DE10050811A1 - Elektronenstrahltransparentes Fenster - Google Patents
Elektronenstrahltransparentes FensterInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein elektronenstrahltransparentes Fenster, umfassend eine von einem Trägersubstrat abgetrennte elektronenstrahltransparente Folie (1, 10, 300a) sowie ein Halteelement (2, 300b) zur Unterstützung eines peripheren Bereichs der elektronenstrahltransparenten Folie im Betriebszustand, wobei das Halteelement (2, 300b) aus einem Material besteht, das einen dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Folienmaterials angepassten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines elektronentransparenten Fensters und einen Röntgenstrahler mit einem solchen Fenster.
Description
Die Erfindung betrifft ein elektronenstrahltransparentes Fenster sowie ein Verfahren zu
seiner Herstellung, wobei das Fenster eine elektronenstrahltransparente Folie sowie ein
Element zur Unterstützung eines peripheren Bereichs der elektronenstrahltransparenten
Folie im Betriebszustand umfasst. Zudem betrifft die Erfindung einen Röntgenstrahler.
Derartige Fenster finden überall dort Anwendung, wo empfindliche Objekte von äußeren
Bedingungen abgeschirmt werden sollen, aber trotzdem noch eine ausreichende Transpa
renz zum Durchtritt des Elektronenstrahls gewährleistet ist. In der DE 198 21 939 A1 ist
die Verwendung derartiger Fenster in einer Röntgenröhre mit einem flüssigen Metalltarget
vorgeschlagen worden, welche auch LIMAX-Röntgenröhre (LIMAX = Liquid Metal Anode
X-ray Tube) genannt wird. Ein solcher Röntgenstrahler besteht im wesentlichen aus einer
Elektronenquelle und einem Target aus einem im Betriebszustand des Strahlers zirkulieren
den Metall. Das Flüssigmetall ist in einem Pumpenkreislauf enthalten und wird von einem
Verteilerkopf über eine Edelstahlplatte in einen Auffangtopf gepumpt. Der Elektronen
strahl trifft auf das über die Edelstahlplatte fließende flüssige Metall und erzeugt darin
Röntgenstrahlung. Mit Hilfe des Fensters wird erreicht, dass der Vakuumraum der
Elektronenquelle und das Target voneinander in zwei unabhängige Räume getrennt
werden, so dass das Target insgesamt weniger empfindlich hinsichtlich der Strömungsart
und der Wahl des Flüssigmetalls wird. Ein hier eingesetztes Fenster umfasst beispielsweise
eine Diamantfolie, die auf ein Silizium-Trägersubstrat aufgedampft ist, wobei anschließend
das Trägersubstrat teilweise zur Erzeugung eines Fensterbereichs bzw. einer Durchlasszone
für den Elektronenstrahl entfernt wird. Das so aufgebaute Fenster wird direkt in den
Röhrenkolben eingesetzt.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Sinne dieser Erfindung zwischen den
Begriffen Trägersubstrat und Halteelement unterschieden wird. Das Trägersubstrat dient
als Abscheidefläche oder Hilfsfläche zur Herstellung der Fensterfolie, das Halteelement zur
Positionierungshilfe der Folie für den Betriebszustand.
Es hat sich gezeigt, dass Fenster, wie sie aus der DE 198 21 939 A1 bekannt sind, Druck
differenzen von mehr als 4 bar nicht gewachsen sind, da bei höheren Druckdifferenzen der
Diamantfilm von dem Silizium-Substrat wegen unzureichender Haftung abreißt und somit
das Fenster birst. Der Berstdruck wird insbesondere bei LIMAX-Röhren während der
Startphase des Röhrenbetriebs erreicht, bei dem Druckdifferenzen von mehr als 4 bar
auftreten.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein elektronenstrahltransparentes Fenster
und ein entsprechendes Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen, welches als Separa
tionselement unterschiedlichen Bedingungen bzw. schwankenden Bedingungen zwischen
zwei Räumen sicher standhalten kann. Insbesondere soll ein Fenster für Überdruck und
Vakuumanwendungen bereitgestellt werden, das Druckdifferenzen auch von mehr als
4 bar in seinem Betriebszustand standhält.
Diese Aufgabe wird durch ein elektronenstrahltransparentes Fenster gelöst, das eine von
einem Trägersubstrat abgetrennte elektronenstrahltransparente Folie sowie ein Halte
element zur Unterstützung eines peripheren Bereichs der elektronenstrahltransparenten
Folie im Betriebszustand umfasst, wobei das Halteelement aus einem Material besteht, das
einen dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Folienmaterials angepassten, im
Sinne von gleichen oder ähnlichen, linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
Vorzugsweise besteht die elektronenstrahltransparente Folie aus Diamant mit einer Dicke
nicht größer als 10 µm. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Folie auch aus
Molybdän bestehen, ggf. auch aus Beryllium.
Im Falle der Diamantfolie empfiehlt es sich, dass das Halteelement vorzugsweise aus einem
Material mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner als oder gleich
9 × 10-6/K besteht, insbesondere empfiehlt sich die Wahl eines Werkstoffs mit einem
linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, welcher im Intervall zwischen 0,5-1 × 10-6/K
und 9 × 10-6/K liegt. Der untere Grenzwert ergibt sich durch den linearen Wärmeausdeh
nungskoeffizienten von Diamant. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Ideal-
Diamanten als Ein- oder Monokristall liegt bei 0,5 × 10-6/K, bei der Herstellung nach dem
CVD-Verfahren und damit verbundenen polykristallinen Ausbildung steigt der Koeffizient
bis auf einen Wert von ca. 1 × 10-6/K.
Das Halteelement besteht vorzugsweise aus Materialien wie Molybdän mit einem linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 5-6 × 10-6/K, Wolfram, Titan, Tantal sowie
deren niedriglegierte Legierungen, Gläser, Keramiken mit entsprechend niedrigen linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten, auch aus Diamant und ggf. aus Materialien, die einen
niedrigeren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen als Diamant, insbesondere
als Diamant mit polykristalliner Ausbildung.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform bestehen die elektronenstrahltransparente
Folie und das Halteelement einstückig aus Diamant. Besonders vorteilhaft erweist sich hier
die einstückige Ausführungsform des Fensters mit Halteelement, welche aus einer ein
stückigen Diamantplatte mit ursprünglicher Dicke von mehr als 10 µm gefertigt ist.
Nach einer zweiten alternativen Ausführungsform sind die elektronenstrahltransparente
Folie und das Halteelement zweistückig ausgebildet, wobei die Folie mit einer Dicke von
weniger als 10 µm, vorzugsweise weniger als 5 µm, über eine Verbindungsschicht auf dem
Halteelement aufgebracht ist. Auch nach der zweiten Ausführungsform können vorzugs
weise sowohl die Folie als auch das Halteelement jeweils aus Diamant oder jeweils aus
Molybdän bestehen. Durch gleiche Wahl der Werkstoffe für die Folie und das Halte
element wird eine optimale Anpassung der Wärmeausdehnungsverhalten geschaffen.
Im Gegensatz zu einem konventionellen Fenster, welches aus einem Trägersubstrat mit
einer darauf abgeschiedenen Folie besteht und das höheren Druckdifferenzen wegen der
im Verhältnis nur gering ausgebildeten Haftkräfte zwischen Trägersubstrat und Folie und
somit einem Abschälen der Folie von dem Trägersubstrat nicht standhält, weist das vorge
schlagene Fenster eine sichere Verbindungsschicht auf. Das Material des Halteelementes ist
so gewählt, dass sein Werkstoffverhalten an das der Diamantfolie angepasst ist, so dass
beide Werkstoffe auf äußere Einflüsse mit ähnlichen Volumenänderungen reagieren.
Insgesamt wird ein Fenster erhalten, das Druckdifferenzen von mehr als 4 bar standhält
und auch als Separationsmittel für Räume geeignet ist, in denen unterschiedliche
Bedingungen herrschen, beispielsweise aufgrund verschiedener Inhalte (unterschiedlich
zusammengesetzte Fluide in verschiedenen Aggregatzuständen).
