DE732095C - Einrichtung zur Handbedienten oder selbsttaetigen Regelung hoher Gleichspannungen, insbesondere zu deren genauen Konstanthaltung, vorzugsweise fuer Elektronenmikroskope - Google Patents

Einrichtung zur Handbedienten oder selbsttaetigen Regelung hoher Gleichspannungen, insbesondere zu deren genauen Konstanthaltung, vorzugsweise fuer Elektronenmikroskope

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DE732095C
DE732095C DEA82767D DEA0082767D DE732095C DE 732095 C DE732095 C DE 732095C DE A82767 D DEA82767 D DE A82767D DE A0082767 D DEA0082767 D DE A0082767D DE 732095 C DE732095 C DE 732095C
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DEA82767D
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Inventor
Manfred Baron Von Ardenne
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MANFRED BARON VON ARDENNE
Original Assignee
MANFRED BARON VON ARDENNE
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02Details
    • H01J37/24Circuit arrangements not adapted to a particular application of the tube and not otherwise provided for

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

  • Einrichtung zur handbedienten oder selbsttätigen Regelung hoher Gleichspannungen, insbesondere zu deren genauen Konstanthaltung, vorzugsweise für Elektronenmikroskope Zur Messung hoher Gleichspannungen sind Einrichtungen bekannt, bei denen die Erscheinungen der Elektronenbeugung in einer Kathodenstrahlröhre ausgenutzt werden. Da die Breite der Elektronenbeugungs.ringe eine bestimmte endliche Größe hat, ist die erzielbare Genauigkeit vielfach nicht ausreichend. In der Elektronenröhrentechnik, beispielsweise zum Konstanthalten der Betriebsspannung von Elektronenmikroskopen, werden mitunter hohe Gleichspannungen von außerordentlich konstantem Wert benötigt. Der Schwankungsbereich der Betriebsspannung darf hier nicht größer als der natürliche Schwankungsbereich der Elektronengeschwindigkeiten sein. Bei den. bekannten Mikroskopen liegt der Schwankungsbereich der Elektronengeschwindigkeiten noch in der Größenordnung von einigen roo Volt. Zur Steigerung des Auflösungsvermögens muß er beispielsweise durch Anwendung einer Glühkathode oder anderen Maßnahmen auf Bruchteile eines Volts herabgedrückt werden. Um das Auflösungsvermögen um mehrere Größenordnungen gegenüber dem des Lichtmikroskops zu steigern, muß das Verhältnis vom Spannungswert des Schwankungsbereiches zur Betriebsspannung auf Werte von; 1o-4 bis 1o-6 gebracht werden. Erst dann wird der chromatische Fehler bei einem Objektivdurchmesser von 0,5 bis 1 mm so klein, daß das durch ihn begrenzte Auflösungsvermögen Beträge von 1o-5 bis i o-6 mm annimmt.
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, zur handbedienten oder selbsttätigen Regelung hoher Gleichspannungen, insbesondere zu deren genauer Konstanthaltung, und gestattet es, die eingangs geschilderte Auf- ,labe zu lösen. Erfindungsgemäß wird eine als Regelröhre ausgebildete Kathodenstrahlröhre mit zwei einander entgegenwirkenden Ablenkfeldern der gleichen Größenordnung angewendet, von denen das eine durch mit der zu Gleichspannung verbundene Ablenkplatten., das andere durch ein' in der gleichen Zone wirkendes Magnetfeld entsteht. Da sich. durch .die einander entgegenn irkenden beiden Ablenkfelder ein Instrument mit unterdrücktem Nullpunkt ergibt, hat man den Vorteil, maß eine Meßskala angewendet werden kann, .die jeweils nur den Spannungsbereich umfaßt, der den größten betriebsmäßig vorkommenden Schwankungen entspricht. Hierdurch erhält man für die Lösung der gestellten Aufgabe ein Instrument, daß eine Anzeige mit der geforderten extrem hohen Genauigkeit ermöglicht. Bei -!- 5 °/o Spannungsschwankungen müßte die Meßskala unter Voraussetzung einer Zeigerbreite von o,i mm dann nur noch eine Länge von io cm bis io in aufweisen. Wird beispielsweise durch Zwischenschaltung eines Regeltransformators oder noch besser durch die Hintereinanderschaltung von zwei oder mehr aufeinander und auf den Verbraucher richtig angepaßter Regeltransformatoren die Schwankung der der Anlage zugeführten Spannung bereits auf io@ verringert, so kann (unter Voraussetzung einer linearen Spannungsübersetzung in der Anlage) die Länge der Meßskala in dem obigen Beispiel auf Werte zwischen i mm und io cm reduziert: «,-erden.
  • Es ist an. sich schon bei einer gasgefüllten Fernsehröhre bekannt, den Nullpunktsfehler durch zusätzliche Ablenkfelder zu vermeiden. Hier handelt es sich jedoch nicht um das Problem, extrem hohe Spannungen genau zu messen und die Meßwerte zur Regelung der Spannung zu benutzen.
  • Die absolute Länge der MeßSkala, in Spannungen ausgedrückt, hängt bei der vorliegenden Anordnung ab von dem ausnutzbaren Durchmesser des Schirmes der Elektronenstrahlröhre, von der Empfindlichkeit des elektrostatischen Ablenksystems und von der Größe der Anodenspannung der Elektronenstrahlröhre. Die Lage der Meßskala in dem Gesamtspannungsbereich wird bestimmt durch die Größe des konstanten magnetischen Hilfsfeldes. Durch Veränderung der Stärke des magnetischen Hilfsfeldes und: durch geeignete Bemessung :der zuvor erwähnten Faktoren gelingt es stets zu erreichen, daß gerade jener Spannungsbereich auf dem Leuchtschirm der Elektronenstrahlröhre zu liegen kommt, der dem Schwankungsbereich der Hochspannungsanlage entspricht. Soll nur ein relativ zur Hochspannung kleiner Ausschnitt erfaßt werden, so müssen die beiden Ablenkfelder so kräftig sein, daß, würde jedes Ablenkfeld für sich allein wirken, der Elektronenstrahl .schon im Ablenkfeld auf die Ablenkplatten treffen müßte. Bei so außerordentlich starken Ablenkfeldern wird nur dann der Elektronenstrahl unausgeblendet zur Schirmzone gelangen können, wenn dafür gesorgt wird, daß auch die Länge beider Ablenkfelder möglichst übereinstimmt. Durch Anwendung von Polschuhen in- oder außerhalb der Röhre kann das magnetische Hilfsfeld dem elektrischen Ablenkfeld in der Länge und Form angeglichen werden. Durch Formgebung der Ablenkplatten können schließlich die unvermeidlichen Abweichungen von dieser Bedingung, die evtl. zu einer gekrümmten oder wellenförmigen Strahlbahn führen, unschädlich gemacht werden. Die Ränder Tier Ablenkplatten und der übrigen in der Nähe befindlichen Elektronen werden zweckmäßig abgerundet, um Spannungsdurchschläge in dieser Vakuumröhre zu vermeiden.
  • Da die elektrostatische Ablenkung linear mit der Anodenspannung und die magnetische Ablenkung mit der Wurzel aus der Anodenspannung ihre Ablenkempfindlichkeit ändert, muß auch die Spannung der Anodenquelle der Elektronenstrahlröhre möglichst konstant sein.
  • Um für ein bestimmtes Verhältnis des magnetischen Ablenkfeldes. zum elektrostatischen Ablenkfeld Akromasie zu erzielen, kann man die'Amplituden der beiden Ablenkfelder und die Größe der Anodenspannung der Regelröhre so abgleichen., daß die resultierende Ablenkung als Funktion der Anodenspannung den Differentialquotienten Null erreicht. Auf Grund dieser Bedingung kann man die Abmessungen: der Kontrollröhre berechnen. Da aber die Randfelder an Polschuhen und Platten nur schwer zu berechnen sind, empfiehlt es sich, auf experimentellem Wege durch Veränderung der Anodenspannung der Kontrollröhre zu bestimmen; bei welchem Anodenspannungswert der genannte Differentialquotient den Wert Null erreicht. In der Umgebung dieser Betriebsspannung bewirken geringe Schwankungen der Betriebsspannung keine merklichen Verschiebungen der Meßskala. Es genügt dann die Anodenspannung für'den Bereich der Kontrollröhre durch übliche Regeltransformatoren oder Stabilisatoren auf io ° bis i)-3 konstant zu halten:.
  • In Abb. i ist eine Ausführungsform für die Kontrollröhre gemäß der Erfindung angegeben. Der von dem Strahlerzeugungssystem i ausgehende Elektronenstrahl wird durch die beiden der resultierenden Strahlbahn anggepaßten Ablenkplatten 2 nach unten stark abgelenkt. Der Magnet 3 wirkt dieser Ablenkung entgegen. Nach Durchlaufen des Ablenksystems trifft d er Elektronenstrahl auf den Leuchtschirm q.. Umäußere Überschläge zu vermeiden; wird die nicht geerdete Elektrode des elektrostatischen Ablenksystems durch einen isolierenden Glasansatz getragen.
  • Man kann einen bestimmten Spannungswert von Hand einregem, wenn an die Ausgangsseite der Hochspannungsanlage ein Siebglied geschaltet wird; dessen Zeitkonstante groß ist gegen die für die Regelung von Hand benötigten Zeiten (Größenordnung i Sekunde). Die Regelung von Hand kann durch veränderliche Widerstände, z. B. Drosselspulen, geschehen, die im Primär- oder Sekundärstromkreis angeordnet sind. Auch dann, wenn die Regelung automatisch über eine Vorrichtung sehr viel kürzerer Regelzeit geschieht, kann man ein Siebglied entsprechend kleinerer Zeitkonstante nachschalteni, wenn nicht schon die Kapazitäten in der Hochspannungsanlage selbst eine hinreichendeTrägheit sicherstellen. Diese Kapazitäten müssen so groß sein, daßdie Netzunruhe höchstens die Größenordnung des Spannungsschwankungsbereiches erreicht.
  • Für die automatische Regelung kann z. B., die Lageänderung des Leuchtfleckes durch zwei in Differentialschaltung verbundene photoelektrische Zellen über geeignete Verstärkereinrichtungen benutzt werden. ' Ein anderer Weg ist in der Abb. 2 angedeutet. Hier erfolgt die Spannungsregelung automatisch mit Hilfe einer Fangelektrode 5, die am Ort der Auftreffstelle des Elektronenstrahls in der Kontrollröhre angebracht ist. Zur Richtungbestimmung der Regelung ist vor der Fangelektrode eine Schirmelektrode 6 angeordnet, die zur Ableitung der primären und sekundären Elektronen mit der Anode bzw. der Innenbelegung der Kontrollröhre verbunden ist. Die Anode der Kontrollröhre wirk, beispielsweise ebenso wie die eine Ablenkel:ektro@de geerdet. Wird die Fangelektrode über einen hohen Ohmschen Widerstand (Größenordnung ios Ohm) zur Erde oder zu einem anderen geeigneten Potentialwert abgeleitet (der Widerstand ist innerhalb der Verstärkereinrichtung 8 angeordnet), so stellt sich an diesem Widerstand, sobald der Elektronenstrahl auf die Fangelektrode trifft, ein Gleichspannungsabfall ein, der über die VerstärkereinTichtung 8 auf diejenige Amplitude gebracht werden soll, die notwendig ist, um i eine wirksame Spannungsregelung zu gewährleisten. Indem anderen Grenzfall der Regelung, daß der Elektronenstrahl auf die Schirmelektrode 6 trifft, findet kein Spannungsabfall an dem Ableitewiderstand statt, und die Spannung äm Ausgang der Verstärkereinrichtung 8 erreicht ihre andere Grenze. Die eigentliche Regelung erfolgt in dem Gebiet, wo der Strom teilweise auf die Elektrode 5 und teilweise auf die Elektrode 6 gelangt. Damit bei gegebenem Strahldurchmesser oder gegebener Breite des bandförmigen Elektronenstrahls in der Kontrollröhre dieser Übergang genügend langsam vor sich geht, kann man durch besondere Formgebung der Elektrode 6, z. B. durch Auszähnung, die Steilheit des Überganges verflachen.
  • Die Spannungsamplitude, die die Regelröhre zur Verfügung stellt, ist um so größer, je besser die Fangelektrode gegen solche herumirrenden Sekundärelektronen abgeschirmt ist, die bei Auftreffen des Elektronenstrahls auf die Elektrode 6 entstehen. Gegebenenfalls ist die Elektrode 6 zur Verringerung der Sekundäremission mit einer geeigneten Oberfläche, z. B. mit einer Kohleschicht, zu überziehen. Als Verstärker 8 kann ein einfacher einstufiger Gleichstromverstärker dienen.
