DEN0010070MA

DEN0010070MA -

Info

Publication number: DEN0010070MA
Authority: DE

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 18. Januar 1955 Bekanntgemacht am 27. September 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer Elektronenstrahlröhre zum Stabilisieren hoher Spannungen und auf eine Elektronenstrahlröhre für diese Vorrichtung.

In manchen Fällen ist es erforderlich, daß hohe und sehr hohe Spannungen während längerer Zeit genau auf einen bestimmten Wert stabilisiert werden, wobei , die Spannungsänderungen z. B. kleiner als 0,05 °/o bleiben müssen. Dies ist unter ariderem der Fall bei Elektronen-Diffraktionsapparaten, Mikro-Analysatoren, Röntgenapparaten u. dgl. Diese Apparate arbeiten im allgemeinen mit Spannungen von 30 kV und höher.

Es ist bekannt, die Spannung eines Elektronenmikroskops mittels einer Elektronenstrahlröhre zu stabilisieren, deren Strahl sich zwischen zwei parallelen Polschuhen eines Elektromagneten erstreckt und dabei einen Winkel yon etwa 90⁰ durchläuft. ;. Die Elektronengeschwindigkeit und daher auch die Krümmung der Elektronenstrecke zwischen den ao Polschuhen ist von der zu stabilisierenden Spannung abhängig. Nimmt. diese Spannung zu, so werden die Elektronen mehr beschleunigt und der Krümmungsradius der Strecke zwischen den Polschuhen wird größer. Dadurch, daß die zu stäbilisierende Spannung von Hand- oder selbsttätig

603 620/347

N 10070 VIHb/21 c

nachgeregelt wird in der Weise, daß die Krümmung der Strecke konstant gehalten wird, kann der Wert, der zu, stabilisierenden Spannung z. B. dadurch stabilisiert werden, daß ein durch den

,5 Strahl, auf einem Leuchtschirm aufgezeichneter Leuchtpunkt an einer bestimmten Stelle genalten wird. Eine solche Vorrichtung ist aber für die obenerwähnten Zwecke oft nicht empfindlich genug.

Die selbsttätige Nachregelung der Spannung

ίο kann z. B. mittels einer Vorrichtung erfolgen, wie sie in »Physical Review«, Bd, 70, S. 884 und. 885, beschrieben wurde, bei der Ablenkungen des Bündels von seiner normalen Lage Änderungen der Stromverteilung über ein Auffangplattenpaar bewirken. Diese Stromänderungen werden nach erfolgter Verstärkung zur Nachregeiung der Hochspannung benutzt.

Eine gute Stabilisierung, die wesentliche Vorteile hinsichtlich der Empfindlichkeit und der Bauart bietet, kann bei einer Vorrichtung zum Stabilisieren hoher Spannungen erzielt werden, die mit einer Elektronenstrahlröhre versehen ist, deren Elektronenstrahl in einem konstanten Magnetfeld abgelenkt wird, wobei die Krümmung der

Elektronenstrecke von der zu stabilisierenden Spannung abhängig ist und der Elektronenstrahl bei richtigem Wert der zu stabilisierenden Spannung, teilweise auf eine Auffangelektrode auftrifft, wobei die Änderungen des Stromes zu dieser Elektrode zur Steuerung der zu stabilisierenden Spannung dienen, wenn nach der Erfindung das Bündel bei richtigem Wert der zu stabilisierenden Spannung sich wenigstens über einen Teil seiner Strecke in der Nähe von und nahezu parallel zur Übergangszone zwischen einem Bereich mit größerer und einem Bereich mit kleinerer Feldstärke erstreckt, während bei einer unerwünschten Zunahme der zu stabilisierenden Spannung der auf die Auffangelektrode auftreffende Teil des Elektronen-Strahls sich ändert und der Strahl gleichzeitig in einen Bereich mit kleinerer Feldstärke gelangt. Vorzugsweise wird ein Dauermagnet verwendet, dessen Polschuhe halbkreisscheibenförmig sind. Durch das Anbringen von einander gegenüberliegenden Nuten in den einander zugekehrten Polflächen ergeben sich Bereiche mit verschiedener Feldstärke, zwischen denen die Feldstärke einen großen Gradienten besitzt, denn bei den Nuten sind die Polflächen weiter als an den übrigen Stellen voneinander entfernt. Durch das Anbringen verschiedener Nuten, die sich parallel zum letzten

'-: Teil einer entsprechenden Elektronenstrecke erstrecken müssen, kann die Vorrichtung für verschiedene Spannungen Anwendung finden. Nach der einfachsten Ausführungsform werden halbkreisscheibenförniige Polschuhe verwendet, zwischen denen der Elektronenstrahl tangential eintritt und dann parallel zum gekrümmten Polrand eine Krümmung von z. B. i8o° beschreibt, um schließ-Hch auf den Rand einer Auffangelektrode auf zu-, treffen. Infolge der Anordnung nach der Erfindung ergibt sich eine hohe Empfindlichkeit, da bei einer unerwünschten Zunahme der zu stabilisierenden Spannung, wodurch auch die Elektronengeschwindigkeit im Strahl und daher auch der Radius der Elektronenstrecke zwischen,/den Polschuhen zunimmt, diese Zunahme des Radius noch verstärkt wird, indem der in einer '■.Feldstärke mit großem Gradientein befindliche Elektronenstrahl sich zum angrenzenden Bereich mit ' niedriger Feldstärke bewegt. Folglich, vermögen verhältnismäßig geringe Spannungsabweichungen von, der zu stabilisierenden Spannung bereits größere Änderungen dier Krümmung der Elektronenstrecke und daher des Stromes zur Auffangelektrode herbeizuführen. Die Strom änderungen! der Auffangelektro de werden nach erfolgter Verstärkung zur Nachregeiung der zu stabilisierenden Spannung benutzt, um diese Spannung konstant zu haken. Infolge der Verwendung eineis' Dauermagneten kann ein Magnetfeld sehr konstanter Stärke erzielt werden. Abweichungen durch Temperaturänderungen kann main mit bekannten Mitteln, ausgleichen oder durch das Anbringen von Temperaturreglern vermeiden.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert, in denen die

Fig. ι und 2 eine bestimmte Ausführungsform einer Röhre für eine Vorrichtung nach der Erfindung darstellen,

Fig. 3 eine Kurve darstellt, die

Fig; 4 und 5 Einzelheiten einer weiteren Ausführungsform darstellen und

Fig. 6 eine der Ausführung nach den Fig. 4 und 5 entsprechende Kurve darstellt.

In Fig. ι bezeichnet 1 den Kolben einer Röhre, ⁹^ der an den beiden Enden durch einen Boden 2 bzw. 3 verschlossen ist, in den Kontaktstifte 4 eingeschmolzen sind.

Die Röhre enthält ein Elektronenstrahlsystem 5, das seinerseits eine Kathode 6 enthält. Der Aufbau ^l°° ist derart, daß die zu stabilisierende Spannung von 30 bis 50 kV und höher direkt zwischen der Kathode 6 und der Anode 7 angeschlossen werden kann. Die Geschwindigkeit der das Elektronenstrahlsystem in Form eines dünnen Strahls verlassenden Elektronen steht daher in direktem Verhältnis zu der zu stabilisierenden Spannung. Der Elektronenstrahl erstreckt sich durch eine Öffnung in der Anode 7 und gelangt dann, tangential zwischen die Magnetpole 8 und 9. Die Pole 8 und 9 sind auf Eisenplatten 10 und 11 (Fig. 2) befestigt, die einen Dauermagnet 12 festklemmen. Die Platten 10 und 11 sind durch eine Halterungsplatte mit der Anode 7 verbunden.

Der Elektronenstrahl durchläuft zwischen den "5 Polen 8 und 9 eine gekrümmte Strecke, die nach der Erfindung sich gerade längs des Außenrandes der Magnetpole erstreckt, wo der Gradient der '' Feldstärke groß ist, wenn die zu stabilisierende Spannung den gewünschten Wert V_% hat. Der Strahl trifft nach dem Verlassen des Raumes zwischen den Polschuhen teilweise auf den Randeiner Auffangelektrode 13 und gelangt teilweise >■ längs dieser Elektrode auf einen mit der Anode 7 verbundenen Schirm 14, der verhütet, daß das Glas des Kolbens 1 von. Elektronen getroffen wird.

620/347

N 1007OVHIb/21 c

Nimmt die zu stabilisierende Spannung F₃ etwas zu, so vergrößert sich der Radius der Elektronen-

■■·!"■ strecke. Diese Vergrößerung wird noch dadurch begünstigt, daß die Elektronen in einen Bereich mit geringerer Feldstärke gelangen, nämlich außerhalb des Randes der Polschuhe. Da der Rand der Auffangelektrode 13 dem Rand der Polschuhe 8

■'■· und 9 gerade gegenübersteht, erstreckt sich ein größerer Teil des Elektronenstrahls längs dieser

ίο Elektrode.

. Die Wirkungsweise der Röhre folgt aus Fig. 3, in der der Spannüngsunterschied am Widerstand R, durch den die Auffängelektrode 13 mit der positiven Klemme (Erde) verbunden ist, senkrecht auf-

!5 getragen und die Spannung V₁ zwischen der Kathode 6 und der Anode 7 des Elektronenstrahlsystems waagerecht aufgetragen ist.

Bei niedrigem Wert der Spannung V₁ ist der Radius der Elektronenstrecke zwischen den PoI-schuhen und daher auch der Abstand X klein. Bei Zunahme der Spannung nimmt X immer mehr zu, wobei der Strahl in einem bestimmten Augenblick die Auffangelektrode 13 erreicht und diese stromführend wird, so daß am Widerstand R eine Spannung auftritt, die bei Zunahme von V₁ der in Fig. 3 dargestellten Kurve folgt. Die Breite des Scheitels der Kurve ist von der Breite der Elektrode 13 abhängig, während die Steilheit der Flanken der Kurve von dem Querschnitt des Elektronen-Strahls und der Geschwindigkeit, mit der X mit der Spannung V₁ zunimmt, abhängig ist. Infolge der Anordnung nach der Erfindung wird erreicht, daß die fallende Flanke einen äußerst steilen Verlauf hat, da der Strahl beim Verlassen der Auffangelektrode gleichzeitig in einen Bereich mit kleinerer Feldstärke gelangt und die Zunahme von X somit erhöht wird. Folglich tritt bei einer geringen Änderung von V₁ in diesem Bereich eine größere Änderung von V₀ auf. Von diesem Umstand kann man. Gebrauch machen durch Vergleich der Spannung V₀ mit einer Spannung V_c und durch Erhöhung von V₁ um den Unterschied zwischen diesen Spannungen nach erfolgter Verstärkung, so daß bei hinreichender Verstärkung die Spannung V₁ auf einen Wert V_s stabilisiert werden kann. Da der Punkt P auf einem sehr steilen Teil der Kurve liegt, hat der Wert der Vergleichsspannung Vc einen geringen Einfluß auf die Spannung V_s. Die Vergleichsspannung V_c braucht daher nicht sehr genau konstant zu sein. Daraus ergibt sich der wesentliche Vorteil, daß V_c von einer durch eine Neonröhre stabilisierten Spannung unter Verwendung¹ eines Potentiometers abgeleitet werden kann.

Bei einer besonderen Ausführungsform haben die Magnetpole eine Basis von 2 cm und einen gegenseitigen Abstand von 0,75 mm. Die Feldstärke zwischen den Polen beträgt 800 Gauß und wird von einem Dauermagnet 12 erzeugt. Der Strom des Elektronenstrahls zur Elektrode 13 beträgt höchstens 15 mA und R = τ Megohm. Die Höchstspannung V₀ beträgt daher 15 Volt und im Punkt P etwa 7,5 Volt. Die Vergleichsspannung V_c muß daher ebenfalls etwa 7,5 Volt betragen. Die Spannung V_s ist dann auf etwa 56 kV stabilisiert mit einer Genauigkeit bis auf 0,05 °/o während längerer Zeit und kann kurzzeitig (ζ. Β. ι Minute) bis auf etwa 0,005% konstant sein. Die Spannung von 56 kV kann daher während längerer Zeit auf 28 Volt und während einer'bestimmten Messung sogar auf 2,8 Volt konstant gehalten werden.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 kann eine Stabilisierung einer Spannung auf yer- ^: schiedene Werte erzielt werden. Die Magnetpole : 15, 16 sind dabei mit solchen Nuten oder Sägeschnitten 20, 21 versehen, daß angrenzende Bereiche mit größerer und kleinerer Feldstärke entstehen, zwischen denen die Feldstärke einen großen '■·' Gradienten besitzt, denn zwischen den einander gegenüberliegenden Spalten ist die Feldstärke geringer als zwischen den übrigen Teilen der Polschuhe. Die Polschuhe 15 und 16 sind an Eisenplatten 17 und 18 befestigt, die den Dauermagnet 19 einklemmen.

Die Spalten 20 und 21 sind derart gestaltet, daß der Elektronenstrahl sich gerade längs deren Rand erstrecken kann. Bei Zunahme der Spannung des Elektronenstrahlsystems weist die am Widerstand R₁ auftretende Spannung die Kurve nach Fig. 6 auf. Eine Stabilisierung nach der Erfindung wird dann bei Spannungen F₈₁/ V_s2 und V₈₃ erzielt. Hierbei kann immer dieselbe Vergleichsspannung V_c verwendet werden, aber es ist auch möglich, ^: bei jeder- stabilisierten Spannung V_s einen, abweichenden Wert für V_c zu wählen. Die Punkte P, P' und P" können dann in der Mitte am steil herabgehenden Zweig der Kurve gelegt werden. Die Auffangelektroden 23, 24, 25 können die Form einer mit Spalten versehenen Platte haben. Ein Rand einer Platte oder eines Spaltes muß aber immer mit dem betreffenden Rand der Polschuhe oder den Spalten in ihnen zusammenfallen, in Richtung der Elektronenstrecken gesehen.

