DE2219393C3 - Einrichtung zum Schutz der Kathode einer Feldemissions-Elektronenkanone - Google Patents
Einrichtung zum Schutz der Kathode einer Feldemissions-ElektronenkanoneInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schutz der Kathode einer Feldemissions-Elektronenkanone
mit einer beheizten Kathode, einer Anode, einer Hochspannungsquelle, die zwischen der Kathode und
der Anode eine der Beschleunigung der Elektronen dienende Potentialdifferenz erzeugt, einer Elektrode,
die zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist und einer Spannungsquel'.e, die zwischen der Kathode
und der Elektrode eine Potentialdifferenz erzeugt.
Bei der Feldemissions-Elektronenkanone besteht die Gefahr, daß die Kathode äußerst leicht beschädigt
werden kann, und zwar auf Grund eines Zusammenbruches der elektrischen Spannung, der von einer
Verschlechterung des Vakuums in der Elektronenstrahlkammer herrühren kann und dazu führt, daß in der Nähe
der Kathodenspitze ein außergewöhnlich starkes elektrisches Feld erzeugt wird. Hieraus entsteht eine
Vakuumlichtbogenentladung, wodurch die Kathodenspitze ihre Form ändert und sie nicht mehr verwendet
werden kann.
Aus der Veröffentlichung »The Review of Scientific Instruments«, Band 39, Nr. 4, S. 576 bis 583, ist
insbesondere aus der S. 580 eine Feldemissions-Elektronenkanone bekannt, die eine Hochspannungsquelle
aufweist, welche zwischen der Kathode und der Anode zur Beschleunigung der Elektronen eine Potentialdifferenz
erzeugt. Außerdem befindet sich zwischen der Kathode und der Anode eine Elektrode, wobei zwischen
der Kathode und dieser Elektrode mittels einer zweiten Spannungsquelle eine Potentialdiffercnz erzeugt wird.
Diese Feldemissions-Elektronenkanone weist nun den eingangs geschilderten Nachteil auf, nämlich daß bei
Verschlechterung des Vakuums in der Elektronenstrahlkammer ein Durchschlag mit nachfolgender Lichtbogenentladung
entsteht, wodurch die Spitze der Kathode zerstört wird. .
Die Aufgabe der Erfindung wird daher dann gesehen,
e;ne Verformung der Kathodenspitze bei einem elektrischen Durchschlag in der Elektronenstrahlkammer
zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird bei der Feldemissions-Elektroneiikanone
der eingangs genannten Art erfindungsge-
maß dadurch gelöst, daß zwischen der Hochspannungsquelle und der Elektrode bzw. einer zwischen der
Elektrode und der Anode angeordneten weiteren Elektrode eine Schutzeinrichtung angeordnet ist, die bei
einem Zusammenbruch der elektrischen Spannung
zwischen der Elektrode bzw. der weiteren Elektrode und der Anode verhindert, daß die Potentialdifferenz
zwischen der Kathode und der Elektrode über einen Wert ansteigt, der die Beschädigung der Kathodenspitze
herbeigeführt.
μ Aus der deutschen Auslegeschrift 11 5! 884 ist es bei
einem Elektronenstrahlgerät, das bei Elektronenstrahlschmelz- und -aufdampfanlagen Verwendung findet,
bekannt, eine Schutzeinrichtung vorzusehen, die im wesentlichen aus einem Kathodenwiderstand und einer
Elektronenröhre besteht, über die der gesamte Verbraucherstrom fließt. Auf das Steuergiiter der Elektronenröhre
wird ein Spannungsimpuls gegeben, wenn die am Widerstand abgegriffene Spannung einen vorgegebenen
Vergleichswert übersteigt, wodurch dann der
Verbraucherstrom unterbrochen wird. Bei der bekannten Vorrichtung ist es notwendig, entweder die Anode
und das zu schmelzende Material vom Gehäuse des Elektronenstrahlgerätes zu isolieren oder das Gehäuse
von Erde zu isolieren. Weiterhin können, da die Elektronenröhre im Verbraucherkreis liegt, nur verhältnismäßig
geringe Spannungen zur Anwendung kommen. Bei der bekannten Vorrichtung wird, um ein
Auftreten von Entladungen im Elektronenstrahlgerät zu unterbinden, der Verbraucherstrom unterbrochen.
