DE102009051374A1

DE102009051374A1 - Vorrichtung zum Refelektieren beschleunigter Elektronen

Info

Publication number: DE102009051374A1
Application number: DE102009051374A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Röder; Dieter Leffler; Christoph Kleemann; Jörg KUBUSCH; Ludwig Forberger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Robert Bosch GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2011-06-16
Also published as: US20120217042A1; WO2011050875A1; JP2013509567A; EP2494577A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mittels der von einer Elektronenquelle abgegebene beschleunigte Elektronen auf einen Oberflächenbereich eines Objektes (2) reflektierbar sind, umfassend mindestens einen dielektrischen Grundkörper (30), auf welchem zumindest in einem Oberflächenbereich (A; B) mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht (39) aufgetragen ist, wobei sich von der elektrisch leitfähigen Schicht (39) mindestens ein elektrisch leitfähiges Kontaktierungselement (31) durch den dielektrischen Grundkörper (30) hindurch erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reflektieren von Elektronen auf die Oberfläche eines Objektes, welches zum Zwecke der Eigenschaftsmodifikation mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden soll.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Anwendungen bekannt, bei denen die Oberfläche eines Objektes, eine Randschicht eines Objektes oder gar ein gesamtes Objektvolumen mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt wird, um Eigenschaften des Objektes zu verändern. So gelangen beschleunigte Elektronen beispielsweise zum Einsatz beim Abtöten von an Saatgut anhaftenden Keimen und Mikroorganismen, beim Sterilisieren von medizinischen oder pharmazeutischen Produkten oder bei der Eigenschaftsmodifikation von Kunststoffen und Ölen.
Bei den meisten Anwendungsfällen wird ein zu modifizierendes Objekt an einer starr angeordneten Elektronenquelle vorbeigeführt und währenddessen mit den von der Elektronenquelle abgegebenen beschleunigten Elektronen beaufschlagt. Insbesondere bei großvolumigen Objekten werden beim einmaligen Vorbeiführen des Objektes nicht alle Oberflächenbereiche bzw. nicht das gesamte Objektvolumen mit Elektronen beaufschlagt. Daher sind sowohl Vorrichtungen bekannt, bei denen ein Objekt entweder mehrfach mit zwischenzeitlicher Lageänderung des Objektes an mindestens einer Elektronenquelle vorbeigeführt werden, als auch Vorrichtungen, bei denen mehrere Elektronenquellen um das Objektvolumen herum angeordnet sind, wodurch ein Objekt bei nur einem Durchlauf und ohne Lageveränderung vollflächig mit Elektronen beaufschlagt werden kann.
Es ist ebenfalls bekannt, bei Elektronenstrahlprozessen Reflektoren einzusetzen, um am Objekt vorbeizielende Elektronenstrahlen Richtung Objektoberfläche zu reflektieren und/oder um Elektronen auf solche Oberflächenbereiche eines Objektes zu reflektieren, die nicht im direkten Einwirkbereich der Elektronenquelle liegen.
In DE 198 16 246 C1 ist eine Vorrichtung beschrieben, bei der eine auf einem Objekt aufgetragene Lackschicht mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt wird. Das Objekt weist einen 90°-Winkel auf, sodass eine Fläche des Objektes parallel und eine Fläche des Objektes senkrecht zum Elektronenaustrittsfenster einer Elektronenquelle ausgerichtet ist. Seitlich des Elektronenaustrittsfensters ist ein klappbarer Reflektor angeordnet, mittels dem ein Teil der aus dem Fenster austretenden Elektronen auf die senkrecht zum Elektronenaustrittsfenster ausgerichtete Objektoberfläche reflektiert werden. Die Schrift offenbart jedoch keine weiteren Angaben zum Aufbau und zu Materialien des Reflektors.
Aus WO 2007/107331 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Formteil zum Zwecke des Sterilisierens zwischen zwei Flächenstrahlerzeugern hindurch bewegt und währenddessen mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden kann. Diese Vorrichtung weist mehrere Reflektoren aus Gold auf, mit denen von den Flächenstrahlerzeugern abgegebene Randstrahlen auf Oberflächenbereiche des Formteils reflektiert werden, die nicht im unmittelbaren Einwirkbereich der Flächenstrahlerzeuger liegen. Die Reflektoren sind gleichzeitig Bestandteil eines Sensorsystems. Verbunden mit Messeinrichtungen können mittels der Reflektoren Elektronenströme erfasst und infolge dessen Aussagen über Elektronenstromdichteverteilungen getroffen werden. Da die aus dieser Schrift bekannten Reflektoren aus reinem Gold bestehen, sind derartige Vorrichtungen sehr preisintensiv und beeinträchtigen somit deren Wirtschaftlichkeit. Lösungen, ob und wie der Anteil von Reflektion und Transmission der auf einen Reflektor auftreffenden Elektronen eingestellt werden kann, sind aus der Schrift nicht entnehmbar.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zum Reflektieren beschleunigter Elektronen zu schaffen, mittels der Nachteile des Standes der Technik nicht zuletzt auch hinsichtlich dessen Wirtschaftlichkeit überwunden werden können. Insbesondere sollen mit der Vorrichtung von einer Elektronenquelle ausgesandte Elektronen auf die Oberfläche eines mittels beschleunigten Elektronen zu modifizierenden Objektes reflektiert werden können. Desweiteren soll die Vorrichtung als Bestandteil eines Sensorsystems zum Ermitteln von Elektronenströmen und Elektronenstromdichteverteilungen verwendbar sein. Ebenfalls sollen Lösungen angegeben werden, wie der Anteil von Reflektion und Transmission der auf einen Reflektor auftreffenden Elektronen eingestellt werden kann.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mittels der von einer Elektronenquelle abgegebene beschleunigte Elektronen auf einen Oberflächenbereich eines Objektes reflektierbar sind, umfasst mindestens einen dielektrischen Grundkörper, auf welchem zumindest in einem Oberflächenbereich mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht aufgetragen ist, an welcher ein Anteil der von der Elektronenquelle abgegebenen und auf die elektrisch leitfähige Schicht auftreffenden beschleunigten Elektronen reflektierbar ist. Zum Zwecke des Kontaktierens der elektrisch leitfähigen Schicht erstreckt sich von der elektrisch leitfähigen Schicht mindestens ein elektrisch leitfähiges Kontaktierungselement durch den dielektrischen Grundkörper hindurch. Aufgrund des Beaufschlagens der elektrisch leitfähigen Schicht mit beschleunigten Elektronen baut sich auf dieser ein Ladungsträgerüberschuss und somit eine elektrische Spannung gegenüber der elektrischen Masse auf. Zwischen dem Kontaktierungselement und der elektrischen Masse kann daher eine Messeinrichtung angeschlossen werden, mittels der ein Elektronenstrom erfassbar ist. Die von der Elektronenquelle (auch als Elektronenbeschleuniger bezeichnet) auf die elektrisch leitfähige Schicht beschleunigten Elektronen werden somit zu einem ersten Anteil von der elektrisch leitfähigen Schicht reflektiert und sind mit einem zweiten Anteil am Fluss eines elektrischen Stromes von der elektrisch leitfähigen Schicht durch das Kontaktierungselement hindurch beteiligt. Wie später noch ausgeführt wird, kann das Verhältnis der beiden Anteile verändert bzw. eingestellt werden.
