DE102012013593A1

DE102012013593A1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls

Info

Publication number: DE102012013593A1
Application number: DE201210013593
Authority: DE
Inventors: Vitalij Lissotschenko
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Lilas De GmbH
Priority date: 2012-07-07
Filing date: 2012-07-07
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2032-07-08
Also published as: DE102012013593B4

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (4), umfassend eine Glühkathode (1), eine Kathodenelektrode (2), eine Anodenelektrode (3) mit einer Öffnung (6), durch die ein von der Vorrichtung erzeugter Elektronenstrahl (4) hindurchtreten kann, wobei im Betrieb der Vorrichtung zwischen der Kathodenelektrode (2) und der Anodenelektrode (3) eine Spannung zur Beschleunigung der aus der Glühkathode (1) austretenden Elektronen anliegt, sowie Ablenkmittel, die den durch die Öffnung der Anodenelektrode (3) hindurch getretenen Elektronenstrahl (4) ablenken können, wobei die Ablenkmittel eine Ablenkelektrode (8, 12) umfassen, an der der Elektronenstrahl (4) reflektiert werden kann und/oder die eine zu der Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls (4) geneigte Ablenkfläche (9) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Vorrichtungen sind hinlänglich bekannt und können beispielsweise als Pierce-Elektronenkanone ausgebildet sein. Als Ablenkmittel dienen in der Regel zwei in Querrichtung des Strahls einander gegenüberliegende Elektroden, die eine elektrostatische Ablenkung des Elektronenstrahls bewirken können. Als nachteilig hierbei erweist es sich, dass die maximal erreichbaren Ablenkwinkel bei einer derartigen elektrostatischen Ablenkung im Bereich von etwa 7° liegen. Größere Ablenkwinkel wären wünschenswert, weil dadurch der Aufbau einer entsprechenden Vorrichtung verkleinert werden kann.
Weiterhin ist es wünschenswert, das Strahlprofil des Elektronenstrahls mit einfachