DE2255507A1 - Elektromagnetisches elektronenstrahlablenksystem - Google Patents

Description

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Böblingen, 7. November 19 72 ar-we

Anmelderin: International Business Machines

Corporation/ Armpnk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 9 71 009

Elektromagnetisches Elektronenstrahl-Ablenksystem

Diese Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Elektronenstrahl-Ablenksystem mit einer Zeit- und Ablenkfehler selbsttätig korrigierenden Einrichtung für Elektronenstrahlgeräte _t die ein vorzugsweise aus einem magnetischen Material hoher Permeabilität bestehendes Rohr aufweisen, das von einem von einer Elektronehstrahlquelle ausgehenden Elektronenstrahl in Längsrichtung durchdrungen wird und in dessen Hohlraum symmetrisch zur Längsachse einander.gegenüberliegend jeweils eine Ablenkspule wenigstens eines von einer Ablenksignalquelle gespeisten Ablenkspulenpaares angeordnet ist.

Durch diese Erfindung wird auf einfache Weise eine Verbesserung der Genauigkeit der Elektronenstrahl-Ablenkung bezweckt, indem die nachteiligen Einflüsse von Wirbelströmen beseitigt werden, welche bei den bekannten elektromagnetischen Ablenksystemen zeitliche Verzögerungen in der Ablenkung und Signalverzerrungen verursachten.

In Elektronenmikroskopen oder anderen Elektronenstrahlgeräten ist es gegenwärtig erforderlich, zur Erzielung kurzer Brennweiten

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der Endlinse Ablenkspulen vor die Endlinse zu setzen. Da das Material für die Polstücke eine hohe Permeabilität und eine hohe Sättigungsflußdichte aufweisen sollen, werden hierfür üblicherweise Eisen oder eine Eisenkobaltlegierung benutzt, die beide eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Außerdem lassen sich diese Polstücke maschinell so genau bearbeiten, daß Abweichungen von der zylindrischen Symmetrie vermieden werden, die zu einem Verlust der Bildauflösung führen könnten, so daß in die Linsenbohrung gesetzte Ferritrohre die Linsenqualität negativ beeinflussen würden.

Die Existenz dieses Eisens, das in Form eines Rohres die Ablenkspulen umgibt, ergibt für die von den Ablenkspulen erzeugten magnetischen Feldlinien einen Weg, der einen niedrigen magnetischen Widerstand aufweist. Das gilt jedoch nur bedingt für den stationären Zustand eines Ablenksignales und nicht für dessen Beginn und Ende, da nach Anlegung eines Ablenksignales an die Ablenkspulen erst nach Ablauf einer gewissen Zeit sich ein quasi stationärer Strom in den Ablenkspulen infolge der Wirbelstromeffekte ergibt, denn bei einer Änderung des Ablenksignals müssen zuerst die Wirbelstromeffekte im Eisen ganz verschwunden sein. Diese Wirbelströme bilden magnetische Felder, die dem ursprünglichen magnetischen Feld entgegengesetzt sind und die mit der Zeit allmählich zerfallen. Durch die Einwirkung der Wirbelströme bei einer Signaländerung ergibt sich somit '

eine zeitliche Verzögerung der Ablenksignale und eine Verzerrung derselben gegenüber dem gewünschten Sollwert,, insbesondere der Sollform, und es erscheint auch, als ob der magnetische Kreis im Ablenksystem zuerst einen sehr hohen magnetischen Widerstand aufweist, welcher allmählich abklingt.

Da die Flußdichte in der Mitte der Ablenkspule proportional zu der elektrischen Durchflutung in Amperewindungen (AW) der Spule und umgekehrt proportional zur Gesamtreluktanz de· magne tischen Kreises ist, beeinflußt die sich'ändernde Reluktanz des Eisenrohres zeitweise die magnetische Flußdichte in der

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Mitte der Ablenkspule. Wenn die Ablenkspule zum Durchmesser des Eisenrohres relativ sehr klein ist, ist auch der Einfluß des Eisens auf den magnetischen Spulenfluß ebenfalls klein. Die Lösung des Problems, den Einfluß der Wirbelströme wie vorstehend erwähnt zu verringern, bringt jedoch Schwierigkeiten bei der Fertigung der Spulenwicklungen und Feldgraddenteneffekte mit sich, die beide unerwünscht sind.

Diese zeitweise, durch den unkonstanten magnetischen Widerstand (oder auch Reluktanz genannt) auftretende unerwünschte Änderung ' der resultierenden Flußdichte in der Mitte des magnetischen Rohres führt dazu, daß das magnetische Ablenkfeld, welches den Elektronenstrahl nach einer bestimmten, gewünschten Funktion z.B. sägezahnförmig ablenken soll, zeitlich gegenüber.dem ei- , gentlichen gewünschten Ablenksignal verzögert und verzerrt ist. Die wirksamen Äblenksignale, welche insbesondere an ihren Anfängen und Enden verfälscht sind, bewirken eine zeitlich versetzte Aus~ lenkung des Elektronenstrahles und eine Ablenkspur, welche von dem gewünschten Kurvenzug z.B. Sägezahn- oder Treppenform abweicht. ■ .

