DE2336851A1 - Thermische elektronenquelle - Google Patents

Description

Patentanwalt Oipl.-Phys.Gerhard Liedl 8 München 22 Steinsdorfstr.21-22 Tei,298462

B 6131

NIHON DENSHI KABUSHKI KAISHA 1418, Nakagami-cho, Akishima-shi, TOKYO / Japan

Thermische Elektronenquelle

Die Erfindung betrifft eine thermische Elektronenquelle mit einer Kathode zur Emission von thermischen Elektronen, einer der Kathode gegenüberliegende Anode, einer Spannungsquelle zum Anlegen einer hohen Potentialdifferenz zwischen der Kathode und der Anode und einer Wehnelt-Elektrode zwischen der Kathode und der Anode, wobei die der Anode zugewendete Seite der Wehneit-Elektrode konvex ausgebildet ist und die Wehnelt-Elektrode gegenüber der Kathode auf negativem Potential gehalten ist.

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Elektronenstrahlquellen, welche in Elektronenmikroskopen verwendet werden, müssen einen Elektronenstrahl erzeugen, der eine hohe Helligkeit, einen hohen Grad von Parallelität und eine hohe Dichtegleichförmlgkeit aufweist, um ein Bild mit hoher Qualität zu garantieren.

Die bis jetzt bekannt gewordenen Elektronenquellen für die Emission von thermischen Elektronen sind jedoch nicht geeignet, um die vorstehenden Erfordernisse zu erfüllen, weshalb die Qualität des Mikroskopbildes unter dem gewünschten Ausmaß bleibt. Der Grund hierfür liegt hauptsächlich in der Gestalt der Wehnelt-Elektrode und der Lage der !Cathode in Bezug auf die Wehnelt-Elektrode.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine thermische Elektronenquelle zu zeigen, mit der ein Elektronenstrahl erzeugt werden kann, der den gewünschten hohen Grad an Parallelität und hoher Dichtegleichförmigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird bei der Elektronenquelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Abstand H zwischen der Spitze der Kathode und dem unteren Rand der Öffnung der Wehnelt-Elektrode die Beziehung 0,4D <H <0,8D erfüllt, wobei D der Durchmesser der Öffnung der Wehnelt-Elektrode ist.

Die vorstehende Aufgabe wird somit durch Verbesserung der Form der Wehnelt-Elektrode und durch die spezielle Anordnung der Kathode bezüglich der Wehnelt-Elektrode gelöst. Indem die im vorstehenden genannte Beziehung erfüllt wird, ist der Abstand zwischen der Kathode and der Wehnelt-Eiektrode groß genug, um Mikroentladungen zu vermelden, wodurch die effektive Lebensdauer der Kathode verlängert wird. Demzufolge besteht ein Vorteil der Erfindung darin, die effektive Lebensdauer der Kathode zu verlängern.

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Bei der thermischen Elektronenquelle gemäß der Erfindung kommt eine Wehnelt-Elektrode mit sinnvoller Gestaltung zur Anwendung, wobei die Kathode der Elektronenquelle bezüglich der Wehnelt-Elektrode so angeordnet ist, daß eine bestimmte optimale Lagebeziehung erfüllt wird. Hierdurch wird die Erzeugung eines Elektronenstrahles mit hohem Grad an Parallelität und hoher Dichtegleichförmigkeit erzeugt. Diese Eigenschaften dienen zur Verbesserung der Gesamtleistungsfähigkeit eines Elektronenmikroskopes.

Beispielsweise wurde durch Versuchsergebnisse bestätigt, daß aufgrund der Parallelität des Strahles dicke Proben untersucht werden können, da die Durchdringungsenergie erhöht ist. Hieraus resultiert gleichfalls eine Verminderung der Elektronenstreuung in der Probe, wodurch die Probenverseuchung und Hitzebeschädigung herabgesetzt wird. Insbesondere bei der Untersuchung von biologischen Proben ermöglicht der Phasenkontrast die Trennung des Bildes der Probenstruktur vom Bildrauschpegel, und zwar aufgrund der erhöhten Tiefenschärfe.

Gleichzeitig ermöglicht ein Elektronenstrahl mit hoher Dichtegleichförmigkeit ein Bild mit niedriger Vergrößerung mit gleichförmiger Helligkeit abzubilden. Hierbei wird die Notwendigkeit der Einstellung des Stigmators beseitigt, da der Strahlastigmatismus ständig konstant bleibt, und zwar unabhängig von irgendwelchen Änderungen bei der Beschleunigungsspannung oder Bildvergrößerung.

Anhand -der belllegenden Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten thermischen

Elektronenquelle;

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Flg. 2 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Eigenschaften der thermischen Elektronenquelle In der Flg. 1;

Flg. 4 den wesentlichen Teil der Elektronenquelle gemäß der Erfindung;

Flg. 5,6 schematische Darstellungen der Eigenschaften des Elek^un tronenstrahles, der mit der Elektronenquelle gemäß der

. Erfindung erzeugt wird.

In Flg. 1 Ist eine Elektronenquellekammer 1 dargestellt, welche auf einer Mikroskopsäule angeordnet Ist. Mit 2 Ist ein isolator bezeichnet, der mit Isoliermaterial 3 angefüllt Ist. Ein Teil eines Hochspannungskabels 4 Ist Im verfestigten Isoliermaterial 3 verlegt. Zuführungsdrähte 5, 6 und 7 bilden den elektrischen Leitungsweg des Hochspannungskabels 4. Die einen Enden der Zuführungsdrähte 5 und 6 und das eine Ende des Zuführungsdrahtes 7 sind entsprechend mit einer Helzstromquelle 8 und einer Hochspannungsquelle 9 (Gleichspannung) verbunden. Die entgegengesetzten Enden der ZufUhrungsdrähte sind mit den Stäben 10, 11 und 12 verbunden. Ein Glühfaden 13 als Kathode Ist an die Stäbe 10 und 11 angeschlossen, wobei dieser Glühfaden von dem Wechselstrom der Heizstromquelle 8 erhitzt wird. Die Helzstromquelle 8 Ist über die Zuführungsdrähte 5 und 6 und die Stäbe 10 und angelegt. Mit 14 Ist eine Wehnelt-Elektrode bezeichnet, welche verschraubbar mit einem Befestigungselement 15 verbunden werden kann und so am Isolator 2 befestigt werden kann. Diese Elektrode ist mit einer negativen Hochspannung beaufschlagt, welche von der Hochspannungsquelle 9 (Gleichspannung) über den Zuführungsdraht 7 den Stab und das Befestigungselement 15 angelegt wird. Ein Widerstand 16 ist zwischen die Zuführungsdrähte 6 und 7 geschaltet und dient als

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Kathodenwiderstand, um die Elektronen, welche aus dem Glühdraht durch Änderung der Vorspannung emittiert werden, zu steuern. "A" bedeutet den Kreuzungspunkt unter der Bedingung, daß die Spitze des Glühfadens mit dem unteren Band der öffnung der Wehnelt-Elektrode ausgerichtet 1st. Dieser Kreuzungspunkt wird vom elektrostatischen Feld zwischen dem Glühfaden und der Anode 17 gebildet.

Es wird nun Bezug genommen auf die Flg. 2 und 3. In der Flg. 2 Ist das Bild eines Haarnadel-Glühfadens dargestellt, welches durch die in Flg. beschriebene Glühemisslons-ElektronenqueUe bei verhältnismäßig niedrigen Glühfadentemperaturen erzielt worden ist. Wie aus Figur zu erkennen ist, besteht das Glühfadenbild aus einer leicht elliptischen hellen Fläche in der Mitte und zwei hellen Flächen an der Peripherie, welche mehr oder weniger wie Kreiszweiecke ausgebildet sind. Die Fig. 3 zeigt die Strahllntensitätverteilungskurve des Glühfadenbildes in der Flg. 2. Wie aus der Kurvendarstellung hervorgeht, ist die Strahlintensität in der Mitte des Bildes am stärksten und-an den Umfangsflächen äußerst schwach ausgebildet. Um nun einen Elektronenstrahl zu erhalten, der einen hohen Grad von Parallelismus und hoher Dichtegleichförmigkeit aufweist, Ist es notwendig, einen großen Teil des Elektronenstrahles durch Einsetzen einer Objektivöffnung geringen Durchmessers abzuschneiden. Auf diese Welse geht jedoch ein proportionaler Betrag des Strahlstromes verloren. Wenn nun ein großer Strahlstrom benötigt wird, Ist es notwendig, die Stellung der Wehnelt-Elektrode zu verändern, so daß der Glühfaden über den unteren Rand der Öffnung der Wehnelt-Elektrode vorsteht. Außerdem wird die Vorspannung zwischen dem Glühfaden und der Wehnelt-Elektrode erhöht. Auf diese Weise wird jedoch die Lebensdauer des Glühfadens verkürzt, und zwar wegen der Mikroentladung zwischen dem Glühfaden und der Wehnelt-Elektrode.

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Die Fig. 4 zeigt schematisch die Gestalt der Wehnelt-Elektrode und die Lage des Glühfadens bezüglich der Wehnelt-Elektrode gemäß der Erfindung. Die der Anode gegenüberliegende Seite 18 der Wehnelt-Elektrode ist konvex ausgebildet und der Abstand H zwischen der Spitze des Glühfadens und dem unteren Band der Öffnung der Wehnelt-Elektrode erfüllt die vorstehend schon erwähnte Beziehung 0,4D<H<0,8D, wobei D der Durchmesser der Öffnung der Wehnelt-Elektrode ist.

Wenn die im vorstehenden genannte Bedingung eingehalten wird, sind hervorragende Ergebnisse gesichert. Um nun jedoch die Gesamtarbeitsweise einer Glühemissions-Elektronenquelle zu verbessern, kann man die Wehnelt-Elektrode so ausbilden, daß sie eine zylindrische Oberfläche nahe dem Strahl, der durch die Öffnung der Wehnelt-Elektrode hindurchtritt, aufweist. Außerdem kann die Fläche der Wehnelt-Elektrode, welche dem Glühdraht zugewendet ist bzw. in der Nähe des Glühdrahtes liegt, konisch ausgebildet sein. Darüber hinaus kann der vertikale Winkel ß dieser Konusform bevorzugt so gewählt sein, daß die Beziehung 30°<ß<90° erfüllt ist. Die Höhe b der zylindrischen Oberfläche sollte bevorzugt so gewählt sein, daß sie die Beziehung 0,2D<b<0,8D erfüllt.

Die Fig. 5 zeigt den Bahnverlauf des Elektronenstrahles, der von der Quellenkathode gemäß der Erfindung ausgesendet wird. Es ist festzustellen, daß der Winkel der Strahlablenkung hinter dem Kreuzungspunkt äußerst gering ist, so daß ein hoher Grad von Parallelismus gewährleistet ist.

Die Fig. 6 und 7 zeigen, das Glühfadenbild, welches von der Glühemissions-Elektronenquelle gemäß der Erfindung erzeugt wird und die entsprechende Strahlintensitätsvertellungskurve bei verhältnismäßig

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niedriger Glühfadentemperatur. Die StrahUntensltätsvertellungskurve zeigt eine oben abgeflachte Kurve, wie sie In Flg. 7 dargestellt ist. Das Glühfadenbild besteht nämlich aus einer nur sehr gering elliptischen hellen Mäche in der Mitte und einer ringförmigen hellen Fläche, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Demzufolge erzeugt die Elektronenquelle gemäß der Erfindung einen Elektronenstrahl mit hoher Belegungsgleichförmigkeit.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   I.) Glühemissions-Elektronenquelle mit einer Kathode zur Emission von thermischen Elektronen, einer der Kathode gegenüberliegenden Anode, einer Spannungsquelle zum Anlegen einer hohen Potentialdifferenz zwischen der Kathode und der Anode und einer Wehnelt-Elektrode zwischen der Kathode und der Anode, wobei die der Anode zugewandte Seite der Wehnelt-Elektrode konvex ausgebildet ist und die Wehnelt-Elektrode gegenüber der Kathode auf negativem Potential gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (H) zwischen der Spitze der Kathode (13) und dem unteren Rand der Öffnung der Wehnelt-Elektrode (18) die Beziehung 0,4D<H<0,8D erfüllt, wobei D der Durchmesser der Öffnung der Wehnelt-Elektrode ist.
2. 2. Glühemissions-Elektronenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche, welche der Öffnung der Wehnelt-Elektrode (18) benachbart ist, zylindrisch ausgebildet ist und daß die Oberfläche der Wehnelt-Elektrode, welche der Kathode (13) zugewendet ist, konisch ausgebildet ist.
3. 3. Glühemissions-Elektronenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Winkel (ß) des konischen Teiles der Wehnelt-Elektrode (18) die Beziehung 30°<ß<90° erfüllt.
4. 4. Glühemissions-Elektronenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (b) des zylindrischen Teiles der Öffnung der Wehnelt-Elektrode (18) die Beziehung 0,2D<b<0,8D erfüllt.

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