Bei einem einmal fest eingestellten Anteil der reflektierten Elektronen kann dann in Abhängigkeit vom erfassten elektrischen Strom eine qualitative Aussage darüber getroffen werden, mit welcher Energie bzw. mit welcher Energiedosis ein Oberflächenbereich eines Objektes beaufschlagt wird, auf den die beschleunigten Elektronen von der elektrisch leitfähigen Schicht reflektiert werden. Je höher der erfasste elektrische Strom ist, umso höher ist dann auch die Energie bzw. die Energiedosis, mit der der Oberflächenbereich des Objektes beaufschlagt wird.
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können daher einerseits von einer Elektronenquelle abgegebene beschleunigte Elektronen reflektiert werden und andererseits kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung als Bestandteil eines Sensorsystems bzw. eines Messsystems verwendet werden, mit dem Aussagen über die Energie, mit der ein Objekt beaufschlagt wird, getroffen werden können.
Üblicherweise ist der Oberflächenbereich des dielektrischen Grundkörpers, innerhalb dem sich die elektrisch leitfähige Schicht befindet, eben ausgebildet, wobei der dielektrische Grundkörper selbst plattenförmig ausgebildet ist. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall und/oder in Abhängigkeit von der Form des mit Elektronenenergie zu modifizierenden Objekts kann dieser Oberflächenbereich aber auch eine andere geometrische Form aufweisen. So kann dieser Oberflächenbereich zum Beispiel bei einem konvex geformten Objekt konkav ausgebildet sein und umgekehrt.
Werden mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen innerhalb einer räumlichen Dimension nebeneinander angeordnet und zu jeder Vorrichtung ein elektrischer Strom erfasst, der von der jeweiligen elektrisch leitfähigen Schicht durch ein zugehöriges Kontaktierungselement fließt, kann dann auch in Abhängigkeit von den einzelnen erfassten elektrischen Strömen eine qualitative Aussage über die Verteilung der Energie, mit der das Objekt innerhalb der räumlichen Dimension beaufschlagt wird, getroffen werden. Diese qualitative Aussage ist natürlich umso genauer, je mehr erfindungsgemäße Vorrichtungen in einer räumlichen Ausdehnung nebeneinander angeordnet und je mehr elektrische Ströme demzufolge erfasst werden.
Alternativ zu der Ausführungsform, dass ein dielektrischer Grundkörper nur einen Oberflächenbereich mit einer elektrisch leitfähigen Schicht aufweist, kann ein dielektrischer Grundkörper auch mehrere Oberflächenbereiche aufweisen, innerhalb denen eine elektrisch leitfähige Schicht ausgebildet ist, wobei die einzelnen elektrisch leitfähigen Schichtbereiche voneinander elektrisch isoliert ausgebildet sind und wobei jeder elektrisch leitfähige Schichtbereich mindestens ein Kontaktierungselement aufweist, welches sich von dem zugehörigen elektrisch leitfähigen Schichtbereich durch den dielektrischen Grundkörper hindurch erstreckt. Jedes Kontaktierungselement ist dann mit einer zugehörigen Messeinrichtung zum Erfassen eines elektrischen Stromes verbunden. Bei einer solchen Ausführungsform können beliebig viele elektrisch leitfähige Schichtbereiche eindimensional oder auch zweidimensional nebeneinander auf der Oberfläche eines dielektrischen Grundkörpers angeordnet sein.
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der auf einer ebenen Oberfläche eines dielektrischen Grundkörpers in zwei Dimensionen jeweils mindestens zwei elektrisch leitfähige Schichtbereiche ausgebildet sind, kann durch das Auswerten der jeweils erfassten elektrischen Ströme, welche über die elektrisch leitfähigen Schichtbereiche fließen, eine zweidimensionale Aussage bezüglich der Verteilung der Elektronenenergie getroffen werden, mit der ein zu modifizierendes Objekt beaufschlagt wird. Auch hier gilt das bereits vorher Beschriebene: Je mehr und je dichter die elektrisch leitfähigen Schichtbereiche in einer räumlichen Dimension nebeneinander angeordnet sind, umso höher ist die Ortsauflösung der Stromdichte eines Elektronenstrahls und umso genauere Aussagen lassen sich bezüglich der Verteilung der Energie treffen, mit der die Oberfläche eines Objektes beaufschlagt wird.