Die Verbindungsschicht der zweistückigen Ausführungsform wird vorzugsweise durch eine
Lötschicht aus einem metallischen Aktivlot oder einem Glaslot geschaffen. Dieses wird auf
die Verbindungsflächen des Halteelementes aufgetragen. Die in dem metallischen Aktivlot
enthaltenen Karbidbildner wie beispielsweise Titan oder Molybdän reagieren an der
Kontaktfläche mit der Folie - im Falle einer Diamantfolie mit dem darin enthaltenen
Kohlenstoff - zu Metallkarbiden, die eine feste Verbindung zwischen Folie und Halte
element schaffen. Ebenso empfiehlt sich eine Klebstoffschicht, beispielsweise auf Basis
eines Epoxydharzes oder eines temperaturbeständigen keramischen Klebers, beispielsweise
vertrieben durch die Fa. Aremco. Vorzugsweise kann die Verbindungsschicht auch durch
eine kombinierte Kleb-Lötschicht geschaffen werden, wobei hier insbesondere die Kombi
nation von Glasloten mit Keramikklebstoffen hervorzuheben ist.
Zudem wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Oberfläche der strahlungsdurchlässigen
Folie mindestens eine - über die Oberfläche der Folie hinausgehende - Verdickung auf
weist, deren Dicke mindestens 10% der Foliendicke beträgt. Die vorgeschlagenen Ver
dickungen im Sinne von mechanischen Verstärkungsrippen oder Verstärkungsmustern
sollen bevorzugt, aber nicht einschränkend, eine Dicke aufweisen, die insbesondere kleiner
ist als die Gesamtdicke der Folie, mindestens aber 10% der Foliendicke. Die Verdickungen
sind regelmäßig - beispielsweise in parallel verlaufenden Verstärkungselementen oder in
Form eines Gatters - oder auch unregelmäßig angeordnet. Diese Verdickungen stabilisieren
die Folie mechanisch und lassen dennoch Bereiche höherer Transparenz für den
Elektronenstrahl zu.
An dieser Stelle sei auf die EP 0 476 827 A1 verwiesen, die röntgenstrahltransparente und
damit gattungsfremde Fenster offenbart, weil elektronenstrahltransparente Fester grund
sätzlich andere Rahmenbedingungen für die Transparenz zu erfüllen haben als röntgen
strahltransparente. Hier wird ein Röntgenstrahl-Fenster beschrieben, welches eine röntgen
strahltransparente Folie aus Diamant, ein Trägersubstrat, beispielsweise Silizium, auf dem
die Diamantfolie abgeschieden wird, sowie einen Trägerring im Sinne eines Halteelementes
zur Unterstützung eines peripheren Bereichs des röntgenstrahltransparenten Folie umfasst.
Die Diamantfolie ist zur Erhöhung ihrer mechanischen Festigkeit auf ihrer Oberfläche mit
ebenfalls aus Diamant bestehenden Verstärkungs-Kreuzstücken versehen. Der Trägerring
besteht aus Aluminium. Zur Herstellung eines solchen Fensters wird ein flaches Trägersub
strat mit einem kohlenstoffhaltigen Gas nach einem Gasphasenabscheidungsverfahren -
beispielsweise nach dem CVD-Verfahren (chemical vapor deposition) bedampft, so dass
eine Diamantfolie einer Dicke zwischen 0,05 bis 10 µm aufwächst. Es wird eine Maske
aufgelegt, die an den Stellen, an denen die Verstärkungsrippen liegen sollen, Aussparungen
aufweist, und ansonsten einer Diamantabscheidung entgegenwirkt. Wenn die Dicke der
Verstärkungs-Kreuzstücke größer ist als die der Folie, wird die Abscheidung beendet, die
Maske entfernt, das Trägersubstrat mittig im späteren Fensterbereich weggeätzt und mit
dem Trägerring verbunden. Das Substrat kann auch vollständig weggeätzt und der Träger
ring aus Aluminium direkt mit der Diamantfolie verbunden werden.
Als Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäß vorgeschlagene einstückige Variante
wird vorgeschlagen, in einem ersten Schritt eine einkristalline oder polykristalline
Diamantplatte mit einer Dicke zwischen 10 bis 1.000 µm herzustellen und diese Platte in
einem mittigen Bereich über eine mindestens dem Querschnitt des Elektronenstrahls
entsprechende Fläche bis zu einer für einen Elektronenstrahl durchlässigen Dicke auszu
dünnen. Dieser Ausdünnvorgang erfolgt vorzugsweise durch eine bekannte Laser- oder
Ionenstrahlbearbeitung. Diese Zone weist entsprechend dem Querschnitt des Elektronen
strahls typischerweise rechteckige Dimensionen von kleiner als 5 bis 2 mm auf. Nach einer
vorteilhaften Verfahrensvariante kann dieses einstückige Fenster mit Verstärkungselemen
ten versehen werden, indem die mittige Zone der Platte ungleichmäßig ausgedünnt wird.
Es empfiehlt sich hierbei, die Kantenbereiche der mittigen Durchlasszone weniger stark
auszudünnen, so dass sich die Verdickungen im Außenbereich der ausgedünnten bzw.
ausgearbeiteten Zone befinden. Der Durchtritt des Elektronenstrahls durch die Durch
lasszone bleibt somit im wesentlichen ungestört. Die Ausdünnung mit unterschiedlichen
Bearbeitungstiefen wird über die eingebrachte Leistung gesteuert.
Zudem soll in einer vorteilhaften Ausführungsform elektrisch leitfähiger Diamant zur
Anwendung kommen, was beispielsweise durch Dotierung der Diamantfolie bzw. der
Diamantplatte mit Bor während der Gasphasenabscheidung erreicht wird.
Vorteilhafterweise kommt das vorgeschlagene Fenster in einem Röntgenstrahler mit den
Merkmalen des Anspruchs 16 zum Einsatz, sein Einsatz ist aber natürlich nicht auf diese
Verwendung beschränkt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung
näher erläutert werden. Neben den oben aufgeführten Kombinationen von Merkmalen
sind auch Merkmale alleine oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich. Es
zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 den Querschnitt einer zweistückigen Ausführungsform des
erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektronenstrahltransparenten Fensters;
Fig. 2 den Querschnitt einer Weiterbildung der zweistückigen Ausführungsform
nach Fig. 1;
Fig. 3 die Draufsicht der Weiterbildung nach Fig. 2;
Fig. 4 den Querschnitt einer einstückigen Ausführungsform des erfindungsgemäß
vorgeschlagenen elektronenstrahltransparenten Fensters;
Fig. 5 den Querschnitt einer Ausführung des Fensters nach Fig. 4 mit
ungleichmäßiger Diamantfoliendicke;
Fig. 6 den Querschnitt einer zweiten Ausführung des Fensters nach Fig. 4 mit
ungleichmäßiger Diamantfoliendicke;
Fig. 7 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Fenstergeometrien von dem
Berstdruck für herkömmlich aufgebaute Fenster (Dreiecke) und
erfindungsgemäße Fenster (Punkte);
Fig. 8 einen Röntgenstrahler mit einem elektronenstrahltransparenten Fenster
nach der Erfindung.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines zweistückig aus einer Diamantfolie 1 und einem
separaten, ringförmigen Halteelement 2 aufgebauten Fenster 3, wobei die Folie 1 und das
Halteelement 2 über eine Klebe- oder Lötschicht 4 miteinander verbunden sind. Die
Diamantfolie 1 weist eine Dicke von bis zu 10 µm auf und ist für einen Elektronenstrahl
transparent. Das Material des Halteelementes 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein
temperaturbeständiges Metall ist und einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, dessen Wert vorzugsweise kleiner als 9 × 10-6/K und somit ähnlich oder gleich dem
Ausdehnungskoeffizienten des Diamants ist. Hierunter fällt beispielsweise Molybdän.
Gleichzeitig ist es denkbar, dass die elektronenstrahltransparente Folie aus Molybdän und
das Halteelement aus einem hinsichtlich seines Ausdehnungsverhaltens an Molybdän ange
passten Werkstoffs hergestellt ist.
Hervorzuheben ist, dass das Halteelement 2 nicht bei der eigentlichen Herstellung der
Diamantfolie im Sinne eines Trägersubstrates beteiligt war, sondern erst nach der Her
stellung der Diamantfolie mit dieser verbunden wird.
Die Herstellung von dünnen Diamantschichten ist bekannt und erfolgt nach Gasab
scheidemethoden. Die Diamantfolie wird dann von dem Trägersubstrat, auf der sie
abgeschieden wurde, vollständig befreit - beispielsweise durch Wegätzen oder evtl. durch
Abschleifen des Substrates - und mit ihren peripheren Bereichen bzw. Kantenbereichen
mit dem Halteelement 2 verbunden, so dass ein transparenter Durchlassbereich 5 entsteht.
Zur mechanischen Stabilisierung der dünnen Diamantschicht 10 wird diese auf ihrer
Oberfläche, die von dem Halteelement 2 abgewandt ist, mit Verdickungen 16a, b, c im
Sinne von Strukturelementen oder Verstärkungselementen versehen, wie die Ausführungs
form in Fig. 2 zeigt. Gleiche Bauteile zu Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen ver
sehen. Diese Verdickungen 16a, b, c bestehen ebenfalls aus Diamant und verlaufen bei
dieser Ausführungsform parallel nebeneinander, was in der Draufsicht der Fig. 3 ver
deutlicht wird. Es sind ebenso Ausführungsformen mit ungleichmäßig angeordneten
Verdickungen denkbar, ebenfalls sind andere Geometrien oder Muster, zu denen die
Verdickungen angeordnet sind, denkbar. In dem in Fig. 2 gezeigten Fenster weisen die
Verdickungen 16a, b, c eine dreieckförmige Geometrie auf. In ihrer Dicke erreichen sie
nicht die Gesamtdicke der Diamantfolie, sie sollte aber mindestens 10% der Gesamtdicke
der Folie betragen. Zudem ist es möglich, beide Oberflächen der Diamantfolie mit Ver
dickungen oder nur die dem Halteelement zugewandte Oberfläche zu versehen. Es ist
jeweils auf ein Gleichgewicht des Einflusses einer mechanischen Stabilisierung sowie
ausreichender Bereiche höherer Transparenz als Durchlassbereiche für den Elektronen
strahl zu achten. Die Verdickungen können der Diamantfolie beispielsweise durch
entsprechende Strukturierung des zu beschichtenden CVD-Trägersubstrat während des
Abscheidevorgangs aufgeprägt werden. Es ist aber auch möglich, beispielsweise per
Laserablation oder mittels eines Ionenstrahls - ausgehend von einer dickeren Folie -
Bereiche abzutragen, die die späteren elektronenstrahltransparenten Bereiche bilden.
Neben dem Lösungsprinzip einer festen Verbindung durch Verwendung einer Kleb- oder
Lötschicht zwischen Diamantfolie und Halteelement aus einem Material mit einem
niedrigen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten wird erfindungsgemäß das Lösungs
prinzip eines einstückigen Fensters vorgeschlagen, welches gänzlich aus Diamant besteht.
Fig. 4 stellt einen Querschnitt eines solchen Fensters dar. Die Folie (300a) und das
Halteelement (300b) bilden bei dieser Ausführungsform eine Gesamtheit, das Fenster 300.
Hierzu wird eine Diamantplatte von einer Dicke größer als 10 µm, vorzugsweise bis zu
1.000 µm, verwendet, die durch Laser- oder Ionenablation über eine mindestens dem
Querschnitt des Elektronenstrahls entsprechende Fläche bis zu einer für Elektronen
durchlässigen Dicke ausgedünnt wird. Hierdurch entsteht also der eigentliche Fenster
bereich 307 mit dem Halteelement 300b. Neben dieser gleichmäßigen Ausbildung des
Fensterbereichs weist die Ausführungsform nach Fig. 5, die ebenfalls einstückig aus
Diamant hergestellt ist, eine ungleichmäßig verdünnte Diamantplatte und somit einen um
Verdickungsbereiche 310a, b verstärkten Durchlassbereich 308 auf. Der Elektronenstrahl
kann durch die elektronenstrahltransparenten Bereiche 311a, b, c zwischen den Ver
dickungen hindurchtreten. Bei der vorteilhaften Ausführungsform nach Fig. 6 befinden
sich die Verdickungen bzw. die nicht abgearbeiteten Bereiche 312a, b im Außenbereich der
ausgearbeiteten Zone bzw. des Durchlassbereichs 309; der Unterschied zum Fenster nach
Fig. 5 ist mit gestrichelten Linien dargestellt. Bei ausreichender Stabilisierung bleibt der
eigentliche Durchlassbereich 309 dennoch ungestört.
Mit Hilfe des Diagramms nach Fig. 7 wird deutlich, dass die wie vorgeschlagen aufge
bauten Fenster zu den bekannten Fenstern, bestehend aus einem Trägersubstrat mit einer
beim Abscheideprozess aufgebrachten Diamantfolie, bessere Druckbeständigkeiten auf
weisen. Als Maß hierfür ist der Berstdruck angegeben. Die Dicke und der Durchmesser
geben Geometriewerte für das jeweilige Fenster an. Als Durchmesser wird hier die größte
Längsabmessung der Fensteröffnung bzw. der Durchlasszone in cm verstanden, die
beispielsweise bei Kreisöffnungen dem Durchmesser, bei elliptischen Öffnungen der
großen Achse der Ellipse und bei rechteckigen Öffnungen der größten Seitenlänge ent
spricht. Es ist ersichtlich, dass die Fensterproben mit weniger stark haftenden Folien auf
Silizium-Trägersubstraten (Dreiecke) sich bei einem Druck von 3-4 bar ablösten. Zum
Erreichen höherer Berstdrücke (Kreise) wurde die Diamantfolie erfindungsgemäß voll
ständig von dem Trägersubstrat gelöst und fest mit einem separaten Halteelement bzw.
Fensterhalterung aus einem Material mit einem relativ niedrigen linearen Wärmeausdeh
nungskoeffizienten über eine separate Verbindungsschicht verbunden oder alternativ
einstückig hergestellt. Die gestrichelte Linie entspricht dem experimentell gefundenen
Grenzwert für den Berstdruck der Fenster, wobei gilt:
Berstdruck(bar) = 1,3 × [Dicke (µm)/Durchmesser (cm)],
und somit eine Abweichung zu der bekannten Abhängigkeit
Berstdruck(bar) = 1 × [Dicke (µm)/Durchmesser (cm)] festgestellt wurde.
Berstdruck(bar) = 1,3 × [Dicke (µm)/Durchmesser (cm)],
und somit eine Abweichung zu der bekannten Abhängigkeit
Berstdruck(bar) = 1 × [Dicke (µm)/Durchmesser (cm)] festgestellt wurde.
Die Fensterdicke in µm muss demnach größer als das 0,7fache des Produkts aus Durch
messer (cm) und Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten des Fensters sein.
Fig. 8 gibt einen Überblick über einen Röntgenstrahler 20, der nach dem LIMAX-
Verfahren arbeitet, in dem ein erfindungsgemäß vorgeschlagenes Fenster 3 mit den
beschriebenen Weiterbildungen bevorzugt zum Einsatz gelangen kann. Der
Röntgenstrahler setzt sich aus dem Röntgenkolben 21 und einem Flüssigmetall-Kreislauf-
System 22 zusammen. Der Röntgenkolben 21 ist durch das Fenster 3 vakuumdicht abge
schlossen. In dem Vakuumraum des Röntgenkolbens 21 befindet sich eine Elektronen
quelle in Form einer Kathode 23, die im Betriebszustand einen Elektronenstrahl 24
emittiert, der durch das Fenster 3 hindurch auf ein flüssiges Metall trifft, welches über eine
Stahlplatte geführt wird. Hierzu ist das Flüssigmetall-Kreislauf System 22 vorgesehen,
welches sich zusammensetzt aus einem Rohrleitungssystem 25, in dem das flüssige Metall
von einer Pumpe 26 angetrieben wird, um in einem Abschnitt 27 an der Außenseite des
Fensters 3 vorbeiströmen. Nach Passieren des Abschnitts 27 gelangt es in einen Wärme
tauscher 28, aus dem die erzeugte Wärme mittels eines geeigneten Kühlkreislaufs abgeführt
wird. Durch die Wechselwirkung der durch das Fenster hindurchtretenden Elektronen mit
dem flüssigen Metall entsteht Röntgenstrahlung (d. h. das flüssige Metall dient als Target),
die durch das Fenster 3 und ein Röntgenstrahlen-Austrittsfenster 29 im Kolben 21 hin
durch austritt.
Insbesondere dann, wenn die vorgeschlagenen Fenster zur Anwendung in derartigen
Röntgenstrahlern kommen, empfiehlt es sich, einen dotierten Diamanten zu verwenden,
um über die Leitfähigkeit ein Aufladen des Fensters im Betrieb und somit ein Ablenken,
ein Abbremsen oder ein Stoppen des Elektronenstrahls zu verhindern. Für einen Dotier
vorgang eignet sich Bor, um den spezifischen Widerstand auf weniger als 1.000 Ohm cm
zu reduzieren.
Claims (16)
1. Elektronenstrahltransparentes Fenster umfassend eine von einem Trägersubstrat
abgetrennte elektronenstrahltransparente Folie (1, 10, 300a) sowie ein Halteelement (2,
300b) zur Unterstützung eines peripheren Bereichs der elektronenstrahltransparenten Folie
im Betriebszustand, wobei das Halteelement (2, 300b) aus einem Material besteht, das
einen dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Folienmaterials angepassten
linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
2. Elektronenstrahltransparentes Fenster nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektronenstrahltransparente Folie aus Diamant besteht.
3. Elektronenstrahltransparentes Fenster nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektronenstrahltransparente Folie aus Molybdän besteht.
4. Elektronenstrahltransparentes Fenster nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Halteelement (2, 300b) aus einem Material besteht mit einem linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten unterhalb von 9 × 10-6/K.
5. Elektronenstrahltransparentes Fenster nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Halteelement (2) aus einem Material besteht, welches aus einer Gruppe der
folgenden Materialien wählbar ist: Metalle, wie Molybdän, Wolfram, Titan, Tantal sowie
deren niedriglegierte Legierungen, Diamant, Gläser, Keramiken mit entsprechend
niedrigen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
6. Elektronenstrahltransparentes Fenster nach Anspruch 2 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektronenstrahltransparente Folie (300a) und das Halteelement (300b) einstückig
aus Diamant bestehen.
7. Elektronenstrahltransparentes Fenster nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektronenstrahltransparente Folie (1, 10) und das Halteelement (2) zweistückig
ausgebildet sind und die Folie über eine Verbindungsschicht (4) auf dem Halteelement
aufgebracht ist.
8. Elektronenstrahltransparentes Fenster nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verbindungsschicht (4) eine Lötschicht aus einem metallischen Aktivlot oder
einem Glaslot oder eine Klebstoffschicht oder eine kombinierte Kleb-Lötschicht ist.
9. Elektronenstrahltransparentes Fenster nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine Oberfläche der elektronenstrahltransparenten Folie mindestens eine
Verdickung (16a, b, c; 310a, b; 312a, b) aufweist, deren Dicke mindestens 10% der
Foliendicke beträgt.
