Brevet FR2133915A1 — publié le 19721201

Lr: présente invention concerne un canon à électrons du type à émission à froid prévu pour protéger la pointe émettrice d'un endommagement lorsqu'il se produit une décharge électnque disruptive dans la chambre du canon. 5 l'avantage d'un.canon a électrons du type à émission à froid dans les microscopes électroniques ou analogues comparativement à un canon à électrons du type ordinaire à émission thermo-ionique, et qi'il.est possible d'obtenir un faisceau d'électrons à courant élevé formant un spot de 10 très petite dimension ou microspot. Malheureusement, dans le cas d'un canon du type à émission Èyïroid, l'émetteur peut. être facilement endomnagé en raison de déchargesdisruptives électriques provoquées par une détérioration du vide de la chambre du canon ou par d'autres phénomènes, ce qui 15 a pour résultat d'engendrer ur/champ électrique d'une valeur élevée inhabituelle au voisinage de la pointe émettrice..Ceci entraîne une décharge d'arc dans le vide par suite du fait que la pointe est surchauffée en raison du courant de décharge, le résultat inévitable 2 0 étant que la forme de la pointe émettrice change et que ladite pointe devient inutilisable. La présente invention a principalement pour but d'empêcher la décharge électrique disruptive mentionnée plus haut d'endommager la pointe émettrice. 25 Pour parvenir à ce but, les modes de réalisation préférentiels de l^résente invention sont caractérisés par le fait qu'ils permettent d'éviter qu'il se produise une différence de potentiel d'une valeur inhabituellement élevée entre l'émetteur et la première électrode qui 30 extrait les électrons dudit émetteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre Dans les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple : 35 - les figures 1 (a) et 1 (b) sont des représentations schématique d'un canon à électrons classique du type à émission à froid; 72 13861 2 2133915 - la figure 2 représente le schéma d'un mode de réalisation de l'invention; - les figures 3 à 10 montrent d'autres modes de réalisation de l'invention. 5 En se référant à la figure 1 (a), la référence 1 désigne une chambre de canon qui contient un filament 2 chauffé par une source de courant continu 3 par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolement 4, un émetteur 5 relié au filament 2, une première électrode 6 dont la fonction est de produire 10 un champ électrique de valeur élevée,(environ 10^/cm) au voisinage de la pointe émettrice et une anode 7 maintenue au potentiel de la masse. Une source de tension 8 délivre une tension de façon q/créer une différence de potentiel constante ou puisée entre l'émetteur 5 et la première électrode 15 6 afin d'extraire les électrons de ladite pointe émettrice. Une autre source de tension 9 maintient l'émetteur à un potentiel continu négatif élevé afin d'accélérer les électrons émis. Dans ce canon à électrons, une décharge disruptive 20 électrique se produit principalement entre la première électrode 6 et l'anode 7, en raison de la différence de potentiel élevé^ui existe comparativement à celle existant entre la première électrode 6 et l'émetteur 5» A la figure 1 (b) Z^q et Z^ représentent les impédances 25 des sources 8 et 9 (figure 1) (a)}respectivement et Z^ représente l'impédance entre les deux sources. lorsqu'il se produit une charge disruptive entre la première électrode 6 et l'anode 7, le potentiel de la première électrode 6 devient nul (masse) et un courant de décharge traverse les impédances Z^, Z^2 et 1 1 . 30 En conséquence, si l'impédance Z^ n'est pas suffisamment faible comparativement à la somme des impédances Z^ et Z^» la différence de potentiel entre l'émetteur 5 e1j4.a première électrode 6 est importante, ce qui a pour résultat d'endommager la pointe émettrice. 35 ha figure 2 montre un mode de réalisation de la présente invention 'dans lequel la possibilité susmentionnée, c'est-à-dire 72 13861 3 2133915 1'endommagement de la pointe émettrice, ost éliminé, par le fait qu'5 l'on prévoit un circuit de protection. En se référant à la figure ?.. la référence 13 désigne le circuit de protection qui est monté en parallèle 5 avec la source d'alimentation de tension 8, ledit circuit comportant un thyratron 14, une source de tension en courant continu variable 15 pour régler la tension d'amorçage du thyratron 14 et un condensateur de couplage 16. Lorsqu'une tension de choc, résultant d'une décharge 10 disruptive, est appliqué au circuit 13, c'est-à-dire aux bornes de la source 8, l'impédance du circuit décroît, ce qui protège 3a. pointe émettrice contre un endommagement du à ladite tension de choc. - La figure 3 montre un autre mode de réalisation 15 de la présente invention dans lequel il est prévu .un commutateur 17 de mise en marche et d'arrêt au lieu du circuit de protection 13. Ce mode de réalisation particulier très efficace lorsque la décharge disruptive est prédéterminée comme, par exemple,lorsquè 20 l'on applique la technique dite de "conditionnement" selon laquelle on provoque une décharge disruptive entre la première électrode et l'anode en réglant la tension de sortie de la source de tension 9 à une valeur légèrement supérieure à la tension de sortie de fonctionnement habituel, afin 25 d'améliorer la tension de résistance dans la chambre du canon. Dans ce cas, le commutateur 17 est fermé ou mis en fonctionnement-pendant l'opération de "conditionnement" et il est ouvert pendant le fonctionnement normal. La figure 4 montre ion autre mode de réalisation de . 30 l'invention dans lequel il est prévu une êLectrode supplémentaire 18, appelée ci-après "seconde électrode "entre la première électrode 6 et l'anode 7. Le potentiel appliqué à la seconde électrode 18 est déterminé par une source de tension continue 19 et par la source de tension 9. Dans ce cas, la tension de 35 sortie de la source 19 est presque le même que celle de la source 8 si la sortie de la source 8 est continue et est presque le même que la hauteur d'impulsion de la sortie de la 72 13861 4 2133915 source 8 si la sortie de cette source 8 est une impulsion. En outre, la tension de Ha source 19 est beaucoup plus faible que la tension de la sa^ie de la source 9- En conséquence une décharge disruptive entre la seconde électrode 18 5 et l'anode 17 se produit presque toujours avant que se produise une décharge disruptive entre la seconde électrode 18 et la première électrode 6. Au moment où la décharge disruptive se produit entre la seconde électrode 18 et l'anode 7, le potentiel 10 de la seconde électrode 18 passe d'une valeur négative élevée à la valeur de la masse. Il en résulte que la différence de potentiel entre la seconde électrode 18 et la première électrode 7 augmente de façon très importante en raissn-du brusque courant de décharge dans l'impédance 15 de la source de tension continue 19. Ceci a pour résultat d'activer le circuit de protection 13 qui comporte un commutateur symétrique au silicium (S.S.S.)20, ce qui fait diminuer l'impédance entre les deux électrodes et par conséquent empêche que ne se reproduise une décharge 20 disruptive puisque les variations de potentiel desdites électrodes et de l'émetteur 5 sont à peu près les mêmes. Un avantage supplémentaire de ce mode de réalisation est le fait que la gamme de tension d'amorçage du circuit de protection est beaucoup plus importante/fjue celle du circuit 25 de protection décrit au sujet du mode de réalisation représenté à la figure 2. Ceci est lié au fait, dans le cas du mode de réalisation représenté à la figure 2, qu'il est nécessaire de régler la tension d'amorçage en fonction de la tensioi/de la source de tension 8 qui doit varier chaque . 30 fois que l'émetteur est échangé. Dans le cas de ce mode de réalisation cependant la source de tension adéquate est la source 19 qui varielarement. Dans le cas de ce mode de réalisation il n'est presque pas nécessaire de régler la tension d'amorçage du circuit 35 de protection 13. Pour cette raison il est possible d'utiliser un simple commutateur symétrique au silicium 20 au lieu du thyratron plus compliqué et du circuit qui lui est associé. 72 13861 5 2133915 Le mode de réalisation représenté à la figure 5 est sensiblement le même que celui représenté à la figure 4. Dans ce mode de réalisation cependant une colonne ou analogue isolante 21 contenant un transformateur d'isolement 4j une source 5 de tension élevée et un circuit de filtrage comportant une résistance 23 et des condensateurs 24 est relié; au~ circuit de la chambre de canon par un câble ou conducteur à tension élevée. En outre on utilise le potentiel à la jonction des résistances d'équilibrage 27 et 28 au lieu 10 du potentiel de l'émetteur 5 et le circuit de protection 135 qui, dans ce cas, incorpore un tube 29 de protection de tension de choc, est connecté entre ladite jonction et la seconde électrode 18. Si on prévoit un interrupteur au lieu du circuit de 15 protection 13, ce mode de réalisation particulier est très efficace lorsqu'une décharge disruptive est prédéterminée comme mentionné dans l'explication du mode de réalisation représenté à la figure 3. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 5, 20 théoriquement, lorsqu'il se produit une décharge disruptive entre la seconde électrode 18 et l'anode 7, il ne se produit pas de décharge d'arc sous vide entre l'émetteur et la première électrode 6. En pratique cependant, si l'impédance résiduelle du circuit de protection est assez importante, la 25 différence de potentiel entre l'électrode 6 et 1!électrode 18 a une importance correspondante en raison du passage du courant de décharge. La tension de crête E^ de la différence de potentiel est donnée par l'équation suivante : 3° Z C x Y E ^ x — a- H D Z30+Z31 A + "B dans laquelle représente l'impédance entre la seconde électrode 18 et l'émetteur 5, Z^ représente l'impédance différentielle entre l'impédance Z^q et l'impédance totale existant 35 dans le circuit de décharge du courant de décharge du à la décharge 72 13861 6 2133915 disruptive, représente la capacité parasite entre l'électrode 6 et l'émetteur et représente la capacité parasite entre lesélectrodesô et 18. Les modes de réalisation représentés aux figures 4 et 5 5 sont prévus pour faire décroître l'impédance Z^q pendant la décharge de. façon à maintenir E^ aussi faible que 'possible, c'est-à-dire de façon à réduire au minimum la différence de potentiel entre l'électrode 6 et l'électrode .18. La figure 6 montre un mode de réalisation prévu pour réduire 10 davantage E^ en augmentant l'impédance pendant la décharge en plus de la décroissance de l'impédance Ceci est rendu possible en incorporant un circuit 32 comportant un transformateur 33, des résistances d'équilibrage 34, 35, 36 et 37 et une résistance élevée 38 capable 15 de résister à la sortie de tension élevée de la source 22. Les deux extrémités de la résistance 38 sont reliées à la jonction entre les résistances 36 et 37 et à la jonction entre les résistances 34 et 35 respectivement. Lorsqu'il n'y a pas de décharge, ce mode de réalisation fonctionne 20 de la même façon que le mode de réalisation représenté à la figure 5. S'il se produit une décharge disruptive entre la seconde électrode 18 et l'anode 7, le courant de décharge traversant la résistance de valeur élevée 38 est très réduite et la différence de potentiel entre l'émetteur 25 5 et la première électrode 6 est moins importante. La source de tension 8 constituée par une source de tension continue 40, le transformateur d'isolation 41, le générateur d'impulsion 39, le transformateur 42 ei^La résistance de valeur élevée 43, engendre une tension puisée 30 qui est appliquée à l'électrode 6 par l'intermédiaire du transformateur 42. Lorsqu'il se produit une décharge disruptive dans la chambre de canon le courant de décharge du à la capacité parasite du transformateur 41 traverse la résistance 43. 35 La figure 7 montre un mode de réalisation pratique de Ha présente invention dont le fonctionnement est sensiblement identique à celui des modes de réalisation représentés aux figures 72 13861 7 2133915 5 et 6. Dans ce mode de réalisation le générateur d'impulsions 39, le transformateur d'isolement 41, et la source de tension continue 19, etc... sont tous enfermés dans une colonne ou analogue d'isolement 21 . On utilise le 5 potentiel à la prise centrale de l'enroulement de sortie du transformateur au lieu du potentiel à la -prise centrale de l'enroulement d'entrée du transformateur 33. La fonction de la résistance 44 est la même que celle de la résistance 43 de la figure 6. 10 La figure 8 montre un mode de réalisation pour une émission à froid en courant continu correspondant au mode de réalisation de la figure 7. Dans ce"mode de réalisation la fonction de la résistance 45 est la même que celle des résistances 44 et 38. 15 La figure 9 montre un mode de réalisation prévu pour augmeifer l'impédance Z^, inductivement et non pas de façon résistive comme dans le cas du mode de réalisation représentés aux figures 5, 6, 7 et 8. Dans ce but, ce mode de réalisation comporte un circuit 32 comportant 20 les bobines L., , L>_...L. et les condensateurs G., C~, ....CL,. I I 1 £L I U t d JN Xi6S bobines ^ "^21 * " *"^2ÏT "^31 ' * • * fciiSÊUxfc partie de cet ensemble de bobines doivent avoir la même inductance et être enbobinées de façon unidirectionnelle tandis que les bobines , ....L^ peuvent avoir des inductances différentes 25 ou la même inductance et peuvent être enroulées dans des directions opposées ou dans la même direction que les bobines susmentionnées. La figure 10 montre le schéma équivalent du circuit 32 représenté à la figure 9 dans lequel les fils conducteurs 46, 30 47, 48 et 49, venant du câble à haute tension 26 sont enroulés sur un noyau 50. En effectuant un montage de cette façon il est possible d'éliminer les condensateurs 0^, G^, etc... pour autant que la capacité parasite entre les fils conducteurs soient adéquates. 35 Dans le mode de réalisation représenté à la figure 9, le courant de décharge passe dans le circuit 32 qui a une inductance assez élevée tandis que, sous les conditions normales de 72 13861 8 2133915 fonctionnement, l'inductance du circuit 32 est supprimée par les bobines et est par conséquent nulle. Par exemple les signaux d'impulsion engendrés par le générateur d'impulsions 39 sont transmis à l'enroulement d'entrée du transformateur 5 42 et au condensateur par l'intermédiaire du circuit de transmission comportant les bobines L^ ^31 * " " * L^. et les condBnsateurs C^....O^. sans pertes. De plus la résistance 51 montée aux bornes de l'enroulement de sortie du transformateur 42 compense la diminution de la tension 10 d'impulsion appliquée entre l'émetteur 5 et la première électrode 6. Le courant de chauffage du filament est un courant continu redressé par le circuit redresseur 52. Même si on utilise un courant alternatif pour chauffer le filament, il n'y a pratiquement pas de perte dans le circuit 32 car les 15 bobines L^ ... .L^ et les bobines L^ .. . L^. ont la même inductance et sont enroulées de façon unidirectionnelle. Il est possible naturellement d'incorporer les bobines du circuit 32 entre la source à haute tension 9 et la jonction entre l'émetteur et la source de tension 8 dans le mode de 20 réalisation représenté à la figure 2. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques cte 25 moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sent exécutées selon l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. 72 13861 2133915 REVENDICATIONS 1 Canon ir. électrons du type à émission à froid", caractérisé en ce qu'il comporte un émetteur émettant un faisceau d'électrons, des moyens chauffants pour chauffer ledit émetteur, une anode d'accélération du faisceau d'électrons, une source à haute tension 5 délivrant un potentiel négatif élevé à l'émetteur afin d'accélérer le faisceau d'électrons, une première électrode montée entre l'émetteur et l'anode, une source de tension engendrant une différence de potentiel entre la première électrode et l'émetteur afin de créer un champ électrique"puissant au voisinage dudit émetteur 10 et des moyens de protection pour empêcher que ne soit engendrée une différence de potentiel inhabituellement élevée entre l'émetteur et la première électrode. 2.- Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de protection précités comportent un circuit 15 dont la fonction est de faire décroître instantanément l'impédance desdits moyens de protection au cas où la tension entre l'émetteur et la première électrode dépasse la tension d'amorçage. 3.- Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de protection précités comportent un circuit 20 muni d'une résistance au moins de valeur élevée montée entre ladite source à haute tension et ledit émetteur. 4.- Canon à électrons selon la revendication 3, caractérisé en ce que la résistance de valeur précitée est montée entre l'entrée et la sortie d'un transformateur connecté entre 25 l'émetteur et un transformateur d'isolement faisant partie des moyens chauffants précités. 5.- Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de protection précités comportent un circuit muni d'un inducteur au moins monté entre ladite source 30 à tension élevée et ledit émetteur. 6.- Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de protection précités comportai un commutateur interrupteur monté entre ledit émetteur eb ladite première électrode. 72 13861 2133915 7.- Canon à électrons selon la revendication 1 , caractérisé er/ce qu'il comporte une seconde électrode entre la première électrode précitée et ladite anode et une source de tension continue délivrant une tension à ladite seconde 5 électrode, les moyens de protection précités étant prévus pour empêcher la génération d'une différence de potentiel inhabituellement élevée entre ladite seconde électrode et ledit émetteur. 8.- Canon à électrons selon la revendication 7, caractérisé 10 en ce que les moyens de protection précités comportent un circuit prévu pour iaire décroître instantanément leur impédance dans le cas où la tension entre l'émetteur et la seconde électrode dépasse la tension d'amorçage. 9.- Canon à électrons selon la revendication 7, caractérisé 15 en ce que les moyens de protection précités comportent un circuit muni d'une résistance au moins de valeur élevée montée entre la source de tension et l'émetteur précité. 10-- Canon à électrons selon la revendication 9, caractérisé en ce que la résistance de valeur élevée précitée est 20 connectée entre l'entrée et la sortie du transformateur qui est monté entre l'émetteur et un transformateur d'isolement faisant partie des moyens de chauffage précités. 11.- Canon à électrons selon la revendication 7, caractérisé en ce que des moyens de protection précités comportent un 25 circuit muni d'un inducteur au moins monté entre la source de tension élevée et l'émetteur précité. 12.- Canon à électrons selon la/evendication 7, caractérisé en ce que les moyens de protection précités comportent un c ommutateur interrupteur monté entre ledit, émetteur et ladite seconde 30 électrode.