DE3029624C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsdurchführung zum Einführen einer Hochspannung in ein Vakuum, insbesondere für Korpuskularstrahl­ geräte, bestehend aus einer eine stufenartige Vergrößerung auf­ weisenden Hochspannungselektrode, einem die Hochspannungselektrode umschließenden Isolator und einer den Isolator umschließenden Außenelektrode auf einem niedrigeren Potential.

Zu den Korpuskularstrahlgeräten gehören bekanntlich Elektronen- und Ionenmikroskope, 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 7 63 347 ist es bei einem Elektronenmikroskop 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.

Auch aus der DE-PS 8 92 348 ist es bei einem Korpuskularstrahlgerät bekannt, dem Isolator, der die Hochspannungselek­ trode umschließt und seinerseits von einer auf niedrigem Potential liegenden Außenelektrode umschlossen ist, an seinem ans Vakuum grenzenden Teil eine die Isolationsstrecke zwischen den Elektroden vergrößernde Ausstülpung zu geben.

Schließlich ist aus der DE-PS 9 07 327 eine Hochspannungsdurchführung der eingangs genannten Art bekannt, bei der die geringe stufen­ artige Vergrößerung der Hochspannungselektrode der Montage dient.

In modernen Elektronenmikroskopen wurden bisher zwischen Hoch­ spannungselektrode bzw. Kathode und Gehäuse ausnahmslos sogenannte Kerzenisolatoren verwendet. Bei diesen wird eine ausreichende Überschlagsfestigkeit durch eine genügend lange zylindrische Oberfläche erreicht. Die Ansprüche an derartige Isolatoren steigen jedoch in dem Maße, wie die Leistungsfähigkeit der Elektronen­ mikroskope hinsichtlich der Auflösung wächst. Vor allen die sogenannten Mikroüberschläge entlang der Isolatoroberfläche 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 an das Vakuum grenzende Oberfläche des Isolators im Anfang der stufenartigen Vergrößerung ansetzt und gegen die Achse der Hoch­ spannungselektrode geneigt zur Außenelektrode verläuft.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet die an das Vakuum grenzende Isolatoroberfläche in der Nähe der Hoch­ spannungselektrode mit der Hochspannungselektrode einen Winkel, der ungefähr halb so groß ist wie der Winkel zwischen den die stufenartige Vergrößerung bildenden Teilen der Hochspannungs­ elektrode am Anfang der stufenartigen Vergrößerung.

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

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Fig. 1 bis 4 der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigt

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 Äquipotentiallinien im Schnitt bei der Hochspannungsdurchführung nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 3 die Hochspannungselektrode, die sog. Wehnelt-Elektro­ de, bezeichnet. Sie ist von der Außenelektrode 1 durch den Isolator 2 ge­ trennt. Die Außenelektrode 1 liegt auf einem niedrigeren Potential als die Hochspannungselektrode, vorzugsweise auf Erdpotential. Mit 4 ist schema­ tisch 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 Isola­ toroberfläche 6 nicht exakt in den Anfang 7 zu legen, sondern nur in seine Nähe. An den Eigenschaften der Hochspannungsdurchführung und an der fol­ genden Erklärung dieser Eigenschaften ändert sich damit praktisch nichts.

Die Wirkung der beschriebenen Hochspannungsdurchführung beruht auf einer günstigen Potentialverteilung auf der an das Vakuum grenzenden Oberfläche des Isolators. Aus der Literatur (H. Boersch, Z. f. a. Physik 15, 518 (1963) ist bekannt, daß Mikroentladungen an der Grenzlinie Minus­ elektrode-Isolator-Vakuum bzw. Restgas einsetzen und von dort einen La­ dungstransport über die Isolatoroberfläche auslösen. Eine Schwächung der elektrischen Feldstärke an dieser Grenzlinie vermindert die Neigung zu Mikroüberschlägen. Bei dem bekannten Kerzenisolator ist die zylindrische Fläche annähernd eine Äquipotentialfläche; sie kann daher zur Isolations­ festigkeit 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 Isola­ tor-Elektroden ausgeprägte Maxima. Dadurch wird die Entstehung von Mikro­ entladungen stark begünstigt.