Demgegenüber wird bei der Erfindung ein Durchschlag zugelassen, der jeJoch in der Elektronenstrahlkammer
lokalisiert ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Impedanz der Schutzeinrichtung verkleinert,
wenn die elektrische Spannung zwischen der Kathode und der Elektrode in die Nähe der Zündspannung
kommt.
In der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen soll die Erfindung an Hand der Zeichnung
noch näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. la und Ib jeweils schematisch eine bekannte
Feldemissions-Elektronenkanone,
Fig. 2 ein Schaltbild mit einer Ausführungsforn einer Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung und
F i g. 3 bis 9 weitere bevorzugte Ausführungsformer der Schutzeinrichtung.
Wie aus Fig. la ersichtlich, enthält eine Elektronen
strahlkammer 1 eine Heizwendel 2, die von eine ■ Wechselstromquelle 3 über einen Isolationstransforma
60'tor 4 erhitzt wird, eine an die Heizwendel '.
angeschlossene Kathode 5, eine erste Elektrode f mittels der in der Nähe der Kathodenspitze ein starke
elektrisches Feld (etwa IO7 V/cm) erzeugt wird und ein
an Erdpotential gelegte Anode 7. Eine Spannungsquell 8 liefert eine Spannung, so daß zwischen der Kathode
und der ersten Elektrode 6 eine konstante oder ein pulsmodulierte Potentialdifferenz erzeugt wird, um au
der Kathodenspitze Elektronen zu ziehen. Eine weiter
Spannungsquelle 9 hält die Kathode 5 auf einem hohen negativen Gleichspannungspotential, um die ausgesandten
Elektronen zu beschleunigen.
Bei dieser Art von Elektronenkanone ergibt sich häufig ein Zusammenbruch der elektiischen Spannung
zwischen der ersten Elektrode 6 und der Anode 7, und zwar auf Grund der hohen Spannungsdifferenz, die hier
im Vergleich zu derjenigen zwischen der ersten Elektrode 6 und der Kathode 5 existiert.
Aus Fig. Ib sind die Impedanzen Zio una Zn der
Spannui.gsquellen 8 bzw. 9 und die Impedanz Z12 zwischen den beiden Spannungsquellen 8,9 ersichtlich.
Wenn sich zwischen der ersten Elektrode 6 und der Anode 7 ein elektrischer Durchschlag ergibt, wird das
Potential der ersten Elektrode 6 zu Null (Erde) und der Entladestrom fließt durch die Impedanzen Zio Zi2 und
Zn.
Wenn daher die Impedanz Zio im Vergleich zu der
Gesamtsumme der Impedanzen Zi, und Z2 nicht
ausreichend klein ist, wird die Potentiaidifferenz zwischen der Kathode 5 und der ersten Elektrode 6
groß, was zu einer Beschädigung der Kathodenspitze führt.
Aus Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, bei der die Beschädigung der Kathodenspitze
dadurch vermieden ist, daß eine Schutzschaltung 13 vorgesehen ist.
Wie F i g. 2 zu entnehmen, ist die Schutzschaltung 13 parallel zur Spannungsquelle 8 geschaltet und weist ein
Thyratron 14, eine veränderbare Gleichspannuiigsquel-Ie
15 zum Einstellen der Zündspannung des Thyratrons 14 sowie einen Kopplungskondensator 16 auf.
Wenn die vom elektrischen Durchschlag herrührende Spitzenspannung an die Schutzschaltung 13 über die
Spannungsquelle 8 her gelangt, wird die Impedanz der Schaltung 13 verkleinert, wodurch die Kathodenspitze
vor einer Beschädigung durch diese Spitzenspannung geschützt wird.
Bei der Ausführungsfonn gemäß F i g. 3 ist zwischen der ersten Elektrode 6 und der Anode 7 eine weitere
Elektrode 18 vorgesehen, die im folgenden als »zweite Elektrode« bezeichnet wird. Das an die zweite
Elektrode 18 angelegte Potential ist durch die Spannungsquelle 9 und durch eine Gleichspannungsquelle 19 bestimmt. In diesem Fall entspricht die
Ausgangsspannung der Spannungsquelle 19 fast derjenigen der Spannungsquelle 8, falls die Ausgangsspannung
der Spannungsquelle 8 eine Gleichspannung ist; falls dagegen die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 8 eine Wechselspannung ist, entspricht die
Ausgangsspannung der Spannungsquelle 19 fast der Impulshöhe der Ausgangsspannung der Spannungsquelle
8. Darüber hinaus ist jedoch die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 19 sehr viel kleiner als die
Ausgangsspannung der Spannungsquelle 9. Demgemäß ergibt sich fast immer ein elektrischer Durchschlag
zwischen der weiteren Elektrode 18 und der Anode 7, bevor sich der elektrische Durchschlag zwischen der
weiteren Elektrode 18 und der ersten Elektrode 6 ergibt.
In dem Augenblick, in dem zwischen der weiteren Elektrode 18 und der Anode 7 ein Durchschlag erfolgt,
ändert sich das Potential der weiteren Elektrode 18 von negativer Hochspannung zu Erdpolcntial. Demgemäß
wächst die Potentialdifferenz zwischen der weiteren Elektrode 18 und der ersten Elektrode 6 schlagartig an,
und zwar auf Grund des plötzlich durch die Impedanz der Gleichspannungsquelle 19 fließenden Entladestroms.
Dadurch wird die Schutzschaltung 13 betätigt, die einen Silizium-Symmetric-Schalter 20 aufweist,
wodurch die Impedanz zwischen den beiden Elektroden verkleinert wird und dadurch das neuerliche Entstehen
eines elektrischen Durchschlags verhindert wird, da die Spannungsschwankung zwischen den beiden Elektroden
und der Kathode 5 etwa dieselbe ist.
Ein zusätzlicher Vorteil bei dieser Ausführungsform liegt darin, daß der Bereich der Schutzschaltungszündspannung
vergrößert ist gegenüber der Ausführungsform nach F i g. 2. Dies rührt daher, daß es bei der
Ausführungsform nach F i g. 2 erforderlich ist, die Zündspannung gemäß der Ausgangsspannung der
Spannungsquelle 8 einzustellen, die jedesmal, wenn die Kathode 5 ausgewechselt wird, verändert werden muß.
Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 ist die Bezugsspannungsquelle jedoch die Spannungsquelle 19,
die selten verändert wird.
Bei dieser Ausführungsform ist es daher fast nie erforderlich, die Zündspannung der Schutzschaltung 13
einzustellen. Aus diesem Grund ist es möglich, an Stelle des komplizierteren Thyratrons 14 und der ihm
zugeordneten Schaltung eine einfache Schahverrichtung mit einem Schalter 20 der erwähnten Art zu
verwenden.
Die aus Fig. 4 ersichtliche Ausführungsfonn stimmt
im wesentlichen mit derjenigen gemäß Fig. 3 überein.
Bei dieser Ausführungsform ist jedoch eine Isoiationssäule 21 mittels eines Hochspannungskabels 26 an den
Schaltkreis 25 der Eiektronenstrahlkammcr 1 angeschlossen. Die Isolationssäule 21 enthält den Isolationstransformator 4, die Hochspannungsquelle 9 und einen
Filterkreis, der aus einem Widerstand 23 und aus Kondensatoren 24 besteht. Weiterhin wird an Stelle des
Potentials der Kathode 5 das Potential an der Verbindungsstelle der Abgleichwiderstände 27, 28
verwendet, und die Schutzschaltung 13, die in diesem Fall eine Stoßspannungsschutzröhre 29 beinhaltet, ist
zwischen diese Verbindungsstelle und die weitere Elektrode 18 geschaltet.
Bei der Ausführungsfonn gemäß Fig. 4 ergibt sich,
theoretisch gesehen, keine Vakuum-Lichtbogenentladung zwischen der Kathode 5 und der ersten Elektrode
6, wenn sich der elektrische Durchschlag zwischen der weiteren Elektrode 18 und der Anode 7 ergibt. Wenn in
der Praxis jedoch die Restimpedanz in der Schutzschaltung groß ist, wird auch die Potentialdifferenz zwischen
der Elektrode 6 und der weiteren Elektrode 18 auf Grund des fließenden Entladestromes entsprechend
groß sein.
Die Spit/enspanniing Fn der Potentialdifferenz ist
durch folgende Gleichung bestimmt:
'30
cA
Λ
. W
Z 4- 7
Ci
30 + ^31 L.<
+
1 lierbei bedeutet
Zju die Impedanz zwischen der weiteren Elektrode
18 und der Kathode 5.
Zj 1 die Impedanz der Differenz zwischen der
Impedanz Zio und der Gesamtimpedanz, die im Entladeweg des auf Grund des elektrischer
Durchschlags entstehenden Entladestrom? existiert.
Ca die Streukapazität zwischen der Elektrode f
Ca die Streukapazität zwischen der Elektrode f
und der Kathode 5.
Cb die Streukapazität zwischen der Elektrode £
Cb die Streukapazität zwischen der Elektrode £
und der weiteren Elektrode 18.
Die Ausführungsformen gemäß Fig 3 und 4 sind se ausgebildet, daß die Impedanz Zw während dei
Die Ausführungsformen gemäß Fig 3 und 4 sind se ausgebildet, daß die Impedanz Zw während dei
Entladung verringert wird, so daß die Spitzenspannung
Eo so klein wie möglich gehalten wird, d. h. daß die Potentialdiffcrenz zwischen der Elektrode 6 und der
weiteren Elektrode 18 verringert wird.
Die aus F i g. 5 ersichtliche Ausführungsform ist so ausgebildet, daß die Spitzenspannung £7) der Potcntialdifferenz
weiter reduziert wird, und zwar durch Vergrößern der Impedanz Zw während der Entladung
zusätzlich zur Verringerung der Impedanz Zm.
Dies wird dadurch ermöglicht, daß eine Schaltung 32 eingegliedert wird, die aus einem Transformator 33,
Abgleichwiderständen 34, 35, 36 und 37 und aus einem Hochleistungswiderstand 38 besteht, der die hohe
Ausgangsspannung der Spannungsquclle 9 aushalten kann. Die beiden Enden des Hochleistungswiderstandes
38 sind einerseits an die Verbindungsstelle der Abgleichwiderstände 36, 37 und andererseits an die
Verbindungsstelle der Abgleichwiderstände 34. 35 angeschlossen. Wenn keine Entladung vorliegt, funktioniert
diese Ausführungsform auf die gleiche Weise wie j« die Ausführungsform gemäß Fig. 4. Wenn zwischen
der zweiten Elektrode 18 und der Anode 7 ein elektrischer Durchschlag auftritt, ist der durch den
Hochleistungswidcrstand 38 fließende Entladungsstroni in seiner Größe außerordentlich stark reduziert, und die
Potcntialdifferenz zwischen der Kathode 5 und der ersten Elektrode 6 ist nicht so groß.
Aus Fig. 6 ist eine praktische Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, deren Funktion und Arbeitsweise
im wesentlichen mit derjenigen der Ausführungsform gemäß Fig. 4 und 5 übereinstimmt. Bei dieser
Ausführungsform sind der Impulsgenerator 39, der Isolationstransformator 41, die Gleichspannungsquelle
19 usw. insgesamt in der Isolationssäule 2t angeordnet. Außerdem wird an Stelle des Potentials am Mittelabgriff
der Eingangswindung des Transformators 33 das Potential am Mittelabgriff der Ausgangswindung des
Transformators 33 verwendet. Der Widerstand 44 weist dieselbe Funktion wie der Widerstand 43 gemäß F i g. 5
auf. F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform für einen Gleichspannungsfeld-Emissionsvorgang entsprechend
der Ausführungsform gemäß Fig. 6. Bei dieser Ausführungsform entsprechen sich die Funktionen der
Widerstände 38.44 und 45.
Die aus Fig. 8 ersichtliche Ausführungsform ist derart ausgebildet, daß die Impedanz Zii induktiv
anstatt mittels Widerständen, wie bei den Ausführungsformen
gemäß F i g. 4 bis 7, vergrößert wird. Zu diesem Zvicck weist die Atisführungsform eine Schaltung 32
auf, die aus Spulen Lu, Li; ... L*n und aus
Kondensatoren Ci, C2... Cn besteht. Die Spulen Ln ...
Liw, L21 ... L2N und Lsi ... Lin, die jeweils Teile der
genannten Spulen sind, müssen dieselbe Induktivität aufweisen und einsinnig gewickelt sein, wogegen die
Spulen L,41 ... LtN eine hiervon verschiedene oder
dieselbe Induktivität aufweisen können und in der entgegengesetzten oder auch in der gleichen Richtung
wie die obengenannten Spulen gewickelt sein können.
Aus Fig. 9 ist das physikalische Äquivalent der aus
F i g. 8 ersichtlichen Schaltung 32 ersichtlich, wobei Leitungsdrähte 46, 47, AS und 49, die vom Hochspannungskabel
26 herkommen, auf einen Kern 50 aufgewickelt sind. Hierdurch ist es möglich, die
Kondensatoren G, C2 usw. zu entfernen, solange die Streukapaz.ität zwischen den Leitungsdrähten adäquat
isi.
Demgemäß fließt bei der Ausführungsform gemäß F i g. 8 der Entladestrom durch die Schaltung 32, die eine
hohe Induktivität hat; demgegenüber ist unter normalen Betriebsbedingungen die Induktivität der Schaltung 32
durch die Spulen beseitigt, weswegen sie Null ist. So werden beispielsweise die vom Impulsgenerator 39
erzeugten Impulssignalc ohne Verluste über die Übertragungslinie, die aus den Spulen Ln ... Ιλν.
Ln ... LsNundausden Kondensatoren Ci ... C/vbcsteht
zu der Eingangswindung des Transformators 42 und zum Kondensator Cn+] übertragen. Darüber hinaus
kompensiert der Widerstand 51, der parallel zui Ausgangswindung des Transformators 42 geschaltet ist
den Durchgang der Impulsspannung, die zwischen dei Kathode 5 und der ersten Elektrode 6 angelegt ist. Dei
Heizstrom für die Heizwendel 2 ist durch die Gieichrichtersehaltung 52 gleichgerichtet. Selbst wenr
zum Erhitzen der Wendel 2 Wechselstrom verwende wird, ergibt sich praktisch kein Verlust in der Schaltung
32. da die Spulen Ln ... Liν und L.31 ... Lin die gleiche
Induktivität haben und einsinnig, d.h. in der gleicher Richtung gewickelt sind.
Es ist selbstverständlich möglich, bei der Ausfüh rungsform gemäß Fig. 2 ebenfalls Spulen des Schalt
kreises 32 zwischen die Hochspannungsquellen 9 unc die Verbindungsstelle des Emitters mil der Spannungs
quelle 8 zu schalten.
Hierzu 8 Blafi Zeichnungen
Claims (2)
1. Einrichtung zum Schutz der Kathode einer Feldemissions-Elektronenkanone mit einer beheizten
Kathode, einer Anode, einer Hochspannungsquelle, die zwischen der Kathode und der Anode
eine der Beschleunigung der Elektronen dienende Potentialdifferenz erzeugt, einer Elektrode, die
zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist, und einer Spannungsquelle, die zwischen der
Kathode und der Elektrode eine Pottntialdiffcrenz erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der Hochspannungsquelle (9) und der Elektrode (6) bzw. einer zwischen der Elektrode (6)
und der Anode (7) angeordneten weiteren Elektrode (*8) eine Schutzeinrichtung (13) angeordnet ist, die
bei einem Zusammenbruch der elektrischen Spannung zwischen der Elektrode (6) bzw. der weiteren
Elektrode (18) und der Anode (7) verhindert, daß die Potentialdifferenz zwischen der Kathode (5) und der
Elektrode (6) über einen Wert ansteigt, der die Beschädigung der Kathodenspitze herbeiführt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochleistungswiderstand (38) oder
eine Induktivität (L) zwischen die Hochspannungsquelle (9) und die Kathode (5) geschaltet ist, wobei
der Hochleistungswiderstand oder die Induktivität den Entladestrom während des Zusammenbruches
der elektrischen Spannung zwischen der Anode (7) und der weiteren Elektrode (18) verringert.
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