Der dielektrische Grundkörper fungiert im Wesentlichen als Träger der elektrisch leitfähigen Schicht bzw. der elektrisch leitfähigen Schichtbereiche und verleiht der Vorrichtung die nötige mechanische Stabilität. Hinsichtlich des Materials für den dielektrischen Grundkörper besteht neben einer erforderlichen Festigkeit die Anforderung, dass dieses auch beständig gegenüber ionisierender Strahlung sein muss. Keramikmaterialien sind dafür zum Beispiel sehr gut geeignet. Beispielhaft seien an dieser Stelle Keramiken wie Aluminiumoxid oder Zirkonoxid genannt, aber auch alle anderen bekannten Keramiken können dafür verwendet werden. Neben Keramikmaterialien sind aber beispielsweise auch Glasmaterialien für den dielektrischen Grundkörper einsetzbar.
Für die mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht können alle Materialien eingesetzt werden, die über eine elektrische Leitfähigkeit verfügen. Beim Auftreffen eines Elektronenstrahls auf die elektrisch leitfähige Schicht wird die kinetische Energie der Strahlelektronen durch Wechselwirkungen mit Atomen des Schichtmaterials teilweise in Wärme oder Anregungsenergie der Atome umgesetzt. Die Vielzahl elastischer und unelastischer Stöße, welche die Strahlelektronen mit den Atomen des Schichtmaterials ausführen, bewirkt neben einem Energieverlust auch eine Richtungsänderung der Strahlelektronen, weshalb ein Anteil der Strahlelektronen rückgestreut und somit von der elektrisch leitfähigen Schicht reflektiert wird. Die Intensitätsverteilung der reflektierten Elektronen über dem Raumwinkel ist keulenförmig ausgebildet und weist ein Intensitätsmaximum auf, dessen Richtung dem optischen Reflexionsgesetz – Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel – entspricht. Der Anteil rückgestreuter bzw. reflektierter Elektronen wird im Wesentlichen vom Auftreffwinkel des Elektronenstrahles und von der Ordnungszahl der am Schichtaufbau beteiligten Elemente bestimmt. Je flacher der Auftreffwinkel des Elektronenstrahls auf die elektrisch leitfähige Schicht ist und je höher die Ordnungszahl der am Schichtaufbau beteiligten Elemente ist, umso höher ist auch der Anteil der reflektierten Strahlelektronen. Da bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung das Reflektieren von Strahlelektronen eine wesentliche Aufgabe darstellt, sind für die elektrisch leitfähige Schicht besonders solche elektrisch leitfähigen Materialien geeignet, die aus einem Element oder mehreren Elementen bestehen, die eine hohe Ordnungszahl aufweisen. Bei einer Ausführungsform besteht die elektrisch leitfähige Schicht daher aus einem oder mehreren Element(en) aus der Gruppe der Elemente mit einer Ordnungszahl von 40 bis einschließlich 79.
Aufgrund der thermischen Auswirkungen des Auftreffens von beschleunigten Elektronen auf die elektrisch leitfähige Schicht ist es weiterhin vorteilhaft, wenn das für die elektrisch leitfähige Schicht verwendete Material eine Schmelztemperatur von über 1000°C besitzt Es können für die elektrisch leitfähige Schicht aber auch Materialien mit geringerer Schmelztemperatur bis hinab zu 200°C zum Einsatz gelangen, wenn beispielsweise nur geringe Elektronenstrahlleistungen verwendet werden und/oder wenn Maßnahmen zum Kühlen der elektrisch leitfähigen Schicht getroffen werden. So kann beispielsweise der dielektrische Grundkörper mit Kühlkanälen durchzogen und von einem Kühlmedium durchflossen sein, um Wärme von der elektrisch leitfähigen Schicht abzuführen.
Sehr gut geeignet für eine elektrisch leitfähige Schicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Materialien wie Gold, Tantal, Molybdän, Wolfram oder Legierungen aus zwei oder mehreren der vorgenannten Elemente, weil diese Materialien sowohl eine gute elektrische Leitfähigkeit als auch eine hohe Schmelztemperatur aufweisen und somit keinen zusätzlichen Kühlaufwand erfordern.
Ganz besonders geeignet für die elektrisch leitfähige Schicht ist Gold. Neben einer relativ hohen Schmelztemperatur, einer sehr guten elektrischen Leitfähigkeit, einem hohen Anteil reflektierter Elektronen aufgrund einer relativ hohen Ordnungszahl, ist Gold auch ein Schichtmaterial, welches bei solchen Anwendungen, bei denen pharmazeutische oder medizinische Produkte mit Elektronen beaufschlagt werden sollen, eingesetzt werden kann.
Ein Kontaktierungselement, welches sich bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung von einer elektrisch leitfähigen Schicht durch den dielektrischen Grundkörper hindurch erstreckt, besteht ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Material. Da ein Kontaktierungselement nicht dem direkten Elektronenbeschuss ausgesetzt ist, bestehen bezüglich dessen Temperaturbeständigkeit keine hohen Anforderungen. Für dieses sind daher Materialien wie Gold, Platin, Titian, Molybdän, Eisen, Chrom, Tantal oder Legierungen von mindestens zwei der vorgenannten Elemente geeignet. Ein Kontaktierungselement ist vorzugsweise als stiftförmiger Kontaktpin (auch Kontaktstift genannt) ausgebildet und kann einen Querschnitt beliebiger geometrischer Form aufweisen. Vorteilhaft ist es, wenn der Kontaktpin einen standardisierten Querschnitt aufweist, so dass auch standardisierte Kontaktmittel, wie beispielsweise Steckverbinder, zum Kontaktieren des Kontaktpins verwendet werden können.
Ein besonderes Augenmerk gilt dem Einfügen des bzw. der Kontaktpins in einen dielektrischen Grundkörper. Insbesondere dann, wenn eine erfindungsgemäße Vorrichtung beim Herstellen oder Bearbeiten pharmazeutischer oder medizinischer Produkte eingesetzt wird, können sehr hohe Anforderungen bezüglich der Dichtheit der Fügestelle zwischen dielektrischem Grundkörper und Kontaktierungselement bestehen. Bei derartigen Anwendungsfällen ist der erfindungsgemäße Reflektor oftmals gleichzeitig als Wandung zwischen einem Raum mit hoher Sterilität und einem Raum mit geringerer Sterilität ausgebildet, wobei der Raum mit hoher Sterilität an die elektrisch leitfähige Schicht und der Raum mit geringerer Sterilität an die Rückseite des Reflektors, also an den dielektrischen Grundkörper angrenzt. Hier muss sichergestellt sein, dass aus dem Raum mit geringerer Sterilität keine Keime durch die Fügestelle zwischen dielektrischem Grundkörper und Kontaktierungselement hindurch gelangen können. Mit dem relativ einfachen Mittel eines Gasdrucktestes kann beispielsweise überprüft werden, ob eine Fügestelle gasdicht ausgebildet ist. Ist eine Fügestelle gasdicht ausgebildet, dann ist auf jeden Fall auch sichergestellt, dass auch kein Keim durch die Fügestelle gelangen kann. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Fügestelle daher zwischen dielektrischem Grundkörper und Kontaktierungselement gasdicht ausgebildet.
Für das gasdichte Einfügen eines Kontaktierungselements in einen dielektrischen Grundkörper sind verschiedene Verfahren geeignet. Bei allen Verfahren muss zunächst ein Loch entsprechend des Querschnitts des Kontaktierungselements in den dielektrischen Grundkörper eingebracht werden, welches sich durch die gesamte Dicke des dielektrischen Grundkörpers hindurch erstreckt und in welches das Kontaktierungselement eingebracht wird. Das Loch kann dabei mit einem konstanten Querschnitt durch die gesamte Dicke des Grundkörpers ausgebildet sein oder auch zur Rückseite des Grundkörpers hin eine Querschnittsvergrößerung aufweisen, welche in diesem Dickenbereich des Grundkörpers als Ausdehnungsraum für das Kontaktierungselement bei nachfolgenden Bearbeitungsschritten fungiert. Das Kontaktierungselement muss eine Länge derart aufweisen, dass es sich zum einen durch die gesamte Dicke des dielektrischen Grundkörpers hindurch erstreckt und dann auf der Rückseite des dielektrischen Grundkörpers noch so weit herausragt, dass es mit Kontaktmitteln, wie beispielsweise mit Steckverbindern, kontaktiert werden kann. Auf der Seite des dielektrischen Grundkörpers, auf der die elektrisch leitfähige Schicht aufgetragen wird (in dieser Schrift auch Vorderseite genannt), muss das Kontaktierungselement mindestens bis zur Oberfläche des Grundkörpers reichen, kann aber beim Einbringen in den dielektrischen Grundkörper zunächst auch ein wenig darüber hinausragen.
Das Material, aus dem ein Kontaktierungselement besteht, wird teilweise auch durch das Einfügeverfahren mitbestimmt. So kann ein Kontaktierungselement beispielsweise mittels eines Lötverfahrens in einen dielektrischen Grundkörper aus einer Keramik gasdicht eingefügt werden. Wird dieses Einfügeverfahren angewendet, sind derartige Metalle oder Metalllegierungen als Material für das Kontaktierungselement geeignet, mit denen eine bekannte Keramik-Metall-Lötverbindung hergestellt werden kann. Eine weitere Anforderung besteht dahingehend, dass die verwendete Keramik für den dielektrischen Grundkörper und das Material für das Kontaktierungselement zumindest annähernd einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, damit beim Erwärmen und anschließenden Abkühlen der Lötverbindung keine mechanischen Spannungen in der Fügestelle entstehen, die zur Rissbildung führen können.
Beim Einfügen eines Kontaktierungselements mittels eines Lötverfahrens können daher für das Kontaktierungselement beispielsweise Materialien wie Molybdän oder eine NiCoSil-Legierung verwendet werden.
Eine alternative Vorgehensweise beim Einfügen eines Kontaktierungselements in einen keramischen dielektrischen Grundkörper ist das Sintern, d. h., das Kontaktierungselement wird gleich beim Brennen der Keramik mit in den dielektrischen Grundkörper eingefügt. Als Materialien für das Kontaktierungselement können bei diesem Einfügeverfahren beispielsweise Platin, Wolfram, Titan oder Legierungen aus den vorgenannten Elementen verwendet werden.
Als weitere Alternative für das Einfügen eines Kontaktierungselements kann ein Klebeverfahren gewählt werden, bei dem auch alle zuvor genannten Materialien für ein Kontaktierungselement herangezogen werden können. Soll hierbei eine gasdichte Klebeverbindung zwischen dielektrischem Grundkörper und Kontaktierungselement hergestellt werden, ist es jedoch nicht hinreichend, ein rein organisches Klebemittel zu verwenden, weil dieses unter dem Einfluss ionisierender Strahlung zersetzt wird, wodurch die Fügestelle einerseits ihre Festigkeit verliert und andererseits durchlässig für Gase bzw. für Keime werden kann.
Es ist daher vorteilhaft, einem Klebemittel Feststoffpartikel, wie beispielsweise Keramikpartikel, beizumischen. Es hat sich gezeigt, dass trotz des Zersetzens der organischen Klebemittelbestandteile in der Fügestelle unter Einfluss ionisierender Strahlung die zurückbleibenden Feststoffpartikel sowohl den notwendigen Halt des Kontaktierungselements als auch eine erforderliche Dichtheit der Fügestelle gewährleisten.
Ist das mindestens eine Kontaktierungselement fest in den dielektrischen Grundkörper eingefügt, wird die Seite des dielektrischen Grundkörpers, auf der die elektrisch leitfähige Schicht aufgetragen werden soll und auf der das Kontaktierungselement nach dem Einfügen ein wenig herausragen kann, derart glatt geschliffen, dass die Oberfläche des dielektrischen Grundkörpers mit dem Ende des Kontaktierungselements eine ebene Fläche bildet, auf der nachfolgend die mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht aufgetragen wird. Je feiner der Schliff, desto haltbarer ist die elektrisch leitfähige Schicht, da Beschichtungsfehler minimiert werden. Bei einer Ausführungsform weist die geschliffene Oberfläche daher eine Rauigkeit von kleiner als 0,05 auf. Die elektrisch leifähige Schicht und das Kontaktierungselement bilden nach dem Auftragen der elektrisch leitfähigen Schicht eine elektrisch leitfähige Verbindung aus.
Auch für das Auftragen der mindestens einen elektrischen leitfähigen Schicht können verschiedene Verfahren zur Anwendung gelangen. Vakuumverfahren der chemischen oder physikalischen Dampfabscheidung sind beispielsweise dafür geeignet, die elektrisch leitfähige Schicht in ihrer vollständigen Dicke aufzutragen oder zunächst nur eine Teilschicht der elektrisch leitfähigen Schicht aufzutragen, die im Anschluss mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens verstärkt werden kann. Die elektrisch leitfähige Schicht kann aber auch vollständig mittels galvanischer Verfahren abgeschieden werden. Ein weiteres alternatives Verfahren zum Auftragen der elektrisch leitfähigen Schicht besteht darin, vor dem Sintern eines keramischen dielektrischen Grundkörpers eine Paste, in welche leitfähige Partikel vermischt sind, auf den dielektrischen Grundkörper aufzutragen. Nach einem Sintervorgang bleibt dann eine Schicht aus den leitfähigen Partikeln an der Oberfläche des dielektrischen Grundkörpers zurück. Hierfür kann beispielsweise eine goldhaltige Paste verwendet werden, von der nach einem Sintervorgang eine Goldschicht auf der Oberfläche des dielektrischen Grundkörpers zurückbleibt. Bei einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel kann die Paste mit leitfähigen Partikeln auch erst nach dem Sintern auf den dielektrischen Grundkörper aufgetragen werden.
Wie zuvor schon einmal erwähnt, kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung der Anteil der von der elektrisch leitfähigen Schicht reflektierten Elektronen eingestellt werden. Die Wahl der aufgetragenen Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Schicht (nachfolgend auch als Reflexionsschicht bezeichnet) ermöglicht es in Kombination mit der Wahl des Schichtmaterials, den Anteil reflektierter Elektronen zum Transmissionsanteil exakt einzustellen. Ist die Gesamtschichtdicke der Reflexionsschicht mindestens genauso groß wie die maximale Eindringtiefe der beschleunigten Elektronen, dann ist sichergestellt, dass auch ein maximaler Anteil der Elektronen reflektiert wird. Der für das Messsignal zur Verfügung stehende Anteil an Elektronen ist dementsprechend gering. In dem Maße wie die Schichtdicke der Reflexionsschicht (ausgehend von einer Schichtdicke, die der maximalen Eindringtiefe der Elektronen entspricht) verringert wird, verringert sich auch der Anteil reflektierter Elektronen, wohingegen der Transmissionsanteil, also der für das Messsignal zur Verfügung stehende Anteil der Elektronen, erhöht wird. Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass das Auftreffen beschleunigter Elektronen auf die elektrisch leitfähige Schicht neben rückgestreuten bzw. reflektierten Elektronen und dem Fluss eines elektrischen Stromes von der elektrisch leitfähigen Schicht, über ein Kontaktierungselement hin zu einer Messeinrichtung auch noch das Herauslösen von Sekundärelektronen und von thermischen Elektronen sowie das Erzeugen von Wärme- und Röntgenstrahlung bewirkt. Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden jedoch nur die Sachverhalte der reflektierten Elektronen und des Stromflusses näher betrachtet.
Die maximale Eindringtiefe beschleunigter Elektronen aufgrund deren kinetischer Energie in ein Material ist von verschiedenen Faktoren abhängig, lässt sich aber nach bekannten Formeln bzw. aus bekannten Tabellen und Übersichten ermitteln. Somit kann in Abhängigkeit von der Aufgabenstellung, also je nachdem, ob mehr Elektronen reflektiert werden sollen oder ob mehr Elektronen für das Messsignal zur Verfügung stehen sollen, im Vorfeld eine Dicke für die Reflexionsschicht ermittelt und dadurch das Verhältnis der für Reflexion und Transmission zur Verfügung stehenden Elektronen eingestellt werden.
Bei einer Ausführungsform zur überwiegenden Reflexion der beschleunigten Elektronen wird die Schichtdicke d_R der Reflexionsschicht in einem Bereich eingestellt, der größer als die maximale Eindringtiefe der Elektronen ist und sich aus folgender Formel ergibt:

Ub: = Beschleunigungsspannung
ρw: = Dichte von Wasser
ρG: = Dichte der Reflexionsschicht
ρF: = Dichte der Fensterfolie des Elektronenbeschleunigers
dF: = Dicke der Fensterfolie des Elektronenbeschleunigers
k1: = 1·V^–1
k2: = 1·(g/m²)²·m^–1
s: = Sicherheitsfaktor (s ≥ 1,5).

