DE1133838B - Strahlquelle zur Erzeugung eines intensitaetsreichen Elektronenstrahles - Google Patents

Description

INTERNAT.KL. HOIj

DEUTSCHES

PATENTAMT

Z 6840 Vinc/21g

ANMELDETAGi 6. SEPTEMBER 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 26. JULI 1962

Die Erfindung betrifft eine Strahlquelle zur Erzeugung eines intensitätsreichen Elektronenstrahles von kreisrundem Querschnitt, welche eine haarnadelförmige Glühkathode, eine Wehnelt-Elektrode und eine Anode enthält. Ein solcher Ladungsträgerstrahl wird beispielsweise bei der Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl benötigt.

Bei den normalerweise verwendeten Strahlerzeugungssystemen mit haarnadelförmig gebogenem Wolframdraht-Kathoden entsteht über das Immersionssystem Kathode—Steuerelektrode—Anode ein Astigmatismus. Der eine Teil dieses Fehlers rührt von der verschiedenen Krümmung des Drahtes der Kathode in den beiden Hauptrichtungen her. Der zweite Teil entsteht durch die Ausdehnung der Emissionsfläche der Kathode nach zwei Richtungen entlang des emittierenden Drahtes. Bei elektronenoptischer Fokussierung des erzeugten Elektronenstrahles wird also die Intensität des Strahles in der Fokussierungsebene in einer ellipsenförmigen Fläche verteilt.

Für viele Zwecke, beispielsweise für die Materialbearbeitung mittels Elektronenstrahl, wird jedoch häufig ein Strahl mit kreisrundem Querschnitt benötigt. Ein solcher Strahl wird üblicherweise dadurch ererzeugt, daß man in den Strahlengang eine kreisrunde Blende einbringt. Dies hat jedoch den Nachteil, daß durch das Ausblenden Intensität verlorengeht. Die Flächenintensität des Elektronenstrahles kann bei kreisrundem Querschnitt erhöht werden, wenn die Umwandlung des astigmatischen Strahles in einen kreisrunden Strahl nicht durch Ausblenden, sondern durch Korrektur des Astigmatismus erreicht wird.

Es ist bekannt, in elektronenoptischen Abbildungsvorrichtungen in Azimut und Feldstärke variable Zy- linderlinsen, sogenannte Stigmatoren, in oder hinter der zur Strahlfokussierung dienenden elektromagnetischen Linse anzuordnen. Durch solche Stigmatoren wird der Astigmatismus dieser Linse korrigiert. Der Astigmatismus des Strahlerzeugungssystems selbst dagegen wird durch diese bekannte Einrichtung nicht korrigiert, sondern der Strahl wird vor dem Eintritt in die Linse mittels entsprechend geformter Blenden kreisförmig begrenzt. Dies bringt, wie schon oben angeführt, einen Intensitätsverlust mit sich.

Dieser Nachteil kann dadurch vermieden werden, daß die Strahlquelle selbst so ausgebildet wird, daß sie ohne Ausblenden einen intensitätsreichen Elektronenstrahl von kreisrundem Querschnitt liefert. Dies wird bei einer Strahlquelle, die eine Glühkathode, eine Steuerelektrode und eine Anode enthält, erreicht, wenn gemäß der Erfindung mindestens eine zur Kor-Strahlquelle zur Erzeugung
eines intensitätsreichen Elektronenstrahles

Anmelder:
Fa. Carl Zeiss, Heidenheim/Brenz

Dipl.-Ing. Fritz Schleich, Unterkochen (Württ.),
ist als Erfinder genannt worden

rektur des Astigmatismus des Strahlerzeugungssystems dienende, hinsichtlich Azimut und Feldstärke einstellbare, an sich bekannte magnetische Zylinderlinse mit der Anode zu einer Baueinheit verbunden ist. Diese Ausbildung der Strahlquelle ist technisch einfach herzustellen.

Es ist zweckmäßig, die zur Korrektur des Astigmatismus dienende Zylinderlinse aus zwei auf einer mit der Anode verbundenen Scheibe radial angeordneten permanentmagnetischen Stäben auszubilden, welche gemeinsam verdrehbar und gegeneinander in radialer Richtung verschiebbar sind.

