CN104603078A - 用于产生电子束的装置 - Google Patents

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Abstract

用于产生电子束(4)的装置(20)，包括热阴极(1)、阴极电极(2)、具有开口(6)的阳极电极(3)，由所述装置产生的电子束(4)可以穿过该开口，其中，在装置(20)运行时，在阴极电极(2)和阳极电极(3)之间施加有用于加速从热阴极(1)射出的电子的电压，所述装置还包括偏转机构，该偏转机构可以偏转穿过阳极电极(3)的开口的电子束(4)，其中，偏转机构包括至少一个偏转电极(8、12)，在所述偏转电极上电子束(4)可以被反射和/或所述偏转电极具有相对于电子束(4)的传播方向倾斜的偏转面(9)。

Description

用于产生电子束的装置
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分的用于产生电子束的装置以及涉及一种这种类型的两个装置的配置系统。
背景技术
这种类型的装置是充分已知的并且例如可以构成为皮尔斯-电子枪。通常，两个沿着束的横向方向互相对置的电极用作偏转机构，这两个电极可以实现电子束的静电偏转。在此被证明不利的是，在这样的静电偏转时，最大可达到的偏转角处于大约7°的范围。更大的偏转角是值得期待的，因为相应装置的构造可以由此减小。
此外值得期待的是，电子束的束轮廓可以利用简单的机构来形成。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种开头所述类型的装置，该装置能够实现更大的偏转角和/或在该装置中电子束的束轮廓可以利用简单的机构来形成和/或该装置更少维护地工作和/或利用该装置可以产生更长的或者更紧凑的线。
按照本发明，这通过一种开头所述类型的、具有权利要求1和/或权利要求12和/或权利要求14和/或权利要求17和/或权利要求18的特征部分的特征的装置来实现。从属权利要求涉及本发明的优选设计方案。
按照权利要求1规定，偏转机构包括偏转电极，在该偏转电极上电子束可以被反射和/或该偏转电极具有相对于电子束的传播方向倾斜的偏转面。由于在偏转电极上的反射相当于在平面镜上的反射，所所以偏转角可以非常大、例如在0°至180°之间。
在此可以规定，在偏转电极的偏转面上的法线与在热阴极和在阳极电极中的开口之间的连接线形成在0°至90°之间的角、优选在20°至70°之间的角、尤其在30°至60°之间的角、例如45°的角。在45°的角时得到90°的偏转角。
优选地，偏转电极处于与阴极电极相同的电势上、尤其连接到与阴极电极相同的电压源上。通过连接到相同的电压源上可以确保，偏转电极的电子尽量被完全制动。
此外可以规定，装置包括另外的电极，所述另外的电极相对于偏转电极具有正电势并且能使电子在与偏转电极相互作用之后加速。被制动的电极可以按这种方式朝向附加的电极加速。因此，该附加的电极应该这样定位，使得加速在所希望的偏转角情况下进行。
按照权利要求12规定，偏转机构包括两个互相对置的电极，在这两个电极之间施加交变电压，电子束可以通过该交变电压这样偏转，使得电子束的束轮廓可以由此有针对性地形成。交变电压可以具有大于10kHz的、优选在25kHz至75kHz之间的、尤其在40kHz至60kHz之间的频率，例如具有50kHz的频率。
所述两个互相对置的电极可以由于交变电压的频率相对高的原因而使电子束以高的速度在待加工的工件上来回运动。尤其地，交变电压在此可以被有针对性地影响，以便给工件表面的一些区域比其它区域更久地加载电子束。尤其当在工件上应该通过电子束实现通过由电子束传递的热能引起的变化时，电子束在工件上的有效的束轮廓与以高的速度在工件上来回运动的电子束的平均的强度分布相对应。之所以如此，尤其是因为热过程通常比电子束在工件上的运动进行得慢。因此可以借助两个电极和驱控交变电压有针对性地选择或者形成电子束的有效束轮廓。
按照权利要求14规定，装置包括加热机构，该加热机构可以对所述至少一个偏转电极加热。这尤其是在如下情况下被证明是有意义的，即，当利用电子束这样加工工件，使得工件被部分地熔化，从而工件发出颗粒蒸气时。这些颗粒蒸气可能凝聚在偏转电极上、尤其在装置的输出侧的偏转电极上。通过加热装置将所述至少一个、尤其输出侧的偏转电极加热，使得工件的沉积在偏转电极上的颗粒又立即蒸发或者说又立即从偏转电极被除去。
