CN103299390B - 用于产生电子束的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生电子束的设备，其包括：壳体（12），该壳体（12）形成可排空的空间（13）的边界并且具有电子束出射开口；用于将工作气体输送到可排空的空间（13）中的入口（16）；平面的阴极（14）和阳极（15），所述平面的阴极（14）和所述阳极（15）被布置在可排空的空间（13）中并且在所述平面的阴极（14）和所述阳极（15）之间借助所施加的电压可产生辉光放电等离子体，其中来自辉光放电等离子体的离子可被加速到所述阴极（14）的表面上。所述阴极具有：由第一材料制成的第一部分（14a），该第一部分（14a）构造所述阴极（14）的中央布置的第一表面区域；以及由第二材料制成的第二部分（14b），该第二部分（14b）构造所述阴极（14）的包围第一表面区域的第二表面区域。第一材料通过加载有被加速的离子而被加热到如下温度：在该温度下，电子主要由于热电子发射而从第一材料逸出。

Description

用于产生电子束的设备

技术领域

本发明涉及一种用于产生电子束的设备。尤其是，利用根据本发明的设备，具有小的焦点直径和高功率密度的“纤细的”电子束可以被产生并且在真空室之内的被限定的处理位置处起作用，其中射束源和其供给组件通过紧凑的结构、便于维护和相对低的制造成本而被突出。根据本发明的电子束源的典型的工艺应用领域是通过物理气相沉积（PVD）对衬底涂层有功能层（譬如用于腐蚀防护、装饰、扩散势垒、EMV屏蔽、绝热等的层）、在真空中对金属清洁和重熔精制以及借助熔焊材料配合地接合部件。

背景技术

通过装饰性或功能薄层系统对半成品和产品的精制是表面技术的重要工作领域。在此，多样的、环境友好的且经济的物理气相沉积方法（PVD）已发现在生产工艺中大量流行，其中涂层材料在真空中首先被蒸发并且接着有时也在添加反应气体的情况下在相应的衬底上以受控方式凝结为膜。除了要沉积的层的可实现的形态学、纯度和附着之外，在各种可支配的工艺下选择合适的涂层方法的重要准则首先也是要沉积的层的生长速度以及投资需求和蒸发器的运行成本，因为该工艺的经济性决定性地与这些特征值有关。

数十年以来，不同结构形式的电子束源被用于实现工业的高速率PVD方法。电子束蒸发器在所沉积的层同时有极好的均匀性和纯度的情况下提供了技术上大规模建立的最高涂层速率，并且这也用于反应性的、铁磁的和高熔点的层材料。这些特征由通过磁聚集和射束导向无惯性地可调节的高功率通量密度以及对放出蒸气的（dampfabgebend）表面的直接加热而产生，由此可以将为了存储涂层材料所需的坩埚冷却并且因此不招致对涂层的沾污。

目前仅仅被加热到高工作温度的阴极被建立为用于工业PVD工艺的电子源，其中产生自由电子基于热电效应（GB1041282A）。也被称作“热离子阴极”的电极的工作原理引起：常规电子枪在结构上复杂地且在其电流供给装置方面相对费事地被实施，并且确定的实施形式只能覆盖范围极其有限的工艺应用。

电子束蒸发（也称作“EB-PVD”）的广泛流行的蒸发源例如是所谓的横向电子束源（也称作“横向EB枪（transverseEBgun）”），其中射束产生、磁性的270°射束偏转和具有蒸发物品的坩埚大多被集成在紧凑的功能块中。这些源是比较廉价的，然而在其最大射束功率（大约20kW）以及加速电压（大约20kV）方面以及由此也在可产生的蒸发率方面受限制。此外，实际射束源（带有加热装置的阴极）处于涂层室的压力水平上并且直接遭受处于其中的蒸汽和气体。

因此，在涂层室中的压力必须通过将真空泵的尺寸确定得相对应大而被保持到低的值上，以便避免在电子源工作时的不稳定性。在介电化合物的高速率沉积的情况下，“横向EB枪”尽管有许多结构上或电路方面的改善但不能得以实现，尤其是由于横向EB枪在这些工艺条件下不可接受地高度倾向于高电压击穿而不能得以实现，其中为了保证符合要求的化学计算，介电化合物的高速率沉积引起反应性工艺导向（Prozessfuehrung）、即在真空室之内调节反应气体的相对高的分压（大致0.1Pa至1.0Pa）。

用于EB-PVD的工艺方面更高效的射束工具是所谓的轴向电子束源（“轴向EB枪”），所述轴向电子束源被设计用于射束功率直至300kW和加速电压直至60kV（针对特殊应用也直至75kV）的蒸发方法。这样的射束源的阴极室通过具有小的、大多为圆形的用于射束穿透的开口的隔板与处理室分离并且单独地利用附加的高真空泵（在流行的借助涡轮分子泵的实施形式中）来排空，其中隔板在真空技术上用作流动阻力。由此，也还可以在涂层室中在较高的压力的情况下并且尤其是利用高比例的反应气体进行蒸发工艺。此外，在这种情况下实现了没有稳定性损失的较大的涂层速率。然而，这样的系统在所需的投资成本方面是相当昂贵的，并且因而出于经济性原因同样只可在窄的应用领域中有利地被采用。

为了克服该限制，建议了各种带有等离子体阳极的冷阴极射束源，其中电子释放并不基于热电效应，而是由大面积的金属电极的离子轰击产生。在射束源中保持的高压辉光放电在这种情况下产生离子并且使离子向阴极加速。在那里从固体弹道地转化到真空中的电子在等离子体的阴极情况下被加速，并且通过合适的电极轮廓形成为同心射束，该同心射束利用传统电子光学组件可以被聚焦并且被转向到蒸发器。

在热电发射极在阴极室中需要高于10^-3Pa的高真空期间，在等离子体激励的（plasmastimuliert）冷阴极的情况下的工作压力（根据工作电压、等离子体工作气体和当前所输送的放电电流）在2Pa到10Pa的范围中。因而，直至在涂层室中为大约1Pa的压力都可以省去射束源的微分排空，而无需放弃轴向辐射器的显著优点、如工艺通用性以及蒸发器与射束源的空间和真空技术的隔离和与此相联系的可靠性获益。射束功率的调节在此通过阴极室中的等离子体密度的变化借助快速气流调节来进行。代替在热离子阴极中目前通用的多芯高压输送装置，单极线缆就足够了，并且高压供给也不需要在高电势上浮置的（floatend）附加电源部分。作为经济上意义重大的结果要强调的是，基于冷阴极辐射器实现的系统（其由包括其供给部件和控制部件在内的射束源构成）相对于传统轴向辐射器系统可以成本明显低得多地被制造。

所描述的冷阴极轴向辐射器因此相对于常规热阴极辐射器而言拥有许多优越性，然而即使在确定的技术参数的情况下或针对特定应用也具有一些不足。这样，要求冷阴极的可达到的发射电流密度比较低（在钨热阴极的情况下为100mA/cm²相对于直至10A/cm²），针对高电流实施大面积阴极。由此得到趋于更大的射束直径和处理位置处的较低的功率密度。射束源的结构大小因此在高功率范围中又以不期望的方式增大。此外，电子光学装置变得更昂贵，而通常蒸发速率略微低于具有相同标称功率的常规系统中的蒸发速率。

为了在阴极室中保持高压辉光放电所需的工作气体通过为了射束耦合输出所需的轴向开口而持续地流入到处理室中，因为为了调节辐射器本身中的放电始终必须维持相对于处理室略微过压。除了在工艺技术上有条件的气体积压（Gasanfall）之外，气体负荷必须由处理室的真空系统抽出。

为了保证可接受的效率（在可耦合输出的射束功率与馈入到放电中的总功率之间的比，目标值：＞90%），在等离子体工作气体中此外还需要反应性成分、譬如氧气或二氧化碳，所述反应性成分用于构造和稳定在阴极表面上的介电覆层（Belag）并且因此用于提高其二次电子产出（每个入射离子的所发射的电子）。然而在工艺方面来看，该方法对于具有高惰化或纯度要求的工艺而言是有问题的，并且在系统技术上造成在处理相对于金属空白的电极表面显著提高的高电压击穿率方面的附加开销。

按照减轻针对阴极的场强负荷（为此追求大的电极间距）和更可靠的暗场屏蔽（为此，小的电极间距是有利的）的进行竞争的要求在基于等离子体的具有增长的工作压力的射束源的情况下越来越难以长时间稳定地维持高加速电压。目前在具有冷阴极辐射器的高功率范围中处于主导的为30kV左右的工作电压对于高真空涂层方法、譬如金属化（在大约0.001Pa至0.01Pa的情况下）是足够的。对于在处理室中具有典型明显更高的压力（大约0.1Pa到1Pa）的反应性高速率涂层工艺而言，由于由此更好的射束能量传输能力，所以在为40kV到60kV的范围中的电压会是更适宜的。