10. Elektronenstrahltransparentes Fenster nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Dicke der Diamantfolie gilt:
Dicke (µm) < 0,7 L (cm) × Δp (bar)
mit Δp (bar) als Druckdifferenz zwischen den beiden Fensterseiten und mit L als größter Längsabmessung L der Fensteröffnung.
Dicke (µm) < 0,7 L (cm) × Δp (bar)
mit Δp (bar) als Druckdifferenz zwischen den beiden Fensterseiten und mit L als größter Längsabmessung L der Fensteröffnung.
11. Verfahren zur Herstellung eines elektronenstrahltransparenten Fensters nach
Anspruch 2 und 6, umfassend eine elektronenstrahltransparente Folie (1, 10, 300a) aus
Diamant sowie ein Element zur Unterstützung eines peripheren Bereichs der
elektronenstrahltransparenten Folie im Betriebszustand,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Herstellen einer Diamantplatte mit einer Dicke zwischen 10 bis 1.000 µm;
Ausdünnen der Platte über eine mindestens dem Querschnitt des Elektronenstrahls entsprechende Fläche bis zu einer für Elektronen transparenten Dicke zur Bildung einer Durchlasszone (307, 308, 309) mit dem die Durchlasszone umgebenden Halteelement (300b) als Unterstützungselement.
Herstellen einer Diamantplatte mit einer Dicke zwischen 10 bis 1.000 µm;
Ausdünnen der Platte über eine mindestens dem Querschnitt des Elektronenstrahls entsprechende Fläche bis zu einer für Elektronen transparenten Dicke zur Bildung einer Durchlasszone (307, 308, 309) mit dem die Durchlasszone umgebenden Halteelement (300b) als Unterstützungselement.
12. Verfahren zur Herstellung eines elektronenstrahltransparenten Fensters nach
Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchlasszone (308, 309) der Platte unter Erzeugung von Verdickungselementen
(310a, b; 312a, b) zur mechanischen partiellen Stabilisierung der Folie ungleichmäßig
ausgedünnt wird.
13. Verfahren zur Herstellung eines elektronenstrahltransparenten Fensters nach
Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kantenbereiche (312a, b) der mittigen Durchlasszone (309) weniger stark
ausgedünnt werden.
14. Verfahren zur Herstellung eines elektronenstrahltransparenten Fensters nach
Anspruch 2 und 7, umfassend eine elektronenstrahltransparente Folie (1, 10, 300a) aus
Diamant sowie ein Element zur Unterstützung eines peripheren Bereichs der
elektronenstrahltransparenten Folie im Betriebszustand, gekennzeichnet durch die
folgenden Schritte:
Abscheiden einer elektronenstrahltransparenten Diamantfolie auf einem Trägersubstrat aus einem kohlenstoffhaltigen Gas;
vollständiges Entfernen des Trägersubstrates von der Diamantfolie,
Verbinden eines peripheren Bereichs der Diamantfolie (1, 10) mit einem Halteelement (2) als Unterstützungselement unter Belassen eines Folienfensters, wobei das Halteelement (2) aus einem Material besteht, das einen dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Diamant angepassten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
Abscheiden einer elektronenstrahltransparenten Diamantfolie auf einem Trägersubstrat aus einem kohlenstoffhaltigen Gas;
vollständiges Entfernen des Trägersubstrates von der Diamantfolie,
Verbinden eines peripheren Bereichs der Diamantfolie (1, 10) mit einem Halteelement (2) als Unterstützungselement unter Belassen eines Folienfensters, wobei das Halteelement (2) aus einem Material besteht, das einen dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Diamant angepassten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
15. Verfahren zur Herstellung eines elektronenstrahltransparenten Fensters nach
Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Diamantfolie (1, 10) mit dem Halteelement (2) verlötet wird.
16. Röntgenstrahler mit einer Elektronenquelle (23) zur Emission von Elektronen, einem
Target aus einem im Betriebszustand des Röntgenstrahlers zirkulierenden flüssigen Metall,
das beim Auftreffen der Elektronen Röntgenstrahlung emittiert, und mit einem
elektronenstrahltransparenten Fenster nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Trennelement
zwischen der Elektronenquelle und dem Target.
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