在此，加热机构例如可以包括电流源，为了加热，电流源可以使电流流过所述至少一个偏转电极。不过，也可以设置另外的加热机构、例如与所述至少一个偏转电极相邻设置的辐射加热器。
按照权利要求17规定，装置包括遮盖机构，该遮盖机构设置成，使得来自待加工的工件的颗粒蒸气不能够到达热阴极、阴极电极、阳极电极或者偏转电极的区域中。
按照权利要求18规定，装置这样设计，使得该装置可以产生电子束，该电子束具有划分成多个单独的互相间隔开距离的带的线形横截面。这尤其是在如下情况下被证明是有利的，即，由两个这种类型的装置制成按照权利要求19的配置系统，在该配置系统中，这两个装置设计和设置成，使得第一装置的带相对于第二装置的带互相错开，从而在工作区域中得到连续的线，在该连续的线中总是第一装置的一个带与第二装置的一个带交替。以这种方式可以产生更长的或者更紧凑的线。
附图说明
本发明另外的特征和优点依据接下来参照附图对优选实施例的描述来清楚阐述。其中：
图1示出一种按照本发明的装置的第一实施例的示意图；
图2示出一个示意图，在该示意图中相对于位置坐标X描绘了在电子束的工作平面中的在不同的时间间隔t1至tN的强度I；
图3示出对应于图2的示意图，该示意图描述电子束的强度的时间平均值；
图4示出一种按照本发明的装置的第二实施例的示意性的局部俯视图；
图5示出按照图4的实施例的局部侧视图；
图6示出一种按照本发明的装置的第三实施例的透视图；
图7示出一种按照本发明的装置的第四实施例的透视图；
图8示出按照图7的实施方式的侧视图。
具体实施方式
在图中，相同的或者功能相同的部件或者元件设有相同的附图标记。在图4和5中分别绘出一个笛卡尔坐标系。
在所述的装置中可以将几个或者尤其是将所有的部件设置在一个真空中。对此所需要的壳体在图中没有或者没有完全示出。
在图1中示出的装置20包括一个热阴极1、一个阴极电极2和一个阳极电极3。关于这些部件，装置20基本上相当于皮尔斯-类型的电子枪。该装置可以产生电子束4。
热阴极1构成为金属丝并且延伸进入图1的图纸平面中或者说沿着设置成垂直于电子束4传播方向的纵向方向延伸。通过这种设计来实现电子束4的线形横截面，其中，线形横截面的纵向方向平行于形成热阴极1的金属丝的纵向方向。
热阴极1被未示出的电压机构这样加载电压，使得电流流过热阴极1，该电流引起对热阴极1的加热。在此，热阴极1可以至少部分地处于与阴极电极2相同的电势上。
阴极电极包括部件5，这些部件远离热阴极1延伸并且相互形成在70°至110°之间的角α、例如大约90°的角α。所述两个部件5延伸进入图1的图纸平面中、尤其是不改变这两个部件的横截面地延伸。
然而，阴极电极2或者阴极电极2的部件5也可以沿着形成热阴极1的金属丝的纵向方向具有一种结构，该结构能实现沿着线形横截面的纵向方向调制电子束4。
阳极电极3具有一个开口6，从热阴极1出发的电子束4可以穿过该开口。开口6尤其是矩形的并且可以在其延伸进入图1的图纸平面中的纵向方向上比在其横向方向上具有明显更大的尺寸，以便使线形的电子束通过。
在装置20运行时，在阴极电极2和阳极电极3之间施加有由在图1中示意性表示的电压源7产生的、用于加速从热阴极1射出的电子的电压。电压例如可以在1kV至10kV之间。在此，阴极电极2与电压源7的负极连接并且阳极电极3与正极连接，其中，尤其是阳极电极3额外地与地线连接。
此外，装置20包括一个用作偏转机构的偏转电极8，该偏转电极在电子束4的束路径中设置在阳极电极3下游。偏转电极8的面向电子束4的一侧在此用作偏转面9。该偏转面9与电子束4的传播方向形成角β，该角在示出的实施例中大约等于45°。因此，在垂直线和电子束之间的入射角γ也是45°。
偏转电极8同样位于负电势上、尤其是与阴极电极2相同的负电势上。优选地，偏转电极与和阴极电极2相同的电压源7的负极连接。由此可实现，电子束的电子在偏转电极8上达到静止状态。
此外，装置20沿着电子束4的传播方向在偏转电极8下游包括一个另外的电极10，这个另外的电极具有一个用于电子束4穿过的、与开口6相应的开口11。这个另外的电极10与地线连接并且因此相对于偏转电极8具有正电势。因此，电子束4的已在偏转电极上制动的电子被这个另外的电极10朝向这个另外的电极10加速并且穿过开口11。