由离子轰击得到的在阴极上的损耗功率比较高，在量级方面为所耦合输出的射束功率的约5%。因而在高射束功率的情况下，阴极的直接水冷是不可避免的。但是，这出于以下两个原因并不是有利的。一方面，冷却水与引导高电压的电极接触。因而，为了低损耗电流地降低该电势差必须敷设数米（标准值：＞1m/5kV，分别针对正向行程和回程）以及为了确保足够的人员保护必须特别地敷设安全隔离的（sicherheitsisoliert）软管。另一方面，在每次阴极更换时，水循环必须工作强度大地被阻塞、爆发和被打开。

发明内容

因而，本发明所基于的技术问题是，提出一种用于产生电子束的设备，借助该设备可以克服现有技术的缺点。尤其是利用该设备要能够在同时结构形式和系统配置简单的情况下产生具有小的焦点直径和高功率密度的纤细的电子束。

该技术问题的解决方案通过具有权利要求1的特征的主题来得到。本发明的其他有利的改进方案由从属权利要求得到。

根据本发明的设备包括壳体，该壳体至少在一个区域中形成可排空的空间的边界。通过壳体中的入口，工作气体进入可排空的空间，以便在平面的阴极与相关的阳极之间可以构造辉光放电等离子体，所述平面的阴极和相关的阳极这两者都被布置在可排空的空间（随后也称为“阴极室”）中。为此，在阴极与阳极之间借助电流供给装置切换电压。作为电流供给装置可以采用所有在现有技术中公知的高压设备，所述高压设备可以提供在工艺方面所要求的电压（典型地＜10³kV）和电流（典型地＜25A）。来自辉光放电等离子体的离子朝着阴极被加速并且在击中在阴极表面上时析出二次电子，所述二次电子在阴极情况下被加速并且被形成为电子束，该电子束穿过电子束出射开口（Elektronenstrahlaustrittsoeffnung）被引导出壳体并且接着又被引导至处理位置。就此而言，根据本发明的设备类似于具有冷阴极的电子束源，其中电子束基于辉光放电被产生。

根据本发明的设备的主要特征在平面阴极的特别改进方案中被建立。该改进方案包括至少两个部分，这两个部分由导电的但在其他方面不同的材料制成。在中央的第一表面区域中，根据本发明的设备的阴极由至少一个第一材料制成，所述至少一个第一材料不仅具有比较高的二次电子产量（γ＞5，精确的值与抛射体离子的能量有关）（如在带有冷阴极和相关的等离子体阳极的射束源中所需要的那样），而且具有低的电子溢出功（φ＜4eV）和高熔点（Ts＞1750K）（如在热阴极的情况下是有利的那样）。满足这些准则的可支配的材料例如要在稀土硼化物族中被找到。在实施形式中，阴极的形成中央的表面区域的第一部分由实心的、片状硼化镧（LaB₆）片制成。在另一实施形式中，阴极的第一部分由复合体构成，该复合体在发射电子的表面区域中包括层LaB₆，该层LaB₆借助高温胶粘剂或焊剂已被固定在耐热的支承板上。可替换地，由LaB₆制成的层也可以借助其他方法、譬如PVD方法、烧结、焊接或粉末溅射方法被沉积在支承板上。

阴极的带有包围居中的第一表面区域的表面区域的第二部分由第二材料制成。第二种材料具有高耐热性（Ts＞1750K）和尽可能低的导热性并且在高逸出功（φ＞4eV）时仅拥有低的二次电子产量（γ＜5）。石墨例如特别适合于此。但是可替换地，也可以使用如诸如W、Ta、Mo、Ti之类的难熔金属的材料、这些材料的合金或（针对低射束功率）也可以使用不锈钢。

公知的带有冷阴极的电子束源通常具有冷却装置，借助该冷却装置一方面冷却阴极本身，以便阴极的材料（例如铝）并不由于能量输入而由于离子轰击熔融，而另一方面利用这种冷却装置也冷却了与冷阴极邻接的部件，以便这些部件不受损。

