DE2121407C3 - Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mit einer Elektronenstrahlkanone, die eine Hauptkathode, von der mindestens ein Teil von einem relativ dünnen, Elektronen abgebenden Emitter gebildet ist, bei dem mindestens der Oberflächenbereich aus einem Werkstoff mit niedriger Austrittsarbeit besteht, eine Hauptanode, die in Abstand von der einen Seite des Emitters angeordnet und mit

einer öffnung für den Durchtritt eines Elektronenstrahls versehen ist, und eine Hilfskathode aufweist, die sich in Abstand von der gegenüberfiegf^den Seite des Emitters befindet und einen dem Erhitzen der Hauptkathode dienenden Hufselektronenstrahl liefert, wobei Hauptkathode, Hauptanode und Hüfskathode gegeneinander isoliert in einem Gehäuse angeordnet sind, das ein reiter Unterdruck stehendes Gas enthält, sowie mit einer Schaltungsanordnung, die eine elektrische Spannung zwischen die Hauptkathode und die Hauptanode legt und die Hilfskathode auf einem elektrischen Potential hält, das negativ mit Bezug auf die Hauptkathode und kleiner als die Potentialdifferenz zwischen Hauptkathode und Hauptanode ist

Es ist bekannt (FR-Zusatzpatentschrift 82 942), bei einer solchen Vorrichtung die Hilfskathode als Glühkathode auszubilden, d. h. einen Heizfaden vorzusehen, der durch Widerstandserhitzung aufgeheizt wird. Die Glühkathode fällt jedoch auf Grund ihrer geometrischen Form, ihrer geringen Stärke und der magnetisch induzierten mechanischen Beanspruchungen verhältnismäßig rasch aus. Daher ist ein häufiger Ersatz der Hilfskathode erforderlich. Der Austausch der Hilfskathode ist aber schon deshalb mit Schwierigkeiten verbunden, weil die Elektroden in einer Unterdruckkammer angeordnet sind.

Daneben ist es bekannt (DT-PS 8 % 533 und DT-AS 12 31 816), Elektronenstrahlquellen, die keine Hilfskathode aufweisen, mit einer Kalt- oder Plasmakathode auszustatten. Solche Geräte sind jedoch vergleichsweise wenig leistungsfähig, weil die Leistungsdichte einer Plasmakathodenkanone wesentlich niedriger als die einer Heißkathodenkanone ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls zu schäften, die neben einer hohen Leistungsdichte eine lange Lebensdauer hat und besonders wenig störanfällig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hilfskathode als Kaltkathode ausgelegt ist und die Hilfskathode und die Hauptkathode in den gegenüberliegenden Wandungen eines gesonderten Hilfsstrahlgehäuses angeordnet sind, das ein unter niedrigem Druck stehendes Gas enthält, das bei der zwischen Hilfs- und Hauptkathode anliegenden elektrisehen Spannung ionisiert wird, daß der Emitter der Hauptkathode von der Hilfskathode weiter entfernt ist als der Faradaysche Dunkelraum des von der Hilfskathode unter dem Einfluß der Spannung zwiscnen Hüfs- und Hauptkathode emittierten Hilfselektronenstrahls, und daß eine Fokussiereinrichtung zum Fokussieren des Hilfselektronenstrahls auf dem Emitter oder im Bereich des Emitters vorgesehen ist.

Die als Kaltkathode ausgebildete Hilfskathode ist unempfindlich. Zugleich wird mit der über diese Hilfskathode aufgeheizten Hauptkathode eine große Leistungsdichte erzieh. Es kommt zu keinem Aufbau von störenden elektromagnetischen Feldern um die Hauptkathode und die Elektronenstrahlkanone herum. Die thermische Aberration ist klein. Die elektrischen Stromzufühiungskabel lassen sich mit relativ geringem Querschnitt ausbilden, so daß sie hinreichend flexibel bleiben, um in der Kammer der Elektronenstrahlkanone einfach verlegt bzw. gewendelt werden zu können.

Für eine Fokussierung des Hilfselektroncnstrahls kann in einfacher Weise dadurch gesorgt v/erden, daß die Oberfläche der Hilfskathode konkav ausgebildet wird Dabei wird ein besonders stabiles Betriebsverlial ten erzielt, wenn die konkave Oberfläche der Hilfskathode einen Krümmungsradius hat, der gleich dem doppelten Radius der Hilfskathode ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Hilfskathode von einer ringförmigen Hilfsanode umgeben, die mit der Hauptkathode elektrisch verbunden ist. Zur elektrischen Verbindung von Hilfsanode und Hauptkathode kann ein das Hilfsstrahlgehäuse bildender Metallbecher vorgesehen sein. Dadurch wird eine gesonderte elektrische Verbindung eingespart.

Um die Gefahr von Rückzündungen klein zu halten, ist vorzugsweise die ringförmige Hilfsanode von einem Steuerring umgeben, der mit dem Faradayschen Dunkelraum des von der Hilfskathode emittierten Hilfselektronenstrahls in Berührung steht. Elektronen. die sich dem Steuerring nähern, werden zurückgestoßen. Positive Ionen werden neutralisiert. Dieser Vorspannungseffekt kann zweckmäßig weiter dadurch unterstützt werden, daß der Steuerring mit der ringförmigen Hilfsanode über einen Widerstand verbunden ist.

Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung ist der Steuernng mit einem Innenbecher aus Drahtgitter oder massivem Metall verbunden, der von den Wandungen des das Hilfsstrahlgehäuse bildenden Metallbechers durch einen Spalt oder eine Isolierung getrennt ist, und ist der Innenbecher an seiner Unterseite mit einer öffnung versehen, die dem Emitter der Hauptkathode gegenüberliegt. Auf diese Weise läßt sich der Brennpunkt des Hilfselektronenstrahls bei Druckschwankungen im Hilfsstrahlgehäuse stabilisieren. Zweckmäßigerweise ist dabei die öffnung des Innenbechers groß genug, um den Hauptteil des mittels der Hilfskathode erzeugten Hilfselektronenstrahls durchzulassen, wenn der Brennpunkt des Strahls in der Mitte der Öffnung liegt, während die Öffnung ausreichend klein ist, um einen kleinen Teil der Randelektronen dieses Strahls auszublenden.

Ein besonders einfacher Gesamtaufbau wird dadurch erhalten, daß die Hilfskathode. die Hilfsanode und der Steuerring in einer Wandung des Hilfsstrahlgehäuses isoliert montiert sind, die an ihrer Außenseite dem Innenraum einer Vakuumkammer ausgesetzt ist, die mit einer zu einer Vakuumkammer führenden öffnung versehen ist, und daß die Wandung des Hilfsstrahlgehäuses mit Gaseinlaß- und Gasauslaßkanälen versehen ist, die mit einer zu einer außerhalb der Vakuumkammer angeordneten Gasquelle führenden leitung bzw. mit dem Innenraum der Vakuumkammer in Verbindung stehen.

Um Rückzündungen über clic zu der Gasquelle führende Leitung zu verhindern, ist diese Leitung vorzugsweise mit einer innerhalb der Vakuumkammer angeordneten Blasenkammer versehen.

Die Gaseinlaß- und Gasauslaßkanäle können zweckmäßig durch den Steuerring hindurchreichen. Zur weiteren Verringerung der Rückzündgefahr ist in einem suchen Falle vorteilhafterweise innerhalb des Hilfsstrahlgehäuses benachbart dem Steuerring ein Prallring mit Kanälen angeordnet, die gegenüber den durch den Steuerring hindurchfiihrenden Gasauslaßkanälen versetzt sind.

RückZündungen kann ferner dadurch entgegengewirkt werden, daß die ringförmige Hilfsanode durch die Wandung des Hilfsstrahlgehäuses hindurchreicht und an der Außenseite desselben einen Flansch aufweist.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In

den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 teilweise im Schnitt einen Frontaufriß der Vorrichtung nach der Erfindung mit einer Ausführungsform der Hilfskanone,

Fig. 2A und 2B grafische Darstellungen der Spannungs- bzw. Lichtverteilung innerhalb einer normalen Glimmentladung,

F i g. 3 einen schematischen Querschnitt des HiIFs-Strahlgehäuses, wobei die wesentlichen Bereiche der Glimmentladung in ihrer relativen Lage mit Bezug auf die Hilfskanone veranschaulicht sind,

F i g. 4 teilweise im Schnitt einen Frontaufriß der Elektronenstrahlkanone mit einer zweiten Ausführungsform der Hilfskanone,

Fig.5 teilweise im Schnitt einen Frontaufriß einer dritten Ausführungsform der Hilfskanone und

Fig.6 typische Kurven für den Strahlstrom und die Steuerringspannung als Funktion des Druckes.

In F i g. 1 ist die Elektronenstrahlkanone insgesamt mit G bezeichnet. Zu ihr gehört eine Hilfskanone P, die als Plasma- oder Kaltkathodenkanone ausgebildet ist. Sie enthält ein ionisierbares Niederdruckgas, das normalerweise auf einem Druck von 5 bis 30 Mikron gehalten wird, obwohl die Hilfskanone in Abhängigkeit von dem verwendeten Gas, der Spannung und den Elektrodenabständen auch bei höheren oder niedrigeren Drücken arbeiten kann. Bei den Gasen kann es sich um Luft oder inerte Gase handeln; inerte Gase sind wegen des Schutzes des Emitters der Hauptkathode vorzuziehen. Die Hilfskanone kann mit unterschiedlichen Spannungen und Leistungen arbeiten; vorzugsweise werden für die Hilfskanone eine Spannung bis ungefähr 10 kV und ein Strom von höchstens 50 mA benutzt.

Die Hilfskanone P weist eine Hilfskathode 1 auf, die in einer Wandung 3 eines aus Isolierstoff bestehenden Hilfsstrahlgehäuses 5 sitzt. Eine ringförmige Hilfsanode 7 umgibt die Hilfskathode 1; sie ist von dieser durch einen Isolierring 2 getrennt. Die Hilfsanode 7 ist oben mit einem Flansch 9 versehen. Ein Steuerring 11 umfaßt die Hilfsanode 7. In einer der Hilfskathode 1 gegenüberliegenden Wandung 13 ist der Emitter 15 einer Hauptkathode 16 untergebracht. Die Hauptkathode 16 ist mit der Hilfsanode 7 über einen Leiter 17 elektrisch verbunden. Die Hauptfunktion des Leiters 17 besteht darin. Elektronen vom Emitter 15 über die Hilfsanode 7 zurück zur Hilfskathode 1 zu bringen. Der Emitter 17 ist vorzugsweise eine Wolframscheibe. Grundsätzlich lassen sich jedoch alle Werkstoffe mit guter Elektronenemissionsfähigkeit beispielsweise Tantal, oder Oberzüge mit niedriger Austrittsarbeit verwenden. Der Emitter 15 wird von der Hauptkathode 16 getragen.

In Abstand von der Hauptkathode 16 und in Strahlrichtung vor dieser befindet sich eine Hauptanode 19. Vorder Hauptanode 19 ist eine Hauptstrahlfokussierungsspule 21 angeordnet Die dadurch erhaltene Hauptkanone M arbeitet für gewöhnlich mit einem Druck von ungefähr 0,1 Mikron oder weniger, einer Spannung von ungefähr 60 kV und einem Strom von 500 mA, wenn ein Elektronenstrahl von 30 kV erzeugt werden soll. Diese Werte hängen im einzelnen von der Fläche und der Temperatur des Emitters 15 ab. Das Werkstück wird im allgemeinen in eine Kammer eingebracht die auf einem Druck von ungefähr 5 Mikron gehalten ist Der Druckbereich kann sich jedoch von einem beliebig niedrigen Wert bis zu Atmosphärendruck oder höher erstrecken. Elektronenstrahlen unterschiedlicher Energie können erzielt werden, indem die Drücke, Spannungen, Elektrodenab stände, Elektrodentypen und Gase innerhalb dei Hilfskanone geändert werden, so daß Emitter größerei oder kleinerer Fläche auf die geeignete Emissionstem peratur erhitzt werden.

Die Hilfskathode 1 kann aus jedem zweckentspre chenden reinen, legierten oder beschichteten Werkstoff beispielsweise Molybdän, Kupfer oder Stahl bestehen Vorzugsweise wird Aluminium verwendet. Bekanntlicr

ίο erzeugen Plasmakathodenkanonen mit einer flacher Kathodenplatte einen divergenten Elektronenstrahl Die Leistungsdichte derartiger Strahlen ist für gewöhn lieh gering, so daß für eine Fokussierung gesorgt werder muß, um einen konvergenten Strahl auszubilden, dei eine höhere Leistungsdichte besitzt und als Wärmequel Ie ausgenutzt werden kann. Bei der veranschaulichter Vorrichtung weist die Hilfskathode 1 eine flache Vertiefung auf, die als Plasmaraum dient, innerhalb dessen das die Elektronenquelle darstellende Plasma erzeugt wird. Diese Vertiefung hat die Eigenschafter einer Elektronenlinse. Wenn sich bei einer derartiger Linse Elektronen von der Seite geringerer Feldstärke aus nähern, d. h. in diesem Falle dem Plasmaraum in dei Hilfskathode, wirkt die Linse als Sammellinse. Die Konvergenz wird durch die konkave Krümmung der

Vertiefung erhalten, die zu Äquipotentialflächen führt die ihrerseits konvex sind und infolgedessen auf die Elektronen konvergierend wirken.

Vorzugsweise hat die Vertiefung der Hilfskathode eine Krümmung, die näherungsweise einer flachen Kreiskurve entspricht, obwohl mit geringerem Effekt auch Pierce-Formen oder parabolische Formen verwendet werden können. Der Radius der Kurve steht mit dem Außendurchmesser der Kathode derart in Zusammenhang, daß sein Wert näherungsweise gleich dem doppelten Wert des Hilfskathodenradius ist. Die Wahl des Radius bestimmt die Tiefe der Vertiefung. Es sind jedoch auch Kurven mit kleineren Radien brauchbar, vorausgesetzt daß die Tiefe 3,3 bis 4,6 mm nicht übersteigt. Das stabilste Betriebsverhalten wird jedoch mit größeren Radien erzielt

Die vertikale Lage des Brennpunktes ist der Krümmungstiefe umgekehrt proportional, d. h. je tiefer die Krümmung ist desto näher liegt der Brennpunkt an der Stirnfläche der Hilfskathode. Bei einer Versuchsvorrichtung lag der Brennpunkt bei einem Krümmungsradius von 19 mm und einer Tiefe von 6,4 mm innerhalb der Vertiefung; bei einer Tiefe von 2 mm befand sich der Brennpunkt mehrere Zentimeter von der Hilfskathode entfernt; bei einer Tiefe von 33 mm lag der Brennpunkt ungefähr 633 mm vor der Hilfskathode. Wenn der Brennpunkt weiter weg liegt nimmt auch der Durchmesser des Brennbereichs zu, wodurch die Leistungsdichte verringert wird.

Bei der mit Kalt- oder Plasmakathode versehenen Hilfskanone P tritt eine normale Glimmentladung auf. Eine solche Entladung ist in Hellbereiche und Dunkelräume unterschiedlicher Intensität unterteilt Die hellen Zonen sind entweder Zonen hoher Ionisation oder Bereiche, innerhalb deren es zu einer Rekombination von Elektronen und positiven Ionen kommt Umgekehrt tritt in den Dunkelräumen nur eine geringe Ionisation und Rekombination ein. Der der Kathode, vorliegend also der Hilfskathode 1, am nächsten liegende Raum wird als Astonscher Dunkelraum bezeichnet Die erste Kathodenschicht ist die Zone, innerhalb deren die Elektronen für den vorgegebenen Gasdruck die kritische Mindestgeschwindigkeit erreicht

haben. Daran schließt sich der Kathodendunkelraum an. Im Kathodendunkelraum haben die Elektronen die kritische Geschwindigkeit überschritten; sie lassen eine große Menge positiver Ionen hinter sich, die in der ersten Kathodenschicht gebildet wurden. Das negative s Glimmlicht ist ein Bereich mit maximalem Potentialabfall. Es ist extrem hell (der hellste Bereich der gesamten Säule) und stellt eine Zone maximaler Ionisation und Rekombination dar, weil eine große Anzahl von Ionen, Elektronen und Gasmolekülen vorhanden ist. Der hinter dem negativen Glimmlicht liegende Dunkelraum ist der Faradaysche Dunkelraum, der mit Bezug auf das Kathodenpotential ein Potentialminimum aufweist, das auf die große Anzahl von Elektronen zurückzuführen ist, die den Bereich des negativen Glimmlichtes verlassen. Innerhalb dieses Bereiches werden die Elektronen auf eine Geschwindigkeit verlangsamt, die unter der kritischen Ionisierungsgeschwindigkeit liegt; die negativen Ladungen herrschen vor. Die sogenannte positive Säule stellt ein Plasma mit gleichen Ladungen aus negativen und positiven Ionen dar. Darauf folgen das anodische Glimmlicht und der Anodendunkelraum, die von geringer Bedeutung sind.

Ein grafischer Vergleich von Spannungsverteilung und Lichtverteilung zwischen parallelen Elektroden ergibt sich aus den Fig.2A und 2B. Die Hauptbereiche der Entladung haben die in Fig.3 veranschaulichte Lage mit Bezug auf die Bauelemente der Hilfskanone. Teile, die den Teilen nach F i g. 1 entsprechen, sind in F i g. 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein Körper, der auf Massepotential oder positivem Potential liegt, kann an eine beliebige Stelle entlang der lotrechten Abmessung der positiven Säule bei nur geringer Änderung des Strahlstromes gebracht werden, solange er nicht mit dem Faradayschen Dunkelraum 35 (F i g. 3) in Berührung kommt. Wenn der Faradaysche Dunkelraum die Oberfläche des Körpers berührt, nimmt die Intensität des Strahls von dem Höchstwert plötzlich auf einen extrem niedrigen Wert ab, der nur ¹Ao des Höchstwertes betragen kann. Wird der Körper weiter nach oben verschoben, bis er mit dem jetzt schwachen negativen Glimmlicht 34 in Berührung kommt, nimmt der Strahlstrom noch weiter ab oder wird er ganz zu Null. In Anbetracht der drastischen Änderung bei Annäherung an diese Bereiche kann man sagen, daß die Entladung »gelöscht« wird, wenn eine Berührung mit dem Faradayschen Dunkelraum hergestellt wird.

Während es im Hinblick auf die Strahlleistungsdichte erwünscht ist, den Brennpunkt möglichst nahe an die Hilfskathode heranzurücken, um einen kleinen Brennkreis mit hoher Leistungsdichte zu erzielen, kann in der Praxis mit einer derart kurzen Brennweite wegen der Lage des Faradayschen Dunkelraums nicht gearbeitet werden. Der Abstand des Faradayschen Dunkelraums von der Stirnfläche der Hilfskathode ist in erster Linie durch den Arbeitsdruck und in zweiter Linie durch den Aufbau der Hilfskanone und die angelegte Spannung bestimmt Für eine vorgegebene Gruppe von Bemessungsparametern muß infolgedessen der Dunkelraum unabhängig davon toleriert werden, in welcher Entfernung er sich befindet Da jede Oberfläche, die in den Dunkelraum eintritt, den Strahlstrom drastisch verringert (auslöscht), muß der Abstand des Brennpunktes von der Hilfskathode unter allen Umständen etwas größer als der Abstand zwischen der Hilfskathode und dem unteren Rand des Faradayschen Dunkelraums gewählt werden. Um dafür zu sorgen, muß etwas Leistungsdichte geopfert werden, da der Strahlquerschnitt bei der größeren Entfernung zunimmt.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 wird der Druck innerhalb der Hilfskanone P vorzugsweise zwischen IC und 20 Mikron gehalten, indem Gas von einer Gasquelle aus über einen Einlaß 23 in eine Blasenkammer 25 eingeleitet wird, die mit einem hochdielektrischen Medium gefüllt ist, das sich in Verbindung mit dem herrschenden niedrigen Druck eignet. Von der Trenn kammer 25 aus gelangt das Gas in die von dem Hilfsstrahlgehäuse 5 gebildete Kammer C. Die Hilfskanone P ist an ihrer Oberseite mit einem oder mehreren Löchern 27 versehen, die mit einer Vakuumkammer VC unmittelbar in Verbindung stehen, so daß die Kammer C der Hilfskanone mittels des Vakuumsystems, das über einen Anschluß 29 mit der Vakuumkammer VC verbunden ist, ständig ausgepumpt wird. Das Gas könnte auch mittels eines Rohres und eines unabhängigen Pumpsystems aus der Hilfskanone herausgeführt werden. Der Druck in der Kammer C wird durch das beispielsweise in einer Menge von 100 cmVmin strömende Gas aufrechterhalten; der Gasstrom ist hinreichend gering, um den Druck der Vakuumkammer VC nicht in unerwünschter Weise zu beeinflussen. Die Anzahl und Größe der Gasaustrittslöcher hängt von dem gewünschten Druck innerhalb des Hilfsstrahlgehäuses und der gewünschten Durchflußmenge ab. Bei der Gasquelle kann es sich auch um eine unabhängige, selbständige Gasquelle, beispielsweise eine Gasflasche oder eine geeignete Menge an porösem Werkstoff, beispielsweise aktivierte Tonerde, aktivierte Holzkohle oder Zeolith, handeln, die praktisch als Leck im Gehäuse wirkt. Als Gas- oder Dampfquelle könnte auch ein Werkstoff in die Kammer eingebracht werden, der einen im interessierenden Bereich liegenden Dampfdruck besitzt

Die Hilfskathode 1 erfordert nur ungefähr 0,025 A, um bei 1OkV für eine Leistung (ungefähr 250 W) zu sorgen, die ausreicht, um die Hauptkathode 15 einer 30000 W-Elektronenkanone auf Emissionstemperatur aufzuheizen. Im Gegensatz dazu erfordern die widerstandsgeheizten Emitter bekannter Elektronenstrahlkanonen einen Heizstrom in der Größenordnung von 65 A, der außerdem zur Ausbildung eines den Emitter umgebenden elektromagnetischen Feldes führt, das hinreichend stark ist, um den Elektronenstrahl von der Achse der Kanone abzulenken und auf diese Weise den Strahl zu verzerren. Die Hilfskathode selbst ist praktisch unzerstörbar und erfordert keinen häufigen Austausch. Der Emitter der Hauptkathode kann nur auf Grund von Erosion oder Zerstäubung ausfallen, d. h. durch einen unkontrollierbaren Verdampfungsprozeß des extrem heißen Metalls unter Vakuum.

Die Elektronenstrahlkanone G ist vorzugsweise mit einer Regeleinrichtung versehen, die es gestattet, die Temperatur des Emitters der Hauptkathode zwecks Änderung des Strahlstromes einzuregeln. Zweckmäßigerweise wird für diesen Zweck die Größe des Hauptstrahlstromes durch eine zweckentsprechende Schaltungsanordnung überwacht, die ein Signal an eine Vergleicherschaltung gibt Der Vergleicherschaltung wird außerdem ein Bezugssignal zugeführt Das Differenzsignal wird dann der Stromversorgung der Hilfskanone zugeleitet um die der Hilfskanone zugeführte Leistung zu erhöhen oder abzusenken, so daß entsprechend die Leistung des Hilfselektronenstrahls vergrößert oder verkleinert wird. Dies hat eine Steigerung oder Verringerung der Temperatur des Emitterwerkstoffes zur Folge, so daß nur die jeweils

erforderliche Elektronenmenge erzeugt wird, wodurch die mittlere Lebensdauer des Emitters der Hauptkathode verlängert wird.

Es ist ferner möglich, an Stelle von oder in Verbindung mit der Temperaturänderung des Emitters der Hauptkathode zur Stromregelung der Hauptkanone Meine veränderliche negative Vorspannung heranzuziehen. In einem solchen Fall ist der Emitter 15 gegen die Hauptkathode 16 elektrisch isoliert und mit einer einstellbaren Vorspannungsquelle verbunden, die den Emitter negativ mit Bezug auf die Hauptkathode macht.

Die der Stromversorgung der Hiifskanone Pdienenden Kabel 31 und 33 erfordern nur einen geringen Querschnitt und können flexibel sein, weil die Kaltkathode nur ungefähr 0,025 A gegenüber 65 A hei bekannten Glühkathoden erfordert. Die Kabel können infolgedessen in die Vakuumkammer VC bequem eingeführt bzw. aus dieser herausgeführt werden. Beispielsweise ist es möglich, an Stelle eines Kabels einer bekannten Kanone mit 64 mm Durchmesser ein Kabei mit 6,4 mm Durchmesser zu verwenden.

Beispielsweise arbeitet die Hiifskanone P mit einem Druck von 10 bis 20 Mikron und einer Spannung von 10 kV, während die Hauptkanone M mit einem Druck von ungefähr 0,6 Mikron und einer Spannung von 60 kV arbeitet. Die beiden Kanonen sind elektrisch voneinander unabhängig, jedoch über den Leiter 17 mit dem gemeinsamen Kabel 31 verbunden. Dementsprechend führt das Kabel 31 eine maximale Gesamtspannung von 70 kV. Der Emitter 15, an dem 60 kV anliegen, ist der Kammer C der Hiifskanone P ausgesetzt, so daß eine Poteniialdifferenz von 60 kV zwischen dem Emitter 15 und den Wandungen der Vakumkammer VC herrscht. Die Kanone könnie deshalb in der umgekehrten Richtung zünden, falls für die 60 kV-Spannung eine Sichtlinienverbindung zu einer positiven Oberfläche über die Gasauslaß- oder Gaseinlaßlöcher vorhanden

wäre.

Dem Verhindern einer Rückzündung über die Gaseinlaßleitung 23 dient die Trennkammer 25. Diese mit einem dielektrischen Medium, beispielsweise öl, teilweise gefüllte Kammer sorgt für eine Trennung zwischen den auf Massepotential liegenden Teilen und der mit der Elektronenstrahlkanone G verbundenen Rohrleitung. Dadurch wird eine Rückzündung über den Gaseinlaßkanai gehemmt. Eine Rückzündung über den Gaseinlaßkanal kann auch vermieden werden, indem das Gas in die Kammer C über ein isoliertes Rohr eingeführt wird, das an eine Gasflasche angeschlossen ist, die gegenüber Masse isoliert ist Beide Maßnahmen können auch gleichzeitig verwendet werden.

Der Flansch 9 der Hilfsanode 7 verringert ebenfalls die Gefahr einer Rückzündung. Er liegt auf dem gleichen Potential wie die Hilfsanode 7 und die Hauptkathode 16. Der Flansch 9 befindet sich jedoch auf der Außenseite des Isolierringes 2 und liegt den Kammerwandungen näher. Dadurch wird die Feldbeanspruchung auf die Außenseite der Kammer C verschoben.

Eine weitere Maßnahme zum Unterdrücken einer Rückzündung besteht darin, daß zwischen die Gasaustrittslöcher 27 und das innerhalb des Hilfsstrahlgehäuses5 befindliche Gasplasma eine mit versetzten Löchern versehene Leit- oder Prallfläche gelegt wird, die eine Sichtlinienverbindung zu geerdeten Teilen über die Gasaustrittslöcher hindurch verhindert. Beispielsweise können in der Oberseite der Hiifskanone P drei Austrittslöcher vorgesehen sein, die einen gegenseitigen Abstand von 120° haben, so daß die Austritt.'Jöcher au 0°, 120° und 240° liegen. Ein Prallring, der unterhalb dei mit den Austrittslöchern versehenen Fläche montiert ist würde dann zweckmäßig bemessene Löcher aufweisen

die auf 60°, 180° und 300° oder in einer anderen Stellung liegen, so daß das Gas einen Weg zwischen der gegeneinander versetzten Löchern hindurchfinder kann. Weil die Löcher an keiner Stelle miteinandei ausgerichtet sind, besteht keine Sichtlinienverbinduni

ίο für die elektrischen Feldlinien. Der Prallring kann au:

isolierendem oder leitendem Werkstoff gefertigt sein

Besteht er aus einem leitenden Werkstoff, hilft ei

zusätzlich, eine Rückzündung zu vermeiden.

Um die Gefahr einer Rückzündung minimal zu halten

ist ferner der Steuerring 11 vorgesehen, der die Hilfsanode 7 umfaßt und durch den die Gaseinlaß- und Gasauslaßkanäle hindurchführen. Der Steuerring 11 isi so angeordnet, daß er mit dem Faradayschen Dunkelraum in Berührung kommt. Er führt infolgedessen ein

hohes negatives Potential, das mit dem Druck und der angelegter. Spannung in der in F i g. 6 veranschaulichten Weise in Beziehung steht. Wenn sich Elektronen dem hohen negativen Potential des Steuerringes 11 nähern, werden sie zurückgestoßen, während positive Ionen

neutralisiert werden. Der Steuerring 11 kann über einen hochohmigen Widerstand 12 mit der Hilfsanode 7 oder einer anderen positiven Spannungsquelle verbunden werden, um diesen automatischen Vorspannungseffekt zu unterstützen.

UK⁶' ^{der Ausführun}gsform nach Fig.4 weist die HifskanoneP der Elektronenstrahlkanone O eine Hilfskathode 101 auf, die in einem Isolierring 102 sitzt, der die Hilfskathode gegen die ringförmige Hilfsanode 107 isoliert. Mit der Hilfsanode 107 ist ein Hilfsstrahlgehause 104 in Form eines Metallbechers verbunden, der auf dem gleichen Potential wie die Hilfsanode 107 liegt Zwischen der Hilfsanode 107 und dem Hilfsstrahlgehäuse 104 befindet sich ein Steuerring 111, der von der Hilfsanode getragen wird und gegen diese mittels eines Isol.ernnges 106 isoliert ist. Der Isolierring 106 ist mit einem Kanal versehen, der für eine Verbindung zwischen einer Gaseinlaßöffnung 124 im Steuerring 111 und einem Gaseinlaßrohr 123 sorgt. In der Wandung des Hilfsstrahlgehäuses 104 sitzt der Emitter 115 der Hauptkathode 116. Er liegt der Hilfskathode 101 gegenüber und ist auf diese ausgerichtet Der Hauptkathode 116 hegt eine damit ausgerichtete Hauptanode 119 gegenüber, auf die eine Hauptstrahlfokussierspule 121 folgt Die gesamte Hiifskanone P wird von einer so Isolierhülse 114 getragen, die ihrerseits in einem Abschirmzylinder 120 sitzt der auf Massepotential oder einem positiven Potential liegt

Abweichend von der Ausführungsform nach Fig. 1, wo die Hilfükanone P mit einem elektrisch isolierenden Hiltsstrahlgehäuse 5 versehen ist und ein Leiter 17 den elektrischem Stromkreis zwischen dem Emitter 15 der Hauptkathode 16 und der Hilfsanode 7 schließt, weist bei der Ausführungsform nach F i g. 4 die Hiifskanone P ein elektrisch leitendes Hilfsstrahlgehäuse 104 in Form e^|n« MetallDechers auf, das mit dem Emitter 115 und der Hilfsanode 107 elektrisch in Kontakt steht

Beide Anordnungen arbeiten in ähnlicher Weise, obwohl sich die elektrische Feldverteilung und die Form der Äquipotentialflächen etwas unterscheiden. Wenn w !fo^erhülse 114 zwischen den Wandungen des Metallgehäuses der Vorrichtung und dem Gasraum vorhanden ist, sind jedoch die Feldverteilungen weitgehend ähnlich.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist an dem Steuerring 211 innerhalb des von einem Metallbecher gebildeten Hilfsstrahlgehäuses 204 ein Innenbecher 226 aus Maschendraht oder massivem Werkstoff angebracht. Der Innenbecher 226 weist eine dem Emitter 215 der Hauptkathode 216 gegenüberliegende Öffnung auf; er ist von den Wandungen des Hilfsstrahlgehäuses 204 durch einen Spalt, einen Isolierzylinder oder einen Isolierkonus getrennt. Der auf negativem Potential liegende Innenbecher 226 sucht positive Ionen aus dem Strahlbereich abzuziehen; zugleich übt er einen Pinch- oder Fokussiereffekt auf den Hilfselektronenstrahl aus. Im übrigen ist die Anordnung ähnlich wie in Fig.4 aufgebaut. Die Hüfskathode 201 ist mittels eines Isolierringes 202 von der Hilfsanode 207 isoliert. Der is Steuerring 211 sitzt in einem Isolierring 206. Die Hilfskanone ist als Ganzes von einer Hülse 214 gehalten. Der Hauptkathode 216 steht die Hauptanode 219 gegenüber.

Die Brennweite und Leistungsdichte des Hilfselektronenstrahls im Brennpunkt hängen von der Linsenwirkung der virtuellen Anode ab, die von der Äquipotentialfläche am unteren Ende des Faradayschen Dunkelraums gebildet wird. Der Bereich der Hüfskathode, der an der Strahlerzeugung teil hat, bestimmt die Größe des von der Hilfskanone abgegebenen Stroms. Ein Hilfselektronenstrahl mit niedriger Stromstärke würde nur den mittleren Teil der Hüfskathode ausnutzen, beispielsweise einen eingeschlossenen Winkel von 20°. Wenn von der Hilfskanone mehr Strom abgezogen wird, glimmt ein größerer Teil der Hilfskathodenfläche; es wird ein größerer eingeschlossener Winkel, beispielsweise ein Winkel von 30°. einbezogen. Wenn von den Rändern der glimmenden Fläche aus geradlinige Grenzspiralcn gezogen werden, die die Achse der Hilfskanone schneiden, stellt der Schnittpunkt den Brennpunkt auf der Achse dar. Daraus folgt, daß sich der Brennpunkt nach oben bewegt, wenn mehr Strom gezogen wird, und daß er nach unten wandert, wenn weniger Strom gezogen wird. Wenn der Winkel klein ist, wenn der Brennbereich in gewissem Grade kollimiert; der Hilfselektronenstrahl ist über eine gewisse Strecke von beispielsweise 6,4 mm oder mehr näherungsweise fokussiert. Bei größeren Winkeln nähert sich der Brennbereich einem Punkt. Die Form des unteren Randes des Dunkelraums und die Abmessungen des Dunkelraums hängen ebenfalls von der sich ändernden Einbeziehung der Fläche der Hüfskathode ab.

Ohne weiter in Einzelheiten zu gehen, kann gesagt so werden, daß die Form der Kathode den Fokusbereich für den vorgegebenen Strom- und Druckbereich bestimmt. Die Fokussierung kann ferner mit Hilfe von Dauermagnetfeldern oder geeignet geformten Elektromagnetfeldern erfolgen.

Durch ein für Versuchszwecke vorgesehenes Glasgehäuse hindurch kann beobachtet werden, daß der Dunkelraum dicker wird und näher an den Emitter der Hauptkathode herankommt, wenn sich der Druck einem Wert von 5 Mikron nähert, weil der verringerte Strahlstrom den Hilfselektronenstrahl zu kollimieren oder den Brennpunkt über die Emitteroberfläche hinauszurücken sucht Unter diesen Bedingungen nähert sich der Strahlstrom seinem Kleinstwert, während die Spannung des Steuerringes in Richtung auf den Höchstwert geht, der unter bestimmten Bedingungen 250 bis 2000V erreichen kann. Wenn dagegen der Druck bis in die Gegend von 20 Mikron erhöht wird.

wird der Dunkelraum dünner; er bewegt sich dichter an die Oberfläche der Hüfskathode heran. Ein größerer Teil der Hüfskathode glimmt, wodurch der Strahlstrom erhöht wird. In diesem Falle kann die Spannung des Steuerringes auf 25 oder 50 V fallen, während sich der Druck 20 Mikron nähert und der Strahlstrom auf seinen Höchstwert zugeht. Der Brennpunkt verschiebt sich nach oben; an der Emitteroberfläche wird der Hilfselektronenstrahl divergent.

Dadurch, daß der Innenbecher 226 mit dem Steuerring 211 verbunden ist, wird das negative Potential des Steuerringes auch an die Seitenwände und den Boden des Innenbechers angelegt. Lippen 227, die an der öffnung im Boden des Innenbechers 226 vorgesehen sind, können entweder die gleiche Wandstärke wie der Becher haben oder breiter gemacht werden, indem in die Öffnung ein Rohr eingeschoben wird, das die elektrisch wirksame Lange vergrößert. Die öffnung ist ausreichend groß, beispielsweise 6,4 mm oder mehr, um den Hauptteil des Hilfselektronensirahls durchzulassen, wenn der Brennpunkt in der Mitte der öffnung liegt, jedoch andererseits so klein, daß ein geringer Teil der Randelektronen aus dem Strahl ausgeblendet wird. Die Ladung des Innenbechers ergibt sich aus der Summe der beiden elektrostatischen Ladungen. Wenn der Brennpunkt des Hilfselektronen-Strahls dann nach oben wandert, nimmt der von dem Steuerring 211 übernommene Ladungsanteil ab, während gleichzeitig der Ladungsanteil zunimmt, der auf die Ausblendung der Randelektronen eines divergenten Strahls zurückzuführen ist. Die resultierende Zunahme der Spannung des Innenbechers und des Steuerringes zwingt den Dunkelraum, sich zu verdicken, wodurch die vordere Grenzfläche des D'inkelraums nach unten wandert und der Brennpunkt vorverlegt wird, bis der ursprüngliche Gleichgewichtszusland des Brennpunktes in der Öffnung wieder hergestellt ist.

Statt dessen könnte auch gemutmai3t werden, daß ein erhöhtes negatives Potential des Steuerbechers mehr positive Ionen anzieht und neutralisiert, den Beschießungseffekt und die Sekundäremission von der Hilfskathode verringert sowie den Winkel der einbezogenen Fläche auf der Stirnseite der Hüfskathode ändert: das Ergebnis wäre 'edoch das gleiche.

Die obige Erläuterung zeigt, daß der Brennpunkt des Hilfselektronenstrahls bei einem Anwachsen des Druk- kes innerhalb des Gehäuses stabilisiert wird. Ein ähnlicher Effekt stabilisiert den Brennpunkt, wenn der Druck abnimmt, obwohl dies wegen der Kollimationseffekte bei niedrigen Drücken weniger kritisch ist.

Wenn der Druck im Gehäuse sinkt, sieigt das Steuerringpotential an; dies sucht den Strahlstrom zu verringern und den Winkel der einbezogenen Hilfska- thodenHäche zu verkleinern. Außerdem sucht sich der Brennpunkt nach unten zu verlagern. In diesem Falle hat der Hilfselektronenstrahl einen kleineren Durchmesser, so daß Randelektronen nicht in dem Maße auf den Rand der öffnung auftreffen, wie dies bei einer unter hohem Druck erfolgenden Defokussierung der Fall ist. Der relativ starke Anstieg der Spannung am Innenbecher 226 sucht jedoch mehr positive Ionen aus dem Hilfselektronenstrahl herauszuziehen, wodurch ein Teil des negativen Potentials auf dem Steuerring 216 neutralisiert wird. Infolgedessen kann sich der Dunkelraum nach oben verschieben, wird die einbezogene Kathodenfläche größer, nimmt der Strahlstrom zu und bewegt sich der Brennpunkt nach oben, wodurch das Brennpunktgleichgewicht innerhalb der öffnung wieder

'f

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hergestellt wird.

.Elektrische Servosvsteme, die der Hauptkanone normalerweise zugeordnet sind, verändern die Beschleunigungsspannung in der geeigneten Richtung, um die von dem Emitter der Hauptkathode ausgehende Emission auf dem voreingestellten Wert zu halten. Die oben erläuterte Stabilisierung stellt nur eine Hilfsmaßnahme dar; die Funktionsfähigkeit der Anordnung hängt davon nicht vollständig ab.

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims (14)

1. 'i

   Patentansprüche:

   '■■■ 1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mit einer Elektronenstrahlkanone, die eine Hauptkathode, von der mindestens ein Teil von einem relativ dünnen, Elektronen abgebenden Emitter gebildet ist, bei dem mindestens der Oberflächenbereich aus einem Werkstoff mit niedriger Austrittsarbeit besteht, eine Hauptanode, die in Abstand von der einen Seite des Emitters angeordnet und mit einer Öffnung für den Durchtritt eines Elektronenstrahls versehen ist, und eine Hilfskathode aufweist, die sich in Abstand von der gegenüberliegenden Seite des Emitters befindet und einen dem Erhitzen der Hauptkathode dienenden Hilfselektronenstrahl liefert, wobei Hauptkathode, Hauptanode und Hilfskathode gegeneinander isoliert in einem Gehäuse angeordnet sind, das ein unter Unterdruck stehendes Gas enthält, sowie mit einer Schaltungsanordnung, die eine elektrische Spannung zwischen die Hauptkathode und die Hauptanode legt und die Hilfskathode auf einem elektrischen Potential hält, das negativ in bezug auf die Hauptkathode und kleiner als die Potentialdifferenz zwischen Hauptkathode und Hauptanode ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskathode (1, 101, 201) als Kaltkathode ausgelegt ist und die Hilfskathode und die Hauptkathode (16,116,216) in den gegenüberliegenden Wandungen (3, 13) eines gesonderten Hilfsstrahlgehäuses (5,104,204) angeordnet sind, das ein unter niedrigem Druck stehendes Gas enthält, das bei der zwischen Hilfs- und Hauptkathode anliegenden elektrischen Spannung ionisiert wird, daß der Emitter (15,115,215) der Hauptkathode von der Hilfskathode weiter entfernt ist als der Faradaysche Dunkelraum (35) des von der Hilfskathode unter dem Einfluß der Spannung zwischen Hilfs- und Hauptkathode emittierten Hilfselektronenstrahls, und daß eine Fokussiereinrichtung zum Fokussieren des H ^elektronenstrahls auf dem Emitter oder im Bereich des Emitters vorgesehen ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung von einer konkaven Oberfläche der Hilfskathode (1) gebildet ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Oberfläche der Hilfskathode (1) einen Krümmungsradius hat, der gleich dem doppelten Radius der Hilfskathode ist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskathode (1, 101, 201) von einer ringförmigen Hilfsanode (7, 107, 207) umgeben ist, die mit der Hauptkathode (16,116,216) elektrisch verbunden ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Verbindung von Hilfsanode (107, 207) und Hauptkathode (116, 216) ein das Hilfsstrahlgehäuse (104, 204) bildender Metallbecher vorgesehen ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Hilfsanode (7, 107, 207) von einem Steuerring (11 111, 211) umgeben ist, der mit dem Faradayschen Dunkelraum des von der Hilfskathode (1, 101, 201) emittierten Hilfselektronenstrahls in Berührung steht.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerring (U) mit der ringförmigen Hilfsanode (7) über einen Widerstand (12) verbunden ist
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerring (211) mit einem Innenbecher (226) aus Drahtgitter oder massivem Metall verbunden ist, der von den Wandungen des das Hilfsstrahlgehäuse (204) bildenden Metallbechers durch einen Spalt oder eine Isolierung getrennt ist, und daß der Innenbecher an seiner Unterseite mit einer Öffnung versehen ist, die dem Emitter (215) der Hauptkathode (216) gegenüberliegt
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die Öffnung des Innenbechers (226) groß genug ist, um den Hauptteil des mittels der Hilfskathode (201) erzeugten Hilfselektronenstrahles durchzulassen, wenn der Brennpunkt des Strahls in der Mitte der Öffnung liegt, und daß die Öffnung ausreichend klein ist um einen kleinen Teil der Randelektronen des Strahls auszublenden.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskathode (1), die Hilfsanode (7) und der Steuerring (11) in einer Wandung des Hilfsstrahlgehäuses (5) isoliert montiert sind, die an ihrer Außenseite dem Innenraum einer Vakuumkammer (VC) ausgesetzt ist, die mit einer zu einer Vakuumpumpe führenden Öffnung (29) versehen ist, und daß die Wandung des Hilfsstrahlgehäuses mit Gaseinlaß- und Gasauslaßkanälen versehen ist, die mit einer zu einer außerhalb der Vakuumkammer angeordneten Gasquelle führenden Leitung bzw. mit dem Innenraum der Vakuumkammer in Verbindung stehen.
11. !1 Vorrichtunc nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zu der Gasquelle führende Leitung eine innerhalb der Vakuumkammer (VC) angeordnete, ein dielektrisches Medium enthaltende Trennkammer (25) aufweist, um die auf Massenpotential liegenden Teile von der Elektronenkanone elektrisch zu trennen.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet daß die Gaseinlaß- und Gasauslaßkanäle durch den Steuerring (U) W„\- durchreichen.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Hilfsstrahlgehäuses benachbart dem Steuerring ein Prallring mit Kanälen angeordnet ist, die gegenüber dem durch den Steuerring hindurchführenden Gasauslaßkanä len versetzt sind.
14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Hilfsanode (7, 107, 207) durch die Wandung des Hilfsstrahlgehäuses (5, 104, 204) hindurchreicht und an der Außenseite desselben einen Flansch (9) aufweist