由于偏转电极8的偏转面9以45°角定向，这个另外的电极10相对于偏转电极8同样以45°角定向。总而言之，这个另外的电极10因此垂直于阳极电极3定向。电子束4以此在偏转面9上偏转了90°的角。尤其地，偏转电极8连同这个另外的电极10一起如用于电子束4的平面镜那样起作用，其中，如在平面镜上的反射那样，入射角γ与出射角δ相等。
偏转电极8的偏转面9相对于电子束4可以按不同于示出的45°角的角定向。那么相应地，这个另外的电极10必须不同地定向和定位，从而入射角γ等于出射角δ。
此外可以把偏转电极8设计成可枢转的，从而在运行期间可以选择另外的偏转方向。例如对此可以使用步进电机或者压电元件。相应于偏转电极8的偏转，那么也必须偏转和移动这个另外的电极10。
此外，偏转电极8的偏转面9可以是弯曲的、尤其是凹形弯曲的，以便聚焦电子束4。
在图1中，在这个另外的电极10下游示例性地设置有另一个偏转电极12，在该另一个偏转电极下游设有一个另外附加的、具有一个开口14的电极13。通过所述另一个偏转电极12和所述另外附加的电极13可以将电子束4再一次偏转90°。也可以弃用所述另一个偏转电极12和所述另外附加的电极13。另一方面也可以设置多于两个由一个偏转电极和另一个电极组成的偏转单元。
当阴极电极2或者阴极电极2的部件5沿着形成热阴极1的金属丝的纵向方向具有一种结构以便实现沿着线形横截面的纵向方向调制电子束4时，可以规定，阳极电极3和/或偏转电极8、12和/或所述另外的电极10、13也沿着形成热阴极1的金属丝的纵向方向具有一种对应的结构。
可选地，在所述两个附加的电极12、13下游设有两个作为平行极板电容器起作用的电极15、16，交变电压施加到这两个电极上。相应的电压源未被示出。交变电压例如可以具有大于10kHz的、优选在25kHz至75kHz之间的、尤其在40kHz至60kHz之间的频率，例如具有50kHz的频率。两个附加的电极12、13也可以被移除。如接下来还进一步阐述的那样，这两个附加的电极仅有助于形成电子束4的束轮廓。当不期望束形式时，可以取消这两个附加的电极12、13。
这两个作为平行极板电容器起作用的电极15、16可以由于交变电压的频率相对高的原因而使电子束4以高的速度在一个待加工的工件(未示出)上来回运动。尤其地，交变电压在此可以被有针对性地影响，以便给工件表面的一些区域比其它区域更久地加载电子束4。
图2示例性地示出狭长的电子束，该电子束在一个工件上的位置坐标X中运动，该位置坐标示例性地相应于与电子束线的横截面的纵向延伸方向垂直的方向。在此，在图2中向上示出电子束4的强度。尤其地，时间间隔t1至tN与多个单独的强度分布相配，在这些时间间隔中，电子束4撞击到具有对应的位置坐标X的区域上。
图3示出对应于图2的示意图，该示意图描述电子束的强度的时间平均值。尤其当应该通过电子束4在工件上实现通过由电子束传递的热能引起的变化时，在图3中示出的示例性的平均的强度分布17相应于电子束4在工件上的有效的束轮廓。之所以如此，尤其是因为热过程通常比电子束4在工件上的移动进行得慢。
因此可以借助两个作为平行极板电容器起作用的电极15、16和驱控交变电压有针对性地选择或者形成电子束4的有效的束轮廓。图3仅示出一个任意的实例。其他的束轮廓形式也是可能的。
当应该产生一条非常长的电子束线时，可以规定，用作热阴极1的金属丝和/或阴极电极2和/或阳极电极3和/或偏转电极8、12和/或另外的电极10、13被沿着形成热阴极1的金属丝的纵向方向划分成多个区段。由此能够实现装置的模块化构造。
一种装置21的在图4和图5中示出的实施方式与第一实施方式的区别在于，第二偏转电极12定向成，使得电子束4从x-y平面向上沿着z方向从装置向外被反射。电子束4在此仅示意性地通过一个圆来表示，但是尤其应该具有线形横截面。在此，线在第二偏转电极12上反射之前沿着z方向延伸并且在第二偏转电极12上反射之后沿着x方向延伸。
在此，仅示意性表示的第二偏转电极12可以沿着x方向比沿着y方向延伸得长。此外，第二偏转电极12可以是一个弯曲的、尤其是凹形弯曲的电极。仅示意性示出的第一偏转电极8也可以由于电子束4的线形横截面的原因而沿着z方向比沿着x方向延伸得长。此外，第一偏转电极8可以是一个弯曲的、尤其是凹形弯曲的电极。
此外，在一种按照本发明的装置21的在图4和图5中示出的实施方式中设有加热机构。为此，装置21具有一个未示出的电流源，该电流源这样与第二偏转电极12连接，使得电流流过第二偏转电极12。该电流应该足够大，以便将第二偏转电极12加热到足够高的温度，以便蒸发掉待加工工件的可能的颗粒沉积物。
一种按照本发明的装置22的在图6中示出的第三实施方式可以产生具有线形横截面的电子束4。在图6中示出壳体18的一部分，板状的遮盖机构19从该部分延伸直至第二偏转电极12。该板状的遮盖机构19阻止颗粒蒸气从待加工的工件到达热阴极1、阴极电极2、阳极电极3或者偏转电极8的区域中。
同时，可以如在第二实施例中那样规定，设有用于第二偏转电极12的加热机构。在该第三实施方式中，第二偏转电极12也可以被加热到足够高的温度，以便蒸发掉待加工工件的可能的颗粒沉积物。
一种按照本发明的装置的在图7和图8中示出的第四实施方式基本上相当于按照图6的两个装置22、22'的配置系统。这两个装置22、22'设置成，使得它们的电子束4、4'在待加工的工件25上重叠。这被图8详细示出，从图8可得出，两个装置22、22'产生具有线形或者带形横截面的电子束4、4'。
在此，装置22、22'设计成，使得沿着电子束4、4'的线形横截面的线纵向方向分别设置有互相间隔开距离的带23、23'。在此，在带23、23'之间的间隔24、24'分别与一个带23、23'一样大。此外，第一装置22的带23相对于第二装置22'的带23'互相错开，使得在工件25上得到一条连续的线，在该连续的线中总是第一装置22的一个带23与第二装置22'的一个带23'交替。

Claims (19)

1.用于产生电子束(4、4')的装置(20、21、22、22')，包括
——热阴极(1)，
——阴极电极(2)，
——具有开口(6)的阳极电极(3)，由所述装置(20、21、22、22')产生的电子束(4、4')能够穿过该开口，其中，在装置运行时，在阴极电极(2)和阳极电极(3)之间施加有用于加速从热阴极(1)射出的电子的电压，
——偏转机构，该偏转机构能够偏转穿过阳极电极(3)的开口的电子束(4、4')，
其特征在于，所述偏转机构包括至少一个偏转电极(8、12)，在所述偏转电极上电子束(4、4')能够被反射和/或所述偏转电极具有相对于电子束(4、4')的传播方向倾斜的偏转面(9)。
2.按照权利要求1所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，在所述至少一个偏转电极(8、12)的偏转面(9)上的法线与在热阴极(1)和在所述至少一个阳极电极(3)中的开口(6)之间的连接线形成在0°至90°之间的角(β)、优选在20°至70°之间的角(β)、尤其在30°至60°之间的角(β)、例如45°的角(β)。
3.按照权利要求1或2之一所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，所述至少一个偏转电极(8、12)处于与阴极电极(2)相同的电势上、尤其连接到与阴极电极(2)相同的电压源(7)上。
4.按照权利要求1至3之一所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，所述装置(20、21、22、22')包括另外的电极(10、13)，所述另外的电极相对于所述至少一个偏转电极(8、12)具有正电势并且能使电子在与所述至少一个偏转电极(8、12)相互作用之后加速。
5.按照权利要求1至4之一所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，所述至少一个偏转电极(8、12)的偏转面(9)是弯曲的、尤其是凹形弯曲的。
6.按照权利要求1至5之一所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，所述热阴极(1)构成为金属丝并且沿着设置成垂直于电子束(4、4')传播方向的纵向方向延伸，以实现电子束(4、4')的线形横截面，其中，线形横截面的纵向方向平行于形成热阴极(1)的金属丝的纵向方向。