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die elektrisch leitfähige Schicht auch aus zwei oder mehreren Teilschichten bestehen. Zur besseren Haftung der als eigentliche Reflexionsschicht wirkenden Deckschicht kann/können unter der Reflexionsschicht beispielsweise eine oder mehrere Teilschichten angeordnet sein, die als Haftvermittlerschicht(en) zwischen dem dielektrischen Grundkörper und der Reflexionsschicht wirken. Desweiteren kann auch noch mindestens eine Teilschicht als Barriereschicht ausgebildet sein, um zu verhindern, dass Partikel aus einer Haftschicht und/oder aus dem dielektrischen Grundkörper in die Reflexionsschicht diffundieren. Eine Anforderung an eine als Haftvermittlerschicht und an eine als Barriereschicht fungierenden Teilschicht besteht jedoch darin, dass diese elektrisch leitfähig sein müssen, damit ein elektrischer Strom von der Reflexionsschicht hin zum Kontaktierungselement fließen kann. So kann eine als Haftvermittlerschicht ausgebildete Teilschicht der elektrisch leitfähigen Schicht aus einem oder mehreren Element(en) der Gruppe Chrom, Mangan, Eisen, Cobald bestehen und für eine als Barriereschicht ausgebildete Teilschicht können Platin-, tantal-, gold- oder titanhaltige Materialien verwendet werden.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Komponenten, die in unterschiedlichen Fig. gleiche Bezugszeichen aufweisen, stimmen funktionell oder strukturell überein. Die Fig. zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Beaufschlagen eines Objektes mit beschleunigten Elektronen;
2 eine schematische Darstellung einer Reflektorgruppe der Vorrichtung aus 1;
3 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Reflektors der Reflektorgruppe aus 2;
4 eine schematische Darstellung eines alternativen Aufbaus eines Reflektors der Reflektorgruppe aus 2.
In 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 im Querschnitt dargestellt, mittels der die Oberfläche eines Formteils 2 mit beschleunigten Elektronen beaufschlagt werden kann, um die Oberfläche des Formteils 2 zu sterilisieren. Formteil 2 ist ein länglicher Gegenstand mit trapezförmigem Querschnitt. Vorrichtung 1 besteht aus zwei als Flächenstrahlerzeuger ausgebildeten Elektronenbeschleunigern 3a, 3b, die jeweils einen Elektronenbeschleunigungsraum 4a, 4b und ein Elektronenaustrittsfenster 5a, 5b umfassen. Hierbei sind die Elektronenaustrittsfenster jeweils als 11 μm dicke Titanfolie ausgebildet. Die Elektronenbeschleuniger 3a, 3b sind derart angeordnet, dass die eben geformten Elektronenaustrittsfenster 5a, 5b parallel gegenüberliegend ausgerichtet sind. Zwischen beiden Elektronenaustrittsfenstern 5a, 5b wird Formteil 2 auf einem auf Höhe des Elektronenaustrittsfensters 5b unterbrochenen und in 1 gepunktet dargestellten Förderbandsystem 6 kontinuierlich in Richtung der Bildtiefe hindurchgeführt und dabei dessen gesamte Oberfläche mit Elektronenenergie beaufschlagt. An den schrägen Seitenflächen des Formteils 2 würde dabei jeweils die geringste Energiedosis an den am weitesten von den Elektronenaustrittsfenstern entfernten Punkten übertragen, was durch die Anordnung von Elektronenreflektoren 7a1, 7b1, 7a2, 7b2 (nachfolgend nur noch Reflektor(en) genannt) kompensiert wird. Dies geschieht, indem die ungenutzten Randstrahlen 8a1, 8a2, 8b1, 8b2 des jeweiligen Elektronenstrahles der beiden Elektronenbeschleuniger 3a, 3b auf den jeweils nächstgelegenen Reflektor treffen, dort reflektiert werden und durch die Winkelanordnung der Reflektoren in den Bereich der niedrigsten Dosis auf das Formteil geführt werden. Aus einer derartigen Gesamtanordnung resultiert eine Energiedosis auf der gesamten Oberfläche oder auch in einer gesamten Randschicht des Formteiles mit einem minimalen Überdosisfaktor, einer maximalen Ausnutzung des Elektronenstromes und einem Minimum an in der Luftstrecke entstehendem reaktiven Ozon.
In 2 ist die Reflektorgruppe 7a1, 7b1 in einer etwas detaillierteren schematischen Darstellung abgebildet. Es ist zu erkennen, dass die Reflektoren 7a1, 7b1 einerseits voneinander beabstandet sind und somit keinen elektrischen Kontakt zueinander aufweisen und andererseits auf deren Rückseite jeweils mit Kontaktelementen 20 versehen sind, an denen elektrische Leitungen 21 angeschlossen sind, die wiederum mit einer in 2 nicht dargestellten Messeinrichtung verbunden sind. Mittels dieser Messeinrichtung werden Werte für elektrische Ströme erfasst, welche durch die Reflektoren 7a1 und 7b1 hin zu den zugehörigen Kontaktelementen 20 fließen. Hierbei kann jedem Kontaktelement 20 eine separate Messeinrichtung zugeordnet sein oder aber mehrere Kontaktelemente 20 sind mit einer Messeinrichtung verbunden, die über mehrere Messeingänge verfügt.
Der Aufbau der Reflektoren 7a1, 7a2, 7b1, 7b2 aus 1 ist identisch und ist in 3 anhand des Reflektors 7a1 beispielhaft in einer Explosionsdarstellung schematisch abgebildet. Die Basis des Reflektors 7a1 bildet ein dielektrischer Grundkörper 30 aus hochdichtem, d. h. zumindest 99,5%ig porenfreiem Al₂O₃, welches eine Reinheit von mindestens 99,5% aufweist. Der keramische Grundkörper 30 verleiht dem Reflektor 7a1 seine mechanische Stabilität. Er ist plattenförmig ausgebildet und weist eine Plattendicke von 12 mm auf. Die horizontale Ausdehnung des Reflektors 7a1 in 3 entspricht der Ausdehnung, die der Reflektor 7a1 in den 1 und 2 in der Bildtiefe aufweist. Aus 3 ist weiterhin ersichtlich, dass ein Kontaktelement 20 gemäß 2 aus zwei einzelnen Bestandteilen besteht, einem Kontaktstift 31 aus Platin und einer Kontaktbuchse 32. Jeder Grundkörper 30 ist mit zwei Kontaktstiften 31 versehen, die sich jeweils durch die gesamte Plattendicke des Grundkörpers 30 erstrecken, wie der linken Hälfte des Grundkörpers 30 in 3 zu entnehmen ist, die dort in einer Schnittdarstellung abgebildet ist. Die Kontaktstifte 31 wurden bereits vor dem Sintern des Grundkörpers 30 in dessen Material eingebracht und zwar derart, dass sich ein Kontaktstift 31 zum einen vollständig durch die gesamte Plattendicke des Grundkörpers 30 erstreckt und auf der Rückseite des Grundkörpers noch so weit herausragt, dass auf dem hinausragenden Ende des Kontaktstiftes 31 noch eine Kontaktbuchse 32 aufgesteckt werden kann. Alternativ kann eine Kontaktbuchse 32 auch auf einen Kontaktstift 31 geklemmt, geschraubt oder in einer anderen bekannten Weise daran befestigt werden.
Beim Sintern des Grundkörpers 30 werden die in das Rohmaterial des Grundkörpers hineingesteckten Kontaktstifte 31 fest in das Material des Grundkörpers eingefügt und es entsteht dabei eine gasdichte Verbindung an den Fügestellen zwischen Kontaktstift und Grundkörper. Nach dem Sintern wird die Vorderseite des Grundkörpers 30 glatt geschliffen, so dass die Enden aller Kontaktstifte 31 mit der Vorderseite des Grundkörpers 30 eine ebene Fläche bilden.
Nachdem die Vorderseite des Grundkörpers glatt geschliffen ist, werden darauf in Oberflächenbereichen A und B zwei identische Schichtstapel aufgetragen, wobei die beiden Schichtstapel jedoch elektrisch isoliert voneinander ausgebildet sind. Diese Anforderung kann umgesetzt werden, indem beispielsweise eine oder mehrere Schichten vollflächig auf der Vorderseite aufgetragen werden, wobei anschließend, beispielsweise mit einem Ätzverfahren, eine Trennung zwischen den beiden Schichtbereichen durchgeführt wird. Alternativ können die elektrisch voneinander isolierten Schichtbereiche auch gleich separat mittels einer Maske auf der Vorderseite des Grundkörpers aufgetragen werden.
Wie bereits oben beschrieben wurde, gehört zu einem erfindungsgemäßen Reflektor neben einem dielektrischen Grundkörper mit eingebettetem Kontaktstift auch eine elektrisch leitfähige Schicht. Im Ausführungsbeispiel besteht die elektrisch leitfähige Schicht 39 aus mehreren übereinander abgeschiedenen Teilschichten. Die Deckschicht des Schichtstapels, welche als eigentliche Reflexionsschicht fungiert, soll im Ausführungsbeispiel als Goldschicht ausgebildet werden. Weil eine Goldschicht auf einem Keramikkörper aus Al₂O₃ keine sehr gute Haftung aufweist, wird auf der glatt geschliffenen Vorderseite des Grundkörpers 30 zunächst eine 100 nm dicke elektrisch leitfähige Haftschicht 33 aus Chrom mittels eines Vakuumbeschichtungsverfahrens abgeschieden. Chrompartikel aus der Haftschicht 33 können jedoch in und durch eine angrenzende Goldschicht diffundieren und an deren Oberfläche oxidieren, was negative Auswirkungen bei Anwendungen im Medizin- und Pharmabereich haben kann. Deshalb wird auf die Haftschicht 33 erst noch eine 200 nm dicke elektrisch leitfähige Diffusionsbarriere-Schicht 34 aus Titan und anschließend eine 500 nm dicke elektrisch leitfähige Diffusionsbarriere-Schicht 35 aus Platin ebenfalls mittels Vakuumbeschichtungsverfahren abgeschieden. Wegen der besseren Haftung wird anschließend abermals mittels eines Vakuumbeschichtungsverfahrens auf der Platin-Schicht 35 eine 1000 nm dicke Gold-Schicht 36 aufgetragen, die abschließend mit einer mindestens 22 μm dicken Gold-Schicht 37 galvanisch verstärkt wird, weil sich mittels galvanischer Abscheideverfahren schnellere Schichtdickenzuwächse mit geschlossener Oberflächenstruktur realisieren lassen. Die elektrisch leitfähige Schicht 39, die sich bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einem dielektrischen Grundkörper befindet, umfasst somit im Ausführungsbeispiel die Teilschichten 33, 34, 35, 36 und 37, wobei die Teilschichten 36 und 37 aus Gold im Verbund als eigentliche Reflexionsschicht fungieren.
Ein Anteil der Elektronen des Elektronenstrahls 38, der im Bereich A oder B auf die Goldschicht (bestehend aus den Teilschichten 37 und 36) auftrifft, werden teilweise an bzw. innerhalb der Goldschicht reflektiert. Ein Anteil der nichtreflektierten Elektronen bewirkt einen Stromfluss von der Goldschicht durch die ebenfalls elektrisch leitfähigen Schichten 35, 34 und 33 hin zum zugehörigen Kontaktstift 31. Dieser elektrische Strom fließt weiterhin über die Kontaktbuchse 32 und durch die daran angeschlossene elektrische Leitung 21 hin zur nicht dargestellten Messeinrichtung, in welcher Werte für den fließenden elektrischen Strom erfasst werden.
