DE862205C - Anordnung zur Speisung von Geraeten mit einem gebuendelten Elektronenstrahl, insbesondere von Elektronenmikroskopen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Geräte mit einem gebündelten Elektronenstrahl, insbesondere auf solche mit einem festen Strahl, der entweder zur Verwendung in einem Elektronenmikroskop, zur Kristalluntersuchung durch Elektronenbeugung, zur Erzeugung von Röntgenstrahlen oder zu ähnlichen Zwecken dient.

Alle Geräte dieser Gruppe müssen mit sehr hohen Spannungen gespeist werden, die benötigt werden, um dem Elektronenstrahl eine so starke Beschleunigung zu erteilen, wie sie durch die Besonderheiten des Betriebs gefordert wird. In einem Elektronenmikroskop sind Elektronen mit sehr großer Geschwindigkeit unentbehrlich, um ein großes Auflösungsvermögen zu erreichen, das die nutzbare Vergrößerung bestimmt, und auch um eine gewisse Eindringung in den zu untersuchenden Stoff zu erreichen. Ähnliche Bedingungen gelten für die Analyse durch Elektronenbeugung. Schließlich wird bei Röntgengeräten durch die Aufstoßgeschwindigkeit des Strahles auf der Antikathode die Härte der Röntgenstrahlung und damit ihre Durchdringungskraft bestimmt.

Der Elektronenstrahl wird innerhalb einer Vakuumröhre erzeugt und die hohen Speise-Spannungen werden zwischen den Elektroden dieser Röhre zugeführt. Bei einem Elektronenmikroskop sind diese Elektroden z. B. die Elemente, welche eine elektrostatische Linse bilden. Bei Röntgengeräten wird die Spannung zwischen Kathode und Antikathode zugeführt. Die Erfahrung zeigt, daß es sehr schwierig ist, zwischen diesen Elektroden

Spannungen in der Größenordnung von iookV zu erreichen, ohne kostspielige Vorkehrungen vorzusehen, wie z. B. ein äußerst weit getriebenes Vakuum, Politur und Entgasung der Elektroden usw. Andernfalls treten zwischen den Elektroden Entladungen auf, welche die Größe der Hochspannung begrenzen, die zugeführt werden kann..

Die Untersuchung dieser Entladungserscheinungen zeigt, daß die Zeit, welche erforderlich ist, xo damit die Entladung nach Zuführung der Spannung auftritt, insbesondere von der Höhe dieser Spannung und von der Güte des Vakuums abhängt. Je höher die Spannung ist, um so schneller tritt die Entladung ein. Die Anwesenheit von Ionen infolge eines unvollkommenen Vakuums trägt ihrerseits dazu bei, die Gefahr der unbeabsichtigten Entladungen und der Überschläge zu erhöhen, eine Gefahr, die um so mehr in Erscheinung tritt, je langer die Zuführung der •kräftigen elektrischen Felder dauert. Bisher wurden diese Geräte mit Gleichspannungen gespeist, die durch eine Gleichrichtereinrichtung erzeugt werden und deren Höhe durch die obigen Bedingungen begrenzt wird. Die Erfindung hat eine neue Art der Speisung zum Gegenstand, welche es ermöglicht, die Speisespannungen sehr erheblich zu erhöhen, ohne das Gerät der Gefahr von Überschlagen auszusetzen. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, entweder die Geschwindigkeit der Elektronen bei denselben Abständen des Elektrodensystems (Elektronenquelle und Einrichtung zur Strahlbündelung) beträchtlich zu steigern oder unter Beibehaltung derselben Geschwindigkeit diese Abstände und folglich den Raumbedarf erheblich zu verkleinern.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Elektronenmikroskop und ähnliche Geräte mit gesteigertem Durchdringungs vermögen der Elektronen, welche es ermöglichen, Tiefenuntersuchungen vorzunehmen, verhältnismäßig dicke Gegenstände zu untersuchen und so die Struktur von Proben zu • ermitteln, die sich bisher als undurchdringlich gezeigt haben.

Schließlich bezieht sich die Erfindung auf Geräte, wie Elektronenmikroskope mit verkleinertem Raumbedarf, welche eine größere Anpassungsfähigkeit und eine größere Einfachheit der Handhabung aufweisen.

