CH402216A - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Profilfräsungen mittels eines Ladungsträgerstrahls - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Profilfräsungen mittels eines Ladungsträgerstrahls

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CH402216A
CH402216A CH905461A CH905461A CH402216A CH 402216 A CH402216 A CH 402216A CH 905461 A CH905461 A CH 905461A CH 905461 A CH905461 A CH 905461A CH 402216 A CH402216 A CH 402216A
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deflection
profile
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dependent
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CH905461A
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Wolfgang Dr Opitz
Fritz Dipl Ing Schleich
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United Aircraft Corp
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Description


  Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Profilfräsungen  mittels eines Ladungsträgerstrahls    Bei der     Materialbearbeitung    mit Ladungsträger  strahlen, beispielsweise bei der Herstellung von Boh  rungen oder Profilfräsungen wird die zu bearbeitende  Materialstelle durch Beschuss mit Ladungsträgern  hoch erhitzt, so dass das Material an dieser Stelle  verdampft.  



  Um eine für praktische Zwecke verwertbare Ver  dampfungsgeschwindigkeit, d. h. also in dem geschil  derten Fall eine ausreichende Bohrgeschwindigkeit  zu erzielen, muss der Ladungsträgerstrahl an der Auf  treffstelle auf das Material eine ausreichend hohe  Energiedichte aufweisen. Normalerweise wird zu die  sem Zweck der Ladungsträgerstrahl so fokussiert,  dass er seine Energie über die gesamte Bearbeitungs  fläche gleichmässig abgibt. Die Intensitätsverteilung  über den Arbeitsquerschnitt soll dabei möglichst  rechteckig sein, d. h. die Intensitätsstelle soll an den  Grenzen der bearbeiteten Fläche von dem hohen zur  Bearbeitung notwendigen Wert steil nach Null ab  fallen.  



  Es ist bekannt, in extrem dünne Folien mittels  eines bewegten Ladungsträgerstrahles Löcher ge  wünschter Form einzubrennen. Es ist ebenso be  kannt, in verhältnismässig dicke Materialien mittels  eines entsprechend fokussierten Ladungsträgerstrah  les Löcher zu bohren, deren Form im wesentlichen  der Form des Ladungsträgerstrahles entspricht. Mit  zunehmender Grösse der bearbeiteten Fläche ergibt  sich bei diesem bekannten Bearbeitungsverfahren     ein     immer grösserer thermisch beanspruchter Material  bezirk um den bearbeiteten Materialbereich. Dies be  deutet, dass     unerwünscht        grosse    Schichten am Rand  und unterhalb des bearbeiteten Bereiches aufge  schmolzen werden. Dadurch werden die Verluste er  höht und der gewünschte Arbeitseffekt wird gestört.

      Es ist auch ein Materialbearbeitungsverfahren be  kannt, bei welchem ein intermittierend wirksamer  Ladungsträgerstrahl, dessen Arbeitsquerschnitt klei  ner ist als die Fläche des zu bearbeitenden Material  bereichs diesen Bereich bestreicht. Bei diesem Ver  fahren wird der Ladungsträgerstrahl in vorherbe  stimmter Weise in Sprüngen derart über den Bearbei  tungsbereich bewegt, dass zeitlich unmittelbar nach  einander bearbeitete Flächenelemente durch eine  Strecke getrennt sind, die grösser als der Durchmes  ser eines solchen Flächenelementes ist und über wel  cher der Strahl abgeschaltet wird oder nur sehr we  nig auf das Material einwirkt. Der gesamte Bearbei  tungsbereich wird schliesslich vollständig aus einer  Vielzahl von aneinandergrenzenden bearbeiteten Flä  chenelementen zusammengesetzt.  



  Dieses Bearbeitungsverfahren weist sehr viele  Vorteile auf, doch ist die Einrichtung zu seiner  Durchführung sehr aufwendig. Es ist das Ziel der  vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Material  bearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl anzugeben,  welches eine schnelle, den thermodynamischen     Ver-          hältnissen    dieses Bearbeitungsverfahrens angepasste  Herstellung von Profilfräsungen ermöglicht und wel  ches zu seiner     Durchführung    nur eine mit verhältnis  mässig geringem Aufwand zu erstellende     Einrichtung     benötigt.  



  Profilfräsungen werden beispielsweise hergestellt  in Einspritzdüsen, Spinndüsen, Filtern, Düsen zur  Zuführung von Kühlflüssigkeiten usw.  



  Das     erfindungsgemässe    Verfahren zur Herstellung  von     Profilfräsungen    mittels eines     Ladungsträgerstrah-          les    verwendet einen Strahl, dessen Arbeitsquerschnitt  kleiner ist als die Fläche des zu bearbeitenden Mate  rialbereichs und der, durch elektronenoptische Mittel      abgelenkt, diesen Materialbereich bestreicht und  zeichnet sich dadurch aus, dass der Ladungsträger  strahl innerhalb der Grenzen des zu bearbeitenden  Materialbereichs stetig und so über das Material ge  führt wird, dass die Energiekonzentration entlang den  Randlinien dieses Bereichs am höchsten ist und dass  jedem Punkt dieses Bereichs eine zur Materialver  dampfung ausreichende Energie zugeführt wird.  



  Durch die     Energiekonzentration    an den     Rändern     des Bearbeitungsbereichs wird der dort sehr     grosse     Wärmeverlust kompensiert, so dass also die Herstel  lung einer einwandfreien Begrenzung des Bearbei  tungsbereichs ermöglicht wird. Der     erwähnte    hohe  Wärmeverlust an den Rändern des Bearbeitungsbe  reichs tritt infolge des hier sehr grossen seitlichen  Temperaturgradienten auf, welcher bewirkt, dass ein  wesentlicher Teil der eingestrahlten Energie durch  Wärmeleitung verloren geht.  