Bei Elektronenstrahlgerätett, welche als präzise Hochgeschwindigkeitswerkzeuge in der Fabrikation eingesetzt sind und mit denen Schneid- oder Trennvorgänge, eine Spurenaufzeichnung oder andere Fertigungsprozesse durchgeführt werden und wo eine extreme Genauigkeit erforderlich ist, wird durch die zeitlich verzögerten und verzerrten Ablenkströme bzw. der daraus resultierenden magnetischen Ablenkfelder eine unpräzise Auslenkung und eine ungenaue Führung des Elektronenstrahles erreicht. Die Arbeitsqualität dieser Elektronenstrahlgeräte wird somit durch die ungenaue Strahlpositionierung, welche vom Sollwert mehr oder weniger abweicht, beeinträchtigt.

Während sich diese Beschreibung der Erfindung vorzugsweise auf ein elektromagnetisches Elektronenstrahl-Äblenksystem. für Elektronenmikroskope bezieht, gelten die hier erwähnten Konzepte jedoch auch in gleicher Weise für andere Kathodenstrahl- oder

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-A-

^lektronenstrahlgeräte, beispielsweise solchen, die wie vorstehend erwähnt wurde, in der Fertigungstechnik verwendet werden, oder solchen die in Datenverarbeitungsanlagen in Speichern zum Einschreiben und Lesen der Zeichen eingesetzt sind.

Die meisten bekannten Elektronenstrahlgeräte, bei denen eine sehr genaue Auslenkung des Elektronenstrahles gefordert wird, haben ein elektromagnetisches Ablenksystem, welches von einem langgestreckten magnetischen Rohrstück umgeben ist, das einen wesentlichen Teil der Flußbahn bildet, in der das magnetische Ablenkfeld verläuft. Derartige Ablenksysteme leiden unter den Nachteilen, daß sie Zeitnachlauffehler aufweisen, daß die Ablenksigna-Ie insbesondere an ihren Anfängen und Enden etwas verzerrt und verfälscht sind und daß die Strahl-Positionierung dadurch ungenau ist, wobei diese Mangel durch die im Eisenteil des magnetischen Kreises erzeugten Wirbelströme verursacht werden.

Die bisher durchgeführten Versuche und Anstrengungen zur Beseitigung dieser Wachteile z.B. durch eine Verringerung der unerwünschten Wirbelströme, entweder durch eine Konstruktionsänderung bestehender Ablenksysteme oder durch eine radikale Änderung, brachten keine befriedigenden Ergebnisse oder es ergaben sich anderweitige Schwierigkeiten.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes elektromagnetisches Ablenksystem für Elektronenstrahlgeräte zu schaffen, bei dem die Gewähr gegeben ist, daß keine durch Wirbelströme verursachten Zeitlauffehler und keine Verzerrungen der Ablenksignale mehr auftreten, welche die Genauigkeit der Strahlauslenkung nachteilig beeinflussen, wobei die Entstehung der Wirbelströme in dem magnetischen Ablenkkreis durch eine einfache Einrichtung unterbunden werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Korrektur* einrichtung aus ebenfalls von der Ablenksignalquelle gespeisten Kompensationsspulen gebildet wird, von denen jeweils eine in ra~

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dialem Abstand über jeder Ablenkspule und vor der den Hohlraum begrenzenden Innenwand des Rohrstückes angeordnet ist, daß die Kompensationsspulen eine Durchflutung (AW) und eine Polarität aufweisen, die so gewählt sind, daß das von ihnen erzeugte magnetische Feld dem der zugeordneten Ablenkspulen in gleicher Größe entgegengesetzt ist und daß die, radialen Abstände der Kompensationsspulen zur Ablenkspule und zur Innenwand des Hohlraumes und die radialen Abstände der Ablenkspulen zur Längsachse des Hohlraumes- so abgestimmt sind, daß sich zwischen den Ablenkspulen ein resultierendes, die Strahlauslenkung steuerndes magnetisches Jutzfeld bildet.

Die Lösung des erfindungsgemäßen Ablenksystems beruht auf der Erkenntnis, daß die jeweiligen Positionsfehler des Elektronenstrahles, welche durch die zeitliche Signalverzögerung und Signalverzerrung entstanden sind und die durch die Wirbelströme verursacht werden, dadurch beseitigt werden können, daß man ein zweites Ablenksystem verwendet, das ebenfalls die gleichen Positionsfehler bewirkt, wobei jedoch diese Positionsfehler des zweiten Ablenksystems den Positionsfehlern des ersten Ablenksystems entgegengesetzt sind. Durch eine überlagerung der beiden magnetischen Flüsse in dem Eisenteil der beiden Ablenksysteme wird somit ein Kompensationseffekt* erzielt. Da die Ablenkspulen des zweiten Ablenksystems, welche folgend als Kompensationsspulen bezeichnet werden, in dem Zwischenraum über den Ablenkspulen und der Innenwand des magnetischen Rohres angeordnet sind, können sie ein magnetisches Feld aufweisen, das weicher ist als das von den Ablenkspulen erzeugte. Es ergibt sich damit im Zentrum des Rohrhohlraumes ein resultierendes magnetisches Nutzfeld, das zur Ablenkung des Elektronenstrahles geeignet ist, und das eine wirklichkeitsgetreue, unverzögerte und genaue Strahlpositionierung ermöglicht. Das erfindungsgemäße, verbesserte Ablenksystem erfordert außer den Kompensationsspulen kein spezielles Eisen oder eine Legierung mit besonders hohem elektrischen Widerstand oder unpraktische kleine unkompensierte Ablenkspulen. Das verbesserte Ablenksystem

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enthält das erfinderische Merkmal, daß bei einem Ablenkspulenpaar das einen großen Abstand oder Radius zum Zentrum des magnetischen Rohres aufweist, die zeitliche Verzögerung eines Ablenksignales innerhalb des Rohr--Hohlraumes größer ist, als die zeitliche Signalverzögerung, die sich bei ,einem Spulenpaar mit kleinerem Abstand oder Radius ergibt. Die von den Wirbelströmen verursachten Positionsfehler bei der Strahlauslenkung bei einem kleineren Ablenksystem mit Ablenkspulen, die näher am Zentrum des Hohlraumes liegen, können durch einen entgegengesetzten Positionsfehler eines größeren Ablenkspulenpaares, das vom Zentrum weiter entfernt ist, kompensiert werden, da die Kompensationsspulen ein Gegenfeld erzeugen, das kleiner ist, als das Magnetfeld der kleineren Ablenkspulen. Durch die Überlagerung der beiden entgegengesetzten magnetischen Flüsse ergibt sich im Zentrum des Rohres ein Restfeld, das dem resultierenden Nutzfeld entspricht, durch das der Elektronenstrahl richtig ausgelenkt wird.

Nachstehend werden Ausfuhrungsbexspiele der Erfindung anhand von Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Von den Zeichnungen stellen dar die;

Fig. 1 eine Schnittansicht durch die letzte elektronische Linse eines Elektronenmikroskopes oder eines ähnlichen Gerätes, worin das Kompensationsspulenpaar nach dem Erfindungsgedanken in einem Doppelablenksystem benutzt wird,

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang eines Satzes von

Ablenkspulen gemäß Darstellung in Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht des Ablenksystems der Fig.

1 entlang der Achse des Magnetrohres zur Darstellung der Lage von Ablenk- und Kompensationsspulen,

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Fig. 4 ein Einzelpaar von Ablenkspulen, die innerhalb

eines magnetischen Rohres angeordnet sind,¹ "mit dem äquivalenten magnetischen überlagerten , Schaltkreis.

Fig. 5 den äquivalenten magnetischen Schaltkreis der

Fig. 4 in vereinfachter Form und

Fig. 6 eine Schnittansicht ähnlich Wie Fig. 2 mit

zusätzlichen' "Bildspulen¹¹'.

Das elektromagnetische- Ablenksystem zur Positionierung eines Elektronenstrahls 18 enthält ein permeables Rohr 19, das äeri auslenkenden Elektronenstrahl 18 umgibt und das einen inneren Radius r=. und eine Wanddicke T aufweist. Im Hohlraum des Rohres 19 sind ein Paar Ablenkspulen 24 und erfindungsgemäß ein Paar Kompensationsspulen 22, 26 angeordnet. Die Spulen eines jeden Spulenpaares liegen bezogen auf die Längsachse des Rohres 19 einander symmetrisch gegenüber, wobei die Kompensationsspulen 22, 26 in radialer Richtung über den Ablenkspulen 24 angeordnet sind. Jede dieser Spulen hat vorzugsweise eine längliche rechteckige Form, wobei die Längsseiten der Spulen parallel zur Längsachse des Rohres 19 liegen. Die Spulen sind kreisförmig gebogen und sie liegen auf einem gedachten inneren und äußeren Zylinder innerhalb des Rohrhohlraumes. Die Ablenkspulen 24 und die Kompensationsspulen 22 werden von einer einzigen Ablenksignalstromquelle gespeist, wobei die Ablenkspulen 24 mit den Kompensationsspulen 22 so verbunden sind, daß die von ihnen erzeugten Magnetflüsse in ihrer Richtung einander entgegengesetzt sind. Die Ablenk- und die Kompensationsspulen sind in ihrer elektrischen Durchflutung (Amperewindungen AW) so aufeinander abgestimmt, und so angeordnet, daß im Zentrum des Rohrhohlraumes der von den Ablenkspulen 24 erzeugte magnetische Fluß dominiert, wobei in der Rohrwandung T die beiden Magnetflüsse sich gegenseitig kompensieren, so daß keine Wirbelströme b'ei einer Signaländerung auftreten können. Die Ablenkspulen 24 und

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— β —

die Kompensationsspulen 26 bilden somit in bezug auf das Rohr 19 ein ausbalanciertes System.

Die Kompensationsspulen dienen somit dazu, die Entstehung der Wirbelströme im Eisenteil des magnetischen Pfades zu verhindern, dagegen ist ihr Einfluß auf das den Elektronenstrahl auslenkende magnetische Nutzfeld gering, welches im Zentrum des Rohrhohlraumes in Längsrichtung verläuft. Um eine gute ausbalancierte Einwirkung der von den Kompensationsspulen erzeugten magnetischen Feldern zu erhalten mit dem Zweck, die Entstehung von Wirbelströmen zu verhindern, sind die Kompensationsspulen in ihrer Größe und in ihrer elektrischen Durchflutung (AW) entsprechend ausgelegt und in einem bestimmten Abstand r„ vom Zentrum zwischen den Ablenkspulen und der Innenwand des Rohres angeordnet.

Dem Fachmann ist bekannt, daß man in Elektronenstrahlgeräten zur Auslenkung des Strahles in verschiedene Richtungen oder Positionen, die durch XY-Koordinaten bestimmt sind, zwei getrennte Ablenksysteme verwendet. Es ist weiterhin bekannt, daß in den erwähnten Elektronenstrahlgeräten diese XY-Ablenksysteme als Doppelablenksysteme ausgeführt sein können, um eine doppelte Knickung oder eine Strahlversetzung zu erzielen. Da in diesem XY-Ablenksystemen und den Doppel Ablenksystemen die Ablenkspulenpaare alle nach dem gleichen Prinzip wirksam sind, wird in dem nachstehenden Beschreibungsteil die Erfindung vorwiegend nur an einem Ablenkspulenpaar erklärt, wobei diese Erklärung durch mathematische Betrachtungen ergänzt wird.

In dem in F.ig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nur der untere Teil eines Elektronenstrahlgerätes wie z.B. eines Elektronenmikroskopes oder eines anderen ähnlichen Kathodenstrahlgerätes abgebildet, wobei dieser als elektronische Endlinse des Gerätes bezeichnete Teil die Ablenkspulen enthält. Diese elektronische Linse 1st mit der Sahl 10 bezeichnet und sie enthält die magnetisch stark permeablen Polstücke 12 und die Fokussier-Wicklung 14, die ein raagneti-

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sches Feld entlang der Linsenachse erzeugen, um den durch die. Blendenplatte 16 fallenden Elektronenstrahl 18 scharf zu fokussieren. Der Elektronenstrahl 18 trifft auf ein Ziel 17. Das in der Schnittansicht abgebildete Doppelablenksystem enthält den oberen Spulensatz 20 und den unteren Spulensatz 22, die den Strahl 18 in entgegengesetzten Richtungen ablenken, um eine Doppelablenkung des Strahls 18 zu erreichen, wodurch der Strahl zu allen "Zeiten unabhängig von der gewünschten Strahlauslenkstellung auf dem Ziel 17 immer durch die Mitte der Blendenplatte 16 fällt. Gemäß der Darstellung in der Fig. 1 enthalten erfindungsgemäß beide Ablenkspulensätze 2.0, 22 je einen Satz von Ablenkspulen 24 und Kompensationsspulen 26, wobei letztere die Entstehung von Wirbelströmen im Rohr 19 des Polstückes 12 verhindern.

Die Konstruktion und Herstellung von elektronischen Linsen ist bekanntlich eine äußerst präzise Angelegenheit und der innere Teil ctes Rohres 19 des Polstückes 12 muß extrem genau sein, um den geforderten Grad der Feldgleichmäßigkeit und der Fokussierung des Elektronenstrahles zu erreichen. Somit kann das Ferrit.rohr 19 nicht als ein die Ablenkspulen 20, 22 umgebender Einsatz benutzt werden, welcher eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist und dadurch die Entstehung von Wirbelströmen im wesentlichen vermeiden würde. Solche schlecht leitenden Rohre haben nicht die geforderten Dimensions-'und Lagertoleranzen und sie bewirken eine unzureichende Fokussierung des Elektronenstrahles.

Die Fig. 2 zeigt schematisch die Ansicht eines Querschnittes durch das Rohr 19 des Polstückes 12, welches in den Fign. 3 und 6 wieder durch die Bezugszahl 19. bezeichnet ist. Der Querschnitt liegt in einer Ebene rechtwinklig zur Achse der Linse 10 und zeigt die Anordnung der beiden Paare von Ablenkspulen im Hagnetrohr 19 sowie bestimmte physikalische Parameter des Ablenksystems, die für nachfolgende Berechnungen benutzt werden. Die primäre Ablenkspule Cl hat einen Radius r und die

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sekundäre Ablenkspule oder Korapensatiorisspule C2 hat den Radius r.. Der innere Durchmesser des Rohres 19 oder der Hohlraum des Polstückes 12 ist mit r, bezeichnet. Der Abstand T. Stellt die

b ι

Eindringtiefe des Magnetfeldes in das permeable Rohr 19 mit der resultierenden Erzeugung von Wiroelströmen in diesem Teil des Magnetrohres dar. Der Kinkel γ oder auch Wicklungswinkel genannt stellt den Winkel dar, der gebildet wird durch eine durch die beiden äußeren in Längsrichtung verlaufenden Leiter einer gegebenen Spule gelegten Ebene und die Achse des Rohres 19. In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist für Primärspule Cl und die Kompensationsspule C2 dieser Wicklungswinkel gleich groß dargestellt. Dieser Winkel kann sich in Wirklichkeit jedoch ändern (wei dies z.B. aus der Fig. 6 zu ersehen ist), dadurch werden jedoch die Berechnungen für die durch das erfindungsgemäße Ablenksystem zu erreichenden Verbesserungen beträchtlich komplexer.

Die Fig. 3 zeigt die Ansicht eines Schnittes durch das Magnetrohr 19 entlang der Linie 3- 3 der Fig. 2 mit der relativen Form und Lage einer einzelnen Ablenkspule Cl und der zugeordneten Kompensationsspule C2 sowie deren Länge L der im ersten Beispiel benutzten Spulenanordnung.

Die Fign. 4 und 5 stellen äquivalente magnetische Schaltkreise für ein kompensiertes Ablenkspulenpaar im Magnetrohr 19 dar und zeigen die Prinzipanordnung für die Berechnung der Ausführungsbeispiele. Insbesondere Fig. 4 zeigt die magnetische Prinzipschaltung, die direkt über dem Magnetrohr 19 angeordnet ist und außerdem eine Zuordnung der zusammengefaßten magnetischen Widerstände Rl bis R4. Die Fig. 5 zeigt ein vereinfachtes, aus Fig. 4 abgeleitetes, Schaltschema.

Die Fig. 6 ist eine Ansicht eines Querschnittes durch ein nach dem Erfindungsgedanken konstruiertes kompensiertes Spulenpaar, welche sehr ähnlich der Schnittansicht der oben beschriebenen

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ORIGINAL INSPECTED

Fig. 2 ist. In der Fig. 6 sind einige den Radius der inneren und äußeren"Spulen, sowie die beiden Wicklungswinkel γ und bezeichnende Zeichen ebenso wie die Spulenstromangaben

etwas anders bezeichnet als in der Fig. 2. Diese Fig. 6 stellt das Bildstromverfahren zur Berechnung des in den nachfolgenden Beispielen benötigten Kompensationsspulenfeldes dar. Wach der Darstellung in Fig. 6 liegen die beiden fiktiven Bildspulen oder Bildströme I₃, I₄ außerhalb des Rohres 19 oder an einem Punkt, der von der Achse des Rohres weiter entfernt ist als das tatsächlich ablenkende Spulenpaar 24 und das Kompensationsspulenpaar 26. Diese fiktiven Bildspulen und Ströme sind gestrichelt dargestellt, da sie in Wirklichkeit nicht existieren, aber zur Erklärung der erzeugten Magnetfelder und des Kompensationseffektes hilfreich sind. Die vier Ströme I. bis I. fließen gemäß der Darstellung in Fig. 6 alle in dieselbe Richtung. Diese Stromflüsse sind" lediglich eine Hilfsdarstellung und eine algebraische Darstellung. Das Beispiel spezifiziert die echten Strombeziehungen. Die exakte Definition der verschiedenen anderen Symbole in der Fig. 6 ergibt sich aus den nachfolgenden Berechnungen. Außerdem wird darauf hingewiesen, daß der Wicklungswinkel Y₁ des primären Ablenkspulenpaares 24 sich von dem Wicklungswinkel γ des Kompensationsspulenpaares 26 unterscheidet, im Gegensatz zu dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, wo die Wicklungswinkel übereinstimmten.

Kachstehend werden zwei verschiedene Analysen zur Konstruktion eines kompensierten Satzes von Ablenkspulen beschrieben, durch die Positionsfehler während der Elektronenstrahlauslenkung korrigiert werden. Das erste Beispiel leitet den bei der Auslenkung erzeugten Positionsfehler vom Ideal ab unter Verwendung des in der Fig. 6 gezeigten ,Bildverfahrens. Die verschiedenen, in allen Berechnungen verwendeten Symbole und Konstanten sind in eier Berechnung definiert und folgen direkt der magnetischen Schaltkreisanalyse und der elektromagnetischen Theorie in bezug

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auf die Ablenkung des Elektronenstrahles durch ein gegebenes magnetisches Feld.

Beispiel 1 - Bildverfahren

Hier wird zuerst der Effekt betrachtet, der sich aus der zusätzlichen Anordnung eines Kompensationsablenkspulenpaares zur Bildung einer Struktur aus vier Spulen mit herabgesetztem Zeitnachlauf in einem Kreuzachsen-Magnetfeld ergibt, wenn ein Schrittfunktionsstroin die Spulen durchfließt, wobei diese Spulen von einem magnetisch leitenden Rohr 19 umgeben sind. Diese Berechnung bezweckt aufzuzeigen, daß mit den Kompensationsspulen das Kreuzachsenfeld am Anfang eines Stromes, der einer Schrittfunktion folgt, gleichgemacht werden kann, dem Kreuzachsenfeld, das sich ergibt, lange nach dem Zeitpunkt, an welchem der die Schrittfunktion bildende Treiberstrom zum ersten Mal angelegt wird. Zu diesem Zweck läßt sich erfolgreich das Bildverfahren anwenden, welches von Binns u. Lawrenson beschrieben ist in "Electric and Magnetic Field Problems', Macmillan, N.Y. 1963, Seite 49.

Die Fig. 6 zeigt eine Ansicht entlang der Zylinderachse mit den beiden Spulenpaaren und ihren fiktiven Bildern, die außerhalb des Innendurchmessers des Zylinders zu liegen scheinen. Dem Azimuth entsprechende geschlossene Wicklungen sind als Kreisbögen gezeichnet, welche den wichtigen, parallel zur Längsachse des Rohres verlaufenden Teil der Spule miteinander verbinden. Diese in Längsrichtung sich erstreckenden Spulenteile werden vertikale Abschnitte genannt und sie haben einen Radius r von der Achse, eine Länge von 2L in Achsenrichtung und liegen in einem Winkel γ von der Linie der Spulensymmetrie, die parallel zum Kreuzachsenfeld verläuft. Jeder vertikale Abschnitt führt einen Strom I (O) am Anfang der Schrittfunktion, die den Zeitpunkt O bezeichnet. Nach einem sehr langen Zeitabschnitt ist der Spulenstrom I (°°) . Die Eigenschaften der bei-

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den echten Spulenpaare und ihrer Bilder werden durch die Indizes 1 für die innere Spule, 2 für die äußere Spule, 3 für das Bild der inneren Spule und 4 für das Bild der äußeren Spule bezeichnet. Wenn r, der Radius der Sylinderbasis ist, dann sind die Radien der beiden Bildspulen:

r -

und auch L = L-, L = L^, γ = γ , γ = γ . (2)

Die Ströme in den Spulenpaaren zur Zeit t = O sind I (O), I (0) und die Bildströme sind:

I₃(O) = -I₁ und I₄(O) = -I₂ (3)

da die Wirbelströme der Feldänderung im leitenden Zylinder entgegengesetzt sind. Jedoch Zeit t = °°, wenn die Wirbelströme abgeklungen sind, addiert sich die hohe Permeabilität des magnetischen Zylinders zum Kreuzachsenablenkfeld. Die Bildströme werden zu diesem Zeitpunkt:

I₃(⁰⁰J = I₁ und I₄(⁰⁰J = I₂ (4)

Nun trägt jedes der Spulenpaare 1, 2, 3 und 4 zur gesamten Winkelablenkung γ bei, die sich beläuft auf;

4y I L-η

4	θ	4
= Σ	. η	= Σ
n=l	n=l

_{a sin}

2mV π r 'n η

wobei angenommen wird, daß die Spulenlängen und Radien im Vergleich zum gesamten.Achsenweg des Elektronenstrahles klein sind,

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- 14 Sonst wäre ein schwieriger Koeffizient für jedes θ zu benutzen,

Jetzt sind θ und B₀ zeitunabhängig/ θ und θ jedoch nicht. Fordert man, daß θ = -θ. zu beiden Zeitpunkten t = O und t = oo ist und benutzt man die Gleichungen 3 und 4, so ergibt sich aus der Gleichung 5, daß folgende Bedingungen zutreffen müssen:

^X3^L3 ^I4^L

-^M- sin γ = —J-

^₃ j r₄

woraus durch Gleichung 1 und 2 folgt:

I₁L₁T₁ sin Y₁ = -I₂L₂r₂ sin Y₂ (7)

zur Zeit t = O und t = °°.

Es ist also möglich, die Auswirkungen der Bildspulen zur Zeit t = 0 und t = °° zu negieren und dadurch dieselbe Elektronenstrahlablenkung zu den beiden Zeitpunkten anzunehmen.

Gleichung 7 liefert die Beziehung für diese Bedingung. Für gleiche Spulenlängen L. = L, , gleiche Spulenwinkel γ = γ₀ und unterschiedliche Radien r₉ = 2r, sollte der Spulenstrom I₀ gleich der negativen Hälfte von I₁ sein oder

I₂ = - \ I₁ (8)

Mit den Gleichungen 5, 7 und 8 ergibt sich die Ablenkung:

- 3u I.L.sin γ.

- •

die 75 % der Ablenkung der Spule 1 alleine und ohne magnetisch leitenden Zylinder ist.

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Beispiel II

In dem obigen Beispiel wurde gezeigt, daß das Kreuzachsenmagnetfeld zu Anfang und am Ende eines Ablenksignals gleich gemacht werden kann für einen Strom, der einer Schrittfunktion folgt und der die kompensierten Äblenkspulen durchfließt. Somit ist zu erwarten, daß Wirbelstromeffekte in der Zwischenzeit im Vergleich zu einer nicht kompensierten Ablenkspule wesentlich reduziert werden. Mit dem vorliegenden Beispiel soll die Größe der Verbesserung während der Zwischenzeiten grob bestimmt Werden. Insbesondere ist der zu betrachtende Fehler die Differenz zwischen der gewünschten- Strahlablenkung, welche der Soll-Position entspricht, und der. tatsächlichen Strahlablenkung, die durch den Spulenstrom bestimmt wird und die die Wirbelstromeffekte einschließt. . .

Die Fig. 3 zeigt die Ansicht eines Längsschnittes entlang der Achse des Rohres 19, wodurch die vertikalen Windungsstrecken von zwei Paaren der kompensierten Ablenkungsspulen im Rohr 19 sichtbar sind. Die innere Spule, welche der Ablenkspule entspricht, hat Wicklungen mit dem Radius r und die äußere Spule, welche der Kompensationsspule entspringt, hat den Radius r„ innerhalb des Rohres 19, das den inneren lichten Innen-Durchmesser r, aufweist. Zuerst soll nur eine Spule betrachtet werden, bei der gemäß den Fign. 4 und 5 der konzentrierte magnetische Widerstand als äquivalenter. Schaltkreis dargestellt ist. Das Magnetfeld ist durch Pfeile dargestellt, als ob es wie ein Strom durch die konzentriert zusammengefaßten magnetischen Widerstände R, ... R₄ fließen würde. Die Ersatzschaltung ist in Bereiche unterteilt, von denen angenommen wird, daß jeder einen spezifischen magnetischen Widerstand aufweist. R» ist der magnetische Widerstand, der den magnetischen Fluß zwischen den beiden Spulen führt. R_ führt den Fluß zwischen den Spulen und dem Rohr 19, R führt den Fluß,· der außerhalb der beiden Spulen verläuft und nicht in dem magnetischen Rohr 19. R. ist der magnetische Widerstand im Rohr 19 selbst, der mit R₃ parallel zu R läuft. Die Wirbelströme innerhalb des Rohres werden durch einen

γα 971 009 309822/0803

fiktiven, sich ändernden Spulenstrom erzeugt. Es wird vorausgesetzt, daß kein magnetischer Fluß in das Eisen des Rohres eintritt. Bei diesen Voraussetzungen ist R₄ tatsächlich eine' Funktion der Zeit. Der Einfachheit halber kann der FIuJjS im Rohr als nur in einer dünnen Hülle existierend angesehen werden, die uie Dicke der Eindringtiefe T. hat, wobei

JL 00 T. Λ, /L· (1)

R₄ χ ya '

ist und t die Zeit, μ die Durchdringbarkeit, des Eisens, σ die Leitfähigkeit des Eisens darstellen. Die anderen magnetischen Widerstände werden als relativ zeitunabhängig angenommen.

Unter diesen Bedingungen erzeugt eine magnetomotorische Kraft (mmf), F, einen Fluß derart, daß das Hauptfeld sich mit der folgenaermaßen ändert:

„ ^ τ-, γ ϋΊΓ + b' ■ .

B λ, Γ δ ^_V-_a (2)

AR₂ P₁-TpJTT₁P₃- (3)

b = 0/(P₁ + P₃) (4)

a = Q(I + P₁)Z(P₁ + P₃ + P₁P₃) (5)

Q = P₄ /Τ" (6)

Somit sind a und b zeitunabhängig und P , P_ und P sind die obigen entsprechenden magnetischen Widerstände normalisiert auf Uy und A ist der Bereich einer jeden Spule.

Der resultierende kleine Winkel der Strahlablenkung bei einer Empfindlichkeit S und einer axialen Spulenlänge L ist;

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θ = SLB = FS' ^ ±~k .· (7)

Diese Gleichung ermöglicht die experimentelle Bestimmung der Spulenkonstanten a, b und 6' für einen Spulenstrom der einer Schrittfunktion folgt.

Bei einer rasterförmigen Auslenkung ist die mmf eine Rampenfunktion der 2eit oder-

F(t) = H t ' ] (8)

woDei diese das Integral der Schrittfunktionen ist. Die Winkeiempfindlichkeit des Ablenksystemes ist dann:

6(t)'=SLB(t) = ö^ld-| , "t-±_fe dt (9)

welches bei Integration folgende Gleichung ergibt:

8(t) = ö'S- it-2(a-b) (i/Fr-a In(I + *-))!■ d°)

jüer zeitlich' lineare Ausdruck ist die gewünschte Winkelansprechempfindlichkeit Θ (t) ,, wogegen der Rest der Gleichung einen relativen'Fehler R.E. in der Ablenkung einführt von:

&(t) - θ (t)

Wenn man jetzt eine Kompensationsspule zu dieser ersten Ab lenk:.· spule hinzufügt,, ergibt sich durch Addition die folgende Winkelansprechempfindlichkeit'. ' ■

~ XD

dF

, at \ 11

+2a;(a.-b.) In(I+ '-■) +2Ta₀ (a,-b₀) In (l+~~) W, (12)

111 et ^ £.£.<£. a.^ f

worin der Parameter T definiert ist als:

dF„ dF, T= (δ.¹ -.--

und die" obigen Indizes sich auf die innere (1) und äußere (2) Spule beziehen. Der Koeffizient von v^wird Null, bei

T = T = - τ ¹^ r-¹-; (14)

comp (a^-bj)

worin ein verbesserter relativer Fehler (R.E.) übrigbleibt, nach der Beziehung

2(a -b )[a In(I+^)- a,ln(l+;-)] _{(p E} j =...„._.__—. λ™ -f2_-..

i. r ι .. 1 _. JL ι ί 1 c: \

wachstehend wird für lange Spulen eine Schätzung angegeben, ähnlich für die im Beispiel 1 behandelten Spulen. Die Spulengröße wird als Verhältnis des Wicklungsradius zur Basis ausgedrückt.

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Definierende Relation

P, =

r.

Radius

Öjr5(_i+xl. (1-0, 85x)

^P3 R₂ ~~l+x

Q * O,98r f μ σ

1 2

R„ Ij —'—- ¹^ Spulenlänge

a (siehe Gleichung 5)

b (siehe Gleichung 4)

δ' (siehe Gleich. 3 + 7)

- 19 -

Spjule_ JL^

0,4

1,04

0,90

Q.

O,7O9Q O,515Q

Spule

0,8

2,76

0,233

1,O34Q

O,321Q Ο,6Ο3μ

T (siehe Gleichung 14) T ^ -0,273

Dann ist das Verhältnis der Spulendurchflutung in Ämperewinäungen (AW) oder die niagnetmotorische Kraft .(mmf) nach der Gleichung (13)

dF.
dt

dE

S - ^L2

YO y71 0U9

309822/Ü8Ü3

Dieses kompensierte Verhältnis der Amperewindungen ist ungefähr dasselbe wie im Beispiel 1. Jedoch ist die Verbesserung des relativen Fehlers ebenfalls berechenbar; dazu sollten die folgenden Systemparameter verwendet werden.

τ* «	0,020m
yo =	4π χ 10~7
η.	XO3
σ =	l07 ψ

Ablenkzeit t = 10~³ s

Damit ergibt sich ein relative Auslenkfehler bei nicht korrigierten Ablenkspulen

(R.E.)_o £ -2,3 χ 10~² nach Gleichung (11)

während das kompensierte Ablenkspulenpaar nur einen relativen Fehler von

(R.E.) % -0,165 χ 10~² nach Gleichung (15) aufweist.

Wie diese Berechnung zeigt, erzeugt das durch die Kompensationsspulen korrigierte Ablenkspulenpaar einen wesentlich niedrigeren Zeitnachlauffehler von ungefähr einer Größenordnung. Der exakte Werte der Verbesserung hängt natürlich von einer genaueren Berechnung als der oben ausgeführten ab. Das Verfahren zur Kompensation der Ablenkungsspulen wurde jedoch klar herausgestellt.

Aus den obigen Beispielen gehen die näherungsweise mathematische YO 971 009 309822708U3

Ableitung sowohl der Konstruktion als auch die mit der vorliegenden Erfindung zu erzielenden Vorteile hervor. Die Berechnungen sind jedoch nur Näherungen. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht in der Tatsache, daß das äußere oder Kömpensationsspulenpaar so gewählt werden kann, z.B. in seiner Größe, in seinen verschiedenen Abmessungen, in seiner elektrischen Durchflutung (AW) und in seiner Anordnung, daß die auf Wirbelströme zurückzuführende Zeitnachlaufeffekte ausgeglichen werden und daß sie gleichzeitig einen verminderten Einfluß auf das durch das primäre Ablenkungsspulenpaar erzeugte Strahlablenkungsfeld haben.

