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Die Erfindung betrifft die Form einer elektrischen
Isoliervorrichtung, speziell einer Beschleunigungsröhre für
geladene Teilchen, die weniger einer Hochspannungsentladung
unterliegt.
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Die herkömmliche Hochspannungs-Isoliervorrichtung wird
dadurch erläutert, daß als Beispiel eine Beschleunigungsröhre
herangezogen wird, wie sie in einem Elektronenmikroskop
verwendet wird. Eine herkömmliche Beschleunigungsröhre für ein
Elektronenmikroskop besteht aus einer Anzahl von
Isolierteilen (Zylindern aus Porzellan oder Keramik). Diese
Isolierteile, die an beiden Enden mit einem leitenden Film (der
durch einen Metallisierungsprozeß hergestellt wurde)
versehen sind, sind durch leitende Teile (metallische
Elektrodenhalteplatten) aufeinanderfolgend verbunden, um eine
mehrstufige Beschleunigungsröhre fertigzustellen, wie in
JP-U-62-67455 (gedruckte Veröffentlichungsoffenlegung Nr. 62-67455
einer japanischen Gebrauchsmusteranmeldung) beschrieben.
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Die vorstehend genannte Druckveröffentlichung beruht auf der
Tatsache, daß eine kleine Entladung, die in einem kleinen
Spalt an einer Kante des leitenden Films auftritt, zu einer
großen Entladung anwächst, und es ist beabsichtigt, das
Auftreten der Hochspannungsentladung dadurch zu verhindern, daß
eine Metallisierungsschicht ausgebildet wird, die auf der
Verbindungsfläche der beiden Enden der Isolierzylinder
geringfügig hervorsteht. Obowhl dieser Stand der Technik der
Überlegung nach zum Verhindern einer kleinen Entladung von
der Elektrodenträgerplatte zum Isolierzylinder durch den
Spalt an der Kante der Metallisierungsschicht wirksam ist
ist es wahrscheinlicher, daß eine kleine Entladung aus dem
leitenden Teil einschließlich der Elektrodenträgerplatte und
der Metallisierungsschicht auftritt, insbesondere zum
Isolierzylinder in einem vorstehenden Abschnitt, in dem sich
das elektrische Feld konzentriert. Der vorstehend genannte
Stand der Technik betrifft keine kleinen Entladungen dieses
Typs, und das Entladen aufgrund einer Ausbildung von
Vorsprüngen durch die herausstehende Metallisierungsschicht
wird nicht behandelt.
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Die Erfindung soll eine Hochspannungs-Isolierstruktur
schaffen, die das Auftreten einer kleinen Entladung unterdrückt
und auch ein Anwachsen kleiner Entladungen zu großen
Entladungen unterdrückt.
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Diese Aufgabe wird durch eine
Hochspannungs-Isoliervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 5 gelöst.
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Gemäß einer Erscheinungsform der Erfindung ist ein
Verbindungsflächeabschnitt als Endabschnitt eines Isolierteils
(der demjenigen Verbindungsabschnitt des zylindrischen
Isolators beim vorstehend genannten Stand der Technik
entspricht, der in bezug auf den anderen relativ negativ
gehalten wird) zu einem leitenden Teil in seinem Längsschnitt im
wesentlichen T-förmig ausgebildet, und der erhöhte Teil des
Endabschnitts des Isolierteils mit T-Form im Querschnitt
wird als Verbindungsfläche zum leitenden Teil verwendet, und
Gräben sind stufenförmig ausgebildet, von denen sich der
erhöhte Teil des Endabschnitts des Isolierteils mit T-Form im
Querschnitt erstreckt, und wobei die Tiefenrichtung der
Gräben im wesentlichen entgegengesetzt zur Richtung (im
Definitionssinn) eines elektrischen Felds ist, dem das Isolierteil
ausgesetzt sein kann.
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Ferner wird der Effekt der Erfindung durch das Vorsehen
leitender Beschichtungen auf der Verbindungsfläche und einer
Seitenfläche des erhöhten Teils des Endabschnitts des
isolierenden Teils mit T-Form im Querschnitt sowie auf den
Gräben sehr verstärkt.
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Ferner ist ein ähnlicher Effekt zu erwarten, wenn der
Verbindungsflächeabschnitt mindestens eines der Endabschnitte
eines isolierenden Teils, das auf relativ negativer Spannung
in bezug auf das andere gehalten wird, im Längsschnitt mit
im wesentlichen U-Form ausgebildet ist, was von einer
Erweiterung der vorstehend genannten Gräben zum Aufbrauchen des
erhöhten Teils herrühren kann, und eine leitende
Beschichtung ist auf der Innenseite des Endabschnitts des
Isolierteils mit U-Form im Querschnitt ausgebildet.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, daß feste
Isoliermaterialien an ihrer Oberfläche im Vergleich zum Volumen ein
wesentlich kleines Isoliervermögen aufweisen. Daher ist es zum
Verhindern einer Hochspannungsentladung erforderlich, daß
die Isolatoroberfläche das Auftreten einer kleinen Entladung
verzögert und das Wachstum einer kleinen Entladung in eine
große Entladung verzögert. Bei der Struktur der
herkömmlichen Isoliervorrichtung erstrecken sich die Enden der
Metallisierungsschicht und des Lötmaterials praktisch in Richtung
des elektrischen Felds, und daher ist es wahrscheinlich, daß
an einer Endfläche mit relativ negativem Potential folgendes
auftritt: (1) das Auftreten einer kleinen Entladung in
Spalten an der Kante der Metallisierungsschicht und (2) die
Beschleunigung von Elektronenströmen und Sekundärelektronen,
wie sie durch die kleine Entladung erzeugt werden, zur Seite
auf relativ positivem Potential aufgrund der Richtung der
Isolierzylinderwand, die dicht bei der Richtung des
elektrischen Felds liegt, was es fördert, daß die kleine Entladung
zu einer großen Entladung anwächst.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist es unwahrscheinlich,
daß Elektronenströme und Sekundärelektronen, die durch eine
kleine Entladung an den Enden leitender Teilchen
einschließlich der Beschichtung erzeugt werden, zu einer großen
Entladung anwachsen, da die Richtung des Entladungspfads entlang
der Wand des Isolierteils notwendigerweise einen Abschnitt
beinhaltet, dessen Richtung wegen des Vorsehens von Gräben
entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Felds ist.
Insbesondere führt das weitere Vorsehen leitender
Beschichtungen auf der Oberfläche und den Seitenflächen des
Endabschnitts des Isolierteils mit T-Form im Querschnitt, der auf
relativ negativem Potential in bezug auf den anderen
Endabschnitt des Isolierteils gehalten wird, und auf der
Innenfläche der Gräben zu folgendem: (1) Unwahrscheinlichkeit des
Auftretens kleiner Entladungen, da jeder Spalt an einem Ende
oder einer Kante der leitenden Beschichtung oder eines
ähnlichen Leiters auf dem Isolierteil eine Wand für eine
Entladung in einer Richtung im wesentlichen entgegengesetzt zur
Richtung des elektrischen Felds bildet und das elektrische
Feld am Ende des Isolierteils durch das Vorhandensein des
Leiters im Graben geschwächt wird; und (2)
Unwahrscheinlichkeit des Anwachsens einer kleinen Entladung zu einer großen
Entladung, da die Wandfläche des Isolierteils eine Richtung
aufweist, die sich stark von der Richtung des elektrischen
Felds unterscheidet, und da das elektrische Feld aus
demselben Grund wie beim Punkt (1) angegeben geschwächt wird, und
demgemäß werden durch die kleine Entladung erzeugte
Sekundärelektronen nicht stark beschleunigt.
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Die Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung besser
verständlich werden.
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In den Zeichnungen ist folgendes dargestellt:
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt, der ein erstes
Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf eine Elektronenkanone
zeigt;
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Fig. 2 ist ein Längsschnitt, der die gesamte
Elektronenkanone gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
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Fig. 3 ist ein Längsschnitt, der Einzelheiten eines Teils
der Elektronenkanone gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt; und
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Fig. 4 ist ein Längsschnitt, der Einzelheiten eines Teils
der Elektronenkanone gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme
auf Fig. 1 und Fig. 2 erläutert. Dieses Ausführungsbeispiel
ist eine Anwendung dieser Erfindung auf eine mehrstufige
Elektronenkanone, die in einem Elektronenstrahlgerät und
dergleichen verwendet wird.
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Fig. 2 ist ein Langsschnitt durch die mehrstufige
Elektronenkanone. Diese Elektronenkanone verfügt über eine
Vakuumkammer mit einer Elektronenkanone-Vakuumkammer 5, die über
der Elektronenmikroskopsäule oder einem Zylinder 8 liegt,
und einer Beschleunigungsröhre 2, die über der Vakuumkammer
5 liegt, und der Innenraum der Kanone wird durch eine (nicht
dargestellte) Vakuumpumpe über die Vakuumkammer durch die
Elektronenkanone-Vakuumkammer oder den
Elektronenmikroskopzylinder evakuiert. Eine Elektronenstrahlquelle 1 und
Beschleunigungselektroden 3 sind innerhalb der
Beschleunigungsröhre angeordnet, und Entladungen verhindernde
Elektroden 4 für die einzelnen Stufen sind an der Außenwand der
Beschleunigungsröhre befestigt. Der
Beschleunigungsrohrabschnitt ist durch eine Hochspannungs-Isolierkammer 6
abgedeckt, die mit isolierendem Gas wie Hexafluorschwefel
gefüllt ist. An die Elektronenstrahlguelle der
Elektronenkanone
anzulegende Hochspannung wird von einer (nicht
dargestellten) Hochspannungsquelle über ein Hochspannungskabel 7
in die Hochspannungs-Isolierkammer 6 geliefert. Die
Zugeführte Hochspannung wird auch an die
Beschleunigungselektroden 3 und die Entladungen verhindernden Elektroden 4 dadurch
angelegt, daß sie durch Spannungsteilungswiderstände 9
unterteilt wird, die zwischen den Beschleunigungsröhren
benachbarter Stufen liegen. Dieses Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist auf eine Isoliervorrichtung angewandt, die die
Beschleunigungsröhre bildet.
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt, der Einzelheiten eines Teils
der Beschleunigungsröhre der in Fig. 2 dargestellten
Elektronenkanone zeigt. Die Beschleunigungsröhre beinhaltet
mehrere Isolierzylinder 10A mit jeweils einem oberen
Verbindungsabschnitt, der sich auf der Seite relativ negativen
Potentials befindet und der im Längsschnitt mit im
wesentlichen T-Form ausgebildet ist. Jedes Zylinderteil 10 (das eine
Beschleunigungsröhre 2 bildet) weist leitende Beschichtungen
12A auf der Oberfläche und den Seitenflächen des erhöhten
Teils des Verbindungsabschnitts mit T-Form im Querschnitt
und auf der Innenfläche der Gräben auf, die in der Stufe des
erhöhten Teils ausgebildet sind. Eine Anzahl derartiger
Isolierteile ist dadurch aufeinanderfolgend angeordnet, daß sie
über leitende Teile 11A verlötet sind. Das leitende Teil 11A
ist hinsichtlich des Innen- und Außendurchmessers
exzentrisch, und es ist an der Innenseite mit einer
Beschleunigungselektrode 3, an der Außenseite mit einer Entladungen
verhindernden Elektrode 4 und im Raum zwischen dem
Isolierteil 10A und der Entladungen verhindernden Elektrode 4 mit
einem Spannungsteilerwiderstand 9 versehen. Kurven A-A'
zeigen Äquipotentiallinien in der Umgebung dieser Komponenten.
Es ist eine wohlbekannte Tatsache, daß Elektronen einer
Kraft in positiver Richtung rechtwinklig zu
Äquipotentiallinien ausgesetzt und in dieser Richtung beschleunigt
werden.
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Bei einer Beschleunigungsröhre dieser Struktur besteht die
Wahrscheinlichkeit, daß eine Entladung im Abschnitt zwischen
dem leitenden Teil 11A und dem Isolierteil 10A auftritt, der
dem Vakuum oder dem Isoliergas ausgesetzt ist, d. h. an der
Kante der leitenden Beschichtung 12A. Bei diesem Abschnitt
besteht die Tendenz, daß er einen kleinen Spalt aufweist,
wie es im Stand der Technik wohlbekannt ist. Selbst eine
kleine an den Spalt angelegte Spannung erzeugt ein extrem
starkes elektrisches Feld, was das Auftreten einer kleinen
Entladung fördert. Wenn ein durch die kleine Entladung
erzeugter Elektronenstrahl zum Bereich auf relativ positivem
Potential beschleunigt wird, wächst er zu einem relativ
großen Elektronenstrahl an, während er im Isolierteil
Sekundärelektronen erzeugt und die positive Gegenelektrode erreicht,
was zu einer großen Entladung führt. Die Kante des leitenden
Teils hat nicht immer eine glatte Endbearbeitung, sondern
sie verfügt oft über eine Ausbildung kleiner Unebenheiten.