  Bei dem Materialbearbeitungsverfahren gemäss  der vorliegenden Erfindung wird der Ladungsträger  strahl     zweckmässig    so geführt, dass er das     Material     innerhalb der Grenzen des Bearbeitungsbereiches  schichtweise abträgt. Dadurch wird erreicht, dass  während der Materialabtragung keine grösseren Stu  fen innerhalb des Bearbeitungsbereichs auftreten.  Solche Stufen würden eine wesentliche Störung des  Bearbeitungsverfahrens mit sich bringen.  



  Besonders vorteilhaft ist es, einen intermittieren  den Ladungsträgerstrahl zu verwenden. Dabei wird  die Steuerung zweckmässig so gewählt, dass zeitlich  aufeinanderfolgende Strahlimpulse an örtlich mög  lichst weit auseinanderliegenden Stellen zur Wirkung  gebracht werden, wobei die Auftreffstellen der Strahl  impulse während aufeinanderfolgender Abtastvor  gänge gegeneinander versetzt sind.

   Dies wird     zweck-          mässig    dadurch erreicht, dass eine Synchronisation  zwischen Impulsfolgefrequenz und Ablenkfrequenz  vermieden wird, so dass also der Ladungsträgerstrahl  bei mehrfacher Überschreibung des Bearbeitungsbe  reichs nicht wieder auf die gleichen Stellen     auftrifft.     Auf diese Weise wird das Material innerhalb des Be  arbeitungsbereichs trotz der diskontinuierlichen Wir  kung des intermittierenden Ladungsträgerstrahles  über die Profilfläche gleichmässig schichtweise ab  getragen.  



  Um zu erreichen, dass die Impulsfolgefrequenz  kein ganzzahliges Vielfaches der Ablenkfrequenz ist,  ist es vorteilhaft, die Ablenkfrequenz durch Fre  quenzmodulation der Impulsfolgefrequenz mit einer  im Verhältnis dazu niedrigen Hilfsfrequenz zu er  zeugen.  



  Bei dem neuen Bearbeitungsverfahren kann der  Ladungsträgerstrahl in verhältnismässig einfacher  Weise so     gesteuert    werden, dass er eine     Vielzahl    von  einfachen Grundprofilen aus dem Werkstück aus  fräst. Die dazu notwendigen Ablenkströme haben  beispielsweise sinus-, trapez-, sägezahn- oder     recht-          eckförmigen    Verlauf und können demzufolge in ein  fach aufgebauten Generatoren erzeugt werden.  



  Nähere Einzelheiten über die Art der Steuerung    des Ladungsträgerstrahles werden im Zusammenhang  mit den beigefügten Figuren näher erläutert.  



  Mit Hilfe des neuen Bearbeitungsverfahrens ge  lingt es insbesondere, in einfacher Weise runde und  ovale sowie rechteckige und längliche, parallele oder  nichtparallele Ränder aufweisende Grundprofile zu  erzeugen.  



  Diese Grundprofile können zu axialsymmetri  schen grösseren Gesamtprofilen zusammengesetzt  werden, wobei diese Zusammensetzung elektronisch  mittels einer verhältnismässig einfach aufgebauten  Schaltanordnung bewirkt wird. Diese Schaltanord  nung ist zweckmässig so einstellbar, dass der La  dungsträgerstrahl beispielsweise einsinnig von der  Mitte des Gesamtprofils ausgehend nacheinander  über die den Grundprofilen entsprechenden Teilflä  chen     geführt    wird und dabei jeweils eine Schicht je  der Teilfläche abträgt.  



  Mittels des neuen Verfahrens gelingt es auch,  Gesamtprofile herzustellen, welche aus paarweise zu  einander parallel ausgerichteten Teilflächen zusam  mengesetzt sind. Zu diesem Zweck wird der Ladungs  trägerstrahl mittels eines durch die betreffenden Ab  lenkelemente fliessenden Gleichstromes bis zur Mit  tellinie der jeweils zu bearbeitenden Teilfläche abge  lenkt.  



  Die mittels des neuen Verfahrens herzustellenden  Gesamtprofile können aus Teilflächen zusammenge  setzt sein, welche von der Mitte des Gesamtprofils  aus gerechnet nur die halbe Ausdehnung der oben  erwähnten Grundprofile haben. Der Ladungsträger  strahl wird in diesem Fall nach Bestreichen der einer  Teilfläche entsprechenden Hälfte eines Grundprofils  so abgelenkt, dass die andere Hälfte dieses Grund  profils an einer mit einer weiteren Teilfläche zusam  menfallenden Stelle des Gesamtprofils hergestellt  wird.

   Wird ein aus grösseren Teilflächen bestehendes  Gesamtprofil gefordert, so ist es     vorteilhaft,    die Teil  flächen entsprechend den obenerwähnten Grundpro  filen zu wählen und den Ladungsträgerstrahl mittels  eines durch die entsprechenden     Ablenkelemente        flies-          senden    Gleichstromes     vorabzulenken.    In diesem Fall  wird also ohne eine Vergrösserung der zur Erzeugung  der Grundprofile notwendigen     Ablenkströme    ein Ge  samtprofil erzeugt, dessen Aussenabmessungen grös  ser sind als diejenigen des Grundprofils.  



  Zur Herstellung eines aus sich kreuzenden oder  berührenden Teilflächen zusammengesetzten Gesamt  profils wird der     Ladungsträgerstrahl    zweckmässig so  geführt, dass sowohl entlang den Randlinien des Pro  fils als auch im äusseren, dem Kreuzungspunkt abge  wandten Teil jeder     Teilfläche    eine Energiehäufung  auftritt. Auf diese Weise wird die in den äussern Pro  filteilen gegenüber der Profilmitte     vergrösserte    Wär  meableitung     kompensiert,    so dass also auch die     äus-          seren    Profilteile genau entlang den vorgeschriebenen  Randlinien ausgefräst werden.  



