DE2141145C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Elektronen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gepulsten Erzeugung von Elektronen mit einer kalten Feldemissions-Kathode und einer Anode unter Verhinderung der Zerstörung der Kathode durch die angelegten Im-Bei vielen Anwendungen von Vorrichtungen, die gepulste Elektronen erzeugen, ermöglicht das relativ niedrige benutzte Vakuum und/oder die relativ lange Zeit zwischen aufeinanderfolgenden impulsen aie Regenerierung der Elektronen-Ionen-Plasmaschichten, die als Elektronenquelle fur die Hochstromemission dienen. Unter der Einwirkung von starken elektrisehen Feldern umgeben diese Plasmaschichten normalerweise die Oberflachen der Hochstrom-Feldemissions-Kaltkathode, die in derartigen Vorrichtungen benutzt werden. Wenn jedoch em relativ großer Druck vorhanden ist und/oder Impulse mit einer beträchtlichen Wiederholungsrate benotigt werden, entstehen Probleme, die daher rühren, daß das Kathodenmaterial einer Zerstörung ausgesetzt ist, wenn ein Impuls folgt, nachdem durch den vorhergehenden Impuls die anhaftenden Elektronen-Ionen-Plasma-Schichten beseitigt worden sind.

Es sind Verfahren zum Betneb einer Kathode als Elektronenschleuder beispielsweise im Zusammenhang mit Elektronenmikroskopen bekannt. So betrifft die DT-PS 8 78 685 ein Verfahren zur Abbildung von Objekten mit einem Feldemissionsmikroskop, das aber im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht mit einer kalten Kathode arbeitet. Außerdem sind keine Mittel vorgesehen, um die Kathode vor Zerstörung zu schützen.

Bekannt ist weiterhin aus der GB-PS 5 54710 eine Maßnahme zur Verbesserung eines derartigen Verfahrens mit dem Ziel, die Zerstörung der Kathode zu verhindern. Diese besteht darin, kurze Spannungsimpulse von ungefähr einer Mikrosekunde Dauer und einer Spannung in der Größenordnung von 50 kV oder mehr zwischen der Kathode und einer Elektrode anzulegen. Als Ursache für die Zerstörung der Kathode wird dabei zum einen Teil die Bombardierung der Kathode durch Ionen des in dem Entladungsraum vorhandenen Gasrestes und zum anderen Teil ein übermäßiges Aufheizen der Kathodenspitze als Folge des ihr entzogenen relativ großen Stroms angesehen.

Dieses Verfahren ist jedoch nur auf den normalen Gebrauch einer Kathode als Elektronenkanone zugeschnitten. Bei Kathoden des kalten Hochstrom-Feldemissionstyps tritt darüber hinaus unter erheblich erhöhten Druckbedingungen (10 Mikrometer Hg und mehr) und ständigen Hochspannungsspitzen (mehrere hundert Kilovolt bei ungefähr 100 Impulsen pro Sekunde) eine weit stärkere Zerstörung der Kathodenoberfläche auf, die mit einem flächenweisen Abstreifen verbunden ist und durch die herkömmlichen Verfahren nicht unterbunden werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Elektronen anzugeben, die auch für Elektronenstrahlröhren, die unter höheren Drücken (z. B. 0,01 mm Hg und mehr) stehen, geeignet sind und insbesondere bei dem bei höheren Drücken verstärkten Ionenaufpralleffekt und der Elektronenstrahlstreuung die Zerstörung der Emissionsoberfläche der Kathode auch bei kontinuierlichem gepulstem Betrieb verhindern.

Diese Aufgabe, nämlich die Zerstörung einer kalten Hochstrom-Feldemessions-Kathode durch Impulse zu verhindern, die die der Kathode anhaftende Elektronen-Ionen-Plasmaschicht ablösen, wird erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß der Oberfläche der Kathodenspitze während des Betriebs ein Gas mit niedriger Atomnummer und niedriger Ionisationsspannung

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kontinuierlich zugeführt wird das auf der Oberfläche verhindern, die die anhaftende Elektronen-Ionen-

der Kathodenspitze leicht adsorbiert wird und an Plasmaschicht und das adsorbierte Gas, aus dem sie

Stelle der durch die Impulse entfernten Elektronen- besteht, von der elektrisch hochbeanspnichten Katho-

Ionen-Plasmaschicht die der Anode gegenüberlie- denoberfläche beseitigen

gende äußere Kathodenoberfläche vor einer Zerstö- 5 Dadurch ist es ermöglicht, Kaltkathoden zur Elek·

rung schützt. tronenemission in einem weitaus größeren Anwen-

Neue Untersuchungen über das Verhalten von dungsbereich — insbesondere im Hinblick auf kalten (Norme .iemperatur-)Plasma-Kathoden bei der- extreme Belastungen — zu betreiben als dieses bisartigen Anwendung hatten in der Tat gezeigt, daß die her wegen der Erosion der Kathodenoberfläche ge-Erosionsrate durch das Maß des Ersetzens der adsor- io schehen konnte.

bierten Gasschicht auf der leitenden Kathodenober- Weitere Einzelheiten sind nachstehend an Hand

fläche feinfühlig gesteuert werden kann. Unter Hoch- von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei-

vakuumbedingungen, wo die Zeit für die Adsorption spielen näher erläutert. Es zeigt

einer monomolekularen Schicht groß ist gegenüber F i g. 1 einen Längsschnitt, kombiniert mit einem

der Zeit zwischen zwei Impulsen, vergrößern sich 15 schematischen Schaltbild einer bevorzugten Ausfüh-

diese Erosionsraten; wohingegen die Erosionsraten rungsform der Erfindung,

wesentlich verringert werden, wenn der umgebende F i g. 2 einen Längsschnitt einer Variante,

Gasdruck so weit ge-teigert wird, daß die Adsorp- Fig.3 einen Längsschnitt einer anderen Variante,

tionszeiten für monomolekuläre Schichten die Grö- I_n F i g. 1 ist eine Elektronenkanone von bevor-

ßenordnung der Abstände zwischen zwei aufeinander- ao zugter Form dargestellt, die einen undurchlässigen

folgenden Impulsen erreichen. Kathodenschafi 1 z. B. aus rostfreiem Stahl oder ähn-

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß lichem enthält, der von einer leitenden Kathoden-

diese Probleme durch die kontinuierliche Zufuhr kappe 1' herabhängt, und mit einer durchlässigen

einer geeigneten Frischgasschicht zur Oberfläche der Endoberfläche oder Kathodenspitze 1" versehen ist,

kalten Hochstrom-Feldemissions-Kathode gelöst wer- as die in einem Abstand gegenüber eine/ Anode 3 ange-

den können, wobei die Zufuhr nach der Beseitigung ordnet ist, die jede der bekannten Formen haben

der Plasmaschicht auf der leitenden Kathodenober- kann. Weiter ist ein dünnes anodenseitiges Elektro-

fläche durch Aufpralleffekte vorhergehender Impulse, nenstrahlfenster dargestellt, durch das die Elektronen

einschließlich solcher Effekte wie Feiddesorption, als Folge des Anlegens von aufeinanderfolgenden

Ionenzerstäubung, Bildung von negativen Ionen usw. 30 Spannungsimpulsen zwischen der Kathode 1 und der

fortgesetzt wird. Anode 3 gelangen. Das Elektronenstrahlfenster kann

Vorteilhaft kann die Gaszufuhr durch Freigabe des auch als elektronenundurchlässige Scheibe ausgebil-

Gases aus dem Innern eines Teiles der Kathode her- det sein, wie sie bei der Erzeugung von Röntgenstrah-

aus bewirkt werden. Zweckmäßig besteht das Gas aus len benutzt wird, oder jede andere bekannte Form

Wasserstoff, Helium, Stickstoff oder Erdalkalimetall- 35 haben,

dämpfen. Der Impulskreis ist schematisch dargestellt in Form

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah- einer Kondensatorbatterie C, die über eine Imperens wird in Weiterbildung der Erfindung eine Vor- danz R von einer geeigneten Ladungsversorgungsrichtung vorgeschlagen mit einer Anode und einer quelle 5 aufgeladen werden kann, die eine Klemme kalten Hochstrom-Feldemissions-Kathode, einer Ein- 40 — V₀ mit negativem Potential besitzt. Dieses negarichtung zum Anlegen von Spannungsimpulsen zwi- tive Potential wird durch Schließen des Schalters S_w sehen Anode und Kathode, die Impulse von hohem an die Kathodenkappe 1' angelegt, wobei die gegen-Emissionsstrom direkt aus der kalten Kathode ziehen überliegende oder links gelegene Klemme der Konkann, wobei diese Vorrichtung sich durch eine Gas- densatoren C mit Erdpotential oder einer anderen zuführeinrichtung für die Lieferung des die Katho- 45 Bezugsspannungsquelle G und mit der Anode 3 verdenoberfläche schützenden Gases auszeichnet. bunden ist. Im Zwischenraum oder Beschleunigungs-

Zweckmäßig enthält die Gaszuführeinrichtung eine spalt 2 ziwschen den gegenüberliegenden aktiven

poröse Kathodenspitze sowie eine Einrichtung zum Oberflächen der Kathode 1-1" und der Anode 3

Leiten des Gases in die Kathode und durch die Poren wird ein Vakuum aufrechterhalten mittels eines übli-

der Kathodenspitze zu ihrer Oberfläche. Die besagte 50 chen stufenweise dielektrischen und metallischen,

Kathode kann dabei eine innere Gaszuleitung be- evakuierten Gefäßes 4, das schematisch dargestellt ist

sitzen, die mit der porösen Kathodenspitze in Ver- und den Raum einschließt, der die Kathodenstruktur

bindung steht. 1-1", den Spalt 2 und die obere Oberfläche der

Es empfiehlt sich auch, daß die Gaszuführeinrich- Anode 3 enthält.

tung aus einer Kathode besteht, die eine Kathoden- 55 Außerhalb des Gefäßes 4 ist sin isolierendes Hochspitze aus einem Metallklathrat aufweist, das das Gas druckmedium 6 vorhanden, wie z. B. eine Mischung in gebundener, aber herauslösbarer Form enthält, von CO₂—N₂ oder Öl. An der hochbeanspruchten oder daß die Gaszuführeinrichtung eine Einrichtung Kathodenspitze 1" der Kathode 1 innerhalb des evazum Bewegen aufeinanderfolgender Teile der Ka- kuierten Gefäßes 4 kann die Verwendung von Impulthode in ein Gebiet aufweist, das Gas mit relativ 60 sen zum schon beschriebenen Ablösen der schützenhohem Druck enthält zum Adsorbieren des Gases den Ionen-Plasmaschicht führen; für diese hochbeauf der Kathodenoberfläche und von hier in eine anspruchte Kathodenspitze ist das Wiederauffüllen Arbeitsstellung, die der Anode gegenüberliegt, in von frischen schützenden oder adsorbierten Gaseinem Gebiet mit relativ niedrigem Druck. schichten vorgesehen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der 65 Gemäß dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsdazugehörigen Vorrichtung wird also in vorteilhafter beispiei ist diese Kathodenspitze 1" der Kathode 1 in Weise erreicht, die Zerstörung einer Hochstrom- Form eines porösen Körpers oder Sinterkörpers aus-Feldemissions-Kaltkathode durch solche Impulse zu geführt, der gasdurchlässig ist und durch dessen Po-

ren das wiederauffüllende Gas von der dielektrischen sion in Metallen nutzbar machen, wie sie durch dte

röhrenförmigen Zuleitung 5 durch die Kathoden- Gleichung gegeben ist:

kappe 1' und eine zentrale axiale öffnung in dem ,

Schaft der Kathode 1 gespeist wird. Das Gas durch- q = —DA

dringt die Kathodenspitze 1", wie es durch die Pfeile 5 dx '
angedeutet ist, und sorgt für eine kontinuierliche

Wiederauffüllung der adsorbierten Gasschicht und wobei q die Gasmenge ist, die durch die Fläche A

der benachbarten Plasmaersatzschichten an der Ka- pro Zeiteinheit gelangt, c die Gaskonzentration an

thodenspitze 1", die der Anode 3 gegenüberliegt und irgendeiner Stelle innerhalb des Metalls und D die

ermöglicht so das kontinuierliche Pulsen, ohne dabei io Diffusionskonstante des Metalls,

die Kathodenoberfläche an der Kathodenspitze 1" Bei Gebrauch eines Metalls als Diffusionsmembran

einer Zerstörung oder Beschädigung auszusetzen. an der Kathodenspitze steigt die Diffusionsrate expo-

Beispielsweise kann als geeigneter poröser Sinter- nentiell mit der Metalltemperatur bei einem konstan-

körper für die Kathodenspitze 1" ein Wolframkörper ten Speicherdruck von einer Atmosphäre. Diese

benutzt werden. Wenn es z. B. gewünscht ist, eine 15 Eigenschaft kann zur Selbstregulierung des Wieder-

Fläche der Kathodenspitze 1" in der Größenordnung auffüllens der Oberfläche benutzt werden. So liefert

von einem Zehntel eines Quadratzentimeters ständig z. B. eine 1 mm dicke Palladiumspitze mit einer

bedeckt zu halten und durch ein Gas mit niedriger Fläche von 0,1 cm² bei einem Speicherdruck von

Atomzahl und niedrigem Ionisierungspotential zu einer Atmosphäre 7,7 Mikroliter pro Minute bei einer

schützen, das schnell auf der Oberfläche der Katho- ao Temperatur von 550° C (d. h. 0,01 atm cm^s/min) und

denspitze 1" adsorbiert wird (wie z. B. Wasserstoff, bis zu 77 Mikroliter pro Minute bei einer Temperatur

der eine Einschichtendichte von 1,5 · 10^lscm~² be- von 800° C (d. h. 0,1 atm cmVmin).

sitzt), so ist selbst bei einer relativ hohen Impuls- Eine andere Lösung des Wiederauffüllens der-

wiederholungsrate von etwa hundert Impulsen pro artiger Kathodenoberflächen wird durch das in Fig. 3

Sekunde eine Gaszuflußrate von nur etwa 5 · 10-* »5 gezeigte Ausführungsbeispiel erhalten, bei dem die

Kubikzentimeter pro Sekunde (oder annähernd Kathode in Form einer geschlossenen Schleife, eines

1 atm cm^s pro Minute) notwendig. Dies stellt eine Drahtes, Zylinders od. dgl. 10 ausgeführt ist, der be-

vernachlässigbare Belastung für die Pumpe dar. Das weglich oder drehbar in einer gleitend abschließen-

Gas kann von der Umgebung her durch die Zulei- den Wand 7 angeordnet ist, z. B. zwischen dem Ge-

tung 5 zugeführt werden, und durch Hilfsmittel zum 30 biet 8 mit relativ hohem Gasdruck (z. B. 1 bis

Steuern der Kathodendurchlässigkeit kann bei be- 10 μπι Hg) und dem Vakuumgebiet mit relativ nied-

kanntem Verbrauch an der Kathodenoberfläche für rigem Druck (z. B. weniger als 0,1 μΐη Hg). Das Ab-

den beabsichtigten Arbeitszyklus der Impulse die dichten zwischen dem Hoch- und Niederdruckgebiet

Gaszufuhr gesteuert werden. Wenn der Wolframkör- kann leicht durch Führen des Drahtes 10 durch eine

per z. B. eine Durchlässigkeit von etwa 5 · 10~^e Li- 35 enge öffnung T in einer Scheibe aus kompressiblem

tern pro Sekunde hat, wird ein ausreichender Katho- Material erfolgen. Derartige Abdichtungen werden

denschutz für Stromimpulse von etwa 1000 Mikro- im allgemeinen bei Hochvakuumsystemen benutzt und

coulomb bei mehreren hundert Kilovolt und der oben werden oft als Wilson-Abdichtungen bezeichnet. Das

erwähnten Wiederholungsrate erhalten. Ein zylindri- Gas wird auf der Kathode 10 adsorbiert, wenn diese

sches Rohr von gleicher Durchlässigkeit (z. B. ein 40 durch das Gebiet 8 mit relativ hohem Druck ober-

mit der Atmosphäre verbundenes Kapillarrohr von halb der Wand 7 bewegt wird, so daß die Kathoden-

20 μιη Durchmesser und 5 cm Länge), versehen mit oberfläche voll mit einer adsorbierten Gasschicht

einer hochporösen Spitze könnte ebenfalls benutzt bedeckt ist für die Zeit, während der sie hinunter in

werden. die Hochvakuum-Beschleunigungsspaltregion 2 ge-

Obgleich die Erfindung bisher nur im Zusammen- 45 dreht oder bewegt wurde, die der Anode 3 gegenhang mit der Verwendung von Wasserstoff beschrie- überliegt.

ben wurde, können natürlich auch andere Gase ver- Es soll nun die Zeit betrachtet werden, die für eine

wendet werden, die eine niedrige Atomzahl und ein einschichtige Adsorption an der Oberfläche einer

niedriges Ionisierungspotential haben und an der derartigen rotierenden Kathode erforderlich ist, die

Kathodenoberfläche leicht adsorbiert werden, so 5» sich von einem hohen Vakuum «10~⁴ Torr) in ein

z. B. Helium, Stickstoff oder die Dämpfe der Erd- Gebiet mit relativ hohem Druck von 10~³ Torr

alkalimetalle. (1 μιη Hg) bewegt. Die Auftreffrate ■&, mit der die

In dem Ausführungsbeispiel der F i g. 2 ist ein un- Moleküle auf eine Fläche von einem Quadratzentidurchlässiger Kathodenschaft 1 vorgesehen, der mit meter aufschlagen, kann durch den Ausdruck beeiner veränderten Kathodenspitze 1'" versehen ist, 55 stimmt werden:
die aus einem Metallklathrat besteht (wie z.B. Zirkoniumhydrid oder Palladiumhydrid) und Wasser- # = ' ' *"
stoff oder ein ähnliches Gas in gebundener Form ent- (MT)¹'¹
hält, das freigegeben werden kann, so daß als Folge

der Impulse ein ständiges Wiederauffüllen der Gas- 60 wobei M das Molekulargewicht des Gases ist, T die schicht an der äußeren Oberfläche der Kathoden- Temperatur des Gases und P der Gasdruck in mm Hg. spitze V" enreicht wird, um den schon erwähnten Diese Gleichung unterstellt einen Haft- oder Kon-Schutz zu erhalten. Die sehr hohe Löslichkeit von densationskoeffizienten von einer Einheit Beispiels-Wasserstoff in diesen Metallklathraten (z. B. 200 cm³ weise sei angenommen, daß Stickstoff verwendet pro Gramm bei normalem Druck und normaler Tem- 65 wird, bei dem bei normalem Druck und normaler peratur) erlaubt ihre Verwendung zur fortlaufenden Temperatur eine Monoschicht 8 · 10" Moleküle/cm² Gasversorgung in abgeschlossenen Systemen. aufweist Für eine angenommene Temperatur von

Eine andere Lösung könnte die normale Gasdiffu- 300° K kann dann die der obigen Auftreffrate ent-

c*

sprechende Zeit zu etwa 2 Millisekunden errechnet werden. Diese Zeit variiert gering entsprechend der Kathodentemperatur, d. h. mit T^m.

Die Porenbedeckung an der Kathodenoberfläche nimmt mit einer etwas geringeren Geschwindigkeit zu, entsprechend der Clausingschen Gleichung:

t = 3I²1 8 a² S & ,

wobei t die zum Bedecken der Porenoberfläche notwendige Zeit in Sekunden ist,

/ die Länge der Poren in Zentimeter,

α der Radius der Poren in Zentimeter,

S die Querschnittsf'läche des Moleküls in cm*

und is

# die Auftreffrate der Moleküle beim Druck P in Moleküle/cmVsec,

wie sie zuvor definiert worden ist.

Für den betrachteten Fall ergibt sich damit füi

P = 10-3 mm Hg,

ϋ =4 · 10¹³cm~² sec-i,

T = 300° K, 1 ~ ΙΟ-« cm, _a

S = U- 10-»« cm

-* cm und

für N₂:

; 5 Sekunden,

Es ist daher offensichtlich, daß ein Hochdruckgebiet 8 mit einem Druck in der Größenordnung vor 1 bis 10 μΐη Hg voll ausreichend ist zum Wiederauffüllen von Kathodenoberflächen, die sich mit Drehgeschwindigkeiten von einer Umdrehung piro Sekunde bewegen. Höhere Speicherdrücke und Drehgeschwindigkeiten können verwendet werden, urr den Erfordernissen höherer Arbeitsgeschwindigkeiter zu genügen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur gepulsten Erzeugung von Elektronen mit einer kalten Feldemissions-Kathode und einer Anode unter Verhinderung der Zerstörung der Kathode durch die angelegten Impulse, dadurchgekennzeichnet.daß der Oberfläche der Kathodenspitze wehrend des Betriebs ein Gas mit niedriger Atomnummer und niedriger Ionisationsspannung kontinuierlich zugeführt wird, das auf der Oberfläche der Kathodenspitze leicht adsorbiert wird und an Stelle der durch die Impulse entfernten Elektronen-Ionen-Plasmaschicht die der Anode gegenüberliegende äußere Kathodenoberfläche vor einer Zerstörung schützt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhr durch Freigabe des Gases aus dem Innern eines Teiles der Kathode heraus bewirkt wird. "

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas aus einem der folgenden Gase besteht: Wasserstoff, Helium, Stickstoff oder Erdalkalimetalldämpfe.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- »5 rens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus einer kalten Hochstrom-Feldemissions-Kathode, einer Einrichtung zum Anlegen von Spannungsimpulsen zwischen Anode und Kathode zwecks Entzugs von Impulsen hohen Emissionsstromes direkt aus der kalten Kathode, gekennzeichnet durch eine Gaszuführeinrichtung für die Lieferung des die Kathodenoberfläche schützenden Gases.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführeinrichtung eine poröse Kathodenspitze (1") sowie eine Einrichtung zum Leiten des Gases in die Kathode (1) und durch die Poren der Kathodenspitze zu ihrer Oberfläche umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) eine innere Gaszuleitung (5) besitzt, die mit der porösen Kathodenspitze (1") in Verbindung steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführeinrichtung aus einer Kathode (1) besteht, die eine Kathodenspitze (1'") aus einem Metallklathrat aufweist, das das Gas in gebundener aber herauslösbarer Form enthält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführeinrichtung eine Einrichtung zum Bewegen aufeinanderfolgender Teile der Kathode (10) in ein Gebiet (8) aufweist, das Gas mit relativ hohem Druck enthält zum Adsorbieren des Gases auf der Kathodenoberfläche und von hier in eine Arbeitsstellung, die der Anode (3) gegenüberliegt, in einem Gebiet mit relativ niedrigem Druck.

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