DE2146691B2 - Elektronenkanone des Feldemmissionstyps - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Elektronenkanone des Feldemissionstyps gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2. Eine derartige Elektronenkanone eignet sich insbesondere als Elektronenstrahlquelle für Elektronenmikroskope.

Derartige Elektronenkanonen, wie sie etwa aus der deutschen Patentschrift 735 313 bekannt sind, weisen eine nadeiförmige Kathodenspitze und eine oder mehrere Anoden auf, wobei eine Elektronenemission von der Kathodenspitze durch das zwischen dieser und der ersten Anodenanordnung bestehende elektrische Feld hervorgerufen wird. Mindestens eine der Anoden ist dabei zur Erzeugung eines sehr dünnen Elektronenstrahls, der durch weitere elektronische Linsenwirkungen konzentriert wird, mit einer Öffnung versehen. Mit Ausnahme derjenigen Elektronen, die durch diese Öffnung hindurchgehen, treffen die übrigen von der Kathodenspitze emittierten und durch die Potentialdifferenz zwischen der Kathode und der Anodenanordnung beschleunigten Elektronen auf den die Öffnung umgebenden Teil der betreffenden Anode. Dort werden Moleküle ionisiert, so daß Ionen erzeugt werden, die durch die gleiche Potentialdifferenz in zu der Richtung der Elektronen entgegengesetzter Bewegungsrichtung auf die Kathodenspitze zu beschleunigt werden. Durch diese Ionen wird die Kathodenspitze allmählich zerstört, so daß die Elektronenemission unterbrochen wird. Da aus diesen Gründen die Kathodenspitze eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer aufweist, muß sie häufig ausgewechselt werden. Andererseits muß in Elektronenkanonen ein

ultrahohes Vakuum aufrechterhalten werden, so daß es bei jedem Auswechseln einer zerstörten Kathodenspitze erforderlich ist, die Elektronenkanone erneut zu evakuieren. Der Auswecliselvorgang ist also kompliziert und zeitraubend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenkanone zu schaffen, bei der die Kathodenspitze eine längere Lebensdauer als bisher aufweist. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach der Lehre des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 2. Gemäß dieser Lehre sind die erste und die zweite Anode derart gestaltet, daß die erste Anode gleichzeitig als Sperrelektrode für die an der zweiten Anode ausgelösten Ionen wirkt. Zu diesem Zweck besteht die erste Anode aus einem Gitter mit großen Öffnungen bzw. einer Elektrode, die an der Strahlausgangsseite eine einzige Öffnung aufweist, und ist die Öffnung in der zweiten Anode kleiner als der Querschnitt des von der Kathodenspitze ausgesandten Elektronenstrahls. Dadurch werden die von der Kathodenspitze emittierten Elektronen zwar zur zweiten Anode hindurchgelassen·, dagegen wird weitgehend verhindert, daß an der zweiten Anode ausgelöste Ionen die Kathodenspitze erreichen und diese zerstören. Die auf diese Weise erzielte längere Lebensdauer der Kathodenspitze ermöglicht es, daß das komplizierte und zeitraubende Auswechseln der Kathodenspilze weniger häufig erfolgen muß als bei den bekannten Elektronenkanonen des Feldemissionstyps.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert, die in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung schematisch dargestellt sind.

Die in Fig. 1 gezeigte Elektronenkanone des Feldemissionstyps für Elektronenmikroskope weist eine nadeiförmige Kathodenspitze 1 zur Feldemission auf, die von einem haarnadelförmigen Wolframfaden 2 gebildet wird und mit Anschlußklemmen 3 versehen ist, ferner eine zweite Anode 4 mit einer Öffnung 5 und eine dritte Anode 6 mit einer Öffnung 7. Zwischen der Kathodenspitze 1 und der zweiten Anode 4 liegt eine Hochspannungsquelle 8, zwischen der Kathodenspitze 1 und der dritten Anode 6 eine weitere Hochspannungsquelle 9. Die Verbindung der dritten Anode 6 mit der positiven Klemme der Spannungsquelle 9 ist an Masse geführt. Der soweit beschriebene Aufbau ist konventionell. Zwischen der Kathodenspitze 1 und der zweiten Anode 4 wird mittels der Spannungsquelle 8 eine hohe Spannung erzeugt. Dabei wird die Intensität des elektrischen Feldes in der Nähe der Kathodenspitze 1 so hoch, daß die Kathodenspitze Elektronen emittiert. Diese Elektronen durchsetzen die Öffnungen 5 und 7 der Anoden 4 bzw. 6 und werden durch das elektrische Feld, das durch die Spannungsquellen 8 und 9 zwischen den Anoden 4 und 6 erzeugt wird und eine elektronische Linsenwirkung hervorruft, fokussiert, so daß am Ausgang der Öffnung 7 ein Elektronenstrahl erzielt wird, der einen feinen Punkt hoher Dichte erzeugt.

