EP0040126B1 - Canon à électrons pour faisceau convergent - Google Patents

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EP0040126B1
EP0040126B1 EP81400666A EP81400666A EP0040126B1 EP 0040126 B1 EP0040126 B1 EP 0040126B1 EP 81400666 A EP81400666 A EP 81400666A EP 81400666 A EP81400666 A EP 81400666A EP 0040126 B1 EP0040126 B1 EP 0040126B1
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EP
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electrode
electron gun
point
electron
cathode
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EP81400666A
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EP0040126A1 (fr
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Bernard Epsztein
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Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J29/00—Details of cathode-ray tubes or of electron-beam tubes of the types covered by group H01J31/00
    • H01J29/46—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the ray or beam, e.g. electron-optical arrangement
    • H01J29/48—Electron guns
    • H01J29/488—Schematic arrangements of the electrodes for beam forming; Place and form of the elecrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J29/00—Details of cathode-ray tubes or of electron-beam tubes of the types covered by group H01J31/00
    • H01J29/46—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the ray or beam, e.g. electron-optical arrangement
    • H01J29/56—Arrangements for controlling cross-section of ray or beam; Arrangements for correcting aberration of beam, e.g. due to lenses
    • H01J29/563—Arrangements for controlling cross-section of ray or beam; Arrangements for correcting aberration of beam, e.g. due to lenses for controlling cross-section

Definitions

  • the invention relates to an electron gun.
  • the electron beam produced by the cannon is subjected, in the first part of its path, to the action of means which give it convergence towards a point located at a greater or lesser distance. in front of the cathode.
  • various treatments are applied to it, in relation to the use for which the assembly for which the gun by which it is produced is incorporated. These treatments are outside the scope of the invention.
  • the point of convergence is a point in the geometric sense of the word; in fact, given the mutual repulsion of the charges which compose it, the beam still has at the point of convergence, and whatever the means used, a certain section, the surface of which depends on many parameters, characteristic of the gun.
  • cross-over The electrons, after crossing this zone of minimum section, also known as "cross-over", will form an image of this section on the part of the tube intended to receive their impact, screen, target ...
  • the diameter of this impact depends on that of the "cross-over" in question; it is advantageous to reduce it as much as possible to improve the resolution of the surface subjected to impact and, to do this, to reduce the dimension of the "cross-over".
  • French patent application FR-A-2 201 536 relates to a new structure of electron guns for cathode ray tubes allowing the creation of a second "cross-over". This patent describes the use of a cylindrical anode closed at its two ends by diaphragms.
  • the object of the present invention is to improve an electron gun for a convergent beam provided with means ensuring the maintenance, in the region of the crossing point, of a static distribution of positive ions, the total charge of which is substantially equal in absolute value to that of the beam electrons in this region.
  • the invention relates to an electron gun for a convergent beam, comprising a cathode, first means cooperating with this cathode to produce, inside a vacuum space, an electron beam directed along an axis, and for ensure the convergence of the latter in the first part of its path towards a point of minimum section, and a hollow electrode provided at its ends with orifices to maintain in the vicinity of the point of minimum section the ions created by the shock of electrons of the beam against molecules of residual gas present in the vacuum space characterized in that it comprises, framing said hollow electrode and arranged in its immediate vicinity, two additional electrodes brought to positive potentials relative to said second means.
  • the barrel comprises a cathode 1, heated by a filament 2 in the example; a Wehnelt electrode 3, brought to a negative or zero potential with respect to the cathode taken as a reference, controls the intensity of the beam 6, represented in the figure by the surface covered with dots, emitted by the cathode under the operating conditions , when a positive voltage is applied to the acceleration electrode 8. These conditions are such that the beam converges in its part 10 towards the point bearing the mark 7 in the figure.
  • 20 denotes the vacuum enclosure in which the barrel is housed.
  • the electrode 8 is provided in the form of a hollow electrode surrounding this point of convergence; this electrode is entirely at the same voltage, constant over time.
  • the potential along the electrode 8 is uniform; the production of the beam, by unblocking of the Wehnelt for example, results in a lowering of this potential in the greater part of the electrode 8, where a dip of potential appears; even under the best vacuum conditions, 1.33. 10- 6 to 1,33 - 10- 7 Pa (10- 8 to 10-- 9 torr), in the current state of the art, causes the beam in its path ionization of residual gas molecules present in the vacuum chamber, i.e. the creation of electron (-), ion (+) pairs.
  • the ions on the other hand, attracted by this same space charge, come to mix with the electrons within the beam, and fill the potential trough created by the beam, insofar as they are unable to escape from the electrode 8 through the orifices 81 and 82; we will return to this point later.
  • This situation is that of the permanent regime; it is only reached at the end of the time necessary to generate the ionic charge compensating for that of the beam.
  • This time is of the order of 100 microseconds for a residual pressure of 1.3 - 10 - 6 Pa (10 - 8 torr); it would only be 10 nanoseconds for a pressure of 1.3. ⁇ 10 2 Pa (4 torr 10--) value acceptable for many applications, but which corresponds to a generally incompatible vacuum with a sufficient lifetime of the cathodes due to the intensity of the ion bombardment which they are subjected in this case.
  • the invention provides that, in the case of such a modulation, the electrode which exercises it is placed after the electrode 8 on the path of the beam.
  • This electrode bears the mark 9 in FIG. 2.
  • it may be the grid placed in the immediate vicinity of the target. It may also be, in other cases, a diaphragm associated with the deflector assembly.
  • two additional electrodes, 4 and 5 in the figures can advantageously, in all cases, be used; they are arranged on either side of the electrode 8 in its immediate vicinity, and brought to a positive potential with respect thereto.
  • the electron gun of the invention finds an application, in addition to the aforementioned vidicon tube, in various devices, such as transmission or scanning electron microscopes, electronic probes, etc.
  • the transmission electron microscope is an example of a device free from modulation.

