DE2165192A1 - Kathode mit Ausnehmung im Emissionselement - Google Patents

Description

PHN

Boss./ck

r.»In». Hans-Dietrich Zelle*

Patentanwalt

: N. Y. Philips' Gloeilamponfabrieken

Akte No. PHN- 5434
Anmeldung vom ι 29. Dez. 1971

"Kathode mit Ausnehmung im Emissionselement"

Die Erfindung betrifft eine Kathode mit

einem mittels elektrischem Stromdurchgang zu¹heizenden Emissionselement zum Emittieren von thermischen Elektronen.

Derartige Kathoden enthalten ein. Emissionselement, das vorzugsweise aus einem Draht oder Band aus Wolfram oder einem entsprechenden hochschmelzenden Material besteht, das durch Stromdurchgang auf eine derart hohe Temperatur erhitzt werden kann, dass eine Elektronenemission auftritt. Diese sogenannten direkt heizbaren Kathoden werden insbesondere in Elektronenmikroskopen, Elektronenstrahlbearbei tungsgeräten und dgl. angewendet und haben den Vorteil, dass sie gegen Restgase verhältnissmässig beständig sind und auch nach Gebrauch der Atmosphäre ausgesetzt werden können, ohne dass die hrniss i orise igenschaf ten dadurch nachteilig beeinflusst werden.

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Die Erfindung bezweckt, eine Kathode der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der durch eine günstige Wärnieverteilung an der emittierenden Oberfläche eine hohe Emissionsstromdichte möglich ist und die Emissionsoberfläche dabei konstruktiv begrenzt ist. Eine Kathode der eingangs erwähnten Art ist dazu dadurch gekennzeichnet, dass das Emissionselement eine den Querschnitt für den Stromdurchgang für das Emissionselement verkleinernde Ausnehmung aufweist

Da das Emissionselement in einer erfindungs-

gemässen Kathode an der Stelle der Ausnehmung im Querschnitt gesehen einen geringeren Durchmesser aufweist als in angrenzenden Teilen, wird der Draht beim Stromdurchgang an der Stelle der Ausnehmung wärmer werden als in den angrenzenden Teilen. Weil die Oberfläche des Emissionselements in der Ausnehmung durch Ausstrahlung weniger Wärme abgibt als die übrige Oberfläche, tritt eine Vergrösserung des Temperaturunterschieds zwischen der Ausnehmung und den angrenzenden Teilen auf. In der Ausnehmung kann deshalb eine hohe Emission auftreten, ohne dass die Ränder der Ausnehmung und die übrige Oberfläche des Emissionselements zur Emission von Elektronen gelangen. Der Rand der Ausnehmung bildet dadurch eine Begrenzung der emittierenden Oberfläche des Emissionselements.

Die Erfindung wird anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Emissionselement in Form eines

kreiszylinderförmigen Drahts entsprechend der Erfindung mit einer Ausnehmung versehen,

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Figs 2 eine Kathodengittereinheit mit einem erfindungsgemässen Esäissionselement,

Fig. 1a einen avialen Schnitt durch einen

runden Draht 1, der beispielsweise aus Wolfram besteht und einen Durchmesser von beispielsweise 200 Mikron aufweist. Der Draht 1 kann auch einen rechteckigen oder anderen Schnitt haben und aus Titan, Lantanborid oder einem anderen für direkt heizbare Kathoden bekannten Material bestehen. Der Draht 1 hat eine Ausnehmung 2 mit einem Rand 3 und einer Begrenzungsoberfläche h. Die Ausnehmung 2 hat an der Oberfläche des Drahts 1 eine Querabmessung von beispielsweise 125 Mikron und eine Tiefe in bezug auf diese Oberfläche von beispielsweise gleichfalls 125 Mikron. Mit den Pfeilen 5 und 6 ist ein Heizstrom für den Draht 7 angegeben.

In Fig. 1b ist eine Ansicht des Drahts 1 dargestellt, und zwar in einer Richtung gesehen, von der aus ein Steuergitter in der Nähe des Drahts anzubringen ist. Der Rand 3 der Ausnehmung ist im dargestellten Beispiel auf diese Weise gesehen kreisförmig, es können jedoch auch Ausnehmungen mit anderen Begrenzungen, z.B. eine Ellipse, verwendet werden. Das Gebiet 4, also die Oberfläche in der Ausnehmung 2, tritt nun als emittierende Oberfläche auf, während die übrige Oberfläche 7 des Drahts im Betrieb unterhalb der Emissionstemperatur bleibt.

Ein Querschnitt 8 durch den Draht 1 durch die

Mitte der Ausnehmung ist in Fig. 1c dargestellt. Eine Durchgangsoberfläche 9 für den Heizstrom ist an der Stelle um die Abmessung 10 der Ausnehung in dieser Schnittfläche verringert. Da die Oberfläche k in der Ausnehmung bei Betrieb eine höhere Temperatur annimmt als die übrige Oberfläche 7 des Drahts,

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wird die Ausnehmung durch Verdampfen des Materials stets grosser und nach Verlauf einiger Zeit beispielsweise durch eine mit der getrichelten Linie 11 angegebene Begrenzung begrenzt. Hierdurch nimmt die Durchgangsoberfläche 9 für den Heizstrom weiterhin ab und nimmt die Temperatur und mithin die dortige Elektronenemission bei derselben Stromstärke des Heizstroms zu. Durch das Grösserwerden der Ausnehmung und mithin der Begrenzungsoberfläche nimmt die zur Emission beitragende Oberfläche und mithin bei derselben Temperatur die Gesamtemission zu. Umgekehrt kann deshalb die Stromstärke des Heizstroms nach einer gewissen Betriebszeit herabgesetzt werden. Bei einer bekannten Kathode dieser Art nimmt die emittierende Oberfläche durch allseitige Verdampfung des Drahts jedoch ab und muss zwecks einer konstanten Elektronenemission die Temperatur des Drahts erhöht werden, was wiederum eine schnellere Verdampfung herbeiführt. Da in der erfindungsgemässen Kathode eine einigermassen umfangreiche Verdampfung nur in der Ausnehmung auftritt und nicht, wie bei bekannten Kathoden über die gesamte Drahtoberfläche, wird bedeutend weniger Material im Elektrorienstrahlgerät , in dem die Kathode verwendet wird, zerstreut. Hierdurch tritt in Geräten mit einer erfindungsgemässen Kathode eine geringere Verschmutzung auf und dadurch wird eine lang anhaltende, zuverlässige Wirkung erreicht. Weil die Drahtteile neben der Ausnehmung nicht verdampfen, ist eine stabiliere Positionierung des Drahts möglich.

Der Rand 3 der Ausnehmung muss bei der Anwendung der Kathode in einem El <»ktronenst rahlgerät in bezug auf eine Oeffnung in einem Steuergi(1er gut zentriert montiert sein.

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ν:"/Λ:- Ufa ÖFUGINAL

Es kann deshalb günstig sein, das Steuergitter beim Anbringen der Ausnehmung als Steuerelement zu verwenden. Eine praktische Lösung bestellt darin, die Ausnehmung durch die S teuergi t teröf fnurig anzubringen. Dies ist für viele Verfahren zum Anbringen der Ausnehmung, wie Funkenerosion, Elektronenstrahlbearbeitung, Photoätzen und dergleichen, auf einfache Welse zu verwirklichen. Die Kathode und das Sieuergitter bilden darm eine konstruktive Einheit, die als Ka thoderigi t tereinhei t in Geräte eingebaut werden kann. Dieses Verfahren zum Anbringen der Ausnehmung in den Draht, ist irisbesondere günstig bei der Anwendung von nicht rotations— symmetrischen Gi t t erbohrungen mit einer in e lektrorienoptischer Hinsicht daran angepass Leu Begrenzung der emittierenden Oberfläche, hier mithin eine Ausnehmungsbegrenzung an der Oberfl Eiche des Drahts.

In Fig. 2 ist eine Kathodengittereinheit

entsprechend der Erfindung auf schematische Weise dargestellt. Auf einem Punkt 12 des dort umgebogenen Drahts 1 befindet sich die Ausnehmung 2. Eine Gitterbüchse 13 ist mit Hilfe von beispielsweise wärme-isolierenden und elektrisch isolierenden Stütze 1ementen 13 und 15 um den Draht montiert. Diese Stütze lemerite können beispielsweise aus keramischem Material bestehen. Eine mit einer Gitteröffnung 16 versehene Gitterplatte 17 schliesst die Gitterbüchse gegenüber dem Drahtpunkt ab. Heim Anbringen der Ausnehmung kfinn nun bei Funkenerosion die Funkenbrücke durch das Gitterloch bestimmt, bei El ek t ronens trah 1 bearbf; i tung das Gitterloch als Steuerelektrode benutzt und bei Photoätzen durch das Gitterloch

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Claims (3)

1. -b-

   hindurch belichtet werden.

   Wirken die Elektronen, die von der Oberfläche h aus, jedoch in der Nähe des Randes 3 emittiert sind, im Betrieb störend, so kann die Ausnehmung einwärts ragend ausgeführt werden. Dies ist mit der gestrichelten Linie 11 in FLg. 1c angegeben.

   Erfindungsgemässe Kathoden können insbesondere

   in Elektronenstrahlgeräten angewendet werden, in denen einen hohe Emissionstromdichte erwünscht ist. Sie liefern dabei neben der hohen Stromdichte im Zentrum des emittierten Elektronenstrahls durch die Begrenzung einen verhältriissmässig geringen, unbrauchbaren Randstrom und tragen in verhältnissmässig geringem Masse zur Verschmutzung des Geräts bei. PATENTANSP RUECHE

   /i . ) Kathode mit einem mittels einem elektrischen

   Sfcromdurchgang zu heizenden Fmissionselement zum Emittieren von thermischen Elektronen, dadurch gekennzeichnet, dass das EmissLonselernent eine den Querschnitt für den Stromdurchgang _y für das Emissionselement örtlich verkleinernde Ausnehmung aufweis t.
2. 2. Kathode nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass zentriert in bezug auf den Rand der Ausnehmung im Emissionselement ein durchbohrtes Steuergitter mittels einer starren Konstruktion mit dem Emissionselement verbunden ist.
3. 3. Elektronenstrahigerät, versehen mit einer Kathode entsprechend einem der vorhergeilenden Ansprüche.

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