DE4433531C2 - Hochspannungs-Gleichstromgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungs-Gleichstromgenera­ tor, wie er in einem Elektronenmikroskop zum Erzeugen einer Beschleunigungsspannung zum Beschleunigen von geladenen Teilchen verwendet wird.

Ein Elektronenmikroskop weist eine auf eine hohe Spannung ge­ haltene Elektronenemissionsquelle auf. Von dieser Emissi­ onsquelle abgestrahlte Elektronen werden beschleunigt und zum Auftreffen auf eine Probe gebracht. Die Stabilität des an die Emissionsquelle angelegten Potentials ist einer der Hauptfak­ toren, welche die Auflösung im Endbild des Elektronenmi­ kroskops beeinflussen. In dem Elektronenmikroskop wird ein Hochspannungsgenerator zum Aufprägen einer hohen Spannung auf die Emissionsquelle verwendet. Der typische, bei Elektronenmikroskopen weit verbreitet eingesetzte Hochspan­ nungsgenerator ist der Cockcroft-Walton-Generator, vergl. die Gebrauchsmusterschrift JP 2-31058 U. Der in einem Elektronenmikroskop üblicherweise verwendete Hoch­ spannungsgenerator wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, erzeugt eine Wechselspannungsquelle 1 eine Wechselspannung von 3 kHz. Diese Wechselspannung wird von einem Aufwärtstransformator 2 aufwärts transformiert. Die Ausgangsspannung des Transformators 2 wird von einem abgestimmten Cockcroft- Walton-Generator 3 erhöht und gleichgerichtet, der mehrere Stufen aus Gleichrichtereinrichtungen und Kondensatoren aufweist. Die von dem Cockcroft-Walton-Generator 3 erzeugte Hochspannung wird mit einer ersten Siebkette 4 geglättet, die mehrere Stufen aus in Reihe geschalteten Einheiten umfaßt, wobei jede Einheit aus einer Kombination eines Kondensators und eines Widerstandes in Parallel­ schaltung besteht. Die vom Cockcroft-Walton-Generator 3 er­ zeugte Hochspannung wird auch mit einer zweiten Siebkette 5 geglättet. Die zweite Siebkette 5 ist ebenfalls aus mehreren Stufen aus in Reihe geschalteten Einheiten zusammengesetzt, wobei jede Einheit aus einer Kombination eines Kondensators und eines Widerstandes in Parallelschaltung besteht. Eine De­ tektorkette 6 erfaßt den an einem Heizfaden 7 entstehenden Hochspannungsabfall gegenüber Masse und hat mehrere Stufen aus in Reihe geschalteten Einheiten, wobei jede Einheit aus einer Kombination eines Kondensators und eines Widerstandes in Parallelschaltung besteht. Ein dieser Hochspannung entsprechendes Signal wird an der letzten Stufe der Detek­ torkette 6 abgegriffen. Eine Bezugsspannungsquelle 8 erzeugt ein Bezugssignal. Ein die Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Detektorkette 6 und dem Bezugssignal der Bezugsspannungsquelle 8 angebendes 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 Transformator 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 vermeiden. Ein Kathodenwiderstand 11 steu­ ert 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 Verstär­ kers 12 kann auf einem Oszilloskop 13 dargestellt werden. Die Verstärkungsbandbreite des Verstärkers 12 ist über einen breiten Bereich von hohen bis zu niederen Frequenzen varia­ bel.