Die Nuten stellen je einen Teil eines Halbkreises mit verschiedenem Durchmesser und mit dem Punkt der Basis, wo der Elektronenstrahl zwischen die Polschuhe tritt, als gemeinsamen Berührungspunkt dar.

In den Spalten der Polschuhe muß im allgemeinen ein nicht magnetischer Materialstreifen 26 bzw. 27, z. B. aus Kupfer, eingeklemmt werden, damit die Elektronenstrecken in den verschiedenen stabilen Lagen getrennt bleiben. Ist dies nicht der Fall, so können die Kurven nach Fig. 6 mehr oder weniger ineinander übergehen. Die Spalten können eine Tiefe von 1,5 mm und eine Breite von 1 mm haben, und die Polschuhe können, wie im ersteren Ausführungsbeispiel, in einem gegenseitigen Abstand von 0,75 mm liegen.

Es ist einleuchtend, daß nach der Erfindung noch weitere Ausführungsformen möglich sind. So kann eine größere Nutenzahl in den Magnetpolen angebracht werden, und die Auffangelektroden können auch mit getrennten Widerständen verbunden werden. Sogar lassen sich die Auffangelektroden derart anordnen, daß bei einer Zunahme

609 620/347

N 10070 VIIIb/21 c

der zu stabilisierenden Spannung der Strom dieser Elektroden zunimmt, so daß bei den Kurven nach den Fig. 3 und 6 die Punkte P auf einem steil aufsteigenden Zweig zu liegen kommen.

Claims

Patentansprüche:

i. Vorrichtung zum Stabilisieren hoher Spannungen mit einer Elektronenstrahlröhre, bei der ein Elektronenstrahl in einem konstanten Magnetfeld abgelenkt wird, wobei die Krümmung der Elektronenstrecke von der zu stabilisierenden Spannung abhängig ist, und der Elektronenstrahl bei richtigem Wert der zu stabilisierenden Spannung teilweise auf eine Auffangelektrode auf trifft, wobei die Änderungen des Stromes zu dieser Elektrode zum Regeln der zu stabilisierenden Spannung dienen, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel bei richtigem Wert der zu stabilisierenden Spannung sich wenigstens über einen Teil seiner Strecke in der Nähe von und nahezu parallel, zur Übergangszone zwischen einem Bereich mit größerer und einem Bereich mit kleinerer Feldstärke erstreckt, während bei einer unerwünschten Zunahme der zu stabilisierenden Spannung der auf die Auffangelektrode auftreffende Teil des Elektronenstrahlte sich ändert und der Strahl gleichzeitig in einen Bereich mit kleinerer Feldstärke gelangt.
2. Elektrische Entladungsröhre für eine Vorrichtung nach Anspruch 1, die ein Elektronenstrahlsystem enthält, von dem ein Elektronenstrahl erzeugt wird, der in einem Magnetfeld zwischen zwei Polschuhen abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe einen oder mehrere Ränder bzw. Nuten besitzen, so daß angrenzende Bereiche mit größerer und kleinerer Feldstärke entstehen, und derart angeordnet sind, daß der Strahl wenigstens über einen Teil seiner Strecke in kurzem Abstand längs eines der gekrümmten Ränder verläuft.
3. Elektrische Entladungsröhre nach An-Spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe halbkreisscheibenförmig sind und der Elektronenstrahl senkrecht zu und· in der Nähe eines Endes der Basis zwischen die Polschuhe tritt und in kurzem Abstand längs deren gekrümmtem Außenrand zum anderen Ende der Basis läuft und dort auf eine Auffangelektrode auftrifft, von der ein äußerster Rand sich diesem Ende der Basis der Polschuhe gerade gegenüber befindet.
4. Elektrische Entladungsröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe an den einander gegenüberliegenden Seiten mit einander gegenüberliegenden Nuten versehen sind, die je einen Teil eines Halbkreises mit verschiedenem Durchmesser und mit dem Punkt der Basis, wo der Elektronenstrahl zwischen die Polschuhe tritt, als gemeinsamen Berührungspunkt darstellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen