DE2336851C3 - Glühemlssions-Elektronenquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Glühemissions-Elektronenquelie mit einer Kathode zur Emission von thermischen Elektronen, einer der Kathode gegenüberliegenden Anode, einer Spannungsquelle zum Anlegen einer hohen Potentialdifferenz zwischen der Kathode und der Anode und einer gegenüber der Kathode auf negtivem Potential gehaltenen Wehnelt-Elektrode zwischen der Kathode und der Anode, wobei die der Anode zugewandte Seite der Wehnelt-Elektrode konvex, die der Kathode zugewendete Seite der Wehnelt-Elektrode konisch mit einem Öffnungswinke! β im Bereich 30°</3<90° und die Öffnung der Wehnelt-Elektrode an ihrer engsten Stelle zylindrisch ausgebildet ist. Eine derartige Elektronenquelle ist bekannt (deutsche Offenlegungsschrift 1414825).

Elektronenstrahlenquellen, welche in Elektronenmikroskopen verwendet werden, müssen einen Elektronenstrahl erzeugen, der eine hohe Helligkeit, einen hohen Grad von Parallelität und eine hohe Dichtegleichförmigkeit aufweist, um ein Bild mit hoher Qualität zu garantieren.

Die bis jetzt bekanntgewordenen Elektronenquellen für die Emission von thermischen Elektronen sind jedoch nicht geeignet, um die vorstehenden Erfordernisse zu erfüllen, weshalb die Qualität des Mikroskopbildes unter dem gewünschten Ausmaß bleibt. Der Grund hierfür liegt hauptsächlich in der Gestalt der Wehnelt-Elektrode und der Lage der Kathode in bezug auf die Wehnelt-Elektrode.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1414 825 ist durch die zeichnerische Darstellung in der Fig. 1 bei einer Elektronenstrahlquelle mit Glühfaden als Kathode eine Wehnelt-Elektrode bekannt, deren öffnung an der engsten Stelle zylindrisch, deren der Anode zugewandte Seite konvex und deren der Kathode zugewendete Seite konisch ausgebildet sind.

Daß neben der Gestaltung der Wehnelt-Elektrode auch die Lage der Kathode bezüglich der Wehnelt-Elektrode zur Erzielung einer optimalen Parallelität und gleichmäßigen Stromdichte Bedeutung zukommt,

ist aus dieser Druckschrift nicht bekannt. Bei dem bekannten Strahlerzeuguagssystem soll vielmehr durch geeignete Ausbildung des Beschleunigungsfeldes ein in seiner Größe regelbarer Beleuchtungsfleck erzielt werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine thermische Elektronenquelle zu zeigen, mit der ein Elektronenstrahl erzeugt werden kann, der einen hohen Grad von Parallelität und Dichtegleichförmigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird bei der Elektronenquelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Abstand H zwischen der Spitze der Kathode und dem der Kathode abgewandten Rand des zylindrischen Teils der Öffnung der Wehnelt-

Elektrode die Beziehung 0,4 D< //<0,8 D, in welcher D den Durchmesser der öffnung der Wehnelt-Elektrode bedeutet, und die Höhe b des zylindrischen Teils der Öffnung der Wehnelt-Elektrode die Beziehung 0,2D<K0,8 D erfüllen.

»5 Die vorstehende Aufgabe wird somit durch Verbesserung der Form der Wehnelt-Elektrode und durch die spezielle Anordnung der Kathode bezüglich der Wehnelt-Elektrode gelöst. Indem die im vorstehenden genannte Beziehung erfüllt wird, ist der Ab-

stand zwischen der Kathode und der Wehnelt-Elektrode groß genug, um Mikrocntladungen zu vermeiden, wodurch die effektive Lebensdauer der Kathode verlängert wird. Demzufolge besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, die effektive Lebensdauer der Kathode zu verlängern.

Aus »Optik« Band 15 (1958), Heft 4, Seiten 244 bis 260, insbesondere Seiten 248 und 249, ist es zwar bereits bekannt, einen parallelen Elektronenstrahl mit Hilfe einer Fernfokuskathode zu erzeugen, indem man den Abstand zwischen Kegelelektrode und großer Steuerblende auf einen bestimmten Wert einstellt. Daß man jedoch eine optimale Parallelität und Stromdichtegleichförmigkeit des Elektronenstrahls durch eine bestimmte Lage der Kathode gegenüber der Wehnelt-Elektrode erzielen kann, ist aus dieser Druckschrift nicht bekannt.

Ferner ist aus dieser Druckschrift insbesondere Seite 245 bekannt, daß man den Abstand der Kathodenspitze vom unteren Rand der öffnung der Wehnelt-EIektrode bis zur Hälfte des Durchmessers der öffnung der Wehnelt-Elektrode bemißt. Daß sich durch die bestimmte Bemessung des Abstandes zwischen dem unteren Rand der öffnung der Wehnelt-Elektrode und der Kathodenspitze im Zusammenhang mit der bestimmten Bemessung der Höhe des zylindrischen Teils der öffnung der Wehnelt-Elektrode ein paralleler Elektronenstrahl mit hoher Gleichförmigkeit der Stromdichte erzielen läßt, geht jedoch aus dieser Textstelle nicht hervor.

Bei der thermischen Elektronenquelle gemäß der Erfindung kommt eine Wehnelt-Elektrode mit sinnvoller Gestaltung zur Anwendung, wobei die Kathode der Elektronenquelle bezüglich der Wehnelt-Elektrode so angeordnet sit, daß eine bestimmte optimale Lagebeziehung erfüllt wird. Hierdurch wird die Erzeugung eines Elektronenstrahls mit hohem Grad an Parallelität und hoher Dichtegleichförmigkeit erzeugt. Diese Eigenschaften dienen zur Verbesserung der

Gesamtleistungsfähigkeit eines Elektronenmikroskops.

Beispielsweise wurde durch Versuchsergebnisse bestätigt, daß auf Grund der Parallelität des Strahls dicke Proben untersucht werden können. Aus der Parallelität des Strahls resultiert gleichfalls eine Verminderung der Elektronenstreuung in der Probe, wodurch die Probenverseuchung und Hitzebeschädigung herabgesetzt wird. Insbesondere bei der Untersuchung von biologischen Proben ermöglicht der Phasenkontrast die Trennung des Bildes der Probenstruktur vom Bildrauschpegel, und zwar auf Grund der erhöhten Tiefenschärfe.

Gleichzeitig ermöglicht ein Elektronenstrahl mit hoher Dichtegleichfönnigkeit, ein Bild mit niedriger Vergrößerung mit gleichförmiger Helligkeit abzubilden. Hierbei wird die Notwendigkeit der Einstellung des Stigmators beseitigt, da der Strahlastigmatismus ständig konstant bleibt, und zwar unabhängig von irgendwelchen Änderungen bei der Beschleunigungs- ao spannung oder Bildvergrößerung.

An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten thermischen Elektronenquelle,

Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Eigenschaften der thermischen Elektronenquelle in der Fig. 1,

Fig. 4 den wesentlichen Teil der Elektronenquelle gemäß der Erfindung,

Fig. 5,6 und 7 schematische Darstellungen der Eigenschaften des Elektronenstrahls, der mit der Elektronenquelle gemäß der Erfindung erzeugt wird.

In Fig. 1 ist eine Elektronenquellekammer 1 dargestellt, welche auf einer Mikroskopsäule angeordnet ist. Mit 2 ist ein Isolator bezeichnet, der mit Isoliermateiial 3 angefüllt ist. Ein Teil eines Hochspannungskabels 4 ist im verfestigten Isoliermaterial 3 verlegt. Zuführungsdrähte 5, 6 und 7 bilden den elektrischen Leitungsweg des Hochspannungskabels 4. Die einen Enden der Zuführungsdrähte 5 und 6 und das eine Ende des Zuführungsdrahtes 7 sind entsprechend mit einer Heizstromquelle 8 und einer Hochspannungsquelle 9 (Gleichspannung) verbunden. Die entgegengesetzten Enden der Zuführungsdrähte sind mit den Stäben 10, 11 und 12 verbunden. Ein Glühfaden 13 als Kathode ist an die Stäbe 10 und 11 angeschlossen, wobei dieser Glühfaden von dem Wechselstrom der Heizstromquelle 8 erhitzt wird. Die Heizstromquelle 8 ist über die Zuführungsdrähte 5 und 6 und die Stäbe 10 und 11 angelegt. Mit 14 ist eine Wehnelt-Elektrode bezeichnet, welche verschraubbar mit einem Befestigungselement 15 verbunden werden kann und so am Isolator 2 befestigt werden kann. Diese Elektrode ist mit einer negativen Hochspannung beaufschlagt, welche von der Hochspannungsquelle 9 (Gleichspannung) über den Zuführungsdraht 7 den Stab 12 und das Befestigungselement IS angelegt wird. Ein Widerstand 16 ist zwischen die Zuführungsdrähte 6 und 7 geschaltet und dient als Kathodenwiderstand, um die Elektronen, welche aus dem Glühdraht durch Änderung der Vorspannung emittiert werden, zu steuern. »A« bedeutet den Überkreuzungspunkt unter der Bedingung, daß die Spitze des Glühfadens mit dem unteren Rand der Öffnung der Wehnelt-Elektrode ausgerichtet ist. Dieser Überkreuzungspunkt wird vom elektrostatischen Feld zwischen dem Glühfaden und der Anode 17 gebildet.

Es wird nun Bezug genommen auf die Fig. 2 und 3. In der Fig. 2 ist das Bild eines Haarnadel-Glühfadens dargestellt, welches durch die in Fig. 1 beschriebene Glühemissions-Elektronenquelle bei verhältnismäßig niedrigen Glühfadentemperaturen erzielt worden ist. Wie aus der Figur zu erkennen ist, besteht das Glühfadenbild aus einer leicht elliptischen hellen Fläche in der Mitte und zwei heilen Flächen an der Peripherie, welche mehr oder weniger wie Kreiszweiecke ausgebildet sind. Die Fig. 3 zeigt die Strahlintensitätverteilungskurve des Glühfadenbildes in der Fig. 2. Wie aus der Kurvendarstellung hervorgeht, ist die Strahlintensität in der Mitte des Bildes am stärksten und an den Umfangsflächen äußerst schwach ausgebildet. Um nun einen Elektronenstrahl zu erhalten, der einen hohen Grad von Parallelität und hoher Dichtegleichförmigkeit aufweist, ist es notwendig, einen großen Teil des Elektronenstrahls durch Einsetzen einer Objektivöffnung geringen Durchmessers abzuschneiden. Auf diese Weise geht jedoch ein Teil des Strahlstroms verloren.

Die Fig. 4 zeigt schematiscii die Gestalt der Wehnelt-Elektrode und die Lage des Glühfadens bezüglich der Wehnelt-Elektrode gemäß der Erfindung. Die der Anode gegenüberliegende Seite 18 der Wehnelt-Elektrode ist konvex ausgebildet, und der Abstand H zwischen der Spitze des Glühfadens und dem unteren Rand der öffnung der Wehnelt-Elektrode erfüllt die vorstehend schon erwähnte Beziehung 0,4 D<H<0,& D, wobei D der Durchmesser der Öffnung der Wehnelt-Elektrode ist. Wenn die Höhe b des zylindrischen Teils der öffnung der Wehnelt-Elektrode die Beziehung 0,2 D<ft<(),8 D erfüllt, sind hervorragende Ergebnisse gesichert.

Die Fig. 5 zeigt den Bahnverlauf des Elektronenstrahls, der von der Quellenkathode gemäß der Erfindung ausgesendet wird. Eb ist festzustellen, daß ein hoher Grad an Parallelität gewährleistet ist.

Die Fig. 6 und 7 zeigen dar, Glühfadenbild, welches von der Glühemissions-Elektronenquelle gemäß der Erfindung erzeugt wird, und die entsprechende Strahlintensitätsverteilungskurve bei verhältnismäßig nied riger Glühfadentemperatur. Die Strahlintensitätsverteilungskurve zeigt eine oben abgeflachte Kurve, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist. Das Glühfadenbild besteht nämlich aus einer nur sehr gering elliptischen hellen Fläche in der Mitte und einer ringförmigen hellen Fläche, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Demzufolge erzeugt die Elektronenquelle gemäß der Erfindung einen Elektronenstrahl mit hoher Dichtegleichförmigkeit.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Glühemissions-Elektronenquelle mit einer Kathode zur Emission von thermischen Elektronen, einer der Kathode gegenüberliegenden Anode, einer Spannungsquelle zum Anlegen einer hohen Potentialdifferenz zwischen der Kathode und der Anode und einer gegenüber der Kathode auf negativem Potential gehaltenen Wehnelt-Elektrode zwischen der Kathode und der Anode, wobei die der Anode zugewandte Seite der Wehnelt-Elektrode konvex, die der Kathode zugewandte Seite der Wehnelt-Elektrode konisch mit einem öffnungswinkel β im Bereich 30° </3<9O° und die öffnung der Wehnelt-Elektrode an ihrer engsten Stelle zylindrisch ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,daß der Abstand //zwischen der Spitze der Kathode (13) und dem der Kathode abgewandten Rand des zylindrischen Teils der öffnung der Wehnelt-Elektrode (18) die Beziehung 0,4D<H<0,8D, in welcher D den Durchmesser der öffnung der Wehnelt-Elektrode bedeutet, und die Höhe b des zylindrischen Teils der öffnung der Wehnelt-Elektrode die Beziehung 0,2 D<K0,8D erfüllen.