Bei der dargestellten Ausbildung des Isolators wird hingegen durch die stufenartige Vergrößerung der Hochspannungselektrode und durch den Be­ ginn der an das Vakuum grenzenden Isolatoroberfläche im Anfang dieser stufenartigen Vergrößerung der Feldstärkenverlauf entlang der Isolator­ 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 Mikroent­ ladungen unterbunden.

Der Feldstärkenverlauf entlang der Isolatoroberfläche ist stark von der Geometrie der Anordnung abhängig. In einer vorteilhaften Ausgestaltung 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 rotationssymmetrischer Aufbau von Hoch­ spannungselektrode und Isolator für die Herstellung am günstigsten ist. Dies ist jedoch nicht notwendig, da ähnliche Verhältnisse z. B. auch für ovale Querschnittsformen gelten.

Die in Fig. 1 mit 4 bezeichnete Glühkathode erzeugt Wärme, welche abge­ führt werden muß. Bekannt ist, daß dies über die (nicht gezeichnete) steckbare Hochspannungszuführung erfolgt, wobei durch Öl für einen ge­ nügend guten Wärmekontakt und -transport gesorgt werden muß. Zur Ver­ besserung der Wärmeableitung können die Elektrodenoberflächen z. B. im oberen Teil des Isolators mit einer möglichst großen Oberfläche ausgeführt sein und der dazwischen liegende Teil 10 des Isolators kann in diesem Bereich nur die zur Isolation notwendige Dicke haben. Man kann die da­ für notwendige Vergrößerung der Elektrodenoberfläche mit der stufenför­ migen Vergrößerung der Hochspannungselektrode kombinieren, wie dies auch in Fig. 1 der Fall ist. Bei der Hochspannungsdurchführung nach Fig. 1 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 kann auf der Niederspannungsseite eine Ausstülpung 11 haben, durch welche die Isolationsstrecke an der Ober­ fläche 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 Iso­ lierstrecke werden in diesem Fall mögliche Überschläge entlang der Iso­ latoroberfläche gedämpft.

In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Hier ist die stufenartige Vergrößerung (5) der Hochspannungselektrode auf einen kleineren Bereich beschränkt. Fig. 2 zeigt ferner, daß der Winkel im Knickpunkt der stufenartigen Vergrößerung nicht 90° sein muß. Die Ver­ größerung der Hochspannungselektrode hat außerdem Aussparungen 21 die eine bessere Verankerung der Hochspannungselektrode 3 mit dem Isolator 2 bewirken.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Zuführung der Hochspan­ nung 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.

Claims (9)

1. Hochspannungsdurchführung zum Einführen einer Hochspannung in ein Vakuum, insbesondere für Korpuskularstrahlgeräte, bestehend aus einer eine stufenartige Vergrößerung aufweisenden Hochspannungs­ elektrode, einem die Hochspannungselektrode umschließenden Isolator und einer den Isolator umschließenden Außenelektrode auf einem niedrigeren Potential, dadurch gekennzeichnet, 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 (3) geneigt zur Außenelektrode (1) verläuft.

2. Hochspannungsdurchführung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die an das Vakuum grenzende Isolatorober­ fläche (6) in der Nähe der Hochspannungselektrode mit der Hoch­ spannungselektrode einen Winkel (8) bildet, der ungefähr halb so groß ist wie der Winkel (9) zwischen den die stufenartige Vergrößerung (5) bildenden Teilen der Hochspannungselektrode (3) am Anfang der stufenartigen Vergrößerung (5).

3. Hochspannungsdurchführung nach Anspruch 1 und/oder 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, derart, daß durch sie die Isolations­ strecke zwischen den Elektroden vergrößert wird.

5. Hochspannungsdurchführung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungs­ elektrode im Bereich der stufenartigen Vergrößerung (4) Aus­ sparungen (21) hat, die eine feste Verankerung mit dem Isolator bewirken (Fig. 2).

6. Hochspannungsdurchführung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (2) aus Gießharz mit einer Füllmasse besteht.

7. Hochspannungsdurchführung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (2) aus Keramik besteht.

8. Hochspannungsdurchführung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an das Vakuum grenzende Oberfläche (6) des Isolators (2) aufgerauht ist.

9. Hochspannungsdurchführung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der Hochspannung für die Hochspannungselektrode (3) von der Seite innerhalb der stufenartigen Vergrößerung (5) der Hoch­ spannungselektrode (3) erfolgt (Fig. 3).