Die auf die Goldschicht auftreffenden Elektronen des Elektronenstrahls 38 können aufgrund ihrer kinetischen Energie bis zu einer maximalen Tiefe z in die Goldschicht eindringen. Im Ausführungsbeispiel, bei welchem es darauf ankommt, Strahlelektronen auf die Oberfläche eines Objektes zu reflektieren, wurde die Dicke der Goldschicht (bestehend aus den Teilschichten 37 und 36) derart dimensioniert, dass diese größer ist als die maximale Eindringtiefe z. Daraus resultiert, dass ein großer Anteil an Strahlelektronen aus der Goldschicht reflektiert wird.
Wäre die Dicke der Goldschicht geringer als die Eindringtiefe z ausgebildet, würde ein Anteil der Strahlelektronen in die unter der Goldschicht liegenden leitfähigen Schichten 35, 34 und 33 bis zum dielektrischen Grundkörper 30 gelangen. Die kinetische Energie dieses Elektronenanteils würde dann nicht mehr für eine Reflexion ausreichen, so dass dieser Elektronenanteil über die elektrisch leitfähige Schicht 33 hin zum zugehörigen Kontaktstift 31, über die Kontaktbuchse 32 und durch die daran angeschlossene elektrische Leitung 21 hin zur nicht dargestellten Messeinrichtung abfließt, in welcher Werte für den fließenden elektrischen Strom erfasst werden. Bei dieser Ausführungsform wäre der Anteil reflektierter Elektronen daher geringer als bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform, bei der die Dicke der Goldschicht größer ist als die Eindringtiefe z.
In 4 ist ein alternativer Aufbau des Reflektors 7a1 schematisch dargestellt. Auch diese Ausführungsvariante umfasst einen dielektrischen Grundkörper 30 aus Aluminiumoxid mit eingebetteten Kontaktstiften 31, den daran angesteckten Kontaktbuchsen 32 mit zugehöriger elektrischer Leitung 21 die zu einer nicht dargestellten Messeinrichtung führt. Vor dem Sintern des Grundkörpers 30 wurde dieser in den Bereichen A und B mit einer goldhaltigen Paste, bestehend aus Goldpartikeln und einem sinterfähigen Bindemittel bestrichen. Während des Sintervorgangs werden die in der Paste enthaltenen Goldpartikel fest in die Oberfläche des Grundkörpers 30 eingefügt bzw. fest auf der Oberfläche des Grundkörpers 30 mithilfe des Bindemittels gebunden und bilden somit eine goldhaltige Schicht 43 aus, auf der in einem nachfolgenden Verfahrensschritt eine mindestens 22 μm dicke Goldschicht galvanisch abgeschieden wird, die dann eine hohe Haftfestigkeit auf dem Grundkörper besitzt. Vor dem Auftragen der galvanisch abzuscheidenden Goldschicht kann die Oberfläche des Grundkörpers auf dessen Vorderseite, so wie zur 3 beschrieben, glatt geschliffen werden, damit die eventuell aus dem Grundkörper herausragenden Kontaktstifte auf die Höhe der ebenen Fläche des Grundkörpers verkürzt werden. Hierbei ist aber darauf zu achten, dass trotz möglichst maximaler Rauhigkeitsminimierung der Oberfläche durch das Schleifen die auf der Oberfläche des Grundkörpers während des Sinterns eingebrannten Goldpartikel nicht wieder entfernt werden, weil ansonsten die Haftung der nachfolgend galvanisch abgeschiedenen Goldschicht negativ beeinträchtigt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19816246 C1 [0005]
WO 2007/107331 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung, mittels der von einer Elektronenquelle abgegebene beschleunigte Elektronen auf einen Oberflächenbereich eines Objektes (2) reflektierbar sind, umfassend mindestens einen dielektrischen Grundkörper (30), auf welchem zumindest in einem Oberflächenbereich (A; B) mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht (39) aufgetragen ist, wobei sich von der elektrisch leitfähigen Schicht (39) mindestens ein elektrisch leitfähiges Kontaktierungselement (31) durch den dielektrischen Grundkörper (30) hindurch erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Grundkörper (30) aus einer Keramik oder aus Glas besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik Aluminiumoxid oder Zirkonoxid ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (39) zumindest an deren Oberfläche aus einem Material besteht, welches mindestens eines der Elemente Gold, Tantal, Molybdän, Wolfram aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht als mindestens 5 μm dicke Goldschicht ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (39) auf der Oberfläche des dielektrischen Grundkörpers (3) in mehrere Schichtbereiche (A; B) unterteilt ist, welche voneinander elektrisch isoliert ausgebildet sind und wobei jedem Schichtbereich (A; B) mindestens ein Kontaktierungselement (31) zugeordnet ist, welches sich vom jeweiligen Schichtbereich (A; B) der elektrisch leitfähigen Schicht (39) durch den dielektrischen Grundkörper (30) hindurch erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (39) aus mindestens zwei übereinander abgeschiedenen Teilschichten (33; 34; 35; 36; 37) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilschicht (33) als Haftvermittlungsschicht ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Chrom, Mangan, Eisen oder Cobald aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilschicht (34; 35) als Barriereschicht ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Platin, Titan, Tantal oder Gold aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierungselement (31) als Kontaktstift ausgebildet ist, dessen Material mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Gold, Platin, Titan, Molybdän, Eisen, Chrom oder Tantal aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestelle zwischen dielektrischem Grundkörper (30) und Kontaktstift (31) gasdicht ausgebildet ist.