die Elektronenladung (elektrostatische Einheiten),

U das Beschleunigungspotential (V),

k die Bolzmannkonstante,

T die absolute Temperatur der Kathode (K).

Bis zu Emissionsdichten von etwa 2 A/cm² wurde herausgefunden, daß eine dem Ausdruck (1) entsprechende Intensität mit einer der in Elektronenmikroskopen gebräuchlichen Glühkathoden erreicht werden kann. Für Werte, die größer als 2 A/cm² sind, nimmt die Effektivität der Glühkathode infolge der Divergenz der emittierten Elektronen unter dem Einfluß von Raumladungen ab. Macht man die Glühkathode groß und damit das elektrische Feld an ihrer Oberfläche entsprechend klein, so tritt die Begrenzung durch Raumladung auch für niedrigere Emissionsdichten ein.

Bekannt sind in Haarnadelform gebogene Kathoden aus Wolframdraht, die angewendet werden, wenn relativ hohe Emissionsstromdichten von einer kleinen Elektronenquelle erzielt werden sollen. Die Lebensdauer einer solchen Haarnadelkathode ist im wesentlichen begrenzt durch drei Faktoren, nämlich durch die Verdampfung des Kathodenmaterials selbst, durch die Kathodenzerstäubung und durch die Gaserosion. Jedoch ist in den meisten Fällen nur die Verdampfung des Kathodenmaterials als kritisch zu betrachten. Die Lebensdauer der Haarnadelkathode ist hauptsächlich begrenzt durch einen genau unterhalb des Scheitels der Haarnadel sich ausbildenden heißen Fleck. Dieser heiße Fleck entsteht, weil die strahlende Hitze an diesem Punkt konzentriert wird. Die Zerstörung der Kathode erfolgt meistens dann, wenn der Draht an dieser Stelle um etwa 10% dünner geworden ist. Beispielsweise arbeitet die konventionelle Wolframhaarnadelkathode mit einem Drahtdurchmesser von etwa 1,3 · ΙΟ"¹ mm, mit Emissionsstromdichten von etwa 2,7 A/cm² über eine Zeitdauer von etwa 40 Stunden.

Bei derartigen verhältnismäßig kurzen Lebensdauern fallen die Kosten und die Zeit zur Erneuerung der Kathode bei bestimmten Anwendungsarten, bei

denen die Betriebszeit begrenzt ist, sehr stark ins Gewicht. Die Haarnadelkathode hat außerdem eine geringe mechanische Stabilität.

Das verhältnismäßig schlechte Vakuum, in dem derartige Kathoden betrieben werden müssen, steht der Benutzung der verschiedenartigen Oxyd-, Vorratsund Feldemissionskathoden entgegen. Notwendigerweise müssen hochschmelzende Metalle bzw. andere geeignete, feuerfeste Materialien benutzt werden, um die erforderlichen Emissionsdichten unter derartigen Druckverhältnissen sicherzustellen.

Es ist jedoch bekannt (USA.-Patentschrift 26 39 399), daß bestimmte Metallboride, insbesondere die Boride der Seltenen Erden, eine ausgezeichnet gute Emissionseigenschaft aufweisen. Unter diesen ist Lanthanhexaborid (LaB₆), ein Material, das eine hohe Strahlintensität bei überaus guten Lebensdauereigenschaften aufweist. Die sehr große Reaktionsfähigkeit der Mehrzahl der Boride der Seltenen Erden und auch des Lanthanhexaborids bei erhöhten Temperaturen, bei denen die Elektronenstrahlapparaturen betrieben werden müssen, verhinderte aber bisher, daß diese Materialien praktisch in diesen Geräten angewendet werden konnten.

Bei bisherigen' praktischen Anwendungen der Boride der Seltenen Erden als Elektronenquellen war die Lebensdauer der Kathodenhaltevorrichtung begrenzt auf einige Stunden bei einer hohen Emissionsdichte von 10 A/cm², da unter diesen Bedingungen das Material, das die Kathode trüg, in dieser Zeit durch die Boridverbindungen angegriffen und zerstört wurde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Glühkathodenanordnung, bei welcher das die Elektronen emittierende Material der Glühkathode aus einem Borid der Seltenen Erden besteht, für Elektronenstrahl-Bearbeitungsgeräte anzugeben, die auch bei ungünstigen Vakuumbedingungen eine hohe Elektronenstrahlintensität gewährleistet bei einer sehr großen Lebensdauer der Kathode.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Glühkathode aus einem massiven Stab aus dem die Elektronen emittierenden Material gebildet ist, der einseitig in eine, mit einem außerhalb des Vakuumsystems des Elektronenstrahl-Bearbeitungsgerätes angeordneten Kühlsystem in Verbindung stehende Haltevorrichtung eingespannt ist, der an seinem freien Ende eine mit den öffnungen eines Gitters und einer Anode fluchtende Spitze aufweist, und der durch eine den Stab in der Umgebung seines freien Endes umschließende Heizvorrichtung aufheizbar ist.

Die Verwendung von spitzen Kathoden, um das elektrische Feld in der Umgebung der Elektronenquelle zu erhöhen und eine hohe Intensität des Elektronenstrahls in einem System mit drei Elektroden zu erreichen, ist an sich bekannt. Dicke Haarnadelkathoden oder flache Scheibenkathoden sind in diesem Falle nicht geeignet. Beispielsweise kann experimentell mit einem haarnadelförmig gebogenen Wolframdraht mit einem Drahtdurchmesser von 4,3 · 10~⁶ mm bei einer Beschleunigungsspannung von 12 kV eine maximale Strahlintensität von etwa 2,5 · 10⁴ A/cm²/räumlichem Einheitswinkel erhalten werden, ein Wert, der auch durch Erhöhen der Kathodentemperatur kaum noch vergrößert werden kann. Dieses ist beträchtlich weniger, als eine erforderliche Intensität in der Größenordnung 10⁵ A/cm²/ räumlichem Einheitswinkel, die aber mit einem haarnadelförmig gebogenen Wolframdraht mit einem Drahtdurchmesser von _;etwa 1,3 · 10 ^¹ mm erzielt werden kann. Die bekannten spitzen Kathoden sind jedoch durchweg direkt geheizt und somit an hierfür geeignete Materialien, wie Wolfram, gebunden.

Ferner ist es bekannt (New Scientist 1963, Nr. 367, S. 552 bis 554, sowie Experimentelle Technik der

ίο Physik, Band XIII, 1965, Nr. 3, S. 157 bis 167), eine Lichtbogenstrecke zwischen einer spitzen Kathode und einer Anode, die zur Erzeugung eines Plasmastrahls von einem Gas durchströmt ist, mit einem wassergekühlten Mantel zu umgeben oder Anode

und Kathode getrennt mit wasserdurchströmten Kühlmänteln auszurüsten. Diese Kühlung ist wegen der hohen Temperaturen der Lichtbogenentladung erforderlich, um ein Abbrennen der Elektroden zu ver- · meiden. Im Gegensatz zu einem reinen Elektronen-

strom, der durch thermische Emission einer Glühkathode erzeugt wird, handelt es sich bei diesen bekannten Anordnungen um Glimmentladungen mit sehr großer Stromstärke, bei denen an der Gasentladung beteiligte Elektronen und Ionen die Erhitzung der Elektroden bewirken.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Anordnung besteht darin, daß für das freie Stabende eine indirekte Heizung durch Strahlung und/oder durch Elektronenbeschuß vorgesehen ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Anordnung besteht darin, daß die Haltevorrichtung einen von einem Kühlmittel durchströmten Hohlraum aufweist. Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung steht die Haltevorrichtung über einen wärmeleitenden Stab mit einem Kühlmittelbehälter in Verbindung.

In weiterer Ausgestaltung kann die Glühkathode aus einem Stab aus Lanthanhexaborid (LaB_fi) gebildet sein.

Die Erfindung wird an Hand von durch die Zeich-

nungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt, jeweils in Seitenansicht, teilweise im Schnitt,

F i g. 1 eine vereinfachte Form der Kathodenanordnung, und

F i g. 2 einen Teil eines Elektronenstrahlbearbeitungsgerätes mit einer eingebauten Kathodenanordnung und

. In F i g. 1 ist mit 10 die Kathode bezeichnet, die aus einem zylindrischen Stab besteht, der an einem

Ende mit einer Spitze versehen ist und an seinem anderen Ende gehalten wird.

Während die Kathode nicht notwendigerweise einen zylindrischen Querschnitt aufweisen muß, so ist es doch wesentlich, daß sie im Vergleich zu ihrem Durchmesser eine ziemlich große Länge aufweist. Auch ist die Spitze an der emittierenden Seite der Kathode etwas kritisch, wie noch aus der folgenden Beschreibung näher hervorgehen wird. Eine Heizspirale 12 und die zugeordnete Heizstromquelle 14

sind zur Aufheizung des emittierenden Endes der Kathode 10 vorgesehen. Die Heizspirale 12 stellt eine Widerstandsheizung dar, die mit Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben werden kann. Zum Zwecke der Strahlformung ist eine als Gitter wirkende Elek-

trode in Form der Platte 16 vorgesehen, die mit einem geeigneten negativen Potential bezüglich der Kathode 10 versehen ist, eine Maßnahme, die für Elektronenstrahlgeräte bekannt ist. Weiterhin ist zur Beschleuni-

gung der Elektronen eine Anode 18 vorgesehen, die eine kleine Bohrung 20 aufweist, jenseits derer sich ein hochkonzentrierter Elektronenstrahl 22 ausbildet. Die Anode 18 ist, wie aus F i g. 1 zu entnehmen, mit einer positiven Spannungsquelle verbunden.

Ein wesentlicher Bestandteil der Kathodenanordnung, durch welchen die Benutzung der sehr reaktionsfreudigen Boride der Seltenen Erden ermöglicht wird, bildet die gekühlte Haltevorrichtung 24. Die Kühlung erfolgt durch eine geeignete Kühlflüssigkeit, die durch den Hohlraum 26 hindurchfließt, was durch die Zu- und Abflußrohre 28 und 25 angedeutet ist. Diese Darstellung soll jedoch lediglich grundsätzlich eine Kühlung der Haltevorrichtung andeuten, wobei es an sich unerheblich ist, welches Wärmeabführungsmittel im Zusammenhang mit der Haltevorrichtung der Kathode benutzt wird. Grundsätzlich kann somit auch Wasser als Kühlmittel benutzt werden, wobei sich allerdings erhebliche Schwierigkeiten für die Isolation der Kathode und ihrer Haltevorrichtung ergeben.

Die Kathode 10 ist in die Haltevorrichtung 24 mittels einer in dieser vorgesehenen Bohrung eingelassen und zwecks eines besseren Wärmeüberganges mit dieser verlötet, was durch die Lötstelle 30 angedeutet ist.

Obwohl die Darstellung der F i g. 1 etwas schematischer Natur ist, gibt sie die wesentlichen Bestandteile der Kathodenanordnung wieder. Diese bestehen demnach aus der eigentlichen, mit einer Spitze versehenen Kathode 10, die im Vergleich zu ihrem Durchmesser eine große Länge aufweist und aus einem Borid der Seltenen Erden besteht, einer Heizspirale 12 zur indirekten Heizung der Kathode sowie einer Haltevorrichtung 24, die mit einer äußeren Kühlvorrichtung versehen ist, so daß genügend Wärme von der Kathode abgeführt werden kann. Infolge dieser Wärmeabführung wird die Temperatur der Kathode 10 unterhalb des Wertes gehalten, an dem die Reaktionsfähigkeit auftritt, die bei bisher bekannten Konstruktionen eine Zerstörung der Haltevorrichtung bewirkte und somit eine Benutzung dieser Materialien als Kathodenmaterial unmöglich machte.

F i g. 2 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform, die mit Erfolg über 1000 Stunden betrieben wurde. In dieser Figur werden zum Zwecke der Verdeutlichung für ähnliche Teile der Anordnung dieselben Bezugszeichen verwendet, wie dies bei F i g. 1 der Fall ist. Die Kathode 10, die Heizspirale 12, die strahlformende Platte 16 und die Anode 18 mit der darin befindlichen öffnung 20 wirken in derselben Weise, wie dies im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben wurde. Zwei Abschirmbleche 31 aus Tantal mit der zugehörigen Haltevorrichtung, reflektieren die Wärme der Heizspirale auf die Kathode, was den Wirkungsgrad der Heizspirale erhöht. Es sei bemerkt, daß die elektrischen Zuführungen zu jedem Ende der Heizspirale durch die beiden Stäbe 32 hindurchgeführt sind, welche die Haltevorrichtung 24 der Kathode durchsetzen, wobei die Isolierung gegenüber der Haltevorrichtung durch die Hülsen 34 erfolgt. Die Wirkungsweise der Haltevorrichtung 24, die vorzugsweise aus Kupfer oder einem ähnlich gut leitenden Material nach der Art, wie es die Fig. 1 zeigt, hergestellt ist, wird jedoch bei der Anordnung dieser Figur dadurch sichergestellt, daß eine Kühlung über den wärmeleitenden Stab 36 vorgesehen ist. Die von diesem geförderte Wärmemenge wird an das ölbad 38 abgegeben, wobei ein gewisser Grad von Zirkulation des Ölbades durch Konvektion aufrechterhalten wird. Die Kammer 40 kann durch Luftkonvektion gekühlt werden, oder es kann eine zusätzliche äußere Kühlung, beispielsweise durch ein Ventilator, vorgesehen sein.

