DD201951A5 - Elektronenstrahlerzeuger hoher konstanz fuer materialbearbeitung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Materialbearbeitung mittels Elektronenstrahlgravur und insbesondere auf die Herstellung von Druckformen. Ziel der Erfindung ist es, einen Elektronenstrahlerzeuger zu schaffen, der die Nachteile bekannter Elektronenstrahlerzeuger vermeidet und einen gegenueber dem bekannten Elektronenstrahlerzeuger hoeheren Richtstrahlwert hat. Es handelt sich um ein Elektronenstrahlerzeugungssystem fuer die Materialbearbeitung, insbesondere fuer die Herstellung von Druckformen mit einer beheitzten Kathode,einer durchbohrten Anode und einer auf negativem Potential als die Kathode liegenden Hilfselektrode. Der Strahlstrom wird durch Bemessen der aktiven Flaeche der Kathode und durch geregelte Heizung der Kathode auf konstanter Temperatur gehalten. Die Erfindung soll angewendet werden auf dem Gebiet der Materialbearbeitung und der Drucktechnik.

Description

-ι- 232 37 7

Berlin, den Titel der Erfindung

Elektronenstrahlerzeuger hoher Konstanz für Materialbearbeitung ,

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahlerzeuger hoher Konstanz für die Materialbearbeitung mit einer elektrisch beheizten Kathode, einer durchbohrten Anode und einer auf negativerem Potential als die Kathode liegenden und zwischen Kathode und Anode angeordneten Steuerelektrode .

Charakteristik der bekannten Lösungen:

Bei dem bekannten Elektronenstrahlerzeugungssystem zur Materialbearbeitung v/ird der Elektronenstrahl durch 3 Elektroden erzeugt und geregelt, Kathode, durchbohrte Anode und Wehneltzylinder. Als Kathoden werden direkt und indirekt geheizte Η-Nadel-, Band- oder Bolzenkathoden aus Wolfram sowie Kathoden aus Lanthanexaborat eingesetzt.

Die Elektroden des Elektronenstrahls werden durch die Heizung aus der Kathode emittiert und anschließend

ι sun απ ο λ -i- Q f^ Λ L· Ί

232377

beschleunigt. Es kann z. B. die Kathode mit einer hohen negativen Spannung beaufschlagt sein, während die Anode auf Erdpotential liegt. In dem so erzeugten elektrischen Feld werden die Elektronen zur Anode hin beschleunigt, durchsetzen die Anodenbohrung· und gelangen in den feldfreien Raum.

Die dritte Elektrode, die Wehnelt- oder Gitterelektrode, dient bei bisherigen Systemen zur Stromsteuerung des Strahls. Die Funktion der Wehnelt-Elektrode ist z. B. in' der,Druckschrift M. Blocke, Zeitschrift für angewandte Physik, dritter Band, 1951, Seiten 441 bis 449, "Elementare Theorie der Elektronenstrahlerzeugung mit Triodensystemen" beschrieben.

Wird die negative Spannung der Wehneltelektrode über einen bestimmten Wert gesteigert, so können keine Elektronen mehr die Kathodenoberfläche verlassen, d. h. es gibt an der Kathodenoberfläche keine auf die Anode gerichteten elektrischen Feldvektoren, welche die Elektronen zur Anode hin beschleunigen. Die Emission ist gesperrt. Wird die Wehnelt-Spannung erniedrigt, so erhöht sich der Anodendurchgriff. Mit sinkender Wehnelt-Spannung werden iminer größere Bereiche der Kathode zur Emission freigegeben, wodurch der Emissionsstrom ansteigt. Die einstellbare negative Spannung des Wehnelt-Zylinders gegenüber der Kathode erlaubt somit eine Steuerung des Strahlstroms.

Eine Eigenart dieser Systeme ist irn folgenden näher beschrieben. Es ergibt sich aus der baulichen Anordnung von Wehnelt-Zylinder und durch die vorgegebene Wehnelt-Spannung, die zur Einstellung eines gewünschten Strahlstroms erforderlich ist, eine feste Strahlgeometrie, die nur durch Änderung der Bauform oder der Wehnelt-Spannung

- 232377

veränderbar ist. Eine Veränderung der Wehnelt-Spannung führt aber wiederum zu einer Änderung des Strahlstroms. Diese starre Abhängigkeit des Strahlstroms von der Wehnelt-Spannung und die durch die Wehneltanordnung und Wehnelt-Spannung feststehende Strahlform sind nachteilig.

Hinzu kommt als weiterer Nachteil, daß bei der üblichen Betriebsweise die Kathode im Raumladungsbereich betrieben wird, wodurch der Richts-trahlwert unter dem Wert liegt, der sich theoretisch bei Betrieb der Kathode im Sättigungsbereich ergeben würde. Hieraus resultiert, daß die Leistungsfähigkeit des Elektronenstrahler zeugers nicht den optimal erreichbaren Wert annimmt.

Ziel der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektronenstrahlerzeuger zu schaffen, der diese Nachteile nicht aufweist und einen gegenüber bekannten Elektronenstrahlerzeuger:! höheren Richtstrahlwert hat.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung besteht in einem Elektronenstrahlerzeugungssystem mit einer beheizten Kathode, einer durchbohrten Anode und. einer auf negativerem Potential als die Kathode liegenden Hilfselektrode und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlstrom durch Bemessen der aktiven Fläche der Kathode und durch die geregelte Heizung der Kathode auf eine konstante Temperatur bestimmt ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß die Hilfselektrode die Kathode umgibt und auf .geringfügig negativerem konstanten Potential als die Kathode liegt. In

vorteilhafter Weise ist die Hilfselektrode als eine die Kathode umgebende gelochte Scheibe ausgebildet. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Aufbau so getroffen, daß die zur Anode v/eisende Oberfläche der Hilfselektrode mit der zur Anode weisenden Oberfläche der Kathode fluchtet,

Ausführungsbeispiele:

Die Erfindung wird im fo-lgenden anhand der Fig. 1-3 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für die Anordnung der Elektroden des Elektronenst.rahlerzeugungssystems und für die Strahlgeometrie des Elektronenstrahls,

Fig. 2 ein weiteres Beispiel für die Strahlgeometrie des Elektronenstrahls und

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung für die Heizung der Kathode, Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine sc'nematisch dargestellte Kathode 1 von einer ringförmigen Hilfselektrode 2 umgeben. Die Hilfselektrode 2 liegt, auf etwas negativerem Potential als die Kathode 1. Wird die Kathode 1 beheizt, so emittiert sie vornehmlich aus ihrer Oberfläche 11 einen Elektronenstrahl 4, der sich in Richtung einer durchbohrten Anode 3 bewegt und durch die Anodenbohrung 31 hindurchtritt.

An den einzelnen Elektroden mögen etwa folgende Spannungen anliegen:

Kathode -50 KV, Hilfselektrode 50,5 KV.

und Anode OV. .

Mit der Bezugszahl 22 ist eine Äquipotentialfläche für das Potential der Kathodenoberfläche bezeichnet, und man erkennt, daß sie vom Rand 12 der Kathodenfläche 11 leicht ansteigt, um über der Hilfselektrode 2 wieder einen konstanten Verlauf anzunehmen. Hierdurch wird erreicht, daß keine Elektronen, die aus den seitlichen Flächen der Kathode austreten, zum Strahl beitragen.

Durch diese Anordnung von Kathode und Hilfselektrode kann im Zusammenhang mit der Beheizung der Kathode auf konstanter Temperatur eine optimale Leistungsausnutzung des Systems erreicht werden, wobei zusätzlich der Einfluß der Hilfselektrode 2 als freier Parameter für die Strahlformung nutzbar wird, was im folgenden näher erläutert wird.

Durch den in Fig. 1 angegebenen Potentialverlauf ist es möglich, die Kathode in der Sättigung zu betreiben, Es werden dann alle Elektronen direkt von der Kathodenoberfläche abgesaugt, da die Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode ein elektrisches Feld erzeugt, das nahezu ungeschwächt an der Kathodenoberfläche wirksam wird.

Es bildet sich nicht wie bei bekannten Anordnungen eine Raumladungszone oberhalb der Kathode aus. Der Grund für diese Raumladungszone bei bekannten Anordnungen.liegt darin, daß bei nicht genauer Bemessung der Emissionsfläche der Kathode es zur Strahlstromsteuerung erforderlich ist, ein vergleichsweise hohes negatives Potential an die Wehneltelektrode zu legen. Dadurch wird die absaugende Feldstärke vor der Kathode stark vermindert. Es bildet sich in diesem Falle vor der Kathode eine Raumladungszone aus Elektronen aus. Die anodenseitige Oberfläche dieser Raumladungszone wirkt nun als eigentliche Elektronenquelle. Da die Emissionsfläche der Rauittladungszone immer größer ist als die

aktive Fläche der Kathode selbst, ist die Emissionsdichte bei diesen Systemen geringer, d. h. der Richtstrahlwert ist schlechter.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel, wie bei Beibehaltung der optimalen Ausnutzung der Strahlenergie eine veränderte Formung des Strahls durch die Hilfselektrode 2 erfolgt. Da es sich in Fig. 2 um dieselben Bauteile wie in Fig. 1 handelt, sind dieselben Bezugszahlen verwendet worden. Im Unterschied zur Fig. 1 -ist das Potential der Hilfselektrode 2 etwas negativer gewählt,- und zwar beispielsweise zu -51 KV. Man erkennt, daß der Verlauf der -50 KV Linie 22 zwischen Kathode und Hilfselektrode steiler verläuft als in Fig. 1. Dies führt dazu,- daß die aus der Kathode austretenden Elektronen zu einem schlankeren Elektronenstrahl gebündelt werden.

