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Elektronenstrahlerzeugungssystem Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bezüglich seines Aufbaues besonders einfaches Elektronenstrahlerzeugungssystem zu schaffen, welches sowohl zur Bestrahlung von in Luft ange-
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massiven Metallelektrode und einer vor dieser angeordneten, auf einer gegenüber der Metallelektrode positiven Spannung liegenden Blende besteht. Die Blende bildet dabei zusammen mit der Metallelektrode einen ständig an eine Vakuumpumpe angeschlossenen Strahlerzeugungsraum und grenzt an einen Raum höheren Druckes. Gas vom Raum höheren Druckes tritt durch die Blendenöffnung in den Strahlerzeugungsraum ein, und es bildet sich zwischen der Blendenöffnung und der Metallelektrode eine behinderte Gasentladung.
Die in dieser Gasentladung entstehenden Ionen prallen auf die massive Metallelektrode auf und lösen aus ihr Elektronen aus. Diese Elektronen werden durch das elektrische Feld zur Blende hin beschleunigt und treten durch die Blendenöffnung in den Raum höheren Druckes aus.
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de direkt an Luft.
Bei den bisher bekannten, in der obenerwähnten Art aufgebauten Elektronenstrahlerzeugem besitzt die Blende eine kreisrunde Öffnung. Da möglichst grosse Elektronenströme erzeugt werden sollen, muss die Blende so geformt werden, dass auf einer möglichst grossen Fläche der Metallelektrode eine Gasentladung mit maximaler Dichte brennt. Dies ist jedoch mit kreisrunden Blendenöffnungen nicht möglich, da deren Durchmesser wegen der Dimensionierung der Abpumpwege eine bestimmte Grösse nicht überschreiten darf. Dadurch wird der Emissionsstrom der bekannten Elektronenstrahlerzeugungssysteme begrenzt.
Das gemäss der Erfindung aufgebaute Elektronenstrahlerzeugungssystem erlaubt nun die Erzeugung eines Elektronenstrahles grosser Strahlstromstärke. Auch bei diesem Strahlerzeugungssystem ist eine auf Hochspannung liegende massive Metallelektrode und eine vor dieser angeordnete, auf einer gegenüber der Metallelektrode positiven Spannung liegende Blende vorgesehen, wobei die Blende zusammen mit der Metallelektrode den Strahlerzeugungsraum bildet, in dem ein anderer Druck herrscht als in dem an die Blende anschliessenden Raum. Erfindungsgemäss besteht die Blendenöffnung aus einem schmalen langen Schlitz, wobei die von der den Schlitz umhüllenden Kurve eingeschlossene Fläche gross ist im Vergleich zur Fläche der Schlitzöffnung.
Als Umhüllende ist hier die geschlossene Kurve bezeichnet, welche die von dem Schlitz gebildete geometrische Figur umschliesst.
Durch diese Ausbildung der Blendenöffnung wird erreicht, dass die sich zwischen Metallelektrode und Blende ausbildende behinderte Gasentladung auf einer möglichst grossen Fläche brennt. Zugleich wird durch die Ausbildung der Blendenöffnung aus einem schmalen langen Schlitz erreicht, dass die Gasentladung gleichmässig brennt, d. h. nicht zwischen verschiedenen Bereichen auf der Metallelektrode springt.
Ein solches Springen der Gasentladung würde dann auftreten, wenn die Blendenöffnung aus mehreren Löchern kleinen Durchmessers oder aus mehreren voneinander getrennten Schlitzen bestehen würde.
Es ist zweckmässig, dem Schlitz die Form einer Spirale, einer offenen Schleife oder eines Mäanders zu geben, wobei zum Beispiel im letzteren Fall die umhüllende Kurve ein Rechteck darstellt.