7.按照权利要求6所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，所述用作热阴极(1)的金属丝和/或所述阴极电极(2)和/或所述阳极电极(3)和/或所述至少一个偏转电极(8、12)和/或所述另外的电极(10、13)被沿着形成热阴极(1)的金属丝的纵向方向划分成多个区段。
8.按照权利要求6或7之一所述的装置，其特征在于，所述阴极电极(2)和/或所述阳极电极(3)和/或所述至少一个偏转电极(8、12)和/或所述另外的电极(10、13)沿着形成热阴极(1)的金属丝的纵向方向无横截面变化地延伸。
9.按照权利要求6或7之一所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，所述阴极电极(2)和/或所述阳极电极(3)和/或所述至少一个偏转电极(8、12)和/或所述另外的电极(10、13)沿着形成热阴极(1)的金属丝的纵向方向具有至少一种结构，所述结构能实现沿着线形横截面的纵向方向调制电子束(4、4')。
10.按照权利要求1至9之一所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，所述至少一个偏转电极(8、12)的偏转面(9)是能运动的、尤其是能翻转的。
11.按照权利要求1至10之一所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，所述热阴极(1)、阴极电极(2)和阳极电极(3)的构造和/或驱控与皮尔斯-电子枪的构造和/或驱控相当。
12.按照权利要求1至11之一或者按照权利要求1的前序部分所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，所述偏转机构包括两个互相对置的电极(15、16)，在这两个互相对置的电极之间施加交变电压，电子束(4、4')能够通过该交变电压偏转，使得电子束(4)的束轮廓由此能够有针对性地形成。
13.按照权利要求12所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，所述交变电压具有大于10kHz的、优选在25kHz至75kHz之间的、尤其在40kHz至60kHz之间的频率，例如具有50kHz的频率。
14.按照权利要求1至13之一或者按照权利要求1的前序部分所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，所述装置(20、21、22、22')包括加热机构，该加热机构能够对所述至少一个偏转电极(8、12)加热。
15.按照权利要求14所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，输出侧的偏转电极(12)能够被加热机构加热。
16.按照权利要求14或15之一所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，所述加热机构包括电流源，为了加热，该电流源能够使电流流过所述至少一个偏转电极(8、12)。
17.按照权利要求1至13之一或者按照权利要求1的前序部分所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，所述装置(20、21、22、22')包括遮盖机构(19)，该遮盖机构设置成，使得来自待加工的工件(25)的颗粒蒸气不能够到达热阴极(1)、阴极电极(2)、阳极电极(3)或者偏转电极(8)的区域中。
18.按照权利要求1至13之一或者按照权利要求1的前序部分所述的装置(20、21、22、22')，其特征在于，所述装置(20、21、22、22')设计成，使得该装置能够产生电子束(4、4')，该电子束具有划分成多个单独的互相间隔开距离的带(23、23')的线形横截面。
19.两个按照权利要求18所述的装置(20、21、22、22')的配置系统，其特征在于，所述装置(20、21、22、22')设计和设置成，使得第一装置(22)的带(23)相对于第二装置(22')的带(23')互相错开，从而在工作区域中得到连续的线，在该连续的线中总是第一装置(22)的一个带(23)与第二装置(22')的一个带(23')交替。
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