DE4433524C2

DE4433524C2 - Hochspannungs-Gleichstromgenerator

Info

Publication number: DE4433524C2
Application number: DE19944433524
Authority: DE
Inventors: Horst Rainer Hoeschen; Mitsuaki Osaki; Ko Sakamoto
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1994-09-20
Filing date: 1994-09-20
Publication date: 1999-01-28
Anticipated expiration: 2014-09-21
Also published as: DE4433524A1

Description

Die Anmeldung betrifft einen Hochspannungs-Gleichstromgenera tor entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2.

Ein derartiger Generator kann in einem Elektronenmikroskop verwendet werden, das eine mit einer hohen Spannung beauf schlagte Elektronenemissionsquelle hat. Von dieser Emissions quelle abgestrahlte Elektronen werden beschleunigt und zum Auftreffen auf eine Probe gebracht. Die Stabilität der an die Emissionsquelle angelegten Spannung ist einer der Hauptfak toren, welche die Auflösung im Endbild des Elektronenmikros kops beeinflussen. Ein solcher, in einem Elektronenmikroskop üblicherweise verwendeter Hochspannungsgleichstromgenerator, wie er aus der JP 60-160089 U bekannt ist, wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, erzeugt eine Wechselspannungs quelle 1 eine Wechselspannung mit 3 kHz. Diese Wechselspan nung wird von einem Aufwärtstransformator 2 aufwärts trans formiert. Die Ausgangsspannung des Aufwärtstransformators 2 wird von einem Cockcroft-Walton-Generator 3 erhöht und gleichgerichtet, der aus einer Mehrzahl von Stufen aus Gleichrichter und Kondensatoren besteht. Die von dem Cock croft-Walton-Generator 3 erzeugte Hochspannung wird mit einer ersten und einer zweiten Siebkette 4 bzw. 5 geglättet. Jede der Siebketten umfaßt mehrere Stufen aus in Reihe geschal teten Einheiten, wobei jede Einheit aus einer Kombination eines Kondensators und eines Widerstandes in Parallel schaltung besteht. Eine Detektorkette 6 erfaßt den Hochspan nungsabfall an einem Heizfaden 7 und umfaßt mehrere Stufen aus in Reihe geschalteten Einheiten, wobei jede Einheit aus einer Kombination eines Kondensators und eines Widerstandes in Parallelschaltung besteht. Ein diese Hochspannung anzei gendes Signal wird an der letzten Stufe der Detektorkette 6 abgegriffen. Eine Bezugsspannungsquelle 8 erzeugt ein Bezugssignal, welches als Basis für die zwischen dem Heizfaden 7 und Erde angelegte Hochspannung dient. Ein die Differenz zwischen dem Ausgangssignal aus der Detektorkette 6 und dem Bezugssignal aus der Bezugsspannungsquelle 8 ange bendes Signal wird einem Fehlersignalverstärker 9 zugeführt. Das Ausgangssignal des Fehlersignalverstärkers 9 wird einem Amplitudenregler 10 zugeführt, der den Scheitelwert der von der Wechselspannungsquelle 1 an den Aufwärtstransformator 2 angelegten Spannung in der Weise steuert, daß die Differenz auf Null verringert wird. Die Frequenzcharakteristik des Feh lersignalverstärkers 9 ist in der Weise gewählt, daß dieser nur die Gleichspannungskomponente oder Niederfrequenzkomponente des zugeführten Signals verstärkt, um Schwingungen zu vermei den. Ein Kathodenwiderstand 11 steuert den Emissionsstrom. Die zweite Siebkette 5 ist mit einer Ausgangsklemme T1 versehen, um ein Überwachen der über die Siebketten 4 und 5 an den Heizfaden 7 angelegten Spannung zu ermöglichen. Das an der Klemme T1 erscheinende Signal wird von einem Verstärker 12 verstärkt. Der Ausgang des Verstärkers 12 kann auf einem Oszilloskop 13 dargestellt werden. Die Verstärkungsbandbreite des Verstärkers 12 ist über einen breiten Bereich von hohen bis zu niederen Frequenzen variabel.