Es ist also durch die Einstellung der Spannung der Hilfselektrode auf einfache Weise möglich, die Strahlgeometrie des Elektronenstrahls zu verändern, ohne daß die Stromstärke des Strahls verändert wird.

Der Emissionsstrom einer Kathodenfläche von einer bestimmten Größe hängt im Sättigungsbetrieb nur von der Kathodentemperatur ab. Um daher im vorliegenden Falle eine bestimmte Stromstärke des Elektronenstrahls einzustellen, wird die Kathodenheizleistung so geregelt, daß die Kathode konstant die zur gewünschten Stromstärke gehörige Temperatur besitzt.

In der Fig. 3 ist für das Beispiel einer direkt geheizten Kathode eine schematische Schaltung zur Konstanthaltung der Kathodentemperatur angegeben.

Der Emissionsstrom i fließt vom Hochspannungsgenerator H über den Strommeßwiderstand Ri-I zur Kathode K. Am Meßwiderstand fällt die dem Emissionsstrora proportionale Spannung UE. ab. Im Sollwertgeber S wird eine dem gewünschten Strahlstrom proportionale Spannung US erzeugt. Die Spannungen US und UE werden dem Regler R zugeführt. Der Regler R stellt die Spannungsquelle SQ des Heizstromkreises der Kathode K so ein, daß UE = US wird, d. h. die Kathode emittiert den konstanten Strom i„, wobei wegen des eindeutigen Zusammenhangs zwischen dem Emissionsstrom und der Kathodentemperatur eine konstante Kathodentemperatur eingehalten wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird durch einen Vergleich mit einem herkömmlichen System deutlich: Da bei einem herkömmlichen System der Strahlstrom mittels der Wehneltspannung gesteuert wird, muß die Heizleistung so eingestellt werden, daß die Kathode eine höhere Temperatur einnimmt, als es zur Erzielung des gewünschten Strahlstroms notwendig wäre. Nun ändert sich während der Kathodenlebensdauer der Kathodenwiderstand RK durch Abdampfen von Kathodenmaterial. Wird die Kathode stromkonstant geheizt, so erhöht sich die Kathodenheizleistung und damit die Kathodentemperatur ständig gemäß der Gleichung für stromkonstante Heizleistung N

^NH ^{= 1}H² " ^RK

Entsprechend erniedrigt sich die Kathodenteraperatur mit der Heizleistung bei spannungskonstanter Heizung gemäß der Gleichung

N_H = U_H ²/RK Die Änderung der Kathodentemperatur infolge von Alterung

- 232377

bedingt jedoch eine Änderung der Emissionsfähigkeit der Kathode. Nun kann zwar durch eine Regelung der' Wehneltspannung ein konstanter Strahlstrom eingehalten v/erden, aber gleichzeitig bewirken die notwendigen Veränderungen der Wehneltspannung eine Veränderung der Strahlgeometrie. Diese Nachteile v/erden in der erfindungsgemäßen Anordnung vermieden, da die zur Erzielung einer günstigen Strahlform einmal eingestellte Wehneltspannung nicht verändert wird, da die Heizleistung während der Kathodenlebensdauer so geregelt wird, daß die Kathode immer dieselbe Temperatur besitzt. «

Claims (4)

1. Berlin, den ErfindungsanSprüche:

   1. Elektronenstrahlerzeugungssystem mit einer beheizten

   Kathode, einer durchbohrten Ano-de und einer auf negativerem Potential als die Kathode liegenden Hilfselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlstrom durch Bemessen der aktiven Fläche der Kathode und durch die geregelte Heizung der Kathode auf konstanter Temperatur bestimmt ist.
2. 2. Elektronenstrahlerzeugungssystem nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode die Kathode umgibt und auf geringfügig negativerem konstanten Potential als die Kathode liegt.
3. 3. Elektronenstrahlerzeugungssystem nach Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfselektrode eine die Kathode umgebende gelochte Scheibe ist.
4. 4. Elektronenstrahlerzeuger nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet , daß die zur Anode weisende Oberfläche der Kathode mit der zur .Anode weisenden Oberfläche der Hilfselektrode fluchtet.

   Hierzu aLSeiten Zeichnungen