Zwischen der Kathodenspitze 1 und der zweiten Anode 4 ist nun eine erste Anode 12 angeordnet. Gemäß Fig. 1 hat die erste Anode die Gestalt einer gitterförmigen Elektrode mit großen Öffnungen. Die erste Anode 12 ist an die positive Klemme einer Gleichspannungsquelle 13 angeschlossen, deren negative Seite mit der positiven Klemme der Gleichspannungsquelle 8 verbunden ist. Dadurch erhält die erste Anode eine um etwa 10 bis 100 V größere Span-

nung als die zweite Anode 4.

Beispielsweise hat die Spannungsquelle 8 eine Spannung V₁ von 2500 Volt, die Spannungsquelle 9 «ine Spannung V₀ von 30000 V und die Spannungsquelle 13 eine Spannung V₂ von 100 V.

Infolge der positiven hohen Spannung, die gegenüber der Kathodenspitze den Wert von K₁ + V₂ hat, werden die Elektronen auf ähnliche Weise wie bei herkömmlichen Elektronenkanonen von der Kathodenspitze 1 emittiert. Die emittierten Elektronen erreichen die erste Anode 12, werden jedoch wegen der gitterförmig angeordneten großen Öffnungen nicht aufgefangen, so daß ein großer Teil der durch die Elektrode 12 hindurchtretenden Elektronen die zweite Anode 4 erreicht.

Die Elektronen treffen mit Ausnahme der durch die Öffnung 5 hindurchtretenden Elektronen auf die Oberfläche der zweiten Anode 4 auf, so daß an dieser Ionen erzeugt werden. Da jedoch die erste Anode 12 gegenüber der zweiten Anode 4 ein positives Potential hat, können die Ionen nicht durch die erste Anode 12 hindurchtreten.

Bei der Ausführungsform der Fig. 2 wird als erste Anode eine Elektrode 14 verwendet, die eine einzige große Öffnung 15 aufweist. In Fig. 2 sind die Spannungsquellen weggelassen, die Verhältnisse zwischen den an die jeweiligen Elektroden angelegten Spannungen sind ähnlich denen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform.

Bei der gitterförmigen Elektrode 12 nach Fig. 1 ist es schwierig, eine gleichförmige Potentialverteilung zu erzielen. Da bei der Ausführungsform nach Fig. 2 die erste Anode 14 sehr genau hergestellt werden

kann und die einzige große Öffnung 15 aufweist, kann mit dieser eine gleichförmige PotentialverteiJung längs einer Achse 16 erzeugt und eine geringe Abweichung erzielt werden. Als Folge der Form des Spitzenteils werden von der Kathodenspitze innerhalb eines Öff-

¹S nungswinkels α von etwa 30° Elektronen von der Spitze emittiert. Wird daher die Öffnung 15 der ersten Anode 14 so ausgebildet, daß sie einen derartigen öffnungswinkel hat, so treffen die emittierten Elektronen nicht auf diese Elektrode und erreichen die zweite Anode 4. Auf ähnliche Weise wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 können die an der zweiten Anode 4 erzeugten Ionen infolge der in gestrichelten Linien gezeigten Feldverteilung nicht durch die erste Anode 14 hindurchtreten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche: 21

1. Elektronenkanone des Feldemissionstyps mit einer nadeiförmigen Kathodenspitze, einer ersten Anode und mindestens einer mit einer Öffnung versehenen weiteren Anode, wobei an der ersten Anode eine höhere positive Spannung gegenüber der Kathodenspitze liegt als an der zweiten Anode, dadurch gekennzeichnet, daß die erste "> Anode (12) aus einem Gitter mit großeil Öffnungen besteht, und daß die Öffnung (5) in der zweiten Anode (4) kleiner ist als der Querschnitt des von der Kathodenspitze (1) ausgesandten Elektronenstrahls.

2. Elektronenkanone des FelJemissionstyps mit einer nadeiförmigen Kathodenspitze, einer ersten Anode und mindestens einer mit einer Öffnung versehenen weiteren Anode, wobei an der ersten Anode eine höhere positive Spannung gegenüber ^ao der Kathodenspitze liegt als an der zweiten Anode, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anode (14) auf der Strahlausgangsseite eine einzige große Öffnung (15) aufweist, und daß die Öffnung (5) in der zweiten Anode (4) kleiner ist als der Quer- ^a5 schnitt des von der Kathodenspitze (1) ausgesandten Elektronenstrahls.

3. Elektronenkanone nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (15) der ersten Anode (14) konisch geformt ist, wobei diese Öffnung der Kathodenspitze abgewandt ist und einen Öffnungswinkel von 30° aufweist.