DE3029624A1

DE3029624A1 - Hochspannungsdurchfuehrung

Info

Publication number: DE3029624A1
Application number: DE19803029624
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Phys. 7923 Königsbronn Egle; Dietrich 7082 Oberkochen Hoffmeister
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1980-08-05
Filing date: 1980-08-05
Publication date: 1982-03-11
Also published as: US4396861A; DE3029624C2

Description

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Hochspannungsdurchführung

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsdurchführung zum Einführen einer Hochspannung in ein Vakuum, insbesondere für Korpuskularstrahlgeräte, bestehend aus einer Hochspannungselektrode, einem die Hochspannungselektrode umschließenden Isolator und einer den Isolator umschließenden Außenelektrode auf einem niedrigeren Potential. Zu den Korpuskularstrahlgeräten gehören bekanntlich Elektronen- und Ionenmikroskopie, sowie Elektronenstrahlgeräte.

Bei Elektronenstrahlgeräten hat die Kathode ein hohes negatives Potential, das gegenüber dem Gehäuse, das auf Erdpotential liegt, genügend gut isoliert sein muß. Wegen der großen Potentialdifferenz kommt dabei der Ausbildung der Hochspannungsdurchführung mit ihrem Isolator besondere Bedeutung zu.

Aus der DE-PS 763 347 ist bekannt, zwei Elektroden über einen Isolator zu trennen und zur Sicherung gegen äußere Überschläge den Isolator so auszubilden, daß die beiden an den Enden des Isolators befindlichen Rippen eine nach dem jeweils zugeordneten Isolatorende hin geöffnete Schalenform haben, in die die äußeren an Spannung liegenden Elektrodenteile hineinragen.

Aus der DE-PS 898 048 ist ein Strahlerzeuger mit zwei oder mehr Beschleunigungsstufen bekannt, bei dem die Kathode von der ersten Beschleunigungselektrode und die erste Beschleunigungselektrode von der zweiten u.s.f. durch je einen Isolator getrennt sind. Zwischen je zwei Isolatoren liegt ein spannungsführender Tragring, der innen eine Beschleunigungselektrode und außen einen Hochspannungsanschluß für diese Elektrode trägt. Die Isolatoren besitzen zur Verlängerung des äußeren Überschlagweges eine tellerförmige Rippe, deren äußerer Rand nach oben hin zu zylindrischen Isolatorteilen erweitert ist.

In modernen Elektronenmikroskopen wurden bisher zwischen Hochspannungselektrode bzw. Kathode und Gehäuse ausnahmslos sogenannte Kerzenisolatoren verwendet. Bei diesen wird eine ausreichende Überschlagsfestigkeit

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durch eine genügend Lange zylindrische Oberfläche erreicht. Die Ansprüche an derartige Isolatoren steigen jedoch in dem Maße, wie die Leistungsfähigkeit der Elektronenmikroskope hinsichtlich der Auflösung wächst. Vor.allen die sogenannten MikroÜberschläge entlang der Isolator— 5 oberfläche mindern die Stabilität der Strahlquelle und damit die Bildqualität.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Hochspannungsdurchführung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich bei kleiner Bauform durch eine hohe Spannungsfestigkeit und die Vermeidung von MikroÜberschlägen auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Hochspannungsdurchführung eine stufenartige Vergrößerung aufweist und daß die an das Vakuum grenzende Oberfläche des Isolators im Anfang der Vergrößerung ansetzt und gegen die Achse der Hochspannungselektrode geneigt zur Außenelektrode verläuft.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet die an das Vakuum grenzende Isolatoroberfläche in der Nähe der Hochspannungselektrode mit der Hochspannungselektrode einen Winkel, der ungefähr halb so groß ist, wie der Winkel am Anfang der stufenartigen Vergrößerung der Hochspannungselektrode.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 3 bis 9.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1 bis 4 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen 30

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Hochspannungsdurchführung im Schnitt;

Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel der Hochspannungsdurchführung im Schnitt, bei dem die Hochspannungselektrode Aussparungen zur besseren Verankerung mit dem Isolator hat;

Fig. 3 ein weiteres AusführungsbeispieL der Hochspannungsdurchführung im Schnitt mit seitlicher Zuführung der Hochspannung;

Fig. 4 eine Darstellung des Verlaufes der Ä'quipotent ia llinien im Schnitt bei der neuen Hochspannungsdurchführung.

In Fig. 1 ist mit 3 die Hochspannungselektrode, die sog. WehneIt-Elektrode, bezeichnet. Sie ist von der Außenelektrode 1 durch den Isolator 2 getrennt. Die Außenelektrode 1 liegt auf einem niedrigen Potential als die Hochspannungselektrode, vorzugsweise auf Erdpotential. Mit 4 ist schematisch die Kathode eines Elektronenstrahlerzeugungssystem angedeutet, welche ebenfalls auf negativen Hochspannungspotential liegt.

Die Hochspannungselektrode 3 hat eine stufenartige Vergrößerung 5. Die an das Vakuum 12 grenzende Oberfläche 6 des Isolators 2 beginnt im Anfang 7 der stufenartigen Vergrößerung 5. Aus herstellungstechnischen Gründen ist es evtl. vorteilhaft, den Beginn der an das Vakuum grenzenden Isolatoroberfläche 6 nicht exakt in den Anfang 7 zu legen, sondern nur in seine Nähe. An den Eigenschaften der Hochspannungsdurchführung und an der fol-20genden Erklärung dieser Eigenschaften ändert sich damit praktisch nichts.

Die Wirkung des erfindungsgemäßen Hochspannungsdurchführung beruht auf einer günstigen Potentialverteilung auf der an das Vakuum grenzenden Oberfläche des Isolators. Aus der Literatur CH. Boersch, Z.f.a. Physik 15

25518 (1963) ) ist bekannt, daß Mikroentladungen an der Grenzlinie Minuselektrode-Isolator-Vakuum bzw. Restgas einsetzen und von dort einen Ladungstransport über die Isolatoroberfläche auslösen. Eine Schwächung der elektrischen Feldstärke an dieser Grenzlinie vermindert die Neigung zu MikroÜberschlägen. Bei dem bekannten Kerzenisolator ist die zylindrische

30Fläche annähernd eine Äquipotentialfläche; sie kann daher zur Isolationsfestigkeit nur einen kleinen Beitrag liefern. Die zwischen den Elektroden liegende Spannung wird hauptsächlich an den beiden Enden des Isolators gehalten. Die elektrische Feldstärke hat daher an den Grenzlinien Isolator-Elektroden ausgeprägte Maxima. Dadurch wird die Entstehung von Mikroent ladungen stark begünstigt.

Bei der dargestellten Ausbildung des Isolators wird hingegen durch die stufenartige Vergrößerung der Hochspannungselektrode und durch den Beginn der an das Vakuum grenzende Isolatoroberfläche im Anfang dieser stufenartigen Vergrößerung der Feldstärkenverlauf entlang der Isolator-5 oberfläche 6 so beeinflußt, daß an der Grenzlinie 40, wie Fig. 4 anhand der Äquipotentiallinien 41 veranschaulicht, ein Minimum der elektrischen Feldstärke hervorgerufen wird. Dadurch wird die Entstehung von Mikroentladungen unterbunden.

Der Feldstärkenverlauf entlang der IsoLatoroberflache ist stark von der Geometrie der Anordnung abhängig. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet die an das Vakuum grenzende Isolatoroberfläche 6 in der Nähe der Hochspannungselektrode mit der Hochspannungselektrode einen Winkel 8, der ungefähr halb so groß ist, wie der Winkel 9 am Anfang der stufenartigen Vergrößerung 5 der Hochspannungselektrode.

Es liegt auf der Hand, daß ein rotationssymmetr-scher Aufbau von Hochspannungselektrode und Isolator für die Herstellung am günstigsten ist. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf diese Ausführungsform, da ähnliche Verhältnisse z.B. auch für ovale Querschnittsformen gelten.

Die in Fig. 1 mit 4 bezeichnete Glühkathode erzeugt Wärme, welche abgeführt werden muß. Bekannt ist, daß dies über die (nicht gezeichnete) steckbare Hochspannungszuführung erfolgt, wobei durch Öl für einen genügend guten Wärmekontakt und -transport gesorgt werden muß. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Elektrodenoberflächen z.B. im oberen Teil des Isolators mit einer möglichst großen Oberfläche ausgeführt und der dazwischen Liegende Teil 10 des Isolators hat in diesem Bereich nur die zur Isolation notwendige Dicke. Man kann die dafür notwendige Vergrößerung der Elektrodenoberfläche mit der stufenförmigen Vergrößerung der Hochspannungselektrode kombinieren, wie dies auch in Fig. 1 der Fall ist. Bei der beschriebenen Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmeabgabe an die Außenelektrode 1 so gut, daß eine ölfreie, trockene Hochspannungssteckverbindung benutzt werden kann.

Die an das Vakuum grenzende Oberfläche 6 des Isolators 2 hat bei einer

weiteren Ausführungsform der Erfindung auf der Niederspannungsseite eine Ausstülpung 11, durch welche die Isolationsstrecke an der Oberfläche vergrößert wird. Die Ausstülpung 11 sitzt dabei so weit außen in der Nähe der äußeren Elektrode 1, daß die Potentialverteilung an der Hochspannungselektrode 3 nicht mehr gestört wird. Bei gutem Vakuum ist die Ausstülpung nicht notwendig; sie ist jedoch vorteilhaft für den Fall, wenn sich das Betriebsvakuum bei eingeschalteter Hochspannung plötzlich verschlechtert, z.B. durch ein Leck. Durch die längere Isolierstrecke werden in diesem Fall mögliche Überschläge entlang der Isolatoroberflache gedämpft.

In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Hier ist die stufenartige Vergrößerung der Hochspannungselektrode auf einen kleineren Bereich beschränkt. Figur 2 zeigt ferner, daß der Winkel im Knickpunkt der stufenartigen Vergrößerung nicht 90 sein muß. Die Vergrößerung der Hochspannungselektrode hat außerdem Aussparungen 21 die eine bessere Verankerung der Hochspannungselektrode 3 mit dem Isolator 2 bewirken.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Zuführung der Hochspannung für die Innenelektrode von der Seite erfolgt. In diesem Fall kann die stufenförmige Vergrößerung 5 der Hochspannungselektrode 3 direkt als Hochspannungszuführung 31 verwendet werden. Mit 32 und 33 sind die Spannungszuführungen zur Kathode 4 bezeichnet.

Bevorzugte Materialien des Isolators sind Gießharz mit Füllmasse oder Keramik. Die an das Vakuum grenzende Oberfläche 6 des Isolators kann

aufgerauht werden, um die Kriechstrom-Eigenschaften der Oberfläche zu verbessern.

Lp/Hm
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Claims

Patentansprüche

/ 1. Hochspannungsdurchführung zum Einführen einer Hochspannung in ein

—-^Vakuum, insbesondere für Korpuskularstrahlgeräte, bestehend aus einer Hochspannungselektrode, einem die Hochspannungselektrode umschliessenden Isolator und einer den Isolator umschließenden Außenelektrode auf einem niedrigeren Potential, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungselektrode (3) eine stufenartige Vergrößerung (5) aufweist und daß die an das Vakuum grenzende Oberfläche (6) des Isolators (2) im Anfang (7) der stufenartigen Vergrößerung (5) ansetzt und gegen die Achse der Hochspannungselektrode geneigt zur Außenelektrode (1) verläuft.
2. Hochspannungsdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an das Vakuum grenzende Isolatoroberfläche (6) in der Nähe der Hochspannungselektrode mit der Hochspannungselektrode einen Winkel (8) bildet, der ungefähr halb so groß ist wie der Winkel (9) am Anfang der stufenartigen Vergrößerung (5) der Hochspannungselektrode.
3. Hochspannungsdurchführung nach Anspruch 1 oder 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in einem Teilbereich (10) des Isolators (2) eine große Oberfläche haben und der Isolator in diesem Bereich (10) nur die zur Isolation notwendige Dicke hat.
4- Hochspannungsdurchführung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator in dem Teil, der an das Vakuum grenzt, in der Nähe der Außenelektrode (1) eine Ausstülpung (11) hat, durch welche die Isolationsstrecke zwischen den Elek- | troden vergrößert wird.
5. Hochspannungsdurchführung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungselektrode im Bereich der Vergrößerung (5) Aussparungen (21) hat, die eine feste Verankerung mit dem Isolator bewirken.

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6. Hochspannungsdurchführung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (Z) aus Gießharz mit einer Füllmasse besteht.
7. Hochspannungsdurchführung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (2) aus Keramik besteht.
8. Hochspannungsdurchführung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an das Vakuum grenzende Obei— fläche (6) des Isolators aufgerauht ist.
9. Hochspannungsdurchführung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der Hochspannung für die Hochspannungselektrode (3) von der Seite innerhalb der stufenartigen Vergrößerung (5) der Hochspannungselektrode erfolgt.