  • Man. kann aber auch eine Trägerstromverstärkung benutzen, indem man, den Anodenstrom der Kontrollröhre, beispielsweise mit Hilfe eines Wehneltzylinders, durch eine Wechselspannung mit einer gegen die Regelzeit sehr kleinen Periodendauer in seiner Intensität moduliert. Als Regelverstärker kann dann ein normaler Wechselstromverstärker dienen, an dessen Ausgangsseite gegebenenfalls unmittelbar durch Gleichrichtung die Regelspannung hergestellt wird. Die Trägerstromverstärkung bietet bei Anwendung einer mittel- oder hochfrequenten Trägerfrequenz die Möglichkeit, die Regelspannung der Hochspannung zu übertragen. Dies hat zur Voraussetzung, daß zwischen die Ausgangsseiten. des Trägerstromverstärkers und des Trägerfrequenzgleichrichters eine 'zweckmäßig aßgestimmte Hochfrequenzkopplung geschaltet wird., die leicht gegen Hochspannung isoliert ausgeführt werden kann. Im Gegensatz hierzu ist bei der in Abb.2 dargestellten Ausführungsform der Regelverstärker 8 zwischen Hochspannungsquelle 7 und Erde -geschaltet. Diese Schaltweise ist bei Anwendung einer Gleichstromverstärkung notwendig.
  • Die Hochspannungsanlage 7, der Regelverstärker 8 und das Netzanschlußgerät 9p für die Kontrollröhre werden über eine schematisch dargestellte, zur Konstanthaltung der Spannung dienende, an sich bekannte Anordnung io mit Strom versorgt. Wenn beispielsweise ein magnetischer Spannungsgleichhaltetransformator zur Grobregelung dient, so kann eine Konstanz von io-3 erreicht werden bei Schwankungen der Netzspannung um io °/o. Zur weiteren Herabsetzung schneller Schwankungen kann man auch die Kaskadenschaltung mehrerer solcher Spannungsgleichhalter verwenden. Durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Grobregler und Regelung von Hand kann man leicht auch sehr langsame Spannungsschwankungen ausgleichen.
  • Wenn es sich uni die Konstanthalfung der Gleichspannungen beim Elektronenmikroskop handelt, kann man mit Vorteil las magnetische Hilfsfeld der Kontrollröhre mit einem Elektromagneten hervorrufen. Der Gleichstrom für den Magneten kann dann einem Stromkreis entnommen werden, der noch einen oder mehrere als Linsen dienende Elektromagneten versorgt. Hierdurch wird erreicht, daß die restlichen Schwankungen -der Betriebsspannungen sich teilweise gegenseitig aufheben.
  • Man kann die Kontrollröhre an die Verbindungsleitung vom Siebglied i r zur Hochspannungsanlage ; auch unmittelbar an die Hochspannungsklemme des Verbrauchers anschließen, was dann vorteilhaft ist, wenn durch Schwankungen des entnommenen Stromes bereits mit merklichen Spannungsabfällen im Siebglied i i gerechnet werden muß.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Einrichtung zur handbedienten oder selbsttätigen Regelung hoher Gleichspannungen, insbesondere zu deren genauen Konstanthaltung, vorzugsweise für Elektronenmikroskope, gekennzeichnet durch eine als Regelröhre ausgebildete Kathodenstrahlröhre mit zwei einander entgegenwirkenden Ablenkfeldern der gleichen Größenordnung, von denen das eine durch mit der zu überwachenden Gleichspannung verbundene Ablenkplatten, das andere durch ein in der gleichen Zone wirkendes Magnetfeld- entsteht. Selbsttätige Regelungseinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in der Regelröhre an der Auftreffstelle des Kathodenstrahles Fangelektroden angeordnet sind, die mit dem Regelverstärker verbunden sind. 3. Einrichtung nach Anspruch z, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang vor den Fangelektroden eine Schirmelektrode angeordnet ist. q.. Einrichtung nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelverstärker ein Gleichstromverstärker dient. 3. Einrichtung nach Anspruch i oder d bei handbedienter Regelung, gekennzeichnet durch ein zwischen die zu regelnde Heizspannungsanlage und den Verbraucher geschaltetes Siebglied, dessen Zeitkonstante groß ist gegenüber der Regelzeit (etwa i Sekunde). 6. Einrichtung nach Anspruch i oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch in den Primärstromkreis der geregelten Hochspannungsanlage eingeschaltete zusätzliche Grobregler. ;. Einrichtung nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquellen für die Regelröhre von dem grob geregelten Stromkreis gespeist sind. B. Einrichtung nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Regelröhre die Ränder der Ablenkelektroden abgerundet sind und die Elektroden selbst, ebenso wie der Kolben der Röhre; der resultierenden Elektronenbahn angepaßt sind.
DEA82767D 1937-04-24 1937-04-24 Einrichtung zur Handbedienten oder selbsttaetigen Regelung hoher Gleichspannungen, insbesondere zu deren genauen Konstanthaltung, vorzugsweise fuer Elektronenmikroskope Expired DE732095C (de)

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