"Gemäß der Erfindung werden die verschiedenen Organe der Vakuumröhre mit einer Hochspannung gespeist, welche die Form von intermittierenden Impulsen von sehr kurzer Dauer und sehr großer Amplitude aufweist.

Gemäß der Erfindung erhalten diese Impulse vorzugsweise eine feste Rechteckform. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Impulsfolge je nach der Güte des Vakuums und insbesondere nach der Entionisierungsdauer der Röhre geregelt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung 6a besitzt der Speiseteil des Gerätes einen Hauptschwingungserzeuger, dessen Frequenz leicht geregelt werden kann, Einrichtungen, um die von ihm erzeugte Spannung in kurze periodische Impulse umzuformen, Leistungsrelais zur Verstärkung der Impulse, einen Transformator, welcher sie in Hoch-Spannungsimpulse, insbesondere von mehreren 100 kV umformt, und ein Verteilungsorgan mit verschiedenen, mit der Verwendungsröhre verbundenen Abgriffen.

Zur Anwendung der Erfindung kann die Röhre selbst jede bauliche Abänderung erfahren, welche durch diese neue Art der Speisung erforderlich wird oder auch ihre bessere Ausnutzung gestattet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der. folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. I das Diagramm der gemäß der Erfindung verwendeten Spannungsimpulse,

Fig. 2 das Schema der diese Impulse liefernden Speiseeinrichtung.

Bei den Spannungsimpulsen der Fig. 1 kann der Wert der Spannung mehrere 100 kV erreichen. Die Dauer d wird so eingestellt, daß sie sehr viel kürzer ist als die für die Zündung einer Entladung erforderliche Zeit. Bei den Röhren der üblichen Bauart kann man mit einer Dauer in der Größenordnung von ι bis 5 MikroSekunden arbeiten. Es wurde festgestellt, daß es möglich ist, die Elektroden während dieser sehr kurzen Zeitdauer sehr viel go höheren Spannungen auszusetzen als die Sicherheitsspannungen, welche bei Speisung mit Gleichspannung zulässig sind. Es ist keine teilweise Zersetzung des Metalls oder eines anderen Teiles der Röhre, welche die Entladung einleiten oder die Isolation beeinträchtigen könnte, zu befürchten, sofern das elektrische Feld, auch wenn es ,sehr kräftig ist, nur während dieses sehr kurzen Zeitintervalls auftritt.

Die Impulsfolge wird so gewählt, daß die Zeit T zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen genügend lang ist, um die vollständige Entionisierung der Restgase zu ermöglichen, damit jede kumulative Wirkung der durch aufeinanderfolgende Impulse erzeugten Ionisierungsspuren vermieden wird. Insbesondere kann ein Intervall T in der Größenordnung von 50 MikroSekunden gewählt werden.

Um jeden Einfluß auf die Bündelung zu vermeiden, werden diese Impulse durch irgendwelche geeignete Mittel auf genau konstanter Höhe gehalten. Bei einem Elektronenmikroskop oder einer Röntgenröhre zeigt die verwendete Speisung mit Impulsen keinen anderen Nachteil als eine Verminderung der Leuchtstärke des Bildes, sofern Impulse von genau rechteckiger Form benutzt werden/Diese Verminderung an Leuchtstärke wird jedoch teilweise durch die Erhöhung der Spannung ausgeglichen. Die Verminderung an Leuchtstärke könnte auch völlig · vermieden werden, wenn man eine Kathode verwendet, die während der Dauer des Impulses einen stärkeren Elektronenstrahl aussenden kann, insbeiondere eine Oxyd- oder Thoriumkathode.

Die gebräuchlichen Elektronenmikroskope werden im allgemeinen mit einer Gleichspannung von 1*5 einigen 10 kV gespeist. Schon diese Spannungen

sind mit Problemen bezüglich der Form, Anordnung und Isolation der Elektroden und insbesondere der Elemente der elektrostatischen Linsen verbunden. Die Erfindung ermöglicht es, Spannungen von mehreren ioo kV zu verwenden und, indem so die Aufstoßgeschwindigkeit der Elektronen beträchtlich erhöht wird, die Elektronen tief in den zu untersuchenden Stoff eindringen zu lassen und dadurch die Struktur in einer gewissen Tiefe zu ermitteln.