Es sei noch bemerkt, daß die gesamte Anordnung durch den keramischen Durchführungsisolator 42 getragen wird, der nach der einen Seite offen ist und

ίο mit dem Ölbad 38 in Berührung steht und der an dem anderen Ende durch den Ring 44 mit drei Isolierdurchführungen 46 abgeschlossen ist, in welche die leitenden Stäbe 32 und 36 eingebracht sind. Die Elek- ^: trode 16 ist direkt auf dem Ring 44 montiert, wobei jedoch die Haltevorrichtung 24 von dem Ring 44 mit- ₍ tels der keramischen Scheibe 48 isoliert ist. Die die gesamte Anordnung nach außen begrenzenden Verkleidungen 50 und 52 bilden die Wände der Vakuumkammer 8 für das Elektronenstrahlgerät und können in jeder geeigneten Weise realisiert werden. Die Heizspirale 12 wird über die beiden Stäbe 32 mit Heizenergie versorgt, wobei diesem wiederum die Energie über die beiden Leiter des Kabels 54 am oberen ■ Ende der Deckplatte zugeleitet wird, welche gleichzeitig die Ölbadkammer nach oben hin abschließt. Der andere Leiter wird zur Stromzuleitung für die ^: Haltevorrichtung 24 bzw. für die Kathode 10 benutzt. Bei diesem Aufbau kann die Anode 18 auf Erdpotential und die Kathode auf einem sehr hohen, negativen Potential gehalten werden. In der Zeichnung ist kein besonderer elektrischer Anschluß für die strahlformende Elektrode 16 dargestellt, jedoch ist es durchaus möglich, einen vierten (in der Figur nicht dargestellten) Stab als Zuleitung zu benutzen. Fig. 2 zeigt eine andere, von der Darstellung der F i g. 1 abweichende Methode zum Kühlen der Haltevorrichtung 24, bei der die Kühlung mittels Wärmeleitung durch den Stab 36 und durch Abführung dieser Wärme in das ölbad 38, das seinerseits wieder an den Wänden der Kammer 40 gekühlt wird, realisiert ist. In beiden Ausführungsbeispielen handelt es sich bei den Kühlmitteln für die Haltevorrichtung 24 um außerhalb des Vakuumsystems liegende Kühlmittel, über die ein Teil der durch die Heizung entstehenden Wärme an die Atmosphäre oder an andere Kühlmittel nach außen abgegeben werden kann.

Es ist offensichtlich, daß die Art der äußeren Kühlvorrichtung für die Haltevorrichtung 24 auf verschiedene Weise realisiert werden kann. Es ist zu beachten, daß das Kühlmittel eine genügend große Wärmekapazität aufweisen muß, um die Wärme der Haltevorrichtung 24 unterhalb eines kritischen Wertes zu halten, jenseits dessen die Kathode 10 zu reagieren beginnt, was zur Zerstörung der Haltevorrichtung führen würde. Weiterhin geben die in F i g. 2 dargestellten elektrischen Verbindungen und die benutzte Herstellungstechnik lediglich eine mögliche Art des Aufbaus eines Systems zur Erzeugung eines Kathodenstrahls wieder. Das spezielle Ausführungsbeispiel gibt eine konstruktionsmäßig günstige Lösung der Aufgabe wieder, wobei ein guter Zugang zu der Kathode dafür sorgt, daß ein Austausch der Kathode mit geringer Mühe und Zeitaufwand durchgeführt werden kann.

Bei der Anordnung nach F i g. 1 wird ein fester Stab als Kathode benutzt, der völlig aus Lanthanhexaborid besteht, der einen Querschnitt von 1 mm² und eine Länge von 3 cm aufweist und auf einer

7 8

wassergekühlten Haltevorrichtung aufgebaut ist. Die über eine Zeit von 950 Stunden bei einer Intensität

Heizung der Kathode erfolgt durch Strahlung einer von 5· 10⁴ A/cm²/räumlichem Einheitswinkel bei

Heizspirale, die das zugespitzte Ende der Kathode einer Beschleunigungsspannung von 12 kV, wobei

umgibt, und zusätzlich durch Elektronenbombarde- sich innerhalb der genannten Zeit keine schädlichen

ment. Die Heizspirale besteht aus 16 Windungen 5 Veränderungen einstellten.

eines Wolframdrahtes mit 2,5 · 10^-1 mm Durch- Aus dem vorstehenden ist zu ersehen, daß die Kamesser, der auf eine Unterlage mit einem Durch- thodenanordnung eine wesentliche Verbesserung auf messer von 2,2 mm aufgewickelt wurde, die dann dem Gebiet der Langlebensdauerkathoden für Kaspäter entfernt wurde. Ein Tantalrohr ist so montiert, thodenstrahlgeräte darstellt. Außer den allgemein daß es die Spirale umgibt und als Wärmereflektor io guten Emissionsbedingungen und der langen Lebenswirkt, so daß die von der Spirale gelieferte Wärme dauercharakteristik besitzt die beschriebene Anordauf die Kathode konzentriert wird. Die gesamte An- nung den zusätzlichen Vorteil, daß nur eine geringordnung ist in eine ausreichend evakuierte Kammer fügige Einjustierung der Kathode erforderlich ist, da eingebracht, die ihrerseits durch Dichtungsringe ab- die spitzenförmige Gestalt eine außerordentliche Stagedichtetund durch öldiffusionspumpen evakuiert ist. 15 bilität bietet und lediglich zu Anfang eine Justierung , Eine derartige Kathode wurde über einen Zeitraum erforderlich macht, so daß anschließende Justiervon 1100 Stunden getestet, wobei keine meßbare Schwierigkeiten entfallen. Hierzu im Gegensatz stehen Verschlechterung der Emissionsintensität von etwa für Justierzwecke erforderliche Mechanismen, wie sie 5 · 10* A/cm²/räumlichem Einheitswinkel bei einer für konventionelle, haarnadelförmige Wolframkatho-Beschleunigungsspannung von 12 kV auftrat. Diese 20 den üblich sind, beispielsweise in Elektronenmikro-Intensität ist gleichwertig mit einer Kathodenemis- skopen, bei denen ein außerordentlich teurer und sionsdichte von 3 A/cm². komplizierter Servomechanismus benutzt wird, um Im Falle des zweiten Ausführungsbeispiels (F i g. 2) den Elektronenstrahl in einer geeigneten Justierung wird eine Kathode aus Lanthanhexaborid benutzt, die mit dem übrigen Teil des Elektronenstrahlgerätes zu einen Querschnitt von 1 mm² und eine Länge von 25 halten, d. h. jegliche aus Justierzwecken erforderliche 16 mm aufweist. Diese Kathode wurde betrieben Bewegung der Kathode zu kompensieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Glühkathodenanordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls hoher Intensität für Elektronenstrahl-Bearbeitungsgeräte, bei welcher das die Elektronen emittierende Material der Glühkathode aus einem Borid der Seltenen Erden besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode aus einem massiven Stab (10) aus dem die Elektronen emittierenden Material gebildet ist, der einseitig in eine, mit einem außerhalb des Vakuumsystems des Elektronenstrahl-Bearbeitungsgerätes angeordneten Kühlsystem (z·. B. 25, 26, 28) in Verbindung stehende Haltevorrichtung (24) eingespannt ist, der an seinem freien Ende eine mit den Öffnungen eines Gitters (16) und einer Anode (18) fluchtende Spitze aufweist, und der durch eine den Stab in der Umgebung seines freien Endes umschließende Heizvorrichtung (14) aufheizbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das freie Stabende eine indirekte Heizung durch Strahlung (Heizspirale 12) und/oder durch Elektronenbeschuß vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (24) einen von einem Kühlmittel durchströmten Hohlraum (26) aufweist. '

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung über einen wärmeleitenden Stab (36) mit einem Kühlmittelbehälter (38) in Verbindung steht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode aus einem Stab (10) aus Lanthanhexaborid (LaB₆) gebildet ist.