根据本发明的设备同样可以拥有冷却装置。但是，利用该冷却装置并不冷却阴极，因为根据本发明阴极的具有居中的表面区域的第一部分由于离子轰击而至少被加热是所期望的或甚至是必要的，如以下还要阐述的那样。因为在根据本发明的设备中借助该冷却装置仅要冷却阴极的相邻的部件，所以有利的是，阴极在热学上与相邻的部件隔离。这尤其是涉及关于电子束被布置在阴极之后的部件。

如果在根据本发明的设备中通过在阴极与阳极之间施加对于电子束源常见的高电压并且工作气体通过入口被引导到被排空的阴极室中来点燃辉光放电，则发生如下情况：开始时冷的阴极的由第一材料制成的居中的第一区域通过加载有被加速的离子而首先仅用作二次电子发射极一次。但是，在持续离子轰击和缺乏冷却的情况下，该区域被连续地加热，直至第一材料最后达到表面温度，在该表面温度下，热离子发射的电子附加地也还由于热电效应逸出并且电子束的电子电流密度提高。从该表面温度起，两个发射机制共存，其中热电效应随着第一材料的表面温度进一步升高而越来越处于优势。利用根据本发明的设备因而可以实现电子电流密度，如其此外仅从具有热阴极的电子束源中已知的那样。因为在根据本发明的设备的阴极中两种发射机制起作用，所以针对这种阴极在此引入术语“混合阴极”。

但是，在两种发射模式中，在混合阴极中自由电子主要源自阴极的由第一材料制成的第一部分。因此，阴极的该部分随后也称作发射极。而少量的由第二材料发射的二次电子对于电子束的功率密度分布（Leistungsdichteprofil）而言是可忽略的。由于电子束的电子基本上仅起因于发射极，所以电子的形状和大小对于电子束横截面的形状和尺寸而言也是起决定作用的。如已经阐述的那样，发射极的表面仅为阴极表面的一部分，因此在带有混合阴极的电子束源中相对于具有冷阴极的电子束源可产生具有小的射束横截面的电子束，其中相关的平面阴极的整个表面发射电子并且因此生成大横截面的电子束。

通常，发射电子的面在冷阴极轴向辐射器中具有圆形的凹面拱曲的形状，以便形成具有圆形横截面的电子束。混合阴极同样优选圆形地被构建。在该情况下，发射极的材料被构造为圆的圆片，而包围发射极的第二材料被构造为带有凹面拱曲部的环形。但是可替换地，发射极也可以具有任何其他几何形状。

发射极的发射电子的表面可以平面地、凸面或凹面拱曲地被构造，此外该表面也可以与第二材料的进行包围的表面平齐地或相对于第二材料的表面以限定的间距对置地或在发射方向上轴向偏置地被布置。为了优化发射极的热隔离，在阴极的背侧与被冷却的相邻部件之间的至少一个被排空的间隙是适宜的，更好的是，在背侧布置的设计为热浮置的多层反射器的辐射屏蔽部（Strahlungsschirm）。

围住发射极的第二材料除了具有针对发射极材料的保持功能之外还要基本上执行三个任务。

第一，利用第二材料增大阴极的表面。即，如果要产生具有小射束直径的电子束并且因此发射极的发射电子的面非常小，则发射极的单独的面可以过小，以便维持发射极与阳极之间的稳定的辉光放电。第二材料出于这种原因同样必须是导电的，而且具有与发射极相同的电势，以便增大阴极面积。在一种实施形式中，因而第二材料的遭受离子轰击的面是发射极的遭受离子轰击的面的至少三倍。

第二，前面已经阐述了阴极相对于相邻的部件的热隔离的话题。围住发射极材料的第二材料在这种情况下形成由于离子轰击而变得非常热的发射极相对于相邻的组件的热隔离的第一级。不仅由于例子轰击而且起因于发射极的导热而被加热的第二材料因此要具有差的导热性。发射极也可以与进行围住的第二材料以一间隙间隔开，以便构造热障。该间隙接着同时起到了被加热的和由此膨胀的发射极材料的膨胀缝的作用。在此，该间隙优选地被确定大小为使得该间隙即使在发射极材料最大加热的情况下也不完全通过被膨胀的发射极材料来闭合。但是，通过合适的接触（例如借助止推环）始终确保了发射极和第二材料具有相同的电势并且保证了对发射极的电流传输。

第三，通过第二材料的几何形状的变化可以影响静电射束形成。第二材料的表面为了产生轴向电子束而优选地是球形凹面的或圆锥形拱曲的，并且因此形成在辐射器轴线的区域中的等电势面的（近似）球形走向（Verlauf），这接着导致电子的径向会聚的加速。这样的同心电子束可以在电子光学上特别良好地被引导并且以高功率密度被投影到处理位置。第二材料的表面轮廓尤其是被选择为使得在出射开口的区域中的从阴极室的壳体出来的电子束的直径是尽可能小的。在这些条件下，出射开口的横截面也可以保持得小，这能够实现在相对低的工作气体消耗的情况下在阴极室中维持辉光放电。

根据本发明的电子束源在其使用期间优选地被法兰连接（anflanschen）到真空处理室的壁上，使得真空处理室的真空通过射束出射开口被延伸直到阴极室的内部中。电子束源因此甚至不需要自己的真空泵来排空阴极室，而是只要在真空室中的处理压力可以被选择得低于阴极室中的辉光放电的工作压力，这就借助真空室的（多个）真空泵来进行。

混合阴极的发射电流调节的调节量（如在冷阴极中一样）是等离子体工作气体的流量。但是，与冷阴极不同，电子发射不仅直接通过例子电流密度和与其直接有关的二次电子生成而且还间接通过调节发射面的温度和与此有关的热离子电子的释放来控制。

本发明能够实现轴向类型的电子束源，该电子束源使带有热阴极的常规电子辐射器的优势（高发射电流密度和射束功率密度、高加速电压、没有处理室的反应气体负荷、在地电势上的冷却循环）和由具有等离子体阳极的冷阴极辐射器（廉价的和紧凑的结构、没有自己的真空系统、简化的高压供给、在地电势上的功率调节）集于一体。

由于发射极的直径比较小，所以借助混合阴极在相同电流和比较简单的结构的情况下可以产生比具有冷的铝大面积阴极的电子束显著更纤细的电子束（具有较大的功率密度）并且在处理位置处（例如在蒸发器坩埚处）比目前更有效地起作用。通过实验，由具有17mm的直径的LaB₆发射极与90mm的外直径的相关的石墨环的混合阴极在25kV的加速电压的情况下提取＞3A的电流。为了比较：目前所使用的具有为90mm的直径的实心铝冷阴极在大致五倍的射束直径的情况下提供了所述电流。

根据基于气体放电加热的LaB₆发射极的混合阴极方案的目前分析，在根据本发明的设备中（与具有冷阴极的设备相反）可能在阴极室中使用惰性的等离子体工作气体、譬如所有惰性气体。反应性气体的混合物原则上是可能的，但会导致所谓的“化学阴极中毒”，因为例如氧气和水蒸汽增加了在LaB₆发射极的情况下的逸出功。轻的工作气体由于由此减少的对发射面的溅射腐蚀（“物理阴极中毒”）和电子的较小的散射而受偏爱。在考虑到经济边界条件下，例如技术上的纯氦气或者氢也可以适合于作为技术上等同的并且同时成本低廉的解决方案。

混合阴极的功率调节如已提及的那样借助进入阴极室中的工作气体流的变化而实现。这在热电发射模式中尽管仅间接通过调节发射表面的温度来实现，但是与对于常规的高功率辐射器常用的阴极块从背侧起的冲击加热（Stossheizung）相比还始终存在动态优点，因为阴极体的热惯性在从发射侧起加热时（如通过离子轰击实现的那样）显现极少。

实验已表明，混合阴极的组合发射机制相对于已知的冷阴极也伴随有（在相同的电流的情况下）在阴极室中降低的工作气体压力和为此正面相关的损耗功率。这带来了三个优点：第一，从阴极室溢流到处理室中的气体量在对在那里可达到的工作压力有利地影响或因此降低对真空系统的确定大小的要求的情况下被减小。第二，对阴极的直接水冷变成非必需的（由此省去复杂的、耐高压的被隔离的冷却水软管并且在阴极更换时不再必须打开冷却循环）。第三，阴极保持装置的所需的暗场屏蔽被设计得更简单，并且更高的加速电压（例如在40kV到60kV的范围中）也可以以小的开销来施加。

出于完整性在此还要提及的是，在根据本发明的设备中与现有技术中公知的一样可以应用实现阳极的各种解决方案。在最简单的情况下，阴极室的壳体可以在电学上作为阳极连接。但是也可能的是，将单独的阳极布置在阴极室中，该阴极室与接地的壳体电隔离并且因此可以引导其他电势。这样的单独的电极例如可以环形地构造，其中环开口用作电子束出射开口。

附图说明

随后依据实施例更详细地阐述了本发明。附图：

图1示出了根据本发明的用于产生电子束的设备的示意图；

图2示出了带有被冲击加热的热离子块状阴极（Blockkathode）的电子束源的阴极头部的示意图；

图3示出了带有直接被冷却的辉光放电激励的冷阴极的电子束源的阴极头部的示意图；

图4示出了在具有直接被冷却的安装基底的实施形式中的根据本发明的设备的阴极头部的示意图；

图5示出了在具有间接被冷却的安装基底和热浮置的辐射屏蔽部的实施形式中的根据本发明的设备的阴极头部的示意图。

具体实施方式

在一幅图之内的带有相同的填充面的（flaechenfuellend）结构化的图形元件形成一个部件。在图1中示意性地示出了根据本发明的设备。在真空室10上固定有电子束源11，该电子束源11包括壳体12。壳体12在射束出射侧上形成构造为阴极室的可排空的空间13的边界。在阴极室13中布置有由两种材料制成的圆形的平面阴极14。由LaB₆制成的片状并且平面构造的具有为17mm的片直径的发射极14a用作阴极14的中央区域。发射极14a被具有为90mm的外直径的石墨环14b包围，然而通过环绕的间隙与该石墨环14b机械分离。因此，不仅石墨环14b而且发射极片14a借助在图1中未示出的接触元件具有相同的（阴极）电势。与阴极14对置地布置有阳极15，该阳极15被构造为环形片并且该阳极15的轴向环开口用作进入真空室10中的电子束出射开口。真空室10的真空泵10a不仅将真空室10本身排空而且将阴极室13排空，真空室10的真空穿过阳极15的环开口延伸到该阴极室13中。

为了点燃在阴极14与阳极15之间的辉光放电，氦通过气体入口16进入到被排空的阴极室13中，并且同时接通在电子束源中的为-30kV的典型高电压，该高电压用作阴极14与阳极15之间的点火电压，其中与壳体机械分离的阳极15可以选择性地被置于地电势上或与地电势不同的电势上。根据电子束源11的工艺上的使用目的，此外还可以适宜地不是作为直流电压而是以快速相继的电压脉冲形式来施加高压。因此，在阴极14与阳极15之间构造辉光放电等离子体，所述辉光放电等离子体的离子被加速到阴极14的表面上，于是尤其从发射极14a的材料发射二次电子。由于发射极14a的发射比较少的电子的表面和石墨环14b的凹面形状，所以所发射的电子被聚束成纤细的电子束17。

由于未被冷却的发射极表面的持续离子轰击，所以该发射极表面被加热直至如下温度：从该温度起，除了二次电子之外由于发射极材料的热发射也还发射电子，这些电子提高了电子束17的功率密度。以这种方式形成了具有小的射束横截面和非常高的功率密度的电子束，该电子束通过阳极15的电子束出射开口从阴极室13可被耦合输出，接着借助电子束源11的公知的电子光学组件11a（透镜组件和偏转线圈）可被引导到布置在真空室10中的标靶10b并且在那里可以如由所打算的加工任务（例如对材料加温、熔化或蒸发）所限定的那样起作用。

在阴极室13外部，大致以阴极14与阳极15之间的一半的距离布置附加的励磁线圈系统11b，该励磁线圈系统11b包括两个交叉的马鞍形致偏线圈对。由此可能的是，在阴极室13中产生具有与辐射器轴线垂直的但在方位上可自由取向的力线分布图的可变场强的磁场。与用于轴向放电装置的公知的励磁线圈系统（其中有时采用用于使等离子体压缩或用于使放电稳定的轴向磁场）不同，此处所描述的励磁线圈系统11b用于产生横向于电子束轴线走向的磁场，利用该磁场可以影响电子束17的传播方向。由此可能的是，电子束17也在外部干扰场的影响下或尽管对阴极14轻微误调节但始终精确地被居中到阳极15的电子束出射开口上。与公知的辐射器系统（其中居中单元是电子光学柱在阳极之下的部分）不同，此处所描述的励磁线圈系统11b已经在阴极室13中也就是已在电子加速期间起作用，并且由此特别有效。利用该辅助装置，可以容忍电子束出射开口的直径特别窄（≤阴极直径的20%）并且因此进一步减小对等离子体工作气体的消耗。励磁线圈系统11b在此虽然依据具体实施例予以描述，但通过该励磁线圈系统11b以在混合阴极与相关的阳极之间的高度被布置在阴极室之外，即使在根据本发明的设备的所有其他实施形式中也可以被采用。

发射极14a由于离子轰击而被加热到的高温度对相邻器件而言要求热防护。为此目的，在阴极14的背侧上布置有热隔离体18，该热隔离体18又被固定在电隔离体19上。后者同时用作阴极室13的壁并且也包括冷却通道19a以及到阴极室13中的真空密封的高压输送装置19b。冷却通道19a管状地被构造。冷却介质在管内向下流动（这通过较粗的并向下指向的箭头表示）并且在中间空隙（该中间空隙在管与电隔离体19之间延伸）中又向上流动（这通过较细的并且向上指向的箭头来表示）。为了改善发射极14a的热隔离的目的，该发射极14a不仅与热隔离体18而且与石墨环14b以一间隙被间隔开。

为了与现有技术相比，在图2中示意性示出了公知的具有钨热阴极的阴极插头，而在图3中示意性示出了同样公知的带有铝冷阴极的阴极头部。

图2中的阴极插头除了由钨制成的热阴极21之外还包括螺旋线灯丝（Heizwendel）22，阴极21借助该螺旋线灯丝22从背侧开始通过电子冲击而被加热，使得在阴极21的前侧处达到相对应温度时由于热电效应而发射电子。由于阴极21的横截面比较小，所以在这样的设备中形成了具有小的射束横截面的电子束23。然而，必须给这种阴极插头输送三个电势，即两个用于螺旋线灯丝的电势和阴极电势。钨热阴极的高工作温度以及引导的必要性以及作用于有限空间上的多个电势的彼此电隔离引起阴极插头的机械结构比较复杂，由此导致成本高昂的制造以及对安装和调整的高要求。

图3中的阴极头部包括安装基底31，在该安装基底31上借助螺旋连接固定有由铝制成的片状冷阴极32，该片状冷阴极32具有为90mm的外直径，其中这两个元件围起空腔33，该空腔33被冷却介质充溢。冷却介质因此直接在阴极32的背侧流过并且使阴极32冷却。在阴极32与在图3中未示出的阳极之间可产生辉光等离子体，离子从该辉光等离子体出来被加速到阴极32的表面上，由此从阴极材料中逸出二次电子。因为二次电子由阴极32的整个表面发射并且没有其他发射机制（所述其他发射机制能够释放其他电子）起作用，所以形成具有与图1和图2中的电子束17和23相比更小的功率密度和相对大的射束横截面的电子束44。但是，与用于图2中的钨热阴极的成本高昂的阴极头部相比，冷阴极的阴极头部在构造上被设计得更简单并且更便于维护。

在图4中略微更详细地示意性示出在第一实施变型方案中的根据本发明的设备的阴极头部。该阴极头部包括由铝制成的安装基底40和由不锈钢制成的安装基底41，所述安装基底40和安装基底41借助螺旋连接被彼此挤压。借助外加螺母42将具有为90mm的外直径的石墨环43b按压到安装基底40上。在此，石墨环43b被构造为使得石墨环43b为了热隔离的目的而大面积地以间隙44与安装基底40被间隔开，其中在石墨环43b的环开口中插入具有17mm外直径的平坦的LaB₆发射极片43a。发射极43a和石墨环43b共同形成混合阴极43，其中主要由发射极43a发射电子束45的电子。在安装基底40的另一侧上布置有成型件46，该成型件46因此构造朝向安装基底40和41的空腔47。空腔47被冷却介质流经，其中成型件46确保了定向流来（Anstroemung）和对安装基底40的强化冷却。该阴极头部同样包括由塑料制成的隔离体本体（Isolatorkoerper）48，该隔离体本体48将布置在该阴极头部之后的部件与阴极电势电隔离。利用根据本发明的设备的第一实施变型方案，在构造造型比较简单且利用廉价的材料来建立阴极头部的情况下已经可以产生电子束45，该电子束45在其直径和其功率密度方面对应于图2中的钨热阴极的情况。此外有利的是，在更换混合阴极43时，冷却循环不再必须被打开，如在根据图3的冷阴极中所需要的那样。然而，在本发明的目前为止所描述的实施变型方案中也不利的是，还存在冷却介质与阴极电势的直接电接触，这造成了在冷却循环对阴极头部的安全隔离方面的提高的开销。