Der Druck im eigentlichen Strahlerzeugungsraum kann geringer oder grösser gewählt werden als der
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Druck in dem an die Blende angrenzenden Raum. Zu diesem Zweck werden die durch die Blendenöffnung ein-bzw. austretenden Gasmoleküle mittels einer mit dem Strahlerzeugungsraum bzw. dem an diesen angrenzenden Raum verbundenen Vakuumpumpe abgesaugt. Der Strahlerzeugungsraum kann also als Druckstufe angesehen werden, wobei der Strömungswiderstand der Blendenöffnung und die Saugleistung der Pumpe das Druckverhältnis zwischen den beiden Räumen bestimmen. Bei der gemäss der Erfindung ausgebildeten Blende kann dabei die Fläche der schlitzförmigen Öffnung grösser gehalten werden als die Fläche einer kreisrunden Blendenöffnung, ohne dass der durch diese Öffnung tretende Gasstrom unzulässig gross wird.
Dies resultiert aus der Tatsache, dass bei Molekularströmung der Strömungswiderstand einer Öffnung proportional 1/r3 ist, wobei mit r der Halbmesser der Blendenöffnung bezeichnet ist.
Die sich zwischen der Blende und der Metallelektrode ausbildende Gasentladung bewirkt das Einbrennen von Vertiefungen in die Metallelektrode. Brennt die Gasentladung längere Zeit, so werden schliesslich die in der Metallelektrode entstehenden Löcher so tief, dass infolge der dadurch bedingten Potentialverteilung die Elektronen in einen unerwünscht grossen Raumwinkel austreten. Zur Verhinderung dieses Effektes werden gemäss einer Fortbildung des Erfindungsgedankens Blende und Metallelektrode relativ zueinander bewegt. Diese Bewegung kann, wenn die Blendenöffnung z. B. die Form einer Spirale oder eines Mäanders hat, darin bestehen, dass die Metallelektrode langsam um ihre vertikale Achse rotiert.
In vielen Fällen ist es zweckmässig, die Blende und die Metallelektrode gewölbt auszubilden. Mit einem solchen gewölbten Strahlerzeugungssystem können Gegenstände gleichzeitig über einen grossen Winkelbereich mit Elektronen bestrahlt werden. ohne dass mehrere Strahlerzeugungssysteme oder eine Beein- flussung der Elektronen durch Ablenkfelder vorzusehen sind.
Die Regelung des Strahlstromes kann in bekannter Weise durch Ändern der dem Strahlerzeugungsraum zuströmenden Gasmenge geschehen. Das neue Elektronenstrahlerzeugungssystem bietet nun eine weitere, sehr einfache Möglichkeit zur Regelung des Strahlstromes. Zu diesem Zweck dient hier ein vor der Blende angeordneter, von aussen zu betätigender Schieber, welcher wahlweise die Blende mehr oder weniger abdeckt.
Zur Herstellung der schlitzförmigen Blendenöffnung findet besonders vorteilhaft ein Ladungsträgerstrahl Verwendung. Dieser Ladungsträgerstrahl ist auf einen sehr engen Querschnitt konzentriert und erlaubt die Herstellung sehr schmaler Schlitze auch in relativ dicken Blendenblechen.
Das neue Elektronenstrahlerzeugungssystem findet vorteilhaft Verwendung in Geräten zur Materialbearbeitung mittels Elektronenstrahl. Die Bearbeitung kann dabei im Vakuumraum oder in einem Raum höheren Druckes erfolgen. Beispielsweise ist es mit dem neuen Strahlerzeugungssystem möglich, Schwei- ssungen mittels eines Elektronenstrahles auch in Luft auszuführen. Das neue Elektronenstrahlerzeugung system findet weiterhin Anwendung zur Bestrahlung von Folien und Fasern.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. I - 9 näher er- läutert Dabei zeigen : Fig. l einen Schnitt durch ein bekanntes Elektronenstrahlerzeugungssystem ; Fig. 2 bis 5 verschiedene Formen der gemäss der Erfindung ausgebildeten Blendenöffnung ; Fig. 6 einen Schnitt durch ein gemäss der Erfindung aufgebautes Elektronenstrahlerzeugungssystem ; Fig. 7 einen Schnitt durch ein gemäss der Erfindung aufgebautes, aus einer gewölbten Blende und einer gewölbten Metallelektrode bestehendes Strahlerzeugungssystem : Fig. 8 einen Schnitt durch ein Elektronenstrahlerzeugungssystem nach der Erfindung, bei welchem die Metallelektrode bewegt wird ;
Fig. 9 ein mit dem neuen Elektronenstrahlerzeugungssystem ausgerüstetes Elektronenstrahlgerät, bei welchem der Elektronenstrahl in einem Vakuumraum verläuft.
In Fig. l ist mit 1 die massive Metallelektrode eines bekannten Elektronenstrahlerzeugungssystemes bezeichnet. Vor dieser Metallelektrode ist eine Blende 2 angeordnet, welche mit einer kreisförmigen Blendenöffnung 3 versehen ist. Der von der massiven Metallelektrode 1, der Blende 2, dem Isolator 4 und der Gefässwand 5 gebildete Strdhlerzeugungsraum 7 ist über die Leitung 6 ständig an eine Vakuumpumpe angeschlossen.
Die Metallelektrode I liegt in dem hier gezeichneten Beispiel auf einer Spannung von beispielsweise -100 kV, während dte Blende 2 geerdet ist. Durch die kreisförmige Blendenöffnung 3 dringt Gas höheren Druckes in den Strahlerzeugungsraum 7 ein. Dabei bildet sich eine behinderte Gasentladung, in welcher Ionen entstehen. Diese treffen auf die Metallelektrode 1 und lösen aus derselben Elektronen aus, welche schliesslich durch die Blendenöffnung 3 in den Raum höheren Druckes austreten.
Fig. 2a zeigt die kreisförmige Blendenöffnung 3 der Blende 2. An Stelle dieser Blendenöffnung tritt erfindungsgemäss ein langer schmaler Schlitz, der so geformt ist, dass die von der den Schlitz umhüllenden Kurve eingeschlossene Fläche gross ist im Vergleich zur Fläche der Schlitzöffnung.
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Die geradlinige Ausdehnung dieses Schlitzes ist aus Fig. 2b zu erkennen. Ein Vergleich der Fig. 2a und
2b zeigt ohne weiteres, dass die Öffnungsfläche des Schlitzes 8 grösser ist als die Öffnungsfläche der kreis- förmigen Blendenöffnung 3. Dennoch tritt durch den Schlitz 8 nicht mehr Gas in den Strahlerzeugungsraum 7 als durch die Öffnung 3, so dass also bei Verwendung derselben Vakuumpumpe in beiden Fällen derselbe Druck im Raum 7 resultiert.
Der in Fig. 2b dargestellte Schlitz 8 ist nun gemäss der Erfindung so geformt, dass er beispielsweise die in Fig. 2c dargestellte mäanderförmige Gestalt 9 aufweist. An Stelle der in Fig. 2c dargestellten Schlitz- form 9 kann die Blendenöffnung auch die Form einer Spirale 10 haben, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.
Ebenso kann die Blendenöffnung die Form einer offenen Schleife 11 oder 12 haben, wie sie in den Fig. 4 bzw. 5 dargestellt ist. Durch die in Fig. 5 dargestellte Schlitzform wird eine Gasentladung erzeugt, wel- che in einer Richtung mehr ausgedehnt ist als in der andern Richtung. Dagegen verteilt sich die Gasent- ladung bei der in Fig. 4 dargestellten Form 11 über eine möglichst grosse (quadratische) Fläche.
Fig. 6 zeigt ein Elektronenstrahlerzeugungssystem, bei welchem die Blende 2 mit einer spiralförmi- gen Blendenöffnung 10 versehen ist. Wie aus dieser Figur ohne weiteres zu erkennen ist, verteilt sich in diesem Fall die Gasentladung zwischen den Elektroden 1 und 2 über eine grössere Fläche als bei dem in
Fig. 1 dargestellten Strahlerzeugungssystem.
Infolgedessen tritt durch die Öffnung der Blende 2 ein bedeutend grösserer Elektronenstrom aus. Zur Fokussierung der aus der Blende 2 austretenden Elektronen ist unmittelbar hinter dieser Blende ein elektromagnetisches Fokussierungssystem 31 angeordnet. Grenzt dieses System an Luft von Atmosphärendruck, so werden die aus der Blendenöffnung austretenden Elektronen durch Zusammenstösse mit den Luftmolekülen sehr schnell über einen grossen Winkelbereich gestreut. Diese Streuung wird durch das Fokussierungssystem 31 in gewissem Umfang wieder rückgängig gemacht. Der Elektronenstrahl hat dann etwa die mit 32 bezeichnete Gestalt.
Die Blende 2 kann gegebenenfalls mit Mitteln zum Durchfluss eines Kühlmittels versehen sein.
Fig. 7 zeigt einElektronenstrahlerzeugungssystem, bei welchem die Metallelektrode 14 als Rohr ausgebildet ist, in welches die zylinderförmige Blende 13 hineinragt. Das Rohr 13 ist mit Blendenöffnungen versehen, welche beispielsweise die in Fig. 2c dargestellte Form eines Mäanders 9 haben. Der aus der gewölbten Blende 13 austretende Elektronenstrom ist über einen Winkelbereich von 3600 verteilt. Infolgedessen gelingt es mit der in Fig. 7 dargestellten Einrichtung. beispielsweise Folien oder Fasern, welche im Inneren des Blendenrohres 13 angeordnet sind, über einen grossen Winkelbereich mit Elektronen zu be- strahlen.
Fig. 8 zeigt ein Elektronenstrahlerzeugungssystem, bei welchem die Metallelektrode 22 mit einer Achse 23 verbunden ist. Diese Achse ist zwischen zwei Dichtungsringen 24 und 25 im Isolator 26 drehbar gelagert. Die Blende 27 ist mit einer mäanderförmigen Öffnung 9 versehen. Während des Betriebs rotiert die Metallelektrode 22 langsam um ihre vertikale Achse. so dass ein tiefes Einbrennen der in der Elektrode 22 entstehenden Löcher vermieden wird.
Zur Regelung des Strahlstromes dient der vor der Blende 27 angeordnete Schieber 28. Dieser ist ähnlich aufgebaut, wie eine aus der Phototechnik bekannte Irisblende, so dass also der Durchmesser seiner Öffnung durch Verschwenken des Hebels 29 geregelt werden kann. Je nach Stellung dieses Hebels wird ein mehr oder weniger grosser Bereich der Blendenöffnung 9 vom Schieber 28 abgedeckt.
Das neue Elektronenstrahlerzeugungssystem kann auch in Geräten verwendet werden, bei welchen das zu bestrahlende oder zu bearbeitende Objekt im Vakuum angeordnet ist. Fig. 9 zeigt ein solches Gerät.
In Strahlrichtung gesehen ist hier unterhalb der Blende 2 eine weitere Blende 15 angeordnet, welche zusammen mit der Blende 2 einen Raum 16 bildet. Dieser Raum ist mit einer Leitung 17 versehen, welche zur Zuführung von Gas dient. Dieses Gas tritt durch die Blendenöffnung 10 in den Vakuumraum 7 ein, so dass sich also hier die schon mehrfach erwähnte Gasentladung ausbildet. Die durch die Öffnung 10 austretenden Elektronen durchsetzen die Öffnung 21 der Blende 15, welche beispielsweise dieselbe Gestalt wie die Öffnung 10 der Elende 2 hat. und gelangen von da in den Vakuumraum 19. In diesem Raum ist direkt unterhalb der Blende 15 das elektromagnetische Fokussierungssystem 18 angeordnet. Der Raum 19 steht über eine Leitung 20 mit einer Vakuumpumpe in Verbindung, welche zum ständigen Absaugen des durch die Öffnung 21 in den Raum 19 gelangenden Gases dient.
Es ist auch möglich, dem Strahlerzeuguigsraum 7 direkt über die Leitung 6 Gas zuzuführen. In die- sem Fall können die Blende 15 und der Raum 16 entfallen.
Die in den Fig. 2c, 3, 4 und 5 dargestellten Blendenöffnungen lassen sich in besonders einfacher und genauer Weise mittels eines Ladungsträgerstrahles herstellen.