Während bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel angenommen wurde, daß die Ablenkspulen und die Kompensationsspulen elektrisch hintereinander geschaltet sind und gegensinnig von dem gleichen Ablenkstroni durchflossen wurden, können abweichend von obiger Beschreibung die Ablenk- und Kompensationsspulen natürlich auch parallel geschaltet sein und von Ablenkströmen gleicher Signalform durchflossen werden, wenn zusätzlich Kompensationsschaltungen vorgesehen sind, mit denen die Proportionalität zwischen den, Durchflutungen (AW) beider Spulenpaare sichergestellt wird. Diese parallele Anordnung gestattet auch eine gewisse Feinabstimmung der Kompensationsschaltung, indem man z.B. einen Regelwiderstand in Reihe mit der Kompensationsspule legt unter der Voraussetzung, daß die entsprechenden durch die beiden Spulensätze erzeugten Felder in der richtigen Phasenbeziehung gehalten werden.

YO 971 009 _Λ ._ΛΛΛ „

3098 22/080 3

Claims (8)

1. — ο ο —

   PATENTANSPRÜCHE

   Elektromagnetisches Elektronenstrahl-Ablenksystem mit einer Zeit- und Ablenkfehler selbsttätig korrigierenden Einrichtung für Elektronenstrahlgeräte, die ein vorzugsweise aus einem magnetischen Material hoher Permeabilität bestehendes Rohr aufweisen, das von einem von einer Elektronenstrahlquelle ausgehenden Elektronenstrahl in Längsrichtung durchdrungen wird, und in dessen Hohlraum in gleichen Abständen zur Längsachse, symmetiiisch einander gegenüberliegend jeweils eine Ablenkspule wenigstens eines von einer Ablenksignalquelle gespeisten Ablenkspulenpaares angeordnet ist,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß die Korrektureinrichtung aus ebenfalls von der Ablenksignalquelle gespeisten Kompensationsspulen (26) besteht, von denen jeweils eine in radialem Abstand (r₂) über jeder Ablenkspule (24) und vor der den Hohlraum begrenzenden Innenwand des Rohres (19) angeordnet ist, daß die Kompensationsspulen (26) eine elektrische Durchflutung (AW) und eine magnetische Polarität aufweisen, die so gewählt sind, daß das von ihnen erzeugte magnetische Feld dem der zugeordneten Ablenkspulen (24) in gleicher Größe entgegengesetzt ist und daß die radialen Abstände (Xj) der Kompensationsspulen (26) zur Ablenkspule (24) und zur Innenwand des Hohlraumes und die radialen Abstände (r ) der Ablenkspulen (24) zur Längsachse des Hohlraumes so abgestimmt sind, daß sich zwischen den Ablenkspulen ein resultierendes, die Strahlauslenkung steuerndes magnetisches Nutzfeld bildet.
2. 2. Ablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkspulen (24) und die Kompensationsspulen (26) eine verschiedene Breite, jedoch einen gleichen, auf das Zentrum des Rohres (19) bezogenen Wicklungs-

   YO 971 009 309822/0803

   . 22555Q7

   . - 23 -

   winkel (γ) aufweisen, und daß die relative Nutzfeldstärke der magnetischen Felder im Zentrum des Rohrhohlraums und in der Wand (C) des Rohres (19> durch das Verhältnis der elektrischen Wicklungsdurchflutung (AW) zwischen den Ablenkspulen (24) und den Kompensationsspulen (26) bestimmt ist. '
3. 3. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum im Rohr (19) zylindrisch ist, daß die Ablenk- und die Kompensationsspulen bevorzugt eine längliche Rechteckform gleicher Länge aufweisen, deren Längsseiten sich parallel zur Rohr-Längsachse erstrecken und deren Querverbindungen kreisförmig gebogen sind und daß die Ablenkspulenpaare auf einem inneren gedachten Zylinder mit dem Radius r angeordnet sind und die Kompensationsspulenpaare auf einem gedachten äußeren Zylinder mit dem Radius (^₂).
4. 4. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenk- und Kompensationsspulen (24, 26) in einer Reihenschaltung mit einer Ablenksignalquelle verbunden sind.
5. 5. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3_f dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkspulen (24) und die Kompensationsspulen (26) parallel geschaltet und mit einer Ablenksignalquelle verbunden sind und daß im Zweig der Kompensationsspulen in Reihe mit diesen, wenigstens ein einstellbarer Abgleichwiderstand vorgesehen ist..
6. 6. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspulen (26) einen größeren Wicklungswinkel (γ₂) als die Ablenkspulen (24) aufweisen.
7. 7. Ablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum des Rohres (19) in Längs-

   YO 971 Ü09 309822/08 03

   richtung nebeneinander ein doppeltes Ablenksystem mit » zwei Ablenkspulenpaaren angeordnet ist und daß jedem Ablenkspulenpaar ein separates Kompensationsspulenpaar zugeordnet ist.
8. 8. Ablenksystem nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß zwei kompensierte Doppelablenksysteme vorgesehen sind, von denen das eine den Elektronenstrahl in die X-Richtung und das andere den Strahl in die Y-Pdchtung auslenkt.

   3098 2 2/0803

   YO 9 71 009 .',