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Electron Beam Exposure (AREA)
  • Image-Pickup Tubes, Image-Amplification Tubes, And Storage Tubes (AREA)

Description

  • L'invention concerne un canon à électrons.
  • Dans de nombreux dispositifs et tubes électroniques, le faisceau d'électrons produit par le canon est soumis, dans la première partie de son parcours, à l'action de moyens qui lui impriment une convergence vers un point situé à une distance plus ou moins grande en avant de la cathode. Au delà, divers traitements lui sont apli- qués, en rapport avec l'usage auquel est destiné l'ensemble auquel est incorporé le canon par lequel il est produit. Ces traitements se situent en dehors du champ de l'invention.
  • Idéalement, le point de convergence, où se croisent les trajectoires électroniques, est un point au sens géométrique du mot; en fait, vu la répulsion mutuelle des charges qui le composent, le faisceau présente encore au point de convergence, et quels que soient les moyens mis en oeuvre, une certaine section, dont la surface dépend de nombreux paramètres, caractéristique du canon.
  • Les électrons, après traversée de cette zone de section minimale, connue aussi sous le nom de »cross-over«, vont former une image de cette section sur la partie du tube destinée à recevoir leur impact, écran, cible...
  • Le diamètre de cet impact dépend de celui du »cross-over« en question; on a intérêt à le réduire au maximum pour améliorer la résolution de la surface soumise à l'impact et, pour ce faire, à réduire la dimension du »cross-over« .
  • On est limité dans cette voie, par la répulsion mentionnée, c'est-à-dire par la charge d'espace au sein du faisceau.
  • Toutefois, il est connu par l'article de E. L. Ginzton et B. H. Wadia intitulé »Positive-ion trap- ping in electron beams«, paru dans »Proceedings of the I.R.E.« volume 42 n° 10 Octobre 1954) page 1548-54, d'utiliser les ions positifs dus au gaz résiduel dans un tube électronique pour neutraliser la charge d'espace négative des électrons et supprimer ainsi la cause des forces divergentes.
  • La demande de brevet français FR-A-2 201 536 concerne une nouvelle structure de canons à électrons pour tubes cathodiques permettant la création d'un deuxième »cross-over«. Ce brevet décrit l'utilisation d'une anode cylindrique fermée à ses deux extrémités par des diaphragmes.
  • L'objet de la présente invention est de perfectionner un canon à électrons pour faisceau convergent muni de moyens assurant le maintien, dans la région du point de croisement, d'une répartition statique d'ions positifs, dont la charge totale est sensiblement égale en valeur absolue à celle des électrons du faisceau dans cette région.
  • L'invention porte sur un canon à électrons pour faisceau convergent, comprenant une cathode, des premiers moyens coopérant avec cette cathode pour produire, à l'intérieur d'un espace sous vide, un faisceau d'électrons dirigé suivant un axe, et pour assurer la convergence de celui-ci dans la première partie de son parcours vers un point de section minimale, et une électrode creuse munie à ses extrémités d'orifices pour maintenir au voisinage du point de section minimale les ions crées par le choc d'électrons du faisceau contre des molécules de gaz résiduel présentes dans l'espace sous vide caractérisé en ce qu'il comporte, encadrant ladite électrode creuse et disposées dans son voisinage immédiat, deux électrodes supplémentaires portées à des potentiels positifs par rapport audit second moyen.
  • L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent:
    • - figures 1 et 2: deux variantes du canon à électrons de l'invention.
  • Le canon comporte une cathode 1, chauffée par un filament 2 dans l'exemple; une électrode de Wehnelt 3, portée à un potentiel négatif ou nul par rapport à la cathode prise comme référence, contrôle l'intensité du faisceau 6, représenté sur la figure par la surface couverte de points, émis par la cathode dans les conditions de fonctionnement, lorsqu'une tension positive est appliquée à l'électrode d'accélération 8. Ces conditions sont telles que le faisceau converge dans sa partie 10 vers le point portant le repère 7 sur la figure. Sur la figure, 20 désigne l'enceinte à vide dans laquelle est logé le canon.
  • Dans le canon de l'invention, l'électrode 8 est prévue sous la forme d'une électrode creuse entourant ce point de convergence; cette électrode est toute entière à la même tension, constante dans le temps.
  • Dans l'exemple, cette pièce équipotentielle à la forme d'un tube, dont les orifices portent les repères 81 et 82, disposé le long de l'axe X'X suivant lequel le faisceau se propage en fonctionnement; au delà de l'électrode 8, on n'a pas précisé la forme de celui-ci, qui dépend des traitements auxquels il est soumis, en rapport avec l'usage qui en est fait dans le tube auquel est incorporé le canon.
  • Les conditions prévalant dans un tel canon sont exposées ci-dessous.
  • En l'absence de faisceau, le potentiel le long de l'électrode 8 est uniforme; la production du faisceau, par déblocage du Wehnelt par exemple, a pour résultat un abaissement de ce potentiel dans la plus grande partie de l'électrode 8, où apparaît un creux de potentiel; même dans les meilleures conditions de vide, 1,33. 10-6 à 1,33 - 10-7 Pa (10-8 à 10--9 torr), dans l'état actuel de la technique, le faisceau provoque sur son passage l'ionisation des molécules de gaz résiduel présentes dans l'enceinte à vide, c'est-à-dire la création de paires électron (-), ion (+).
  • L'électron créé, qui possède une faible énergie cinétique du fait de sa masse, est repousseé par la charge d'espace du faisceau et a tendance a quitter celui-ci; il va se perdre sur les électrodes à un potentiel positif comme l'électrode 8.
  • Les ions, par contre, attirés par cette même charge d'espace, viennent se méler aux électrons au sein du faisceau, et comblent le creux de potentiel créé par le faisceau, dans la mesure où ils sont dans l'impossibilité de s'échapper de l'électrode 8 par les orifices 81 et 82; on reviendra sur ce point plus loin. Les ions en surnombre, crées à partir du moment où cette situation est atteinte, en équilibre indifférent, aboutissent sur les électrodes. A ce moment un équilibre global est atteint et le potentiel à l'intérieur de l'électrode creuse, 8 est alors uniforme.
  • Les premiers ions nommés attirés par le faisceau, y restent du fait de l'attraction électronique qu'ils subissent. La charge d'espace des électrons se trouve compensée, et le lieu de croisement 7 voit sa dimension décroître jusqu'à devenir pratiquement ponctuel.
  • Cette situation est celle du régime permanent; elle n'est atteinte qu'au bout du temps nécessaire pour engendrer la charge ionique compensant celle du faisceau. Ce temps est de l'ordre de 100 microsecondes pour une pression résiduelle de 1,3 - 10-6 Pa (10-8 torr); il ne serait plus que de 10 nanosecondes pour une pression de 1,3 . 10 2 Pa (10--4 torr), valeur acceptable pour de nombreuses applications, mais qui correspond à un vide généralement incompatible avec une durée de vie suffisante des cathodes, du fait de l'intensité du bombardement ionique auquel elles sont soumises dans ce cas.
  • Il faut donc compter en général avec des vides de l'ordre de 1,3 - 10 Pa (10-8 torr), et des temps de mise en régime de l'ordre de la centaine de microsecondes mentionnée ci-dessus. Ceci ne présente pas d'inconvénient dans le cas d'un faisceau qui n'est soumis à aucune modulation dans le temps.
  • Il en va autrement lorsqu'une telle modulation est pratiquée. Dans ce cas, en effet, une diminution de l'intensité du faisceau d'électrons ferait que les ions, se retrouvant en surnombre, iraient se déposer sur les parois des électrodes sous l'influence de leur propre charge d'espace; un temps appréciable serait nécessaire pour reconstituer l'équilibre, temps pouvant être inacceptable pour certaines applications.
  • Ce cas est fréquemment rencontré; c'est celui notamment de tous les tubes à balayage point par point d'une cible avec retour de trame, et du tube vidicon en particulier; le faisceau est bloqué périodiquement au moment de ce retour.
  • C'est pourquoi l'invention prévoit que, dans le cas d'une telle modulation, l'électrode qui l'exerce soit placée après l'électrode 8 sur le trajet du faisceau. Cette électrode porte le repère 9 sur la figure 2. Dans le cas du vidicon cité, ce peut être la grille placée dans le voisinage immédiat de la cible. Ce peut être aussi, dans d'autres cas, un diaphragme associé à l'ensemble déflecteur.
  • Par ailleurs, pour réduire la fuite d'ions à l'extérieur de l'électrode 8, selon une variante de l'invention, deux électrodes suplémentaires, 4 et 5 sur les figures, peuvent avantageusement, dans tous le cas, être utilisées; elles sont disposées de part et d'autre de l'électrode 8 dans son voisinage immédiat, et portées à un potentiel positif par rapport à celle-ci.
  • Leur présence n'est toutefois pas indispensable lorsque le potentiel va en corissant au-delà de l'électrode 8, en raison de la présence de lentilles électroniques de focalisation, par exemple - ceci en ce qui concerne l'électrode 5 - ou lorsque les orifices 81 et 82 de l'électrode 8 sont suffisamment petits pour limiter par eux mêmes la fuite des ions vers l'extérieur.
  • Le canon à électrons de l'invention trouve une application, outre le tube vidicon cité, dans des dispositifs divers, tels que les microscopes électroniques à transmission ou balayage, les sondes électroniques, etc. Le microscope électronique à transmission est un exemple de dispositif exempt de modulation.

Claims (2)

1. Canon à électrons pour faisceau convergent, comprenant une cathode (1), des premiers moyens coopérant avec cette cathode pour produire, à l'intérieur d'un espace sous vide, un faisceau d'électrons (6) dirigé suivant un axe (X'X), et pour assurer la convergence de celui-ci dans la première partie de son parcours vers un point de section minimale (7) et une électrode creuse (8) munie à ses extrémités d'orifices (81 et 82) pour maintenir au voisinage du point de section minimale (7) les ions crées par le choc d'électrons du faisceau (6) contre des molécules de gaz résiduel présentes dans l'espace sous vide, caractérisé en ce qu'il comporte, encadrant ladite électrode creuse (8) et disposées dans son voisinage immédiat, deux électrodes supplémentaires (4 et 5) portées à des potentiels positifs par rapport à ladite électrode.
2. Canon à électrons suivant la revendication 1 comprenant en outre des moyens modulant périodiquement l'intensité du faisceau, caractérisé en ce que ces moyens (9) sont placés au-delà du second moyen (8) sur le trajet du faisceau (6).
EP81400666A 1980-05-14 1981-04-28 Canon à électrons pour faisceau convergent Expired EP0040126B1 (fr)

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FR8010846A FR2482778A1 (fr) 1980-05-14 1980-05-14 Canon a electrons pour faisceau convergent, et dispositif, tube vidicon notamment, muni d'un tel canon
FR8010846 1980-05-14

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EP0040126A1 EP0040126A1 (fr) 1981-11-18
EP0040126B1 true EP0040126B1 (fr) 1985-03-27

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US4486687A (en) 1984-12-04
EP0040126A1 (fr) 1981-11-18
FR2482778B1 (fr) 1982-10-01
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