Bei diesem Aufbau wird die von der Wechselspannungsquelle 1 er zeugte Wechselspannung über den Amplitudenregler 10 an den Aufwärtstransformator 2 angelegt. Der Transformator 2 erzeugt eine erhöhte Spannung, welche dann vom Cockcroft-Walton-Gene rator 3 erhöht und gleichgerichtet wird, dessen Ausgangssig nal von der ersten und zweiten Siebkette 4 und 5 geglättet wird. Die von diesen Siebketten 4 und 5 geglättete Hoch spannung wird über den Kathodenwiderstand 11 an den Heizfaden 7 angelegt. Die zwischen dem Heizfaden 7 und Erde liegende hohe Spannung wird von der Detektorkette 6 erfaßt. Die Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Detektorkette 6 und dem Ausgangssignal der Bezugsspannungsquelle 8 wird dem Fehlersignalverstärker 9 zugeführt. Der Amplitudenregler 10 stellt die Amplitude der von der Wechselspannungsquelle 1 an den Aufwärtstransformator 2 angelegten Spannung gemäß dem Ausgangssignal des Fehlersignalverstärkers 9 ein. Demgemäß wird eine dem Ausgangssignal der Bezugsspannungsquelle 8 ent sprechende Gleichspannung zwischen dem Heizfaden 7 und Erde angelegt. Als Folge wird die Spannung, mit der die vom Heiz faden 7 ausgestrahlten Elektronen beschleunigt werden, von der Bezugsspannungsquelle 8 bestimmt.

Wird der Verstärker 12 in der Weise ausgebildet, daß er nur die Niederfrequenzkomponenten verstärkt, die in einem Nieder frequenzbereich von 1 Hz bis 100 Hz liegen, dann zeigt das Ausgangssignal des Verstärkers 12 auf einem Oszilloskop, daß das Signal eine schwankende Komponente im Niederfrequenz bereich enthält, wie dies Fig. 2 zeigt.

In Fig. 2 ist die waagrechte Achse in Einheiten von 200 ms geteilt, während die senkrechte Achse in Einheiten von 2 mV geteilt ist. Bei dem zur Verwendung in einem Elektronenmikro skop vorgesehenen Hochspannungs-Gleichstromgenerator nach dem Stande der Technik sind die Schwankungen bei niederen Fre quenzen derart groß, daß diese Schwankungen unterdrückt werden müssen, um eine Verbesserung des Endbildes des Elektronenmikroskops zu erreichen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Hochspannungs- Gleichstromgenerator vorzusehen, der in ausreichender Weise schwankende Niederfrequenzkomponenten beseitigen kann, die der Hochspannung überlagert sind.

Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe ergeben sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. 2.

Anhand der Figuren wird die Erfindung an bevorzugten Ausfüh rungsformen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltdiagramm eines Hochspannungs-Gleich stromgenerators nach dem Stand der Technik zur Verwendung in einem Elektronenmikroskop;

Fig. 2 eine graphische Darstellung von schwankenden Kom ponenten, die in der Ausgangsspannung des in der Fig. 1 gezeigten Hochspannungs-Gleichstromgene rators nach dem Stand der Technik enthalten sind;

Fig. 3 ein Schaltdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochspannungs-Gleichstromge nerators;

Fig. 4 eine graphische Darstellung von schwankenden Kom ponenten, die in der Ausgangsspannung des in der Fig. 3 gezeigten Hochspannungs-Gleichstromgene rators enthalten sind; und

Fig. 5 ein Schaltdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochspannungs- Gleichstromgenerators.

In der Fig. 3 ist ein Hochspannungs-Gleichstromgenerator gemäß der Erfindung dargestellt. In den verschiedenen Figuren sind die gleichen Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und die bereits in Verbindung mit Fig. 1 beschrie benen Bauteile werden nachstehend nicht mehr beschrieben. Der vorstehend erwähnte Cockcroft-Walton-Generator 3 und die erste Siebkette 4 sind in einem ersten Isoliertank 14 untergebracht. Die zweite Siebkette 5 und die Detektorkette 6 sind in einem zweiten Isoliertank 15 untergebracht. Ein Abgriff T2 zum Abgreifen des Signals von der letzten Stufe der zweiten Siebkette 5 ist mit einem NF-Verstärker 16 verbunden, der ein Signal empfängt, welches die Schwankungen angibt, die der Hochspannung überlagert sind. Der NF- Verstärker 16 verstärkt nur Signale mit Frequenzen, die in einem Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 300 Hz liegen. Da die untere Grenzfrequenz von 0,1 Hz des Schaltkreises von der Siebkette 5 bestimmt wird, ist es möglich, einen Verstärker mit einer Verstärkerbandbreite von 0 Hz bis 300 Hz als NF-Verstärker 16 zu verwenden.