Eine andere an sich bekannte Ausführungsform der Zylinderlinse besteht aus vier auf mit der Anode verbundenen Scheiben in zueinander senkrechten Richtungen radial angeordneten, sowohl gemeinsam als auch paarweise gegeneinander verdrehbaren permanentmagnetischen Stäben.

Kombiniert man die Anode des Strahlerzeugungssystems mit nur einer Zylinderlinse, so kann ein solches Element natürlich nur den einen Teil des astigmatischen Fehlers kompensieren. Um auch die Kompensation des zweiten Teils des Fehlers zu erreichen, ist es erforderlich, in Strahlrichtung gesehen, hinter der ersten Zylinderlinse eine zweite Zylinderlinse anzuordnen.

Zur Vermeidung des zweiten Teils des astigmatischen Fehlers ist es auch möglich, die Kathode beispielsweise aus einem Draht von halbkreisförmigem Profil herzustellen, so daß an dem vorderen Ende des haarnadelförmig gebogenen Drahtes eine annähernd kugelförmige Spitze entsteht. In diesem Fall benötigt man zur Korrektur des Astigmatismus nur eine einzige Zylinderlinse, nämlich für den Teil des Fehlers, der durch die Ausbreitung der Emissionsfläche entlang des Drahtes über diese kugelförmige Spitze hinaus entsteht.

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Es ist zweckmäßig, eine zur Festlegung des Azimuts der Kathode dienende Führung vorzusehen. Durch diese Maßnahme sorgt man dafür, daß der haarnadelförmig gebogene Draht der Kathode auch bei einem Kathodenwechsel stets das gleiche Azimut aufweist. Dadurch wird es möglich, für einen gewissen Emissionsbereich Azimut und Brechkraft der zur Korrektur des Astigmatismus dienenden Zylinderlinsen fest einzustellen. In diesem Fall können die erwähnten, aus permanentmagnetischen Stäben aufgebauten Zylinderlinsen vorteilhaft Verwendung finden.

In manchen Fällen ist es jedoch auch notwendig, Azimut und Brechkraft des Korrekturelementes zu ändern. In diesem Fall ist es zweckmäßig, die zur Kompensation nötige Zylinderlinse mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern zu erzeugen. Hierzu wird vorteilhaft eine vierzählige elektromagnetische Zylinderlinse verwendet, wobei man das Stromversorgungsgerät für diese Linse so ausbildet, daß mit Hilfe zweier Regelelemente ein kontinuierlicher Übergang aller Pole von Nord nach Süd möglich ist. Damit erhält man ein wählbares Azimut und eine variable Brechkraft für das resultierende Feld. Treten Variationen des astigmatischen Fehlers auf, so können mittels dieser Zylinderlinse Azimut und Brechkraft von außen eingestellt werden.

Die Erfindung wird an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 6 näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Strahlerzeugungssystem, bei welchem mit der Anode ein aus zwei permanentmagnetischen Stäben bestehendes Korrekturelement verbunden ist,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 ein Strahlerzeugungssystem, bei welchem mit der Anode eine aus vier permanentmagnetischen Stäben aufgebaute Zylinderlinse verbunden ist,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 3,

Fig. 5 ein Strahlerzeugungssystem, bei welchem mit der Anode eine elektromagnetische vierzählige Zylinderlinse verbunden ist,

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI der Fig. 5,

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht das Strahlerzeugungssystem aus einer haarnadelförmigen Glühkathode 1, einer Steuerelektrode 2 und einer Anode 3. Mit dieser Anode ist eine Scheibe 4 verbunden, welche zwei radial angeordnete permanentmagnetische Stäbe 5 und 6 trägt. Diese Stäbe sind auf Halterungen 10, 11 gelagert, welche durch Schütze in der Scheibe 4 hindurchgreifen. Die Halterungen werden durch Federn 7 und 8 in radialer Richtung nach außen gezogen. Ein Ring 9 umschließt die Halterungen 10 und 11 in der Weise, daß durch Aufwärtsbewegen desselben die Stäbe 5 und 6 gegeneinander bewegt werden. Durch diese Maßnahme wird die Brechkraft der durch diese beiden Stäbe gebildeten Zylinderlinse verändert. Durch Drehen der Scheibe 4 werden die beiden Stäbe 5 und 6 gemeinsam verdreht, so daß sich also durch diese Maßnahme das Azimut der Zylinderlinse einstellen läßt.

Bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Strahlerzeugungssystem ist mit der Anode 3 eine Scheibe 12 drehbar verbunden, welche zwei fest angeordnete permanentmagnetische Stäbe 13 und 14 trägt. Mit der Scheibe 12 ist eine weitere Scheibe 15 drehbar verbunden, welche zwei permanentmagnetische Stäbe 16 und 17 trägt. Durch Verdrehen der Scheiben 12 und 15 gegeneinander wird die Brechkraft der aus den Elementen 13, 14, 16, 17 bestehenden Zylinderlinse verändert, während durch ein gemeinsames Drehen der Scheiben 12 und 15 das Azimut dieser Linse verändert wird.

Das in den Fig. 5 und 6 dargestellte Strahlsystem enthält eine sogenannte Fernfokuskathode, welche aus der eigentlichen Kathode 18 und der besonders ausgebildeten Steuerelektrode 19 besteht. Mit der Anode 20 des Strahlerzeugungssystems ist eine Scheibe 21 drehbar verbunden, welche eine vierzählige elektromagnetische Zylinderlinse trägt. Diese Zylinderlinse besteht aus acht Spulen 22 bis 29, welche mit Polschuhen versehen sind.

Die Spulen und Polschuhe der dargestellten Zylinderlinse sind in Kunstharz 30 eingegossen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die zwischen den Drähten der Spulen befindliche Luft beim Evakuieren des Gerätes nicht abgepumpt werden muß.

Das Stromversorgungsgerät für die elektromagnetische Zylinderlinse ist so ausgebildet, daß mit Hilfe zweier Regelelemente ein kontinuierlicher Übergang aller Pole von Nord nach Süd erreicht wird. Eine solche Schaltung ist bekannt und soll hier nicht näher beschrieben und dargestellt werden.

Die beschriebene Strahlquelle findet besonders vorteilhafte Anwendung zur Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl. Der mit ihrer Hilfe erzeugte intensitätsreiche Elektronenstrahl von kreisrundem Querschnitt kann für die verschiedensten Arten der Materialbearbeitung, wie z. B. Bohren, Fräsen oder Schweißen verwendet werden. Dabei ist es zur Erzielung eines guten Bearbeitungsergebnisses vorteilhaft, außerdem den Elektronenstrahl beispielsweise durch entsprechende Regelung der Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystems impulsförmig zu steuern.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Strahlquelle zur Erzeugung eines intensitätsreichen Elektronenstrahles von kreisrundem Querschnitt, enthaltend eine haarnadelförmige Glühkathode, eine Wehnelt-EIektrode und eine Anode, gekennzeichnet durch mindestens eine mit der Anode zu einer Baueinheit verbundene, zur Korrektur des Astigmatismus des Strahlerzeugungssystems dienende, hinsichtlich Azimut und Brechkraft einstellbare, an sich bekannte magnetische Zylinderlinse.

2. Strahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse aus zwei auf einer mit der Anode (3) verbundenen Scheibe (4) radial angeordneten, gemeinsam verdrehbaren und gegeneinander in radialer Richtung verschiebbaren permanentmagnetischen Stäben (5, 6) besteht (Fig. 1 und 2).

3. Strahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse aus vier auf mit der Anode (3) verbundenen Scheiben (12, 15) in zueinander senkrechten Richtungen radial angeordneten, sowohl gemeinsam als auch paarweise gegeneinander verdrehbaren permanentmagnetischen Stäben (13, 14, 16, 17) besteht (Fig. 3 und 4).

4. Strahlquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einander gegenüberstehende Stäbe gleiche Polarität aufweisen.

5. Strahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Anode verbundene Zylinderlinse eine vierzählige elektromagnetische Zylinderlinse ist (Fig. 5 und 6).

6. Strahlquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch zwei in Strahlrichtung gesehen hintereinander angeordnete Zylinderlinsen.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 855 287, 857 245, 343, 895 481 und 942 518.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen