DE2810736A1

DE2810736A1 - Feldemissionskathode sowie herstellungsverfahren und verwendung hierfuer

Info

Publication number: DE2810736A1
Application number: DE19782810736
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Faubel; William M Holber; Jan Peter Prof Dr Toennies
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1978-03-13
Filing date: 1978-03-13
Publication date: 1979-09-27
Also published as: GB2021854A; JPS54127271A; FR2420203A1; US4272699A

Description

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Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Bunsenstrasse 10, 3400 Göttingen

Feldemissionskathode sowie Herstellungsverfahren und Verwendung hierfür

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feldemissionskathode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Feldemissionskathode und die Verwendung einer Feldemissionskathode.

Feldemissionskathoden haben von Natur aus gewisse Vorteile gegenüber thermischen Kathoden. Feldemissionskathoden zeigen weniger Wärme als thermische Kathoden, was insbesondere bei Geräten, die bei tiefen Temperaturen betrieben werden oder in einem durch eine Cryopumpe erzeugten Vakuum arbeiten sollen, von erheblichen Vorteil ist. Ferner lassen sich Feldemissionskathoden im allgemeinen leichter ausheizen,und sie sind auch gegen schlechte Vakua weniger empfindlich als thermische Kathoden.

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Es; 1st /bekannt, als Feldemissionskathode eine einzelne Graphitfaser zu verwenden {J.Phys.D:Appl.Phys., Vol.7, 1974, 2105-2115). Eine aus einer einzelnen Graphitfaser bestehenden Feldemissionskathode vermag jedoch keine hohen Emissionsströme zu liefern,sie ist außerdem rehtiv empfindlich und instabil.

Es ist auch schon seit langem bekannt, dünne, zugespitzte Drähte aus schwer schmelzenden Metallen, wie Wolfram und Molybdän,als Feläemissionskathoden zu verwenden. Aus der Zeitschrift "J.Appl.Phys. ΑΛ_, 1970, 7681" sind Feldemissionskathoden bekannt, die eine Vielzahl von emittierenden Spitzen haben, um einen größeren Emissionsstrom zu erzeugen. Eine bekannte Vlelspitzenkathode enthält vierzig Wolfram-Drähte, die eine punktgeschweißte,: kammartige Struktur bilden. Eine andere Feldemissionskathode, mit der sich diese Veröffentlichung in erster Linie befaßt, besteht aus einer Vielzahl von feinen parallelen Wolfram-Nadeln, die durch gerichtetes Abkühlen einer Nickel-Wö-lfram-Legierung, Wegätzen der Nickelmatrix zur Freilegung der bei der Erstarrung gebildeten parallelen Wolfram-Nadel und elektrolytisches Zuspitzen der Nadeln hergestellt wird./Der gegenseitige Abstand der Spitzen ist im Mittel verhältnismäßig groß im/Vergleich zur Dicke der die Spitzen bildenden-: Wolf ram-Nadeln, und es lassen sich auf diese Weise mit entsprechend hohen Feldern auch Ströme in der Größenordnung von ^: 1mA erzeugen. Diese Wolframnadel-Kathoden sind jedoch sehr empfindlich gegen Überspannungen und Ionenaufprall, der auch bei verhältnismäßig hohen Vakua noch zu bleibenden Schäden und Änderungen des Emissionsvermögens führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von diesem Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, eine Feldemissionskathode anzugeben, die höhe .Emissionsströme zu liefern vermag, robust sowie unempfindlich ist und sich mit geringen Kosten herstellen läßt. l·

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Feldemissionskathode mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruchs 1 gelöst.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß man eine ausgezeichnete Feldemissionskathode, die hohe Emissionsströme zu liefern vermag sowie robust und unempfindlich in mechanischer und elektrischerHinsicht ist, einfach dadurch herstellen kann, daß man ein kommerziell erhältliches Kohlefaserbündel an einem geeigneten leitenden Träger befestigt und mechanisch abtrennt, zum Beispiel abschneidet. Trotzdem das Bündel aus sehr nahe beieinanderliegenden Kohlefasern besteht und die Kohlefasern nicht durch eine besondere Nachbearbeitung besonders ange-" spitzt sind, erhält man mit einer solchen Feldemissionskathode hohe und stabile Emissionsströme bei mäßigen Feldstärken. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Feldemissionskathode gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Emissionseigenschaften sehr stabil sind und auch durch ein schlechtes Vakuum und andere ungünstige Einflüsse nicht wesentlich verändert werden.

Eine Feldsmissionskathode gemäß der Erfindung kann einfach dadurch hergestellt werden, daß man ein handelsübliches Bündel aus Kohlefasern an einem Kathodeträger befestigt und das Bündel dann an einer für die Emissionsfläche gewünschten Stelle mechanisch abtrennt, z.B. mit einer Schere abschneidet. Selbstverständlich kann man das Bündel auch zuerst abschneiden und dann befestigen. Die einzelnen Kohlefasern können zum Beispiel einen Durchmesser zwischen 2 und 10 um haben, handelsüblich sind Durchmesser zwischen etwa 5 bis 8 um.

Die vorliegende Feldemissionskathode läßt sich mit Vorteil in einer Elektronenstoß-Ionenquelle eines Massenspektrometer oder eines Molekularstrahl-Detektors (siehe zumBeispiel die Veröffentlichung von H.Pauly und J.P. Toennies in "Methods of Experimental Physics" TA, 227-360, Academic Press, New York,1968)

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vexwenden, da die vorliegende Peldemissionskathode kaum Wärme erzeugt, so daß sie auch nicht gegen die Kondensationsfläche einer Cryopumpe abgeschirmt zu werden braucht. Man kann daher die Ionenquelle mit einer Kondensationsfläche einer Cryopumpe unmittelbar umgeben, so daß sich im Ionisierungsraum außerordentlich niedrige Restgasdrücke auch für Gase kleiner Masse, einschließlich Wasserstoff, erzeugen lassen. Die Feldemissionskathode läßt sich bei hohen Temperaturen ausheizen und zeigt auch nach einer Betriebsdauer von eintausend Stunden und mehr keine Änderung ihrer Eigenschaften.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt einer Elektronenstoßionenquelle, die eine Feldemissionskathode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Feldemissionskathode der Ionenquelle gemäß Fig. 1;

Fig. 3A und 3B eine stark vergrößerte Draufsicht bzw. Stirnansicht einer Feldemissionskathode gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4A und 4B-, eine Draufsicht bzw. Stirnansicht einer Feldemissionskathode gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 5A und 5B eineDraufsieht bzw. Stirnansicht einer Feldemissionskathode gemäß einer vierten Ausfuhruhgsform der Erfindung.

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Die in Fig. 1 im Axialschnitt dargestellte Elektronenstoßionenquelle enthält eine Grundplatte 1 aus Kupfer, an der die verschiedenen Elektroden der Ionenquelle durch isolierende Stützen und/ oder isolierte Halterungs- und Durchführungsdrähte (nicht dargestellt) gehaltert sind, wie es in der Vakuumröhrentechnik üblich ist.

Die Grundplatte 1 hat eine zentrale Öffnung 2 zum Austritt eines erzeugten Ionenstrahles 3 in ein rechts von der Grundplatte 1 angeordnetes Massenspektrometer,zum Beispiel ein kleines elektromagnetisches Massenspektrometer üblicher Bauart mit einem magnetischen Sektorfeld von 90° und 4 cm Radius.

Die Ionenquelle enthält eine in Fig. 2 genauer dargestellte Feldemissionskathode 4 aus einem scheibenförmigen Metallring 5, an dem acht Kohle- oder Graphitfaserbündel 6 in symmetrischer Verteilung so angeordnet sind, daß die Spitzen der Fasern radial nach innen zeigen.

Die einzelnen Kohlefasern können einen Durchmesser von 5 bis 8 lim haben und jedes Bündel 6 kann mehrere Tausend solcher Fasern enthalten und einen Durchmesser von etwa 1 mm haben.

