EP0287774A2 - Thermionische Haarnadelkathode - Google Patents

Abstract

Es wird eine thermionische Haarnadelkathode mit langer Lebensdauer aus einem hochschmelzenden Metalldraht vorgeschlagen, bei der die Temperaturverteilung längs der Schenkel entweder durch örtliche Erhöhung der Abstrahlung in einem Abstand von 10 - 50 % der Schenkellänge vom Scheitel, oder durch Verringerung der Abstrahlung in unmittelbarer Nähe des Scheitels, ohne Aenderung der Drahtquerschnittsfläche, evtl. auch durch Kombination beider Massnahmen, so beeinflusst wird, dass durch Vergrösserung des Temperaturgradienten im Scheitelbereich die Maximaltemperatur in die Nähe des Emissionszentrums oder in das Emissionszentrum verschoben wird.

Description

• Haarnadelkathoden, die aus Drähten hochschmelzender Metalle, insbesondere Wolfram, hergestellt sind, werden heute allge­mein als Standard-Elektronenquellen, z.B. in Elektronenmi­kroskopen und anderen elektronenoptischen Instrumenten ver­wendet.
• Besonders in Elektronenmikroskopen, bei denen ein hoher Richtstrahlwert gefordert wird und deshalb relativ hohe Betriebstemperaturen von 2700 - 2800 K üblich sind, ist die kurze Lebensdauer der Kathoden, die in der Regel nur 20 - 50 Stunden beträgt, ein störender Faktor, mit dem man sich seit der Erfindung des Elektronenmikroskops wohl oder übel abgefun­den hat.
• Ein eingehendes Studium der Faktoren, die die Lebensdauer bei der bisher üblichen Kathodenform beeinflussen, zeigte jedoch, dass Möglichkeiten zur Erhöhung der Lebensdauer bestehen, die bisher nicht erkannt und ausgenützt wurden und dass die Le­bensdauer, ohne Beeinträchtigung der elektronenoptischen Ei­genschaften um ein Mehrfaches erhöht werden kann.
• Die Wolfram-Haarnadelkathoden, die heute in Elektronenmikros­kopen Verwendung finden, werden aus reinem, oder thoriertem Wolframdraht von 0,12 - 0,14 mm Durchmesser hergestellt. Da­bei beträgt der innere Biegeradius am Scheitelpunkt meistens 0,05 - 0,1 mm. Diese Haarnadel wird an ihren beiden Schenkel­enden durch Punktschweissung mit den Heizsstromzuführungen im Kathodensockel verbunden. Beide Schenkel sollten gleiche Län­ge haben, so dass der emittierende Scheitelpunkt von den kal­ten Enden der Haarnadel gleich weit entfernt ist und im Be­trieb deshalb die höchste Temperatur erreicht. Es sollte des­halb auch an dieser Stelle die grösste Materialabtragung durch Verdampfung stattfinden und die Lebensdauer durch die Temperatur und Drahtdicke an dieser Stelle bestimmt sein.
• Die Erfahrung zeigt jedoch, dass die Kathode immer neben der Biegung durchschmilzt (s. auch Fig. 4). Es muss also einen Bereich neben der Biegung geben, der eine höhere Temperatur als das Emissionszentrum annimmt.
• Man kann dies beobachten, wenn man eine Haarnadelkathode aus­serhalb des Elektronenmikroskops unter Vakuum aufheizt und die Temperaturverteilung mittels Pyrometer bei konstant gehal­tener Scheiteltemperatur über längere Zeit verfolgt. Am An­fang stellt man keinen messbaren Temperaturunterschied zwi­schen dem Scheitelpunkt und den unmittelbar angrenzenden Schenkelbereichen fest. Erst nach mehreren Stunden beobachtet man, dass ein Schenkel deutlich heisser wird. Die Temperatur­differenz wird dann beschleunigt grösser, bis er an der heis­sesten Stelle durchschmilzt.
• Wenn man sich vergegenwärtigt, dass bei 2800 K eine Tempera­turerhöhung um 10 K bereits eine Steigerung der Verdamp­fungsrate um ca. 12 % bewirkt, wird verständlich, dass schon geringfügige Asymmetrien in der Temperaturverteilung sich katastrophal auswirken müssen.
• Eine Erklärung gibt die Untersuchung der Energiebilanz, die sich für jedes Teilstück des Drahtes aus der zugeführten Jouleschen Wärme und den Wärmeverlusten durch Abstrahlung und Wärmeleitung längs des Drahtes ergibt. Man findet, dass es bei den bisher gebräuchlichen Haarnadelkathoden aus energeti­schen Gründen gar nicht möglich ist, dass am Scheitelpunkt das erwartete Temperaturmaximum auftritt. Betrachtet man näm­lich einen kurzen Drahtabschnitt im Bereich der Biegung, so ist die Zustrahlung der angrenzenden Drahtabschnitte zur In­nenseite der Biegung geringer und seine Abstrahlung nach aussen grösser als in den angrenzenden Schenkelbereichen. Man erhält also eine Temperaturverteilung, wie sie schematisch in der Figur 1 mit der ausgezogenen Linie dargesteilt ist. Hier ist die Temperatur T über dem Abstand d links und rechts vom Scheitelpunkt aufgetragen. Wegen der guten Wärmeleitfähigkeit des Wolframs ist die Temperatursenke am Scheitelpunkt pyro­metrisch kaum messbar. Sie beträgt nur wenige Grad. Voraus­setzung für die gleiche Höhe der Temperturmaxima links und rechts vom Scheitelpunkt ist, dass die Wärmebilanz in den beiden Schenkeln genau symmetrisch ist. Ist dies nicht der Fall, so entsteht eine asymmetrische Temperaturverteilung, wie sie die gestrichelte Linie zeigt. Diese Asymmetrie ver­stärkt sich im Laufe der Zeit immer mehr, da nicht nur die Widerstandserhöhung durch Verdampfung auf der einen Seite immer mehr zunimmt, sondern auch der Abbau auf der anderen Seite durch Temperaturerniedrigung abnimmt, sofern die Tem­peratur am Scheitelpunkt konstant gehalten wird. Die Tempera­turdifferenz wird also, wie es die strichpunktierte Linie in Figur 1 zeigt, bis zum katastrophalen Durchschmelzen eines Schenkels zunehmen.
• Die Asymmetrie der Temperaturverteilung kann mehrere Ursachen haben:
• 1. ungleiche Länge der beiden Schenkel
• 2. schlechte Schweissung, d.h. schlechter Wärmeübergang eines Schenkels zur Stromzuführung,
• 3. schlechter elektrischer Kontakt und Wärmeübergang an einem der Kontaktstifte des Kathodensockels,
• 4. Inhomogenitäten im Kathodenmaterial,
• 5. Thomson-Effekt, der als Folge der Temperaturgradienten in den beiden Schenkeln, je nach der Stromrichtung zu einer Wärmezufuhr in einem Schenkel und einer Wärmeab­fuhr im anderen führt.
• Dieser Effekt ist bei den üblichen Betriebsbedingungen nicht vernachlässigbar, kann die hierdurch verursachte Temperatur­differenz doch 20 - 30 K betragen.
• Diese verschiedenen Ursachen können sich in ihrer Wirkung addieren, aber auch ganz oder teilweise kompensieren. Während die Ursachen 1 bis 3 durch sorgfältige Herstellung der Katho­den vermieden werden können und Inhomogenitäten im Kathodenma­terial selten sind, kann der Thomson-Effekt nur durch Wechsel­stromheizung oder durch häufiges Umpolen der Stromrichtung eliminiert werden.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Lebensdauer von Haarnadelkathoden zu verlängern, indem die Temperatur­senke am Scheitelpunkt und damit die Tendenz zur Destabili­sierung der Temperaturverteilung verringert wird, und die Verdampfungsverluste in diesem Bereich durch geeignete Mass­nahmen herabgesetzt werden.
• Eine naheliegende Massnahme, um diese Temperatursenke zu ver­ringern, oder gar zu vermeiden, bestünde darin, den Draht­querschnitt an der Biegung so zu reduzieren, dass durch er­höhte lokale Joulesche Wärmeentwicklung eine Temperaturerhö­hung erreicht wird. Dazu ist aber eine erhebliche Verminde­rung der Querschnittsfläche nötig, die sich natürlich negativ auf die Lebensdauer auswirkt, so dass nichts oder nicht viel gewonnen ist, vor allem dann nicht, wenn die Vakuumedingun­gen nicht optimal sind und mit einer zusätzlichen Abtragung durch Kathodenzerstäubung zu rechnen ist.
• Die Erfindungsaufgabe wird durch die thermionische Haarnadel­kathode gemäss Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäss wird eine thermionische Haarnadeikathode aus einem hochschmel­zenden Metalldraht vorgeschlagen, welche dadurch gekennzeich­net ist, dass der Temperaturgradient in der Nähe des Scheitel­punktes durch erhöhte Wärmeabfuhr längs der beiden Schenkel ohne Verringerung der Querschnittsfläche des Drahtes erhöht ist.
• Gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird das Erfindungsziel dadurch erreicht, dass die Wärmeabstrahlung in einem Abstand vom Scheitelpunkt, der 10 % bis 50 % der Schen­kellänge entspricht, örtlich durch Vergrösserung der Oberflä­che ohne nennenswerte Verringerung der Querschnittsfläche des Drahtes vergrössert wird.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Draht in den an den Scheitelpunkt angrenzenden Be­reichen der beiden Schenkel (ohne wesentliche Veränderung der Querschnittsfläche) des Drahtes so verformt, dass er ein halb­kreisförmiges Profil erhält, und gleichzeitig sich die fla­chen Seiten der beiden Seiten in möglichst geringem Abstand voneinander befinden.
• Durch die Erfindung wird also erreicht, dass der Temperatur­gradient vom Scheitelpunkt ausgehend längs der Schenkel we­sentlich steiler wird. Es ergibt sich dann eine Temperatur­verteilung wie sie in Figur 2 dargestellt ist. Die ausgezoge­ne Kurve zeigt die ursprüngliche Temperaturverteilung unter idealen Bedingungen, und die gestrichelte die Verteilung nach Vergrösserung der Oberfläche an einer Stelle der Schenkel, die etwa 2 mm vom Scheitelpunkt entfernt ist. Die Gesamtiänge der Schenkel betrug dabei 8 mm.
• Auf diese Weise ist es also möglich, die Stelle, oder die Stellen höchster Temperatur näher an den Scheitelpunkt heran­zurücken oder ganz in diesen Punkt zu verschieben, so dass die Lebensdauer der Kathode nunmehr allein durch die Draht­dicke und die Temperatur an dieser Stelle bestimmt wird.
• Die Vergrösserung der Oberfläche um ca. 0,7 mm² an jedem Schenkel in diesem Beispiel, macht zwar eine Erhöhung der Heizstromstärke um ca. 10 % erforderlich. Sie könnte, wenn nötig, mit einer Verringerung der Drahtstärke um 7 % kompen­siert werden. Die dadurch verursachte Verringerung der Le­bensdauer fällt jedoch gegenüber dem Gewinn nicht ins Gewicht, denn mit dieser Massnahme kann einer Verlängerung der Lebens­dauer der bisher gebräuchlichen Haarnadelkathoden bereits um ein Mehrfaches erreicht werden.
• Eine noch grössere Lebensdauer kann erreicht werden, wenn die Haarnadel im Scheitelbereich so verformt wird, dass die ab­strahlende und verdampfende Oberfläche, bei Beibehaltung der Querschnittsfläche verringert wird. Dies geschieht z.B. in der Weise, dass mittels einer Prägevorrichtung die beiden Schenkel im Bereich der Biegung so stark angenähert werden, dass ein halbkreisförmiges Drahtprofil entsteht, wobei sich die flachen Seiten zunächst berühren. Die beiden Schenkel werden dann wieder ein wenig gespreizt, so dass der gebildete Kurzschluss wieder aufgehoben ist, der Abstand aber immer noch so klein ist, dass die Strahlungs- und Verdampfungsver­luste dieser Flächen vernachlässigbar bieiben.
• Auf diese Weise entsteht ebenfalls ein grösserer Temperatur­gradient längs der beiden Schenkel, so dass das Temperaturma­ximum näher zur Spitze gerückt wird. Dadurch dass gleichzei­tig die Verdampfungsverluste um ca. 25 % verringert sind, kann eine weitere Erhöhung der Lebensdauer erreicht werden.
• Mit der durch diese Massnahmen bewirkten künstlichen Vergrös­serung des Temperaturgradienten werden sogar die Einflüsse einer evtl. Ungleichheit der Schenkellängen, des Thomson-­Effekts und anderer Effekte weitgehend neutralisiert. Sie können das Temperaturmaximum nur noch geringfügig aus der Scheitelmitte verschieben.
• An Hand von Beispielen und der Figuren 3 - 11 soll die Er­findung nun noch näher erläutert werden:
• Es zeigt:
• Figur 3 eine auf einem Kathodensockel 1 montierte Haarnadel­kathode 2, wie sie in ähnlicher Form heute in Elektronenmi­kroskopen verwendet wird, im Masstab 4:1;
• Figur 4 eine Haarnadelkathode dieser bisher verwendeten Form im Bereich des Scheitels am Ende ihrer Lebensdauer im Mass­stab 50:1;
• Figur 5 eine erfindungsgemässe Haarnadelkathode in der Variante mit aufgesetzten Hilfskörpern 3 zur örtlichen Erhöhung der Abstrahlung im Masstab 20:1;
• Figur 6 den Scheitelbereich dieser Kathode am Ende ihrer Lebensdauer bei 2900 K Betriebstemperatur im Masstab 50:1;
• Figur 7 eine Variante einer erfindungsgemässen Haarnadelkatho­de mit flachgepressten Schenkelabschnitten 4 zur örtlichen Erhöhung der Abstrahlung im Masstab 20:1.
• Die Figuren 8, 9 und 10 zeigen bei einer weiteren Variante den geprägten Scheitelbereich in Vorder- und Seitenansicht im Masstab 100:1, sowie einen Querschnitt durch diese Kathode im geprägten Bereich im gleichen Masstab.
• Figur 11 schliesslich zeigt, wie sich die Geometrie der in Figur 8 dargestellten Kathode nach 50 Stunden Betriebszeit bei 2900 K geändert hat. Die Umrisslinien des Ausgangszu­stands sind zum Vergleich ebenfalls eingezeichnet.
• Bei der Ausführungsform gemäss Figur 5 wird die örtliche Ver­grösserung der abstrahlenden Oberfläche dadurch erreicht, dass im Abstand von etwa 2 mm vom Scheitelpunkt Wolfram-­Drahtspiralen 3 von ca. 0,6 mm Länge und 0,4 mm Durchmesser aufgeschoben sind. Um einen festen Sitz zu erreichen werden sie ein wenig flachgepresst. Nach dem Aufheizen der Kathode verbinden sie sich dann mit der Drahtseele durch Diffusions­schweissung und erhalten so den erforderlichen guten Wärmekon­takt.
• Durch die Vergrösserung der abstrahlenden Oberfläche um ca. 0,7 mm² an dieser Stelle entsteht vom Scheitelpunkt her bei 2900 K ein Temperaturgefälle von ungefahr 230 K; es ist nun etwa doppelt so gross wie vorher.
• Figur 6 zeigt dieselbe Kathode am Ende ihrer Lebensdauer nach 48 Stunden Betriebszeit bei einer Scheiteltemperatur von 2900 K . Mit dieser überhöhten Temperatur sollte die Ver­suchszeit abgekürzt werden. Man ersieht, dass es gelang, die Stelle 5 höchster Temperatur nahe an den Scheitelpunkt zu verschieben und dadurch die Lebensdauer um ein Vielfaches zu erhöhen. Die erreichte Lebensdauer hätte bei der im normalen Gebrauch üblichen Kathodentemperatur von ca. 2750 K das 6 bis 7-fache, d.h. 300 - 350 Stunden statt 20 - 50 Stunden betragen, vorausgesetzt, dass die Temperatur, bzw. Emission der Kathode konstant gehalten wird.
• Bei der Ausführungsform gemäss Figur 7, mit der das gleiche Ziel verfolgt wird, wird die örtliche Erhöhung der Abstrah­lung durch Flachpressen des Wolframdrahts erreicht. Dabei ist darauf zu achten, dass eine Mindestdicke des flachgepressten Bereichs 4 nicht unterschritten wird, da sonst die Gefahr be­steht, dass die prozentuale Querschnittsverminderung pro Stunde dort grösser wird als am Scheitel und durch übermässi­ge örtliche Widerstandserhöhung der Temperaturgradient all­mählich verschwindet. Um trotzdem eine ausreichende Oberflä­chenvergrösserung zu erreichen, muss der flachgepresste Be­reich länger sein als die Drahtspirale im ersten Beispiel. Eine passende Dimensionierung ist z.B. eine Prägung von ca. 1,5 mm Länge mit 0,4 mm Breite. Dies gibt wieder, wie im vor­herigen Beispiel eine örtliche Oberflächenvergrösserung von ca. 0,7 mm².
• Die Figuren 8 - 11 betreffen eine Ausführung, bei der der Scheitelbereich der Haarnadelkathode in einer Matrize bei einer Temperatur von 300 - 400° C so verformt wurde, dass die beiden Schenkel ein halbkreisförmiges Profil 6, wie es Figur 10 zeigt, erhalten. Die Prägung erfolgt auf eine Länge von 0,3 - 0,5 mm. Die flachen Seiten berühren sich zunächst und würden einen Kurzschluss bilden wenn die Schenkel anschlies­send nicht leicht gespreizt würden, so dass ein keilförmiger Spalt 7 von 0 - 30 µm Weite entsteht. Aus diesem schmalen Spalt können die einander gegenüberliegenden Flächen weder nennenswert abstrahlen, noch können erhebiiche Materialmengen nach aussen verdampfen. Die Abstrahlungs- und Verdampfungsver­luste dieses Kathodenabschnitts werden auf diese Weise um ungefähr 25 % herabgesetzt.
• Leider kann diese Konfiguration, wenn der Temperaturgradient nicht gross genug ist, auch nachteilige Konsequenzen haben. Wenn nämlich die Temperatur der einander gegenüberliegenden Flächen verschieden ist, verdickt sich ein Schenkel auf Ko­sten des anderen und wenn die Temperatur am Übergang zum nicht verformten Teil des Schenkels nicht 20 - 30 K nied­riger ist als am Scheitelpunkt, wird dort mehr Material ver­dampfen als im geprägten Bereich und die Kathode dort durch­schmelzen. Ein steiler Temperaturgradient ist deshalb bei dieser Ausführungsart besonders wichtig.
• Die Prägung der Schenkel bringt noch einen weiteren wichtigen Vorteil. Es entsteht dann nämlich am Scheitel der Haarnadel ein annähernd halbkugelförmiges Kathodenende 8. Die Folge ist, dass man anstelle des bisherigen ellipsenförmigen vir­tuellen Bildes der Emissionsfläche ein kreisrundes erhält, das elektronenoptisch wesentlich günstiger ist. An diese Halbkugel kann, wie es in Figur 8 und 9 gestrichtelt einge­zeichnet ist, ein Kegel oder eine Pyramide 9 angeschliffen werden, so dass eine Spitzenkathode mit grosser Lebensdauer entsteht. Es trägt sogar zu einer Erhöhung der Lebensdauer bei, wenn die bei der Prägung entstandene relativ grosse Ma­terialansammlung an der Spitze mit ihren grossen Abstrahlungs­verlusten auf diese Weise auf das zulässige Mass verkleinert und dadurch der Temperaturgradient in der Nähe der Spitze vergrössert wird.
• Figur 11 zeigt, welche Geometrie eine solche Kathode, die mit zusätzlichen Kühlspiralen, wie in Figur 5, versehen ist - jedoch ohne angeschliffene Spitze - nach 50 Stunden Be­triebszeit bei 2900 K annimmt. Die Lebensdauer ist nach dieser Zeit noch nicht am Ende und sie würde noch erheblich verlängert, wenn die entstandene Asymmetrie der geprägten Schenkelbereiche durch Anschleifen einer Spitze und Erhöhung des Temperaturgradienten stärker unterdrückt würde.
• Wenn die Haarnadelkathode mit genauer Symmetrie hergestellt wird, ist der wesentliche Grund für die entstehende Symme­trie-Abweichung zweifellos der Thomsoneffekt der ja nun grösser wird, je mehr der Temperaturgradient erhöht wird. Es kann ein weiterer Gewinn an Lebensdauer erzielt werden, wenn die Wirkung dieses Effekts stärker unterdrückt wird. Versuche des Erfinders, bei denen die Stromrichtung periodisch gewech­selt wurde, haben dies bewiesen.
• Eine geeignete Lösung besteht darin, dass entweder die Schen­kellänge absichtlich unterschiedlich ausgeführt, oder dass die Schenkelbereiche mit erhöhter Abstrahlung in verschiede­nem Abstand vom Scheitelpunkt angeordnet oder in verschiede­ner Oberflächengrösse ausgeführt werden. Damit die Geometrie und Stromrichtung einander zugeordnet bleiben, müssten dann die Anschlusstellen der Stromzuführungen am Kathodensockel entweder entsprechend markiert oder unverwechselbar gemacht werden.

Claims (4)

1. Thermionische Haarnadelkathode mit erhöhter Lebensdauer aus einem hochschmelzenden Metalldraht,
dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturgradient in der Nähe des Scheitelpunktes durch erhöhte Wärmeabfuhr längs der beiden Schenkel ohne Verringerung der Quer­schnittsfläche des Drahtes erhöht ist.

2. Haarnadelkathode nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabstrahlung im Ab­stand von 10 - 50 % der Schenkellänge vom Scheitelpunkt örtlich durch Vergrösserung der Oberfläche ohne Verrin­gerung der Querschnittsfläche des Drahtes vergrössert ist.

3. Haarnadelkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht in den an den Schei­telpunkt angrenzenden Bereichen der beiden Schenkel des Drahtes so verformt ist, dass er ein halbkreisförmiges Profil aufweist, derart, dass sich die flachen Seiten der beiden Schenkel in möglichst geringem Abstand befin­den.

4. Haarnadelkathode nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation des Thom­soneffektes die Wärmeabfuhr von den beiden Schenkeln der Haarnadel verschieden eingestellt ist.

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