Diese Vorsprünge zeigen die Tendenz für ein konzentriertes
elektrisches Feld, das in vielen Fällen als Entladungsfeld
zum Erzeugen eines Elektronenstroms wirkt. Der
Elektronenstrom kann, wenn er beschleunigt wird, durch denselben
Prozeß, wie oben angegeben, zu einer großen Entladung
anwachsen.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das elektrische Feld
an den kleinen Vorsprüngen oder kleinen Spalten, wie sie an
den Kanten der leitenden Beschichtungen ausgebildet sind,
durch die leitenden Beschichtungen auf den Gräben
abgeschwächt werden, und diese Struktur unterdrückt das
Auftreten kleiner Entladungen von Anfang an. Selbst beim Auftreten
einer Entladung in den kleinen Vorsprüngen oder kleinen
Spalten, wie sie an den Kanten der leitenden Beschichtung
bestehen, tritt kaum eine Entwicklung zu einer großen
Entladung
auf, da die Beschleunigungsrichtung für den
Elektronenstrahl stark verschieden von der Richtung der Oberfläche der
Isoliervorrichtung ist, entlang der ein Entladungspfad
ausgebildet ist. Die Struktur dieses Ausführungsbeispiels ist
ebenfalls für die Herstellung mehrstufiger
Beschleunigungsröhren von deutlichem Vorteil. Bei der Struktur einer
herkömmlichen mehrstufigen Beschleunigungsröhre fließt
Lötmaterial, wie es dazu verwendet wird, die leitenden
Beschichtungen mit dem leitenden Teil zu verbinden, häufig auf der
Oberfläche des Isolierteils und dieses Lötmaterial bildet
einen Vorsprung in Richtung des elektrischen Felds, was
offensichtlich das Auftreten einer Entladung hervorruft.
Dahingegen wird bei der erfindungsgemäßen Struktur das
Fließen von Lötmaterial durch den Graben verhindert, und die
Ausbildung von Vorsprüngen kann verhindert werden.
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Was die Beschleunigung von Elektronen wie im Fall einer
Elektronenkanone betrifft, hat ein Abschnitt näher an der
Elektronenstrahlquelle ein relativ negatives Potential, und
aus diesem Grund ist der Verbindungsabschnitt an der
Oberseite des Isolierteils im allgemeinen im Längsschnitt
T-förmig ausgebildet, und Gräben sind gemäß der Erfindung
unterhalb des erhöhten Teils im gestuften Abschnitt ausgebildet.
Der Boden des Isolierteils 10A kann mit derselben Form
ausgebildet sein. Bei Geräten, die so konzipiert sind, daß sie
positiv geladene Teilchen beschleunigen, wird die vorstehend
genannte Form des Längsschnitts für den Abschnitt des
Isolierteils entfernt von der Quelle des geladenen
Teilchenstrahls verwendet. Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel das
Innere der Gräben mit einer leitenden Beschichtung versehen
ist, kann Auffüllung mit leitendem Material vorliegen, um
dieselbe Wirkung zu erzielen.
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Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,
das wie das vorige Ausführungsbeispiel auf eine
Elektronenkanone
angewandt ist. Die Figur ist ein Längsschnitt durch
den Verbindungsabschnitt von Beschleunigungsröhren. Beim
zweiten Ausführungsbeispiel ist die Oberseite des
zylindrischen Isolierteils 10A im Längsschnitt im wesentlichen T-
förmig ausgebildet, leitende Beschichtungen 12B sind auf der
Oberfläche des erhöhten Teils des einen Endabschnitts des
Isolierteils 10A mit T-förmigem Querschnitt und auf dem
anderen Endabschnitt des Isolierteils ausgebildet, jedoch sind
die Seitenflächen des erhöhten Teils und das Innere der
Gräben nicht mit einer leitenden Beschichtung versehen. Eine
vollständige Beschleunigungsröhre besteht aus einer Anzahl
zylindrischer Isolierteile 10A, die unter Zwischenfügung
leitender Teile 11A, die jeweils zwischen die Oberfläche des
erhöhten Teils des einen Endabschnitts eines Isolierteils
und der Bodenfläche des anderen Endabschnitts des darüber
liegenden oder oberen Isolierteils aufeinanderfolgend
miteinander verbunden sind. Beschleunigungselektroden 3 sind an
der Innenseite des leitenden Teils 11A befestigt, und
Entladungen verhindernde Elektroden 4 sind an der Außenseite
befestigt, wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Auch bei
diesem Ausführungsbeispiel ist der Abschnitt, der
wahrscheinlich kleine Entladungen hervorruft, die Kante der
leitenden Beschichtung 12B, und Äquipotentiallinien sind
dergestalt, wie durch die Kurven A-A' dargestellt. Da die Kante
der leitenden Beschichtung 12B in einer Richtung nahe bei
der Richtung des elektrischen Felds zeigt, ist der
Entladungsverhinderungseffekt etwas schlechter als beim ersten
Ausführungsbeispiel. Jedoch unterscheidet sich, obwohl ein
durch eine kleine Entladung erzeugter Elektronenstrahl zum
Boden eines Grabens hin beschleunigt wird, die Richtung des
elektrischen Felds deutlich von der Wandebene der
Isoliervorrichtung an Positionen über dem Boden, und daher
erreichen durch Entladung erzeugte Elektronen kaum die positive
Elektrode, und demgemäß wachsen diese Entladungen kaum zu
großen Entladungen an.