Radial innerhalb der Feldemissionskathode 4 befindet sich ein zylindrisches Extraktionsgitter 7, das im Betrieb auf einer positiven Spannung von beispielsweise 2 bis 4 kV bezüglich der Feldemissionskathode 4 gehalten wird. Innerhalb dieses Extraktionsgitters 7 befinden sich dann ein zylindrisches Bremsgitter 8, in dem die Elektronen, die von den Kohlefaserspitzen emittiert worden und durch das Extraktionsgitter 7 getreten sind, auf eine Energie von einigen 100 eV abgebremst werden. Inner-" halb des Bremsgitters 8 befindet sich ein Innenkäfig 9, der den eigentlichen Ionisierungsraum darstellt und in dem die abgebremsten Elektronen gefangen werden und in bekannter Weise hin-, und herpendeln. An den in Fig. 1 rechten offenen Enden der Gitter 8 und 9 befindet sich ein Satz von blendenartigen Elektroden 10, die eine ionenoptische Linse zur Extraktion der Ionen aus dem Ionisierungsraum und zur Fokussierung dieser Ionen zum Ionenstrahl 3 dienen.

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Dielinken Enden der Gitter 8 und 9 können, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, eine Stirnwand mit einer Mittelöffnung zum Eintritt eines zu ionisierenden Molekularstrahls 11 haben. Der Innenkäfig 9 kann im wesentlichen auf Massepotential liegen.

Die aus Kupfer oder einem anderen gut wärmeleitenden Material bestehende Grundplatte 1 steht in Wärmekontakt mit einer Außenabschirmung 12, die mit flüssigem Stickstoff gekühlt sein kann. Das Elektrodensystem der Ionenquelle erstreckt sich in eine zylindrische Röhre 13, deren Innenseite eine Kondensationsfläche einer Cryopumpe bzw. eines Cryostaten bildet, und deren Außenseite mit einem Kühlmittel 14, zum Beispiel flüssigem Helium, in Verbindung steht. Die Röhre 13 und die anderen Teile der Cryopumpen bestehen aus nichtrostendem Stahl und sind miteinander verschweißt. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung einschließlich der Außenabschirmung 12 und einer aus Kupfer bestehenden Strahlungsabschirmung 15 sind so bemessen, daß sie in eine Ultrahochvakuumkammer mit einem Durchmesser von 150 mm eingesetzt werden kann, die beispielsweise durch eine ionengetter-.und Titansublimationspumpe gepumpt wird.

Vor der eigentlichen Inbetriebnahme der Ionenquelle für Meßzwecke und dergleichen wird die Feldemissionskathode vorzugsweise formiert. Hierzu wird der Druck in der Ionenquelle

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auf etwa 10 mbar. verringert und es wird eine Spannung von einem oder wenigen kV zwischen die Feldemissionskathode 4 und das Extraktionsgitter 7 gelegt. Bei diesen hohen Drücken tritt dann-ein. Einbrenneffekt auf und der Emissionsstrom sinkt von seinem anfänglichen Wert innerhalb von etwa 30 Minuten auf einen um etwa 10 % niedrigeren Wert ab,bei dem er dann stabil bleibt. ■-.-..

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Mit der beschriebenen Feldemissionskathode können kontinuierliche Emissionsströme von 1 bis 5 mA bei Extraktionsspannungen von etwa 2 bis 5 kV erzeugt werden. Der Emissionsstrom ist bei Drücken unter 10 mbar. innerhalb eines Bereiches von 1 bis 3 % stabil. Die Feldemissionskathode gemäß Fig. 2 mit den Kohlefaserbündeln 6 wurde bei Vakua zwischen 10 und

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10 mbar.für mehr als 1000 Stunden ohne Verschlechterung ihrer Eigenschaften betrieben.

Mit der Feldemissions- Elektronenstoß- Ionenquelle gemäß Fig. ließ sich das Untergrund- oder Restgasspektrum im Vergleich zu einer entsprechenden Ionenquelle mit thermisch emittierenden Kathoden je nach Massenzahl um eine bis über zwei Größenordnungen herabsetzen.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel läßt sich z.B. dadurch abwandeln, daß man auf dem Ring mehr oder weniger Kohlefaserbündel - vorzugsweise symmetrisch - anordnet. Die Bündel können auch in ümfangsrichtung länglich, d.h. bürstenförmig sein. Schließlich kann der ganze Ring mit einer ununterbrochenen "Kohlefaserbürste" versehen sein.

Die Kohlefaserbündel können durch Klemmen, Draht und/oder mit einer leitenden Paste oder Klebermasse zusammengehalten bzw. befestigt sein.

Die in Fig. 3A und 3B dargestellte Feldemissionskathode enthält ein einzelnes Bündel 36 aus beispielsweise 5 bis 8 iim dicken Kohlefasern, das an einer Metallplatte 35 mittels einer Schelle 37 festgeklemmt ist. Die Stirnfläche des Kohlefaserbündels kann makroskopisch gesehen im wesentlichen eben sein unddurch einfaches Abschneiden des Kohlefaserbündels 36 gebildet sein. Eine besondere Bearbeitung, wie Zuspitzen, der einzelnen Kohlefasern ist nicht erforderlich. Die Kohlefasern können im wesentlichen parallel zueinander verlaufen oder etwas büschelartig divergieren (nicht dargestellt),

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Die Feldemissionskathode gemäß Fig. 4A enthält mehrere, im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordnete Kohlefaserbündel 46, die zwischen zwei am Ort der Kohlefaserbün-.del jeweilsetwas ausgebuchtete Metallschellen 45 bzw. 47 eingekieinint sind. Die Stirnflächen der Kohlefaserbündel 46 können alle in einer Ebene liegen oder sich in Anpassung an eine Absaugelektrode verschieden weit von den halternden Schellen 45,47 wegerstrecken.

Die Feldeinissiönskathode gemäß Fig. "5A und 5B enhtält ein längliches, bürstenartiges Kohlefaserbündel 56, das zwischen zwei entsprechend geformte Schellen 55,57 eingeklemmt ist. Die StirnflächeL 58 kann eben oder in irgendeiner gewünschten Weise . geformt sein.

Selbstverständlich können auch die Kohlefaserbündel- der Feldemissionskathoden gemäß Fig. 3 bis 5 auf andere Weise am Kathödenträger befestigt sein, z.B. durch eine leitende Silberpaste oder dergl..

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Feldemissionskathode sowie Herstellungsverfahren und Verwendung hierfür

Patentansprüche

T) Feldemissionskathode mit einer Vielzahl emittierender Spitzen gekennzeichnet durch ein Bündel aus Kohlefasern, deren Enden die emittierenden Spitzen bilden.

2. Feldemissionskathode nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß sie mehrere, räumlich getrennte Bündel aus Kohlefasern enthält.

3. Feldemissionskathode nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß jedes Bündel eine Vielzahl _f

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vorzugsweise mindestens eintausend Kohlefasern enthält.

4. Feldemissionskathode nach Anspruch 2 oder 3, dadurc h gekennzeichnet, daß jedes Bündel einen Durchmesser von der Größenordnung 1 mm hat.

5. Feldemissionskathode nach Anspruch 1, d a d urch gekennzeichnet, daß das Kohlefaserbündel langgestreckt ist.

6. Feldemissionskathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Kohlefasern jeweils einen Durchmesser von etwa 5 bis 8μπι haben.

7. Feldemissionskathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern auf einem Ring (5) mit radialen Achsen und nach innen weisenden Spitzen angeordnet sind.

8. Feldemissionskathode nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Elektronenstoßionenquelle, bei der radial innerhalb der ringförmigen Feldemissionskathode (4) der Reihe nach ein Extraktionsgitter (7) und ein Bremsgitter (8) sowie vorzugsweise ein gitterförmiger Innenkäfig (9) angeordnet sind.

9. Verfahren zum Herstellen einer Feldemissionskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kohlefaserbündel an einem Träger

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befestigt Λΐή<3 zur Bildung der Spitzen quer zur Richtung der Kohlefasern mechanisch dürchtrennt- wird.

1Ö.. Peldemissiönskathode nach mindestens einem der Ansprüche 1 Bis 8,- gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Elektronensto.eionenquelle eines Massenspektometers.

11. Feldemissionskathode nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, ge^kennzeichriet durch die Verwendung in einer Elektronenstoßionenquelle eines MolekularStrahldetektors.

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