ίο Die obenerwähnten Zahlenwerte werden nur beispielsweise angeführt und können in beiden Richtungen je nach der Bauart der Geräte und dem erforderlichen Betrieb Abänderungen erfahren.

Nach Fig. 2 ist 7 der evakuierte Teil des Gerätes,

d. h. das eigentliche Verwendungsorgan, welches insbesondere eine Mikroskopröhre sein kann, die in einem dichten Kolben den Elektronenstrahlerzeuger, die elektrostatischen Linsen und die Einrichtungen zur Einführung des Objekts und zur Herstellung seines- Bildes, direkt oder auf photographischem Wege, enthält. Dk Stufe 1 enthält einen Hauptschwingungserzeuger, welcher eine sinusförmige Spannung mit der Wiederholungsfrequenz der Impulse erzeugt. Diese Spannung wird durch die Stufe 2 in eine Reihe von kurzen Rechteckimpulsen mit der gleichen Impulsfolge umgeformt. Die zur Durchführung dieses Vorganges dienenden Einrichtungen sind in der Impulstechnik bekannt und brauchen daher nicht näher erläutert zu werden.

Sie können z. B. eine mit der sinusförmigen Spannung gesteuerte Röhre umfassen, welche mit einer durch einen Widerstand auf den kritischen Grad gedämpften Selbstinduktionsspule belastet ist. Die in der so gedämpften Spule erzeugten Spannungsspitzen können durch weitere Röhren in der Höhe ausgeglichen werden. Diese Stufe betätigt eine Leistungsverstärkerröhre 3 über einen CR-Kreis, welcher so berechnet ist, daß seine Konstante groß ist gegen die Wiederholungsfrequenz. Diese Röhre, welche z.B. mit einer Anodenspannung von ι ο ooo V arbeitet und rechteckige Stromimpulse liefert, speist die Primärwicklung eines Impulstransformators 5 mit einem magnetischen Kern, der so ausgebildet ist, daß die Rechteckform der Impulse erhalten bleibt, und zu diesem Zweck eine sehr hohe Belastungsimpedanz darstellt. Die Sekundärwicklung ist an ein Verteilungsorgan 6 angeschlossen, welches als Potentiometer mit verschiedenen Spannungsabgriffen gezeigt ist. Dieses Potentiometer kann ent- weder in Form eines Stabes aus einem Isolierstoff mit sehr hohem Widerstand oder in Form einer Kapazitätsbrücke oder in irgendeiner anderen geeigneten Form ausgebildet sein, welche insbesondere keine Phasenverschiebung verursacht und die in Frage kommenden Spannungen aushält. Durch Einstellung der Schirmgitterspannung mittels eines Potentiometers 4 kann man die Amplitude der von dem Transformator gelieferten Impulse unter Beibehaltung ihrer Form regeln. Dieser Verteiler kann in Wegfall kommen, wenn man an der Sekundärwicklung des Transformators unmittelbar Verteilungsabgriffe vorsieht.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Speisung von Geräten mit einem gebündelten Elektronenstrahl, insbesondere von Elektronenmikroskopen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungsspeisung kurze wiederkehrende Impulse mit sehr hoher Amplitude benutzt werden, die insbesondere mehrere 100 kV erreichen kann.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine rechteckige Form der Impulse.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Impulse so eingestellt ist, daß sie merklich kürzer ist als die für die Zündung einer Entladung in dem Verwendungsgerät erforderliche Zeit.

4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolge so gewählt ist, daß die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen ausreicht, um die vollständige Entionisierung der Restgase zu gestatten.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Hauptschwingungserzeuger, ein Organ, welches seine sinusförmige Spannung in periodische Impulse umformt, eine Verstärkerröhre und einen das Verwendungsgerät speisenden Transformator.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerröhre mit Einrichtungen für die Regelung der Amplitude der Impulse versehen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Verstärker gespeiste Transformator einen Eisenkern besitzt.

8. Anordnung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator, an einen Spannungsverteiler in Form eines Potentiometers angeschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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