Das Ausgangssignal des NF-Verstärkers 16 wird einer Steuerschaltung 17 zugeführt. Das Ausgangssignal des Fehlersignalverstärkers 9 wird invertiert der Steuerschaltung 17 zugeführt. Die von der Wechselspannungsquelle 1 erzeugte Wechselspannung wird in der Steuerschaltung 17 entsprechend den Signalen von den Verstärkern 9, 16 moduliert. Wird die Amplitude der von der Wechselspannungsquelle 1 erzeugten Wechselspannung mit "x" und die Ausgangssignale der Verstärker 9 und 16 mit "y" bzw. "z" bezeichnet, ist die Amplitude der von der Steuerschaltung 17 abgegebenen Wechselspannung "x(y/z)", d. h. der Wert y des Ausgangssignals des Fehlersignalverstärkers 9 wird durch das Signal z des Ausgangssignals des NF-Verstärkers 16 in der Steuerschaltung 17 dividiert und mit der Wechselspannungsquelle x multipliziert.

Da bei dieser Bauweise die zweite Siebkette 5 und die Detek torkette 6 in dem zweiten Isoliertank 15 untergebracht sind, schirmt der zweite Isoliertank 15 die zweite Filter kette 5 und die Detektorkette 6 vom Cockcroft-Walton-Genera tor 3 ab. Wenn somit Signale von der Siebkette 5 und der Detektorkette 6 entnommen werden, wird das vom Cockcroft- Walton-Generator 3 induzierte Rauschen dem Signal nicht überlagert. Folglich können die der Hochspannung, die von dem Hochspannungs-Gleichstromgenerator erzeugt wird, überlagerten Schwankungen erfaßt werden, ohne daß sie von dem Rauschen be einflußt werden, welches von dem Cockcroft-Walton-Generator 3 übertragen wird. Das der Endstufe der zweiten Siebkette 5 entnommene Signal wird dem NF-Verstärker 16 zugeführt, und das Ausgangssignal des Verstärkers 16 wird der Steuerschaltung 17 zugeführt. Wie vorstehend erwähnt, wird die Amplitude der von der Steuerschaltung 17 abgeleiteten Wechselspannung als "x(y/z)" dargestellt. Andererseits variiert die in dem Signal des Verstärkers 9 enthaltene schwankende NF-Komponente auf ähnliche Weise wie die in dem Signal des Verstärkers 16 enthaltene. Demgemäß werden die in (y/z) enthaltenen schwankenden NF-Komponenten beseitigt. Als Folge wird die schwankende NF-Komponente, die der zwischen dem Heizfaden und Erde angelegten Hochspannung überlagert ist, unterdrückt.

Stellt man das am Abgriff T2 der zweiten Siebkette 5 abge griffene Signal auf dem vorstehend erwähnten Oszilloskop 13 dar, ergibt sich der in Fig. 4 gezeigte Signalverlauf NF- Bereich von 1 Hz bis 100 Hz. In Fig. 4 ist wie in Fig. 2 die waagrechte Achse in Einheiten von 200 ms geteilt, während die senkrechte Achse in Einheiten von 2 mV geteilt ist. Wie aus diesen graphischen Darstellungen ersichtlich ist, sind die schwankenden Komponenten im NF-Bereich bis auf etwa 13% ihrer ursprünglichen Werte reduziert.

Ein weiterer Hochspannungs-Gleichstromgenerator ist in Fig. 5 dargestellt. Dieser Generator ist ähnlich dem der Fig. 3, mit Ausnahme der nachstehenden Einzelheiten. Das Ausgangssignal des Verstärkers 16 wird dem Fehlersignalverstärker 9 zuge führt. Die Summe des Ausgangssignals des Verstärkers 16 und des Signals aus der Detektorkette 6 wird mit einem dem Fehlersignalverstärker 9 zugeführten Bezugssignal verglichen. Wechselspannungsquellen 18a und 18b liefern dem Auf wärtstransformator 2 eine Wechselspannung von 3 kHz. Das Ausgangssignal des Fehlersignalverstärkers 9 wird invertiert zu dem Aufwärtstransformator 2 rückgeführt. Bei dieser Aus führungsform wird die schwankende F-Komponente, die der zwi schen dem Heizfaden 7 und Erde angelegten Spannung überlagert ist, ebenfalls unterdrückt.

