DE2336155C3 - Verfahren zum Betrieb einer FeIdemmissioiiselektronenquelle - Google Patents

Description

It

radiusabweichung von 1 % 500 Stunden beträgt, so In der F i g. 1 ist eine Ausführungsfonn der Erfinsrgibt sich, daß die mittlere Lebensdauer einer Kathode dung dargestellt, bei der der Feldemissionsstrom durch mit einer Krümmungsradiusabweichung von 10% Steuerung des Impulstastverhältnisses (D) der Impulsetwa 1 Stunde beträgt. Wenn dies der Fall ist, müssen, spannung konstant gehalten wird. In der Figur ist mit um ein Gleichgewicht zu sichern, 3, C, D und £ jedes- 5 1 eine Elektronenquellenkammer, die unter Vakuum mal, wenn die Kathode ausgewechselt worden ist, steht, bezeichnet, mit 2 eine Kathode, mit 3 ein Glühzurückgestellt bzw. wieder eingestellt werden. draht zum Halten und Beheizen der Kathode, mit 4

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Lebens- eine Elektrode zur Erzeugung eines starken elek-

dauer der Kathode zu verlängern und außerdem den irischen Feldes an der Katbodeospitze und mit 5 eine

Feldemissionsstrom konstant zu halten. io Anode, die auf Massepotential gehalten ist und zur

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 15 89 454 Beschleunigung der Feldemissionselektronen dient, ist eine automatische Steuereinrichtung zur Aufrecht- Eine WechselspannungsqueUe 6 und ein Transforerhaltung eines konstanten Emissionsstromes bei einer mator 7 sind zur Beheizung des Glühdrahtes vor-Elektronenquelle bekannt. Die bekannte Elektronen- gesehen. Das Potential am Mittelabgriff auf der Sequelle besitzt eine thermionische Kathode, wobei die 15 kundärseite des Transformators 7 ist gleich dem Regelung des Elektronenstroms über den Heizstrom Kathodenpotential, und es ist eine Hochspannungserfolgt. Bei einer Feldemissionselektronenquelle ist quelle 8 (Gleichspannung) zwischen dem Mittelder Feldemissionsstrom jedoch bediutend höher als abgriff und der Anode 5, welche auf Massepotential die thermische Emission, so daß der Einfluß der Tem- gehalten ist, vorgesehen. Da der größte Teil des peratur auf den Elektronenstrom zu vernachlässigen ao Stromes, der von der Kathode ausgesendet wird, von ist. der Elektrode 4 absorbiert wird, und zwar auf Grund

Zur Lösung der obengenannten Aufgabe werden des großen Emissionsdispersionswinkels, kann der erfindungsgemäß drei Betriebsarten der eingangs dar- Ausgang eines Stromdetektors 9, der zwischen die gestellten Feldemissionselektronenquelle vorgeschla- Elektrode 4 und Masse geschaltet ist, als Näherungsgen, die aus den Patentansprüchen ersichtlich sind. as wert für den Strom, der von der Kathode ausgesendet

Indem die Abweichungen des Feldemissionsstromes wird, betrachtet werden. Der Ausgang kann dadurch

vom Sollwert mit einem Stromdetektor festgestellt und festgestellt werden, indem entweder der Durchschnitts

der Feldemissionsstrom durch automatische Steu- wert, der Scheitelwert oder der Effektivwert des Im-

erung des Impulstastverhältnisses der Impul&jpannung pulsstromes gemessen wird. Der Stromdetektor muß

oder einer Vorspannung, die während der Impuls- 30 nicht unbedingt so verschaltet sein, wie es in F i g. 1

ruhezeit zwischen die Elektrode und die Kathode ge- dargestellt ist. Die Verschaltung zwischen der Ka-

legt wird, oder der Heizitemperatur der Kathode kon- thode 2 und der Hochspannungsquelle 8 ist in bevor-

stant gehalten wird, wird die Lebensdauer der Ka- zugter Weise ebenfalls möglich. Außerdem kann der

thode, unabhängig von den unterschiedlichen Krüm- Stromdetektor durch eine Einrichtung ersetzt sein,

mungsradien verschiedener Kathoden, verlängert. 35 Der Ausgang des Stromdetektors 9 wird zusammen

Es können somit Mittel vorhanden sein zur Steu- mit dem Ausgang eines Bezugssignalschaltkreises 11 erung der bestimmenden Größen von C, D und E an einen Differenzverstärker 10 gelegt. Das Gleichunter der Bedingung, daß der Scheitelwert B der Im- stromausgangssignal des Differenzverstärkers 10 wird pulsspannung konstant gehalten wird. mittels eines Analog-Digitalumsetzers in eine Impuls-

Dadurch, daß der Scheitelwert der Impulsspannung 40 reihe umgewandelt, welche zeitmoduliert ist. Der Auskonstant gehalten wird., ergibt sich der Vorteil, daß gang des Umsetzers 12 hinwiederum wird mittels man eine Information bezüglich des Krümmungs- eines Mono-Schaltkreises 13 in Impulssignale umradius an der Kathoden spitze, insbesondere bezüglich gewandelt, welche eine konstante Zeit der Impuls-Kristallbildung und Abstumpfung, erhält, wenn man dauer aufweisen. Der Ausgang des Schaltkreises 13 den Feldemissionsstrom einfängt und beobachtet. 45 wird an einen Impulsverstärker 14 gelegt, der das Wenn beispielsweise eine Kristallbildung sich ent- Impulstastverhältnis der Impulsspannung, welche zwiwickelt, steigt der Feldemissionsstrom, und wenn eine sehen die Kathode 2 und die Elektrode 4 gelegt ist, Kristallabstumpfung (crystal dulling) entsteht, ver- steuert.

ringert sich der Feldemissionsstrom. Wenn dem- Die F i g. 2a bis 2f zeigen, daß bei der Anordnung,

zufolge durch Steuerung von C, D und E der Feld- 50 welche in der F i g. 1 beschrieben ist, ein Impulstast-

emissionsstrom konstant gehalten wird, kann die _verhältnis(-M von 0,4 aufrechterhalten wird. F i g. 2a

ursprüngliche Gestalt bzw. der ursprüngliche Krüm- V T_xJ

mungsradius der Kathodenspitze beibehalten werden zeigt die Impulshöhe V₁ des Impulsverstarkers 14,

und so die Lebensdauer der Kathode verlängert und F i g. 2 b zeigt den Ausgang des Stromdetektors 9

_wer(jen. 55 Die F i g. 2c zeigt den Zustand der Kathodenspitzc

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der unter Belastung. Die (-)-Richtung entspricht dei

Erfindung dargestellt, deren Beschreibung zur weiteren Oberflächenspannung, welche zu einer Kristallab

Erläuterung der Erfindung dienen soll. Es zeigt stumpfung (crystal dulling) Anlaß gibt, und di<

F i g. 1 in schematischer Darstellung eine Aus- (+)-Richtung zeigt den Einfluß des elektrischer

führungsform gemäß der Erfindung, 6° Feldes, welcher zur Kristallbildung führt. Im Gleich

Fig 2 und 3 schematische Darstellungen der Wir- gewichtszustand sind die schraffierten Flachen in de

kungsweise der Ausführungsform in der F i g. 1, F i g. 2c gleich, d. h., das Produkt aus der Impuls

F i g 4 eine weitere Ausführungsform gemäß der breite I₁ mit der Verformungsgeschwindigkeit J₁ al

Erfindung Folge des elektrischen Feldes ist gleich dem Produk

Fig 5 und 6 schematische Darstellungen der Wir- 6₅ aus der Ruhezeit (T₁ - I₁) mit der durch die Ober

kungsweise der Ausführungsform der F i g. 4 und flächenspannung bedingten Verformungsgescnwmdig

Fig 7 eine schematische Darstellung einer weiteren keit/, der Spitze. Wenn das Gleichgewicht umge

Ausführungsform gemäß der Erfindung. stoßen wird, entwickelt sich beispielsweise eine Kristall

bildung und der gemessene Wert des Emissions- Impulsruhezeit geändert, wie es in den F i g. 5 a und stromes ändert sich so, wie es in F i g. 2e dargestellt 6a dargestellt ist, so daß Gleichgewichtsbedingungen ist Nimmt man an, daß dieser Wert anwächst, sendet hergestellt sind, wenn Feldemissionsströme (I₁ und I₂) der Differenzverstärker 10 ein entsprechendes Diffe- mit verschiedenen Werten, wie es in den F i g. 5 b und renzsignal nach Vergleich mit dem Referenzsignal aus. 5 6b dargestellt ist, erforderlich sind. Wenn ein größerer Der Impulsverstärker 14 wird automatisch von dem Feldemissionsstrom (/, > I₂) benötigt wird, erhält man Umsetzer 12 und dem Schaltkreis 13 angesteuert, und ein Gleichgewicht, indem der vorbestimmte Wert der das Impulstastverhältnis verringert sich z.B. auf Impulsspannung (V₃ > K₄) anwächst und gleichzeitig (IjT₁) = 0,3, wie es in F i g. 2d dargestellt ist. Dem- der Absolutwert der Vorspannung (|Κ₆|<|Κ_β|) zufolge wächst die Zeit, während der die Oberflächen- io gleichzeitig sich verringert. Hieraus resultiert, wie in spannung auf die Kathodenspitze einwirkt. Der den F i g. 5c und 6c dargestellt ist, daß der Betrag der Krümmungsradius der Kathodenspitze wächst an bis Kathodenverformung in Abhängigkeit von der Krizu dem Krümmungsradius, der gleich ist dem bei Stallbildung (entspricht den schraffierten Flächen von Gleichgewicht. S, und S₂) gleich wird dem Betrag der Kathoden-

Die Fig. 3a bis 3c zeigen den Betriebszustand, 15 verformung, welche aus der Abstumpfung (entspricht bei dem die Anordnung nach F i g. 1 bei einem Im- den schraffierten Flächen von S₃ und S₄) hervorgerufen pulstastverhältnis (/,/7V) = 0,32 im Gleichgewicht ge- wird.

halten wird. ^D'^{e F}' 8- ⁷ zeigt eine dritte Ausführungsform der

Die Anordnung, die in F i g. 1 dargestellt ist, Erfindung, bei der ein konstanter Feldemissionsstrom steuert das Impulstastverhältnis der Impulsspannung, ao mittels Steuerung der Temperatur der Kathode her-Es ist jedoch auch möglich, die Impulsbreite zu vorgerufen wird. Wenn die Temperatur anwächst, ändern und die Impulsdauer konstant zu halten. werden im gleichen Feld die Kristallbildung und die

Die F i g. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Kristallabstumpfung gefördert. Demzufolge kann die Erfindung, bei der ein konstanter Feldemissions- Kristallbildung und die Kristallabstumpfung gleichstrom aufrechterhalten wird, indem die Vorspannung 25 gemacht werden, indem die Kathodentemperatur während der Ruhezeit der Impulsspannung gesteuert während der Impulsdauer und während der Impulswird. Bei dieser Ausführungsform wird die Spannung, ruhe auf verschiedenen Werten gehalten wird, welche zwischen die Kathode 2 und die Elektrode 4 Bei der Anordnung in F i g. 7 wird die Kathode nur

gelegt wird, als Ausgang des Impulsspannungsgene- während der Impulsruhezeit erhitzt. Demzufolge sind rators 15 und der Vorspannungsquelle 16 gewonnen. 30 der Ausgang des Impulsspannungsgenerators und der Die Periode der Impulsspannung ist synchronisiert Ein-/Umschalter 19 an der Eingangsseite des Transmit dem Eingangssignal, das von einem Zeitschalt- formators 7, der die Heizspannung der Heizspannungskreis 17 kommt. Der Ausgang des Zeitschaltkreises 17 quelle 20 überträgt, mittels des Zeitschaltkreises 17 steuert des weiteren einen Schaltkreis 18, der ein- synchronisiert. Wenn der Umschalter 19 eingeschaltet geschaltet ist, wenn die Impulsspannung angelegt ist, 35 ist, wird von der Heizspannungsquelle 20 (Wechsel- und ausgeschaltet ist an den anderen Zeiten. Dem- spannung) über den Transformator 7 an den Glühzufolge ist der Ausgang der Vorspannungsquelle 16 draht 3 gelegt. Dieser Ausgang wird mittels des Auszwischen die Kathode 2 und die Elektrode 4 nur wäh- ganges des Differenzverstärkers 10 gesteuert. Demrend der Impulsruhezeit gelegt. zufolge ist der Ausgang der Heizspannungsquelle 20

Der Ausgang des Impulsspannungsgenerators 15 40 gering, wenn der Feldemissionsstrom, der vom Stromist so verschaltet, daß das Potential der Elektrode 4 detektor 9 erfaßt wird, unter dem gegebenen Wert positiv ist bezüglich dem der Kathode, wobei jedoch liegt, der von dem Ausgang des Differenzsignalschaltder Ausgang der Vorspannungsquelle 16 unabhängig kreises 11 abhängt. Der Ausgang der Heizspannungsvon der Polarität des Potentials der Elektrode 4 be- quelle wird jedoch groß, wenn dieser vorgegebene züglich dem der Kathode ist. Nichtsdestoweniger ist 45 Wert überschritten wird.

es jedoch vorteilhafter, das Potential negativ zu halten, Diese Anordnung ist ein sogenanntes »Kalt-

da hierdurch thermische Ionen von der Kathode ab- Emissions-Gerät«, bei der die Kathode während der blockiert werden. Obgleich die Wirkung der Vor- Feldemission nicht erhitzt ist. Die gleiche Wirkung spannung bezüglich der Abstumpfung der Kathode kann erzielt werden, indem bei einem Gerät mit beunverändert bleibt, unabhängig von der Polarität, so- 50 heizter Kathode die Heiztemperatur gesteuert wird. lange die Größe konstant ist, wird bei Anwachsen der Wie eingangs schon beschrieben, hat die Feldemissions-Spannung die Abstumpfung angehalten, und wenn die elektronenquelle gemäß der Erfindung hervorragende Spannung eine bestimmte Höhe überschreitet, wird Eigenschaften bezüglich eines stabilen Feldemissions-Kristallbildung festgestellt stromes, wobei die Elektronenquelle auf einem ver-Die F i g. 5a bis 5c und 6a bis 6c stellen die ver- 55 hältnismäßig niedrigem Vakuum gehalten werder schiedenen Gleichgewichtszustände der in F i g. 4 kann. Außerdem wird die Lebensdauer der Kathode gezeigten Anordnung dar. Bei dieser wird das Impuls- verlängert Die Erfindung enthält ein Gerät, mit dem ... , /fc\ , , , t * * eine Feldemission mit einem großen Impulstastfaktoi tastverhältnis (-£} der Impulsspannung konstant ge- ^ _ώβ ^,^^ _von beispielsweise 1 Stunde

halten. Es wird jedoch die Vorspannung während der 60 und einer Ruhezeit von 1 Sekunde möglich sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Die meisten Feldemissionselektronenquellen sind Patentansprüche: vom sogenannten »Kalt-Emissionsi-Typ. Die Elek tronenquellenkammer wird bei dies« Ausführungs-

1. Verfahren zum Betrieb einer Feldemissions- form auf einem sehr hohen Vakuum gehalten, und elektronenquelle mit einer mit einer Heizeimich- 5 zwar in der Größenordnung von 10-" bis 10-¹⁰ Torr, rung verbundenen Kathode und einer Elektrode Die Feldemission wird ohne Erhitzung der Kathode zur Erzeugung eines starken elektrischen Feldes durchgeführt. Der Grund für die Aufrechterhaltung in der Nähe der Kathode, bei der zwischen die des äußerst hohen Vakuums liegt darin, daß Rest-Elektrode und die Kathode eine Irapulsspannung bestände an Gasionen von der Bombardierung der mit konstantem Scheitelwert gelegt wird, dadurch 10 Kathode abgehalten werden oder die Ausbildung von gekennzeichnet, daß die Abweichungen Restgasen an der Kathode, welche ein Grund für die des Feldemissionsstromes vom Sollwert mit einem Kathodenzerstörung sein können, verhindert wird. Um Stromdetektor (9) festgestellt werden und der Feld- nun die Elektronenquellenkammer auf einem derart emissionsstrom durch entsprechende Steuerung hohen Vakuum halten zu können, benötigt man eine des Impulstastverhältnisses der Iuipulsspannung 15 Pumpe mit hoher Leistung. Hierdurch wird die Vorkfenstant gehalten wird. richtung aufwendig, und außerdem ist der Betrieb sehr

2. Verfahren zum Betrieb einer Feldemissions- kompliziert.

elektronenquelle mit einer mit einer Heizeinrich- Eine Alternativlösung hierzu besteht darin, die tung verbundenen Kathode und einer Elektrode Kathode zu erhitzen, so daß es nicht mehr notwendig zur Erzeugung eines starken elektrischen Feldes 20 ist, die Elektronenquellenkammer auf einem extrem in der Nähe der Kathode, bei der zwischen die hohen Vakuum zu halten, um die Kathode gegen die Elektrode und die Kathode eine Impulsspannung Zerstörung durch das Gasionen-Bombardement u. dgi. mit konstantem Scheitelwert gelegt wird, dadurch zu schützen. Die Erhitzung der Kathode ruft jedoch gekennzeichnet, daß die Abweichungen des Feld- ein anormales Wachstum, das als Kristallwachstum emissionsstromes vom Sollwert mit einem Strom- 25 bekannt ist, hervor und das eine spezifische Kristalldetektor (9) festgestellt werden und der Feld- ebene an der Kathodenspitze bildet. Diese Kristallemissionsstrom durch entsprechende Steuerung bildung erfolgt in Abhängigkeit von der Stärke des einer Vorspannung, die während der Impulsruhe- elektrischen Feldes und der Höhe der Temperaturen, zeit zwischen die Elektrode (4) und die Kathode (2) welche bei der Feldemission zur Anwendung kommen, gelegt wird, konstant gehalten wird. 30 Um dem Kristallwachstum entgegenzuwirken, ver-

3. Verfahren zum Betneb einer Feldemissions- wendet man gewöhnlich eine gepulste Feldemission, elektronenquelle mit einer mit einer Heizeinrich- Bei Verwendung der gepulsten Feldemission erscheint tung verbundenen Kathode und einer Elektrode während der Impulsrunezeit an der Kathodenspitze zur Erzeugung eines starken elektrischen Feldes in ein Stumpfwerden, d. h. während der Zeit, in der das der Nähe der Kathode, bei der zwischen die Elek- 35 Feld schwach ist und die Kathode auf eine hohe Temtrode und die Kathode eine Impulsspannung mit peratur gehalten ist. Die Kristallbildung, die bei der konstantem Scheitelwert gelegt wild, dadurch ge- Erzeugung eiues gepulsten Feldes in Erscheinung kennzeichnet, daß die Abweichungen des Feld- tritt, und die Abstumpfung, welche während der emissionsstromes vom Sollwert mit einem Strom- Impulsruhezeit in Erscheinung tritt, wirken so, daß detektor (9) festgestellt werden und der Feld- 40 sie sich gegenseitig aufheben, wodurch ein Gleichemissionsstrom durch entsprechende Steuerung gewichtszustand zustande kommen kann.

der Heiztemperatur der Kathode (2) konstant ge- Die Faktoren, welche die Aufrechterhaltung dieses halten wird. Gleichgewichtszustandes bestimmen, nämlich Kristallbildung gegenüber Abstumpfung, sind die folgenden: 45 A. Der Krümmungsradius der Kathodenspitze. B. Der Scheitelwert der Impulsspannung.

C. Die Vorspannung während der Impulsruhezeit.

D. Das Impulstastverhältnis.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb E. Die Heiztemperatur für die Kathode, einer Feldemissionselektronenquelle mit einer mit 50 Die Impulsspannung ist die Spannung, welche einer Heizeinrichtung verbundenen Kathode und einer zwischen die Kathode und die Elektroden gelegt ist, Elektrode zur Erzeugung eines starken elektrischen um ein starkes elektrisches Feld an der Kathoden-Feldes in der Nähe der Kathode, bei der zwischen die spitze zu erzeugen, so daß aus der Kathode auf Grund Elektrode und die Kathode eine Impulsspaunung mit des hohen elektrischen Feldes Elektronen herauskonstantem Scheitelwert gelegt wird. 55 treten. Demgemäß ist die Stärke des elektrischer

Eine Feldemissionselektronenquelle der genannten Feldes an der Kathodenspitze durch die Scheitelwert-Art ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 1933607 spannung (B) der Impulsspannung und den Krüm bekannt. Bei dieser bekannten Feldemissionselek- mungsradius {A) der Kathodenspitze bestimmt. Dei tronenquelle kann man davon ausgehen, daß zwischen Feldemissionsstrom ändert sich exponentiell mit de: die beheizte Kathode und die Elektrode zur Erzeu- 60 Feldstärke. Wenn jedoch A, B, C, D und E auf ihn gung eines starken elektrischen Feldes in der Nähe der optimalen Werte festgelegt sind und die Bedingungei Kathode eine Impulsspannung mit konstantem Schei- für das Gleichgewicht vorhanden sind, kann da telwert gelegt wird. Hierdurch läßt sich zwar ebenfalls Gleichgewicht nicht mehr wiederhergestellt werden eine Verlängerung der Lebensdauer erzielen, jedoch wenn es einmal umgestoßen ist. werden, wie im folgenden noch zu zeigen ist, bei der 65 Darüber hinaus ist es sehr schwierig, den Krüm bekannten Feldemissionselektronenquelle nicht alle mungsradius der Kathodenspitze präzis herzustellen Parameter, welche die Lebensdauer beeinflussen, be- Wenn man beispielsweise annimmt, daß die mittler rücksichtigt. Lebensdauer einer Kathode mit einer Krümmungs