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Die Beschleunigungsröhre dieses Ausführungsbeispiels
erfordert eine Abdichtungsstruktur für dichtes Vakuum, und das
leitende Teil wird über einen Prozeß für eine leitende
Beschichtung an die Oberseite des erhöhten Teils gelötet. Wenn
keine hermetische Abdichtung erforderlich ist, kann die
leitende Beschichtung auf Kosten einer verschlechterten Wirkung
weggelassen werden.
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Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch ein anderes
Ausführungsbeispiel der Erfindung, der Einzelheiten eines Teils eines
Elektronenstrahl-Beschleunigungsgeräts zeigt. Bei diesem
Ausführungsbeispiel wird eine vollständige
Beschleunigungsröhre dadurch gebildet, daß zylindrische Isolierteile 10C
aufeinanderfolgend über leitende Teile 11A und leitende
Abstandshalter 11C miteinander verbunden werden.
Beschleunigungselektroden 3 und Entladungen verhindernde Elektroden 4
sind an der Innenseite bzw. der Außenseite der leitenden
Teile 11A und der leitenden Abstandshalter 11C befestigt.
Der Verbindungsabschnitt oder der eine Endabschnitt des
Isolierteils 11C in Verbindung mit dem leitenden Teil 11A und
dem leitenden Abstandhalter 11C, welcher
Verbindungsabschnitt oder Endabschnitt auf relativ negativer Spannung in
bezug auf den anderen Verbindungsabschnitt oder den anderen
Endabschnitt gehalten wird, ist im Längsschnitt im
wesentlichen U-förmig ausgebildet, und seine Innenseite ist mit
einer leitenden Beschichtung 12C versehen. So ist der
leitende Abstandhalter 11C zwischen der Bodenfläche des
U-förmigen Endabschnitts und dem leitenden Teil 11A angeordnet.
Dieses Ausführungsbeispiel ist eine Variante des ersten
Ausführungsbeispiels dadurch, daß die erhöhten Abschnitte der
Isolierteile durch die leitenden Abstandhalter 11C ersetzt
sind. Die Bodenfläche des Endabschnitts des Isolierteils 11C
mit U-Form im Querschnitt wird auf demselben Potentialniveau
wie das leitende Teil 11C gehalten. Der andere
Verbindungsabschnitt
oder Endabschnitt des Isolierteils kann dieselbe
Struktur wie beschrieben aufweisen. Die Funktionsfähigkeit
und die Wirkung hinsichtlich der Entladungsverhinderung und
der Herstellvorteil sind insgesamt identisch mit dem, was
für das erste Ausführungsbeispiel gilt.
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Gemäß der Erfindung muß ein Elektronenstrahl, wenn er an
einem Ende eines Hochspannungs-Isolierteils erzeugt wird,
durch einen Bereich eines elektrischen Felds in
Gegenrichtung oder nahezu Gegenrichtung laufen, bevor er das andere
Ende durch das Laufen über die Oberfläche des Isolierteils
erreicht. Demgemäß verhindert die Struktur wirkungsvoll das
Anwachsen einer kleinen Entladung zu einer großen Entladung.
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Die Ausbildung eines kleinen Spalts im
Kontaktverbindungsabschnitt zwischen dem Hochspannungs-Isolierteil und dem
leitenden Teil wird gelindert, und daher wird die Erzeugung
einer kleinen Entladung unterdrückt und dadurch wird der
Entladungsverhinderungseffekt weiter verbessert.
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Der Kontaktverbindungsabschnitt des
Hochspannungs-Isolierteils und des leitenden Teils weist eine Öffnungsrichtung
auf, die deutlich verschieden von der Richtung des
elektrischen Felds gemacht ist, und das elektrische Feld selbst
wird durch die leitende Beschichtung oder das leitende
Filmmaterial geschwächt. Daher unterdrückt die Struktur die
Erzeugung einer kleinen Entladung und die Beschleunigung
erzeugter Elektronenströme und sie verbessert das
Entladungsverhinderungsvermögen weiter.
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Obwohl die vorstehenden Ausführungsbeispiele mehrstufige
Beschleunigungsröhren eines Elektronenmikroskops betreffen,
ist die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt,
sondern eine ähnliche Wirkung ist zu erwarten, wenn sie
allgemein auf Isolatoren und die Isolierstruktur elektrischer
Schaltungen angewandt wird.