Claims

1. Hochspannungs-Gleichstromgenerator, mit

1. einem Cockcroft-Walton-Generator (3),
2. einer Wechselspannungsquelle (1), die an einer Niederspannungsseite eines Aufwärtstransformators (2) angeordnet ist und zur Versorgung des Cockcroft-Walton- Generators (3) mit elektrischer Leistung dient,
3. Siebketten (4, 5) zum Glätten der vom Cockcroft-Walton-Generator (3) erzeugten hohen Gleichspannung,
4. einer Detektorkette (6) zum Erfassen der geglätteten Gleichspannung,
5. einem an einer (5) der Siebketten (4, 5) vorgesehenen Abgriff (T2) zum Abgreifen eines Signals, das eine schwankende Komponente enthält, die der geglätteten Hochspannung überlagert ist,
6. einem Fehlersignalverstärker (9), der eingangsseitig mit einem Abgriff der Detektorkette (6) verbunden ist,
7. einer Steuerschaltung (17), die eingangsseitig mit dem Ausgang des Fehlersignalverstärkers (9) verbunden ist, wobei das Ausgangssignal des Fehlersignalverstärkers (9) der Steuerschaltung (17) im Gegentakt zugeführt wird, und deren Ausgang mit dem Cockcroft-Walton-Generator (3) verbunden ist, um die dem Cockcroft-Walton-Generator (3) von der Wechselspannungsquelle (1) zugeführte elektrische Leistung in der Weise zu steuern, daß die Gleichspannungskomponente des Ausgangssignals der Detektorkette (6) mit einem Bezugswert (8) übereinstimmt,

gekennzeichnet durch

1. einen NF-Verstärker (16) zum Verstärken einer Niederfrequenzkomponente des am Abgriff (T2) entnommenen Signals, dessen Ausgang mit einem Eingang der Steuerschaltung (17) verbunden ist, wobei
2. die von der Wechselspannungsquelle (1) erzeugte Wechselspannung in der Steuerschaltung (17) durch die Signale der Verstärker (9, 16) in der Weise moduliert wird, daß der Quotient (y/z) aus dem Ausgangssignal (y) des Fehlersignalverstärkers (9) und dem Ausgangssignal (z) des NF-Verstärkers (16) mit der Amplitude (x) der von der Wechselspannungsquelle (1) erzeugten Wechselspannung multipliziert wird.

2. Hochspannungs-Gleichstromgenerator, mit

1. einem Cockcroft-Walton-Generator (3),
2. einer Wechselspannungsquelle (18a, 18b), die an einer Niederspannungsseite eines Aufwärtstransformators (2) angeordnet ist und zur Versorgung des Cockcroft- Walton-Generators (3) mit elektrischer Leistung dient,
3. Siebketten (4, 5) zum Glätten der vom Cockcroft-Walton-Generator (3) erzeugten hohen Gleichspannung,
4. einer Detektorkette (6) zum Erfassen der geglätteten Gleichspannung,
5. einem an einer (5) der Siebketten (4, 5) vorgesehenen Abgriff (T2) zum Abgreifen eines Signals, das eine schwankende Komponente enthält, die der geglätteten Hochspannung überlagert ist,
6. einem Fehlersignalverstärker (9), der eingangsseitig mit einem Abgriff der Detektorkette (6) verbunden ist,

gekennzeichnet durch

1. einen NF-Verstärker (16) zum Verstärken einer Niederfrequenzkomponente des am Abgriff (T2) entnommenen Signals, dessen Ausgang mit einem Eigang des Fehlersignalverstärkers (9) verbunden ist, wobei
2. die Summe aus dem Ausgangssignal des NF-Verstärkers (16) und dem Signal aus der Detektorkette (6) in dem Fehlersignalverstärker (9) mit einem diesem zugeführten Bezugssignal verglichen und das Ausgangssignal des Fehlersignalverstärkers (9) im Gegentakt zu dem Aufwärtstransformator (2) rückgeführt wird.