Bei diesem Aufbau wird die von der Wechselspannungsquelle 1 erzeugte Wechselspannung über den Amplitudenregler 10 an den Transformator 2 angelegt. Der Transformator 2 erzeugt eine erhöhte Spannung, welche dann vom Cockcroft-Walton-Generator erhöht und gleichgerichtet wird. Das Ausgangssignal des Gene­ rators 3 wird von der ersten Siebkette 4 und der zweiten Siebkette 5 geglättet. Die von diesen Siebketten 4 und 5 geglättete Hochspannung wird über den Kathodenwiderstand 11 an den Heizfaden 7 angelegt. Die zwischen dem Heizfaden 7 und Masse liegende hohe Spannung wird von der Detektorkette 6 erfaßt. Die Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Detek­ torkette 6 und dem Ausgangssignal der Bezugsspannungsquelle 8 wird dem Fehlersignalverstärker 9 zugeführt. Der Amplituden­ regler 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 entsprechende Gleichspannung zwischen dem Heizfaden 7 und Masse angelegt. Als Folge wird die Spannung, mit der die vom Heizfaden 7 ausgestrahlten Elektronen beschleunigt werden, von der Bezugsspannungsquelle 8 bestimmt.

Der Verstärker 12 verstärkt nur die Hochfrequenzsignale, die in einem Hochfrequenzbereich von 1 kHz bis 10 kHz liegen. Das Ausgangssignal des Verstärkers 12 enthält eine schwankende Komponente, wie dies in Fig. 2(a) gezeigt ist. Das heißt, daß dieses Signal eine größere Brummspannung einer Frequenz von 3 kHz enthält, welche der Erregungsfrequenz entspricht.

Wenn der Verstärker 12 auch Signale mit Frequenzen im Frequenzbereich von 1 Hz bis 100 Hz verstärkt, dann werden auch Signale, die im mittleren Frequenzbereich und niederen Frequenzbereich liegen, vom Verstärker 12 verstärkt. Als Ergebnis wurde das Ausgangssignal des Verstärkers 12 auf dem Oszilloskop 13 dargestellt. Wie in Fig. 2(b) gezeigt ist, ist im Ausgangssignal eine größere schwankende Komponente enthalten. In Fig. 2(a) ist die waagrechte Achse in Einheiten von 100 µs geteilt, während die senkrechte Achse in Einheiten von 2 mV geteilt ist. In Fig. 2(b) ist die waagrechte Achse in Einheiten von 100 ms geteilt, während die senkrechte Achse in Einheiten von 2 mV geteilt ist.

Bei dem zur Verwendung in einem Elektronenmikroskop vorgese­ henen Hochspannungsgenerator nach dem Stande der Technik wer­ den Schwankungen der Gleichspannungskomponente der vom Hochspannungsgenerator erzeugten Hochspannung unterdrückt, jedoch sind die die Hochspannung überlagernden Hochfrequenz- und Zwischenfrequenzkomponenten groß. Demgemäß ist der Pegel der Schwankungen bei niederen Frequenzen derart groß, daß diese Schwankungen auch unterdrückt werden müssen.

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

Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe sind in den Patentansprüchen 1 und 4 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3.

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

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltdiagramm eines Hochspannungsge­ nerators nach dem Stand der Technik zur Verwendung in einem Elektronenmikroskop;

Fig. 2(a) und (b) graphische Darstellungen von schwankenden Komponenten in der Ausgangsspannung des in der Fig. 1 gezeigten Hochspan­ nungsgenerators;

Fig. 3 ein Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hochspannungsge­ nerators;

Fig. 4(a) und (b) graphische Darstellungen von schwankenden Komponenten, die in der Ausgangsspannung des in der Fig. 3 gezeigten Hochspan­ nungsgenerators enthalten sind; und

Fig. 5 und 6 Schaltdiagramme weiterer Ausfüh­ rungsbeispiele erfindungsgemäßer Hoch­ spannungsgeneratoren.

In der Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Hochspannungsgenerator gemäß der Erfindung dargestellt. Die bereits in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Bauteile werden nachstehend nicht mehr beschrieben. Der Cockcroft- Walton-Generator 3 und die erste Siebkette 4 sind in einem ersten Isoliertank 14 untergebracht. Die zweite Siebketten 5 und die Detektorkette 6 sind in einem zweiten Isoliertank 15 untergebracht. Eine Klemme T2 zum Abgreifen des Signals von der letzten Stufe der zweiten Siebkette 5 ist mit einem Hochfrequenzverstärker 16 verbunden, der ein Signal empfängt, welches die Schwankungen angibt, die der von der Klemme T2 abgegriffenen Hochspannung überlagert sind. Das Ausgangssignal des Verstärkers 16 wird im Gegentakt zu der Endstufe der ersten Siebkette 4 rückgeführt. Der Hochfrequenzverstärker 16 kann nur Signale mit Frequenzen, die in einem Frequenzbereich von 1 kHz bis 400 kHz liegen, verstärken. Das an der Klemme T2 entnommene Signal wird auch einem Zwischenfrequenzverstärker 17 zugeführt. Das Aus­ gangssignal des Verstärkers 17 wird ebenfalls im Gegentakt zu der Endstufe der ersten Siebkette 4 rückgeführt. Der Zwischenfrequenzverstärker 17 kann nur Signale mit Frequen­ zen, die in einem Zwischenfrequenzbereich von 1 Hz bis 1 kHz liegen, verstärken. Die Rückkopplungsfaktoren der Verstärker sind in der Weise gewählt, daß die Schwankungen in ihren jeweiligen Frequenzbereichen unterdrückt werden.

Da bei dieser Bauweise die zweite Siebkette 5 im zweiten Isoliertank 15 untergebracht ist, schirmt der zweite Isolier­ tank 15 die zweite Filterkette 5 vom Cockcroft-Walton-Genera­ tor 3 ab. Wenn somit das Signal von der Siebkette 5 entnommen wird, ist das vom Cockcroft-Walton-Generator 3 induzierte Rauschen dem Signal nicht überlagert. Folglich können die der Hochspannung, die von dem Hochspannungsgenerator erzeugt wird, überlagerten Schwankungen erfaßt werden, ohne daß sie von dem Rauschen beeinflußt werden, welches von dem Cock­ croft-Walton-Generator 3 übertragen wird. Das der Endstufe der zweiten Siebkette 5 entnommene Signal wird dem Hochfrequenzverstärker 16 zugeführt, und dessen Aus­ gangssignal wird im Gegentakt zu der Endstufe der ersten Siebkette 4 rückgeführt. Demgemäß wird die schwankende Hochfrequenzkomponente, die der zwischen dem Heizfaden und Masse angelegten Hochspannung überlagert ist, unterdrückt. Ferner wird das von der Endstufe der zweiten Siebkette 5 entnommene Signal dem Zwischenfrequenzverstärker 17 zugeführt, und dessen Ausgangssignal wird im Gegentakt zu der Endstufe der ersten Siebkette 4 rückgeführt. Demgemäß wird die schwankende Zwischenfrequenzkomponente, die der zwischen dem Heizfaden 7 und der Masse angelegten Hochspannung überlagert ist, ebenfalls unterdrückt.

Das an der Klemme T2 der zweiten Siebkette 5 abgegriffene Si­ gnal wird auf dem Oszilloskop 13 dargestellt. Fig. 4(a) zeigt die dargestellten Wellenformen im Hochfrequenzbereich von 1 kHz bis 10 kHz. Fig. 4(b) zeigt die Ausgangssignale des Verstärkers 12 in einem Frequenzbereich von 1 Hz bis 100 Hz. Der zuletzt genannte Frequenzbereich enthält sowohl einen Zwischenfrequenzbereich als auch einen Niederfrequenzbereich.

Aus diesen graphischen Darstellungen ist es ersichtlich, daß die schwankende Komponente des Ausgangs im Hochfrequenzbereich bis auf 11% ihres ursprünglichen Wertes reduziert wird. Die schwankende Komponente in den Zwischen- und Niederfrequenzbereichen wird auf 4% ihres ursprünglichen Wertes reduziert. In Fig. 4(a) ist die waagrechte Achse in Einheiten von 100 µs geteilt, während die senkrechte Achse in Einheiten von 0,5 mV geteilt ist. In Fig. 4(b) ist die waagrechte Achse in Einheiten von 100 ms geteilt, während die senkrechte Achse in Einheiten von 0,2 mV geteilt ist.

Ein weiterer Hochspannungsgenerator ist in Fig. 5 darge­ stellt. Bei dieser Ausführungsform ist eine dritte Siebkette 18 parallel zu der ersten und der zweiten Siebkette 4 bzw. 5 an­ geordnet. Die dritte Siebkette 18 ist im zweiten Isoliertank 15 untergebracht. Die dritte Siebkette 18 umfaßt ebenfalls mehrere Stufen aus in Reihe miteinander verbundenen Einhei­ ten, wobei jede Einheit aus einer Kombination eines Kondensa­ tors und eines Widerstands in Parallelschaltung besteht. Eine Klemme T3 zum Abgreifen oder Erfassen eines Signals, welches eine schwankende Komponente anzeigt, die der geglätteten Hochspannung überlagert ist, ist an der dritten Siebkette 18 befestigt. Das der Klemme T3 entnommene Signal wird auch dem Hochfrequenzverstärker 16 und dem Zwischenfrequenzverstärker 17 zugeführt. Die Ausgangssignale der Verstärker 16 und 17 werden ebenfalls im Gegentakt zu der Endstufe der zweiten Siebkette 5 rückgeführt.

Bei dieser Ausführungsform ist der Generator dem bereits in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen Hochspannungsgenerator ähnlich, abgesehen von den nachstehenden Einzelheiten. Die dritte Siebkette 18 erfaßt die der Hochspannung überlagerte schwankende Komponente. Das Ausgangssignal der Siebkette 18 wird den Verstärkern 16 und 17 zugeführt. Die Ausgangssignale der Verstärker 16 und 17 werden im Gegentakt zu der zweiten Siebkette 5 rückgeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 9 wird im Gegentakt dem vorstehend beschriebenen Amplitudenreg­ ler 10 zugeführt. Der Verstärker 9 kann nur Signale verstär­ ken, die in einem niederfrequenten Bereich von 0,1 Hz bis 100 Hz liegen. Die Kapazität des Kondensators in der Endstufe der zweiten Siebkette 5 wird kleiner gewählt, als die Kapazität des Kondensators in der Endstufe der dritten Siebkette 18, so daß Hoch- und Zwischenfrequenzkomponenten von der Endstufe der zweiten Siebkette 5 abgenommen werden können und eine Niederfrequenzkomponente von der Endstufe der dritten Sieb­ kette 18 abgenommen werden kann. Die Kapazität des Kondensators in der Endstufe der dritten Siebkette 18 wird derart gewählt, daß sie etwa siebenmal größer ist als die Kapazität des Kondensators in der Endstufe der zweiten Siebkette 5, so daß eine Niederfrequenzkomponente mit einer ausreichenden Amplitude an der Endstufe der dritten Siebkette 18 abgenommen werden kann. Die Rückkopplungsfaktoren der Verstärker werden in der Weise gewählt, daß die Schwankungen in ihren jeweiligen Frequenzbereichen unterdrückt werden.

Ein weiterer Hochspannungsgenerator ist in Fig. 6 darge­ stellt. Dieser Generator ist ähnlich dem bereits in Verbin­ dung mit Fig. 3 beschriebenen Hochspannungsgenerator, mit Ausnahme der nachstehenden Einzelheiten. Die Detektorkette 6 erfaßt die der Hochspannung überlagerte schwankende Kompo­ nente. Das Ausgangssignal vom Abgriff an der ersten Stufe der Detektorkette 6 wird den Verstärkern 16 und 17 zugeführt. Die Ausgangssignale der Verstärker 16 und 17 werden im Gegentakt zu der ersten Siebkette 4 rückgeführt. Ein Abgriff an der zweiten Siebkette 5 führt zum Verstärker 12.

Bei den in Verbindung mit Fig. 5 und 6 beschriebenen Aus­ führungsbeispielen können die schwankenden Hochfrequenz- oder Zwischenfrequenzkomponenten, die der von dem Hochspannungsge­ nerator erzeugten Hochspannung überlagert sind, ebenfalls in sehr wirksamer Weise beseitigt werden.

Claims (4)

1. Hochspannungs-Gleichstromgenerator mit

• - einem Cockcroft-Walton-Generator (3),
• - einer Wechselspannungsquelle (1), die an einer Niederspannungsseite des Hochspannungs- Gleichstromgenerators angeordnet ist und zur Versorgung des Cockcroft-Walton-Generators (3) mit elektrischer Leistung dient,
• - mehreren Siebketten (4, 5, 18) zum Glätten der vom Cockcroft-Walton-Generator (3) erzeugten hohen Gleichspannung,
• - einer Detektorkette (6) zum Erfassen der geglätteten ho­ hen Gleichspannung,
• - einer Steuerschaltung (9, 10), die die dem Cockcroft- Walton-Generator (3) von der Wechselspannungsquelle (1) zugeführte elektrische Leistung in der Weise steuert, daß die Gleichspannungskomponente des Ausgangssignals der De­ tektorkette (6) mit einem Bezugswert übereinstimmt,
• - einem an einer der Siebketten (5 bzw. 18) vorgesehenen Abgriff (T2 bzw. T3) zum Abgreifen eines Signals, das eine schwankende Komponente enthält, die der geglätteten Hochspannung überlagert ist, und
• - einer Schaltung (16, 17) zum Verstärken mindestens einer Hochfrequenz- oder Zwischenfrequenzkomponente des am Abgriff (T2 bzw. T3) entnommenen Signals und zum Rückführen der verstärkten Komponente zu einer der anderen Siebketten (4 bzw. 5) über eine Gegenkopplungsschleife.

2. Hochspannungs-Gleichstromgenerator nach Anspruch 1, der zusätzlich eine Einrichtung (15) zum Abschirmen der einen Siebkette (5 bzw. 18) von dem Cockcroft-Walton-Generator (3) umfaßt.

3. Hochspannungs-Gleichstromgenerator nach Anspruch 1, bei dem der Cockcroft-Walton-Generator (3) und eine Siebkette (4) in einem ersten Isoliertank (14) untergebracht sind und die anderen Siebketten (5, 18) und die Detektorkette (6) in einem zweiten Isoliertank (15) untergebracht sind.

4. Hochspannungs-Gleichstromgenerator mit

• - einem Cockcroft-Walton-Generator (3),
• - einer Wechselspannungsquelle (1), die an einer Niederspannungsseite des Hochspannungs- Gleichstromgenerators angeordnet ist und zur Versorgung des Cockcroft-Walton-Generators (3) mit elektrischer Leistung dient,
• - mehreren Siebketten (4, 5) zum Glätten der vom Cockcroft- Walton-Generator (3) erzeugten hohen Gleichspannung,
• - einer Detektorkette (6) zum Erfassen der geglätteten ho­ hen Gleichspannung,
• - einer Steuerschaltung (9, 10), die die dem Cockcroft- Walton-Generator (3) von der Wechselspannungsquelle (1) zugeführte elektrische Leistung in der Weise steuert, daß die Gleichspannungskomponente des Ausgangssignals der De­ tektorkette (6) mit einem Bezugswert übereinstimmt, und
• - einer Schaltung (16, 17) zum Verstärken mindestens einer Hochfrequenz - oder Zwischenfrequenzkomponente des Ausgangssignals der Detektorkette (6) und zum Rückführen der verstärkten Komponente zu einer der Siebketten (4 oder 5) über eine Gegenkopplungsschleife.