  Der Zweck, eine Energiehäufung im äusseren,  dem Kreuzungspunkt abgewandten Teil jeder Teil  fläche zu erzeugen, kann auch dadurch erreicht wer-      den, dass die Energie des Ladungsträgerstrahles in  vorgegebener Weise synchron mit der linear verlau  fenden Strahlablenkung geregelt wird. Bei einer inter  mittierenden Steuerung des Ladungsträgerstrahles ist  es vorteilhaft, die Impulsamplitude, die Impulsdauer  und die Impulsfolgefrequenz zu regeln.  



  Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung  enthält eine Ladungsträgerstrahlquelle sowie Mittel  zur Formung und Fokussierung des Strahles auf das  zu bearbeitende Material und ist gekennzeichnet  durch ein hinter der Fokussierungslinse angeordnetes,  entsprechend der Axialsymmetrie der herzustellenden  Figur ausgelegtes Ablenksystem sowie mit diesem  verbundene Schaltmittel zur Erzeugung und Zufüh  rung der Ablenkströme nach einem vorgegebenen  Programm enthält.

   Diese Schaltmittel bestehen     zweck-          mässig    aus mindestens zwei, Ablenkströme verschie  denen zeitlichen Verlaufes liefernden Generatoren so  wie einer mit diesen Generatoren verbundenen, zur  Zuführung der Ablenkströme zu den Spulen des Ab  lenksystems dienenden     Schaltanordnung.DieseSchalt-          anordnung    selbst besteht vorteilhaft aus einer Anzahl  mechanischer oder elektronischer Schalter, z. B.

   Re  lais oder Schalttransistoren, die in Gruppen nachein  ander in periodischer Folge betätigt werden.     Zweck-          mässig    wird ein aus der Fernmeldetechnik     bekanntes     Zählrelais oder ein elektronischer Ringzähler, der mit  jeder Stufe eine Gruppe von mechanischen oder elek  tronischen Schaltern betätigt, verwendet. Es ist eben  so möglich, die erwähnte Schaltanordnung lediglich  unter Verwendung von Transistoren aufzubauen.  



  Bei dem genannten Einrichtungsbeispiel der vor  liegenden Erfindung liefern die Generatoren die zur  Erzeugung der Grundprofile notwendigen Ablenk  ströme, während mittels der erwähnten Schaltanord  nung die Grundprofile in vorgegebener Weise zu  einem Gesamtprofil zusammengesetzt werden. Das  gesamte Programm zur Herstellung eines zusammen  gesetzten Profils ist also in der erwähnten Schalt  anordnung enthalten.  



  Die Schaltanordnung ist zweckmässig so ausge  bildet und eingestellt, dass jeweils nach Bestreichen  einer Teilfläche, gegebenenfalls unter gleichzeitiger  Umpolung der Ablenkspulen die Rolle der zur     Quer-          und    Längsablenkung dienenden Ablenkspulen mitein  ander vertauscht wird. Auf diese Weise wird erreicht,  dass die     Teilflächen    eines zusammengesetzten Profils  einseitig von der Mitte des Gesamtprofils ausgehend  nacheinander bearbeitet werden.  



  Es ist zweckmässig, die zur Umschaltung der Ab  lenkspulen dienende Schaltanordnung in der Weise  mit dem Steuerimpulsgenerator zu verbinden, dass  die Steuerimpulse während jedes Umschaltvorganges  über eine vorgegebene Zeit unterdrückt werden. Auf  diese Weise wird mit Sicherheit vermieden, dass in  folge von Einschwingvorgängen Strahlimpulse     ausser-          halb    der eigentlichen Bearbeitungsstelle fallen.  



  Unter Umständen ist es auch vorteilhaft, die zur  Umschaltung dienende Schaltanordnung in der Weise  mit dem Steuerimpulsgenerator zu verbinden, dass die    Steuerimpulse während des Rücklaufes der Ablenk  spannung unterdrückt werden. Auf diese Weise wird  vermieden, dass infolge der magnetischen Eigenschaf  ten der Ablenksysteme der Ladungsträgerstrahl wäh  rend des Rücklaufes verschiedene Bereiche der Mate  rialbearbeitungsstelle erfasst.  



  Die Erfindung wird im folgenden anhand der  Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1-14 näher  erläutert. Dabei zeigen:  Fig. 1 eine gemäss der Erfindung aufgebaute Ein  richtung zur Herstellung von Profilfräsungen mittels  Ladungsträgerstrahl,  Fig. 2 eine Draufsicht auf das in der Einrichtung  nach Fig. 1 enthaltene Ablenksystem,  Fig. 3-8 verschiedene Grundprofile (a) und die  zur Steuerung der jeweiligen Ablenkung des Ladungs  trägerstrahles notwendigen Ablenkströme (b),  Fig. 9 ein mittels intermittierend gesteuertem La  dungsträgerstrahl hergestelltes Grundprofil (a) und  die zur Strahlsteuerung und Strahlablenkung notwen  digen Ströme (b),  Fig. 10 und 11 aus Grundprofilen zusammenge  setzte Profile (a) und die zur Herstellung dieser Pro  file notwendigen Ablenkströme (b),  Fig. 12 und 13 Beispiele von zusammengesetzten  Profilen,  Fig.

   14 eine Draufsicht auf ein zur Herstellung  des in Fig.13 dargestellten Profils verwendetes Strahl  ablenksystemes.  



  Bei allen in der Folge beschriebenen     Profilfräsun-          gen    wird der     Ladungsträgerstrahl    stetig und so über  das Material geführt, dass die     Energiekonzentration     entlang den Randlinien dieses Bereichs am höchsten  ist und dass jedem Punkt dieses Bereichs eine zur  Materialverdampfung ausreichende Energie zugeführt  wird.  



       In        Fig.    1 ist mit 1 ein Vakuumgefäss bezeichnet,  in welchem     ein    aus der Kathode 2, der Steuerelek  trode 3 und der Anode 4 bestehendes     Strahlerzeu-          gungssystem    angeordnet ist. Zur weiteren Formung  des Elektronenstrahles 5 dient eine Blende 6, welche  mittels der     Einstellknöpfe    7 und 8 justiert werden  kann. Eine elektromagnetische Linse 9, deren Strom  versorgungsgerät mit 16 bezeichnet ist, dient zur     Fo-          kussierung    des Elektronenstrahles auf das zu bearbei  tende Werkstück 11.

   Das Werkstück 11, beispiels  weise eine Spinndüse, ist in einer     ebenfalls    unter Va  kuum stehenden Kammer 13 auf einem Tisch 12 an  geordnet, welches mittels einer Spindel 15 von links  nach rechts oder umgekehrt verschoben werden kann.  Eine weitere     Spindel    14 dient zur Verschiebung des  Werkstückes senkrecht zur Papierebene.  



  Zwischen der elektromagnetischen Linse 9 und  dem Werkstück 11 ist ein elektromagnetisches Ab  lenksystem 10 angeordnet, welches zur Ablenkung  des Elektronenstrahles 6 in der Papierebene und  senkrecht zur Papierebene dient. Das     Ablenksystem     10 besteht, wie aus     Fig.    2 hervorgeht, aus vier jeweils  um 90   gegeneinander versetzten elektromagneti  schen Spulen 25-28, welche jeweils mit einem ferro-      magnetischen Kern 29-32 ausgerüstet sind. Ein     ferro-          magnetischer    Ring 33 dient als Rückfluss für das  Magnetfeld, welches in dem zum Strahldurchtritt die  nenden Rohr 34 entsteht. Sämtliche Spulen des Ab  lenksystems sind in Kunstharz eingegossen.

   Das Ab  lenksystem ist so ausgebildet, dass der Elektronen  strahl 5 bei Zuführung entsprechender Ablenkströme  ein verzeichnungsfreies Raster auf der Oberfläche  des Werkstückes 11 schreibt.  



  Im Gerät 17 wird eine Hochspannung von bei  spielsweise 100     kV    erzeugt und mittels eines mit  einem Erdmantel versehenen Hochspannungskabels  dem Gerät 18 zugeführt. Dieses Gerät dient zur Er  zeugung der regelbaren Heizspannung und der regel  baren Steuerelektrodenvorspannung. Diese Spannun  gen werden über     ein    mit einem     Erdmantel    versehenen  dreiadrigen Hochspannungskabel 19 in den     ölgefüll-          ten        Behälter    20     eingeführt.    Die beispielsweise auf  - 100     kV    liegende Heizspannung wird direkt der Ka  thode 2 zugeleitet.

   Die Wehneltzylinderspannung von  beispielsweise -101     kV    wird durch den Isolator  ansatz der Sekundärwicklung des     Hochspannungs-          Isoliertransformators    21 zugeführt und gelangt von  dort aus direkt zur Steuerelektrode 3. Die Steuerelek  trodenvorspannung ist so eingestellt, dass im Ruhe  zustand das Strahlerzeugungssystem gesperrt ist.  



  Mit 35 ist eine Schaltanordnung bezeichnet, wel  che mit den Spulen des Ablenksystems 10 verbunden  ist. Mit der Schaltanordnung 35 sind weiterhin Gene  ratoren 36-39 verbunden, welche zur Erzeugung der  Ablenkströme dienen. Dabei dient beispielsweise der  Generator 36 zur Erzeugung eines Ablenkstromes  mit sägezahnförmigem Verlauf, der Generator 37 zur  Erzeugung eines Ablenkstromes mit sinusförmigem  Verlauf, der Generator 38 zur Erzeugung eines Ab  lenkstromes mit rechteckförmigem Verlauf, während  der Generator 39 zur Erzeugung eines regelbaren  Gleichstromes dient.  



  Mit dem Isolier-Impulstransformator 21 ist ein  Steuerimpulsgenerator 40 verbunden, welcher eben  falls mit der Schaltanordnung 35 in Verbindung  steht. Der Steuerimpulsgenerator 40 liefert positive  Steuerimpulse, welche die Vorspannung des     Strahl-          erzeugungssystemes    so weit abtragen, dass während  der Dauer eines Steuerimpulses das Strahlerzeugungs  system entsperrt wird und ein Elektronenstrahlimpuls  entsteht. Über die Schaltanordnung 35 werden die  vom Steuerimpulsgenerator 40 gelieferten Steuer  impulse während des Rücklaufes der Ablenkspan  nung - und / oder bei der Herstellung von zusam  mengesetzten Profilen während bestimmter Umschalt  zeiten - unterdrückt.  



  Fig. 3a zeigt ein rundes Grundprofil 41, dessen  Durchmesser nur wenig grösser ist als der wirksame  Strahldurchmesser des Elektronenstrahles 5. Mittels  der um 90   gegeneinander phasenverschobenen, vom  Generator 38 gelieferten Ablenkströme 42 und 43  wird der Ladungsträgerstrahl so entlang der äusseren  Randlinie des Profils 41 geführt, dass der äussere  Rand des wirksamen Strahlquerschnitts die Begren-    zungslinie des Profils berührt. Dabei wird das in der  Mitte liegende Material, welches nicht vom Strahl ge  troffen wird, genügend hoch erhitzt, um mit abgetra  gen zu werden.  



  Fig. 4a zeigt ein rundes Grundprofil 44, dessen  Durchmesser vier- bis sechsmal so gross ist wie der  wirksame Durchmesser des Elektronenstrahles 5. Zur  Herstellung dieses Profils wird der Elektronenstrahl 5  mittels der Ablenkströme 45 und 46 in zeitlichem  Wechsel so auf zwei konzentrische Kreislinien ge,  führt, dass der äussere Rand des wirksamen Strahl  querschnitts die äussere Begrenzungslinie des Profils       berührt    und dass das zwischen den Kreislinien und  das innerhalb der inneren Kreislinie liegende Material  mit abgetragen wird.  



  Fig. 5a zeigt ein rundes Grundprofil 47 grösseren  Durchmessers. Zu seiner Herstellung wird der Elek  tronenstrahl 5 so über die am äusseren Rand des Pro  fils gelegene schraffierte Kreisringfläche bewegt, dass  der äussere Rand des wirksamen Strahlquerschnitts  die äussere Begrenzungslinie des Profils berührt und  dass     entlang    den beiden Begrenzungslinien eine Häu  fung der Energie auftritt. Zu diesem Zweck werden  die beiden um 90   gegeneinander phasenverschobe  nen sinusförmigen Ablenkströme, von denen in Fig.  5b nur der Ablenkstrom 48 dargestellt ist, mittels des  trapezförmigen Stromes 49 moduliert. Die Frequenz  des Ablenkstromes 49 ist dabei wesentlich grösser  als die Frequenz des Ablenkstromes 48, wobei durch  entsprechende Frequenzwahl eine Synchronisation  zwischen diesen beiden Ablenkströmen vermieden ist.

    Wie ohne weiteres aus Fig. 5a zu erkennen ist, wird  der Elektronenstrahl in diesem Fall     rasterförmig    über  die schraffierte Kreisringfläche geführt, wobei auf  einanderfolgende Raster gegeneinander verschoben  sind. Durch die trapezförmige Modulationsspannung  49 wird erreicht, dass der Elektronenstrahl entlang  der Randlinien des Kreisringes langsamer bewegt  wird als senkrecht zu diesen Kreislinien. Dadurch  wird eine Häufung der Energie entlang den Rand  linien erreicht.  



  Derselbe Effekt lässt sich erzielen, wenn die Ab  lenkströme nicht trapezförmig, sondern sinusförmig  amplitudenmoduliert werden.  



  Zur Erzeugung ovaler Grundprofile ist es not  wendig, die Amplituden der in den Fig. 3b, 4b und  5b dargestellten um 90   gegeneinander phasenver  schobenen Ablenkströme verschieden gross zu ma  chen.  



  Fig. 6a zeigt ein längliches rechteckförmiges  Grundprofil 50, dessen Breite nur wenig grösser ist  als der wirksame Strahldurchmesser. Der zur Längs  ablenkung des Elektronenstrahles 5 dienende Ablenk  strom 51 hat den in Fig. 6b dargestellten     sägezahn-          förmigen    zeitlichen Verlauf. Mittels dieses Ablenk  stromes wird der Ladungsträgerstrahl mit konstanter  Geschwindigkeit in Längsrichtung des Profils     geführt.     Zur Querablenkung des     Ladungsträgerstrahles    dient  ein     rechteckförmiger        Ablenkstrom    52, wie er in     Fig.     6c dargestellt ist.

   Wie aus den     Fig.    6b und 6c zu er-      kennen ist, sind die Ablenkströme 51 und 52 mitein  ander     synchronisiert.    Diese Synchronisation ist so ge  wählt, dass der Elektronenstrahl in zeitlichem Wech  sel über die beiden schraffierten Streifen geführt wird.  Bei dieser Strahlführung berührt der äussere Rand  des wirksamen Strahlquerschnittes die äussere Be  grenzungslinie des Profils.  



  Anstelle des in Fig. 6b dargestellten     sägezahnför-          migen    Ablenkstromes kann die Längsablenkung des  Elektronenstrahles auch mittels eines in Fig. 6d dar  gestellten Ablenkstromes 53 bewirkt werden. Die  Querablenkung     erfolgt    in diesem Fall mittels des     in     Fig. 6e dargestellten rechteckförmigen Ablenkstro  mes 54. Der dachförmige Ablenkstrom 53 bewirkt,  dass der Elektronenstrahl mit konstanter     Geschwin-          digkeit    entlang der schraffierten Linien des Profils 50  hin- und hergeführt wird. Dabei wechselt der La  dungsträgerstrahl jeweils nach Durchlaufen einer Li  nie auf die andere Linie über.  



  Fig. 7a zeigt ein rechteckförmiges Grundprofil 55  grösserer Breite. Zu seiner Herstellung überstreicht  der Elektronenstrahl die gesamte Rechteckfläche, wo  bei seine Längsablenkung durch den in Fig. 7b dar  gestellten sägezahnförmigen Ablenkstrom 56 und  seine Querablenkung durch den in Fig. 7c dargestell  ten sinusförmigen Ablenkstrom 57 bewirkt wird. Die  Ablenkströme 56 und 57 sind nicht miteinander syn  chronisiert, so dass also der Elektronenstrahl auf dem  Profil 55 kein feststehendes Raster beschreibt. Wie  ohne weiteres zu erkennen ist, wird durch den     sinus-          förmigen    Querablenkstrom 57 bewirkt, dass der Elek  tronenstrahl an den Rändern des Profils langsamer  bewegt wird als über die Profilfläche hinweg, so dass  also an den Profilrändern eine Energiehäufung ent  steht.  



  Anstelle des in Fig. 7b dargestellten     sägezahnför-          migen    Ablenkstromes 56 kann zur Längsablenkung  des Elektronenstrahles über das Profil 55 auch der in  Fig. 7d dargestellte Ablenkstrom 58 verwendet wer  den, der einen dachförmigen Verlauf mit abgeflach  ten Spitzen hat.  



  Während der Bereiche 59 des Ablenkstromes  wird der Elektronenstrahl in Längsrichtung nicht ab  gelenkt, während der Querablenkstrom voll wirksam  ist. Auf diese Weise wird eine Energiehäufung auch  an den das Profil 55 in Querrichtung     begrenzenden     Randlinien erreicht.  



  Fig. 8a zeigt ein längliches Profil 60 mit nicht  parallelen Rändern. Zu seiner Herstellung wird der  Elektronenstrahl mittels des in Fig. 8b dargestellten,  im wesentlichen sinusförmig verlaufenden Ablenk  stromes 61 mit einer der Profilbreite umgekehrt pro  portionalen Geschwindigkeit in     Längsrichtung    ge  führt. Die Querablenkung des Elektronenstrahles er  folgt durch den synchron zur Längsablenkung ampli  tudenmodulierten Ablenkstrom 63, dessen Modula  tionsspannung mit 62 bezeichnet ist. Durch diese  Amplitudenmodulation des Querablenkstromes ergibt  sich die gewünschte Profilform. Der Querablenkstrom    63 hat sinusförmigen Verlauf, so dass also an den       Rändern    des Profils 60 eine Energiehäufung     auftritt.     



  Alle die in den Fig. 3-8 dargestellten Grundpro  file werden zweckmässig mit einem intermittierend  gesteuerten Ladungsträgerstrahl hergestellt. Die Im  pulsfolgefrequenz ist dabei kein ganzzahliges Viel  faches der Ablenkfrequenz.  



  Fig. 9a zeigt ein rechteckförmiges längliches  Grundprofil 50, zu dessen Herstellung jedoch ein     mit     den Ablenkströmen synchronisierter intermittierend  gesteuerter Ladungsträgerstrahl verwendet ist. Der  zur Längsablenkung des Ladungsträgerstrahles die  nende Ablenkstrom 64 hat treppenförmigen Verlauf  und ist in Fig. 9b dargestellt. Der zum Ablenkstrom  64 ebenfalls synchronisierte Querablenkstrom 65 ist  in Fig. 9c dargestellt. Die Synchronisation ist so ge  wählt, dass der Elektronenstrahl nach jeder Treppen  stufe von     einer    Randlinie des Profils 50 auf die an  dere geführt wird. Die Modulation der Strahlintensi  tät ist so gewählt, dass zu jeder Treppenstufe des  Längsablenkstromes 64 ein Strahlimpuls 66 gehört.  



  Wählt man die Synchronisation der Ablenkströme  so, dass während des Rücklaufes des Längsablenk  stromes der Querablenkstrom um eine halbe Periode  phasenverschoben     wird,    so schreibt der Elektronen  strahl auf dem Profil 50 zwei ineinandergeschachtelte  Raster, von denen eines in Fig. 9a dargestellt ist. Der  Abstand zweier Punkte der ineinandergeschachtelten  Raster ist dabei zweckmässig kleiner als der wirk  same Strahldurchmeser. Wählt man von vorneherein  die Treppenschritte des Längsablenkstromes so, dass  in einer Linie aufeinanderfolgende Strahlimpulse  einen Abstand haben, welcher     kleiner    ist als der wirk  same Strahldurchmesser, so kann das gesamte Profil  50 mittels eines einzigen Rasters geschrieben werden.  



  Aus den in den Fig. 3-8 dargestellten Grundpro  filen werden durch entsprechende Programmierung  mittels der in Fig. 1 dargestellten Schaltanordnung 35       zusammengesetzte    Profile geschrieben. Ein solches  Profil ist beispielsweise in Fig. 12 dargestellt. Wie  ohne weiteres zu erkennen ist, besteht dieses Profil  aus zwei gekreuzten Grundprofilen 60. Zu seiner  Herstellung wird zunächst den Ablenkspulen 25 und  27 der     Längsablenkstrom    61 zugeführt, während den  Spulen 26 und 28 der     Querablenkstrom    63 zugeführt  wird.

   Sobald der Elektronenstrahl die     Hälfte    des  Grundprofils 60 geschrieben hat,     wird    über die       Schaltanordnung    35 die Rolle der Längs- und Quer  ablenkspulen miteinander vertauscht. Aus diesem  Grunde wird die nächste     Hälfte    des Grundprofils     in     einer um 90   verschobenen Stellung geschrieben.  Durch     fortgesetzte    Umschaltung mittels der Relais  anordnung 35 wird schliesslich das     in        Fig.    12 darge  stellte zusammengesetzte Profil aus dem Werkstück  11 ausgefräst.  



       Fig.    10 zeigt ein aus vier wechselweise parallel  zueinander angeordneten Grundprofilen 50 bestehen  des zusammengesetztes Profil. Zu seiner Herstellung  wird der Elektronenstrahl 5 mit Hilfe des in     Fig.    10  dargestellten     Längsablenkstromes    53     in    Längsrich-      tung geführt. Zugleich wird der Elektronenstrahl mit  tels eines vom Generator 39 gelieferten Gleichstro  mes 70 in Querrichtung so abgelenkt, dass der in Fig.  10 dargestellte Querablenkstrom 71 entsteht.

   Sobald  der Elektronenstrahl die beiden Randlinien des obe  ren     Grundprofils    50 abgefahren hat, wird mittels der  Schaltanordnung 35 die Funktion der Längs- und  Querablenkspulen miteinander vertauscht, so dass  der Elektronenstrahl 5 im nächsten Arbeitsgang die  beiden Randlinien des linken Grundprofiles abführt.  Nach einer entsprechenden Anzahl von Umschaltun  gen hat schliesslich der Elektronenstrahl 5 aus dem  Werkstück 11 das in Fig. 10 dargestellte Gesamtpro  fil ausgefräst.  



  Fig. 11a zeigt ein kreuzförmiges Profil, welches.,  wie ohne weiteres zu erkennen ist, aus den Grund  profilen 55 entsprechenden Teilflächen zusammen  setzbar ist. Zu seiner Herstellung wird ein Längs  ablenkstrom 72 verwendet, welcher den aus Fig. 11  ersichtlichen Verlauf hat. Wie aus dieser Figur zu er  kennen ist, hat der Längsablenkstrom 52 einen im  wesentlichen sägezahnförmigen Verlauf, wobei jedoch  die Spitzen des Sägezahnes abgeflacht sind. Durch  diese Abflachung wird erreicht, dass der Ladungsträ  gerstrahl am äusseren Ende jeder Teilfläche länger  verweilt als an dem dem Kreuzungspunkt naheliegen  den Ende.

   Aus diesem Grunde wird also der Elektro  nenstrahl mittels des Querablenkstromes 73 (Fig. l1c)  am äusseren Ende jeder Teilfläche öfter in Querrich  tung bewegt als an dem anderen Ende der Teilfläche,  so dass eine Energiehäufung in den äusseren Teilen  der Kreuzbalken auftritt.  



       Führt    man den jeweils zur Längsablenkung die  nenden Spulen des Ablenksystemes einen Gleich  strom zu, welcher eine Vorablenkung des Elektronen  strahles 5 um die halbe Länge des Grundprofiles be  wirkt, so lässt sich in diesem Fall ein kreuzförmiges  Profil herstellen, dessen Balken die volle Länge des  Grundprofiles aufweisen. Der zur Längsablenkung  dienende Wechselstrom muss dabei gegenüber dem  zur Erzeugung des Grundprofiles dienenden Längs  ablenkstrom nicht erhöht werden.  



  Fig. 13 zeigt ein aus den drei Balken 74, 75 und  76 bestehendes Profil, dessen einzelne Balken dem  Grundprofil 50 entsprechen. Zur Herstellung dieses  Profils wird anstelle des in Fig. 1 mit 10 bezeichne  ten zweizähligen Ablenksystems das in Fig. 14 in  Draufsicht gezeichnete dreizählige Ablenksystem ver  wendet. Dieses Ablenksystem besteht aus den sechs  Ablenkspulen 77-82.  



  Bei der Herstellung des in Fig. 13 dargestellten  Profils wird zunächst den Spulen 77, 78, 80 und 81  beispielsweise der in Fig. 11b dargestellte Ablenk  strom 72 zugeführt, während den Ablenkspulen 79  und 82 der in Fig. 6c dargestellte Querablenkstrom  52 zugeführt wird. Nachdem der Elektrodenstrahl 5  eine Randlinie der     Teilfläche    74 von der Profilmitte  ausgehend abgefahren hat, schaltet die Schaltanord  nung 35 unter gleichzeitiger Umpolung der Ablenk  spulen um, und zwar so, dass nunmehr die Spulen    78, 79, 81 und 82 zur Längsablenkung und die Spu  len 77 und 80 zur Querablenkung dienen. Dadurch  wird eine Randlinie der Teilfläche 75 vom Elektro  nenstrahl abgefahren.

   Danach schaltet die Schalt  anordnung 35 unter gleichzeitiger Umpolung wieder  um, so dass nunmehr die Ablenkspulen 79, 80, 82  und 77     zur    Längsablenkung und die Spulen 78 und  81 zur Querablenkung dienen. Dabei     fährt    der Elek  tronenstrahl eine Randlinie der Teilfläche 76 ab. Auf  diese Weise werden nacheinander die Balken 74, 75  und 76 so lange abgetragen, bis das vollständige Pro  fil aus dem Werkstück 11 ausgefräst ist. Die Längs  ablenkung des Elektrodenstrahles erfolgt stets einsei  tig von der Profilmitte ausgehend.  



  Auch die in den Fig. 10-13 dargestellten zusam  mengesetzten Profile werden zweckmässig mittels  eines intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrah  les hergestellt. Es ist dabei möglich, beispielsweise  bei der Herstellung des in Fig. 11 dargestellten zu  sammengesetzten Profiles die Impulsamplitude, die  Impulsdauer oder die Impulsfolgefrequenz so zu re  geln, dass auch bei Verwendung eines     sägezahnför-          migen    Ablenkstromes mit nicht abgeflachten Spitzen  eine Energiehäufung in den äusseren Bereichen der       Grundprofile    auftritt.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung von Profilfräsungen mittels eines Ladungsträgerstrahles, dessen Arbeits querschnitt kleiner ist als die Fläche des zu bearbei tenden Materialbereichs und der, durch elektronen optische Mittel abgelenkt, diesen Materialbereich be streicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungs trägerstrahl innerhalb der Grenzen des zu bearbeiten den Materialbereichs stetig und so über das Material geführt wird, dass die Energiekonzentration entlang den Randlinien dieses Bereichs am höchsten ist und dass jedem Punkt dieses Bereichs eine zur Material verdampfung ausreichende Energie zugeführt wird. 1I.
    Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Patentanspruch I, mit einer Ladungsträger strahlquelle sowie Mitteln zur Formung und Fokus- sierung des Strahles auf das zu bearbeitende Material, gekennzeichnet durch ein hinter der Fokussierungs- linse angeordnetes, entsprechend der Axialsymmetrie der herzustellenden Figur ausgelegtes Ablenksystem sowie mit diesem verbundene Schaltmittel zur Erzeu gung und Zuleitung der Ablenkströme nach einem vorgegebenen Programm. UNTERANSPRÜCHE 1.
    Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der Ladungsträgerstrahl so geführt wird, dass er das Material innerhalb der Grenzen des zu bearbeitenden Materialbereichs schichtweise ab trägt. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der Ladungsträgerstrahl intermit- tierend zur Wirkung gebracht wird. 3. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass zeitlich aufeinanderfolgende Strahl impulse an örtlich auseinanderliegenden Stellen zur Wirkung gebracht werden, wobei die Auftreffstellen der Strahlimpulse während aufeinanderfolgender Ab tastvorgänge gegeneinander versetzt sind. 4.
    Verfahren nach Unteranspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Impulsfolgefrequenz kein ganzzahliges Vielfaches der Ablenkfrequenz ist. 5. Verfahren nach Unteranspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ablenkfrequenz durch Fre quenzmodulation der Impulsfolgefrequenz mit einer im Verhältnis dazu niedrigen Hilfsfrequenz gewonnen wird. 6.
    Verfahren nach Patentanspruch 1 und den Un teransprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung runder Profile, deren Durchmesser nur wenig grösser ist als der wirk same Strahldurchmesser, so entlang der äusseren Randlinie der Bearbeitungsstelle geführt wird, dass der äussere Rand des wirksamen Strahlquerschnittes die Begrenzungslinie des Profils berührt.
    7. Verfahren nach Patentanspruch I und den Un teransprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung runder Profile, deren Durchmesser vier- bis sechsmal so gross ist wie der wirksame Strahldurchmesser, in zeitlichem Wech sel so auf zwei konzentrischen Kreislinien geführt wird, dass der äussere Rand des wirksamen Strahl querschnitts die äussere Begrenzungslinie des Profils berührt und dass das zwischen den Kreislinien und das innerhalb der inneren Kreislinie liegende Material mit abgetragen wird.
    B. Verfahren nach Patentanspruch I und den Un teransprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung runder Profile grösseren Durchmessers so über eine am äusseren Rand des Profils gelegene Kreisringfläche bewegt wird, dass der äussere Rand des wirksamen Strahl querschnitts die äussere Begrenzungslinie des Profils berührt und dass entlang der beiden Begrenzungs linien eine Häufung der Energie auftritt. 9.
    Verfahren nach Patentanspruch I und den Un teransprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung rechteckförmiger Profile einer Breite, die wenig grösser ist als der wirk same Strahldurchmesser, mit konstanter Geschwin digkeit in zeitlichem Wechsel so entlang der beiden Längsbegrenzungslinien geführt wird, dass der äus- sere Rand des wirksamen Strahlquerschnitts die äus- seren Begrenzungslinien des Profils berührt. 10.
    Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung rechteckför- miger Profile einer grösseren Breite als der vierfache wirksame Strahldurchmesser so geführt wird, dass er die ganze Fläche überstreicht und dass entlang den Randlinien des Profils eine Häufung der Energie auf tritt. 11.
    Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung länglicher Profile mit nichtparallelen Rändern mit einer der wechselnden Profilbreite umgekehrt proportionalen Geschwindigkeit in Längsrichtung geführt und durch eine synchron zur Längsablenkung amplitudenmodu lierte Ablenkgrösse quer zur Längsrichtung bewegt wird.
    12. Verfahren nach den Unteransprüchen 8, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Synchro nisation zwischen dem zur Längsablenkung des La- ' dungsträgerstrahles dienenden Ablenkstrom und dem zur Querablenkung dienenden Ablenkstrom vermie den wird, und dass die Frequenz des Querablenkstro mes höher ist als die Frequenz des zur Längsablen kung dienenden Stromes. 13.
    Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsträgerstrahl nach einem festen Raster über den zu bearbeitenden Materialbereich geführt wird, wobei die Längsablenkung durch eine in der Art zur Impulsfolgefrequenz synchronisierte treppen- förmige Ablenkgrösse bewirkt wird, dass auf jede Stufe ein Strahlimpuls trifft und wobei die Quer ablenkung ebenfalls mit der Impulsfolgefrequenz syn chronisiert ist. 14.
    Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung axialsymme trischer aus mehreren Grundprofilen zusammensetz barer Profile so geführt wird, dass er einsinnig von der Mitte des Gesamtprofiles ausgehend nacheinan der über die entsprechend den Grundprofilen aufge bauten Teilflächen geführt wird. 15.
    Verfahren nach Unteranspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilflächen von der Mitte des Gesamtprofiles aus gerechnet nur die halbe Aus dehnung der erwähnten Grundprofile haben und dass der Ladungsträgerstrahl nach Bestreichen der einer Teilfläche entsprechenden Hälfte eines Grundprofiles so abgelenkt wird, dass die andere Hälfte des Grund profiles an einer mit einer weiteren Teilfläche zusam menfallenden Stelle des Gesamtprofils geschrieben wird. 16.
    Verfahren nach Unteranspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilflächen den erwähnten Grundprofilen entsprechen und dass der Ladungsträ- gerstrahl mittels eines durch die entsprechenden Ab lenkelemente fliessenden Gleichstromes so vorabge- lenkt wird, dass eine Randlinie des von ihm bestri chenen Grundprofils durch die Mitte des Gesamtpro fils geht. 17.
    Verfahren nach den Unteransprüchen 14-16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung eines aus sich kreuzenden Teilflächen zusammengesetzten Profils so geführt wird, dass so wohl entlang den Randlinien des Profils als auch im äusseren, dem Kreuzungspunkt abgewandten Teil je der Teilfläche eine Energiehäufung auftritt. 18. Verfahren nach Unteranspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung eines kreuzförmigen Profils mittels eines Stromes in Richtung der Kreuzbalken abgelenkt wird, dessen Verlauf die Form eines Sägezahnes mit abge flachten Spitzen hat.
    19. Verfahren nach den Unteransprüchen 14-16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsträger strahl zur Herstellung zueinander parallel ausgerich teter Teilflächen eines Profils mittels eines durch die betreffenden Ablenkelemente fliessenden Gleichstro mes bis zur Mittellinie der jeweils zu bearbeitenden Teilfläche abgelenkt wird. 20. Einrichtung nach Patentanspruch II, gekenn zeichnet durch mindestens zwei, Ablenkströme ver schiedenen zeitlichen Verlaufs erzeugende Generato ren sowie durch eine mit diesen Generatoren verbun dene, zur Zuführung der Ablenkströme zu den Spu len des Ablenksystemes nach einem vorgegebenen Programm dienende Schaltanordnung. 21.
    Einrichtung nach Unteranspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Schaltanordnung auch ein Gleichstromgenerator verbunden ist. 22. Einrichtung nach Unteranspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung so ausge bildet und eingestellt ist, dass sie jeweils nach Be streichen einer Teilfläche eines Gesamtprofils die Rolle der zur Quer- und Längsablenkung dienenden Ablenkspulen miteinander vertauscht. 23. Einrichtung nach den Unteransprüchen 20 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalt anordnung so ausgebildet ist, dass sie bei der Ver tauschung der Rollen der Quer- und Längsablenk spulen gleichzeitig diese Ablenkspulen umpolt. 24.
    Einrichtung nach den Unteransprüchen 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass. die zur Um schaltung dienende Schaltanordnung in der Weise mit dem Steuerimpulsgenerator in Verbindung steht, dass die Steuerimpulse während jedes Umschaltvor ganges über eine vorgegebene Zeit unterdrückt wer den.
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