在图5中示意性示出了在进一步改进的第二实施变形方案中的根据本发明的设备的阴极头部。该阴极头部又包括由两个部分形成的安装基底50，但所述安装基底50此处由钼制成，所述安装基底50借助螺旋连接被彼此挤压并且被挤压到电隔离体本体58上，所述电隔离体本体58此处由氮化铝制成。可替换地，隔离体本体58也会由氧化物陶瓷制成。借助外加螺母52将石墨环53b（90mm的外直径）按压到安装基底50上，在石墨环53b的环开口中插入平坦的LaB₆发射极片53a（17mm的外直径）。发射极53a和石墨环53b共同形成混合阴极53，其中主要由发射极53a发射电子束55的电子。在此，安装基底50被构造为使得在混合阴极53与隔离体本体58之间大面积地形成高度为10mm的被排空的中间空隙54，热浮置的多层辐射屏蔽部56被装入到所述中间空隙54中，所述多层辐射屏蔽部56由三个彼此铆接的、通过垫片分开的平行不锈钢金属片形成。由于混合阴极53的（与如借助图4的间隙44所实现的单个中间空隙的热隔离能力相比）由此被改进的热隔离，所以安装基底50不再必须直接被冷却介质环流。用于引导冷却介质的空腔57更确切地说现在被集成到电隔离体本体58中，由此实现了所追求的冷却介质与阴极电势的分开。真空密封的高压输送装置51同样穿过隔离体本体58，对于相关的电子辐射器的工作所需的高压通过该高压输送装置51被引导到多层辐射屏蔽部56上并且通过所述多层辐射屏蔽部56被引导到阴极53上。

Claims (17)

1.一种用于产生电子束的设备，其包括：壳体（12），该壳体（12）形成可排空的空间（13）的边界并且具有电子束出射开口；用于将工作气体输送到可排空的空间（13）中的入口（16）；平面的阴极（14）和阳极（15），所述平面的阴极（14）和所述阳极（15）被布置在可排空的空间（13）中并且在所述平面的阴极（14）和所述阳极（15）之间借助所施加的电压能够产生辉光放电等离子体，其中来自辉光放电等离子体的离子能够被加速到阴极（14）的表面上并且由阴极发射的电子能够被加速进入辉光放电等离子体中，

其特征在于，

a）阴极（14）的构造阴极（14）的中央布置的第一表面区域的第一部分（14a）至少在发射侧由第一材料制成；

b）阴极（14）的构造阴极（14）的围住第一表面区域的第二表面区域的第二部分（14b）由第二材料制成；

c）第一材料是导电的，具有大于1750K的熔化温度Ts并且拥有小于4eV的电子逸出功；

d）第二材料是导电的并且拥有大于4eV的电子逸出功；

e）第一材料通过加载有被加速的离子而能被加热到如下温度：在该温度下，电子大多数由于热电子发射而从第一材料逸出，

其中所述设备不具有用于冷却阴极（14）的装置。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，第一表面区域平坦地被构造。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，第一表面区域凹面地被构造。

4.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，围住第一表面区域的第二表面区域凹面地被构造。

5.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，第一材料包括稀土硼化物。

6.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，第一表面区域通过由第一材料制成的实心成型体形成。

7.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，第一表面区域是复合体的组成部分。

8.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，第二材料包括石墨。

9.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，第二材料包括金属。

10.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，第一表面区域和第二表面区域通过环绕第一表面区域的间隙来分离。

11.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，至少第一材料通过背侧的热障与所述设备的被冷却的部分热隔离。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，热障包括至少一个可排空的间隙（44；54）和/或热隔离体（18；56）。

13.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，辉光放电的工作气体是惰性气体或氢。

14.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，所述设备的射束功率在恒定的或脉冲的点火电压的情况下借助辉光放电的工作气体流的变化能够被调节。

15.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于电隔离体本体，所述电隔离体本体具有与阴极电势分离的冷却通道（19a）和真空密封的高压套管（19b）。

16.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，电子束（17）在阴极室中的传播方向能够通过借助励磁线圈系统（11b）在阴极（14）和阳极（15）之间的区域中产生的横向磁场来控制。

17.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，电隔离体本体由塑料（48）制成、由氧化物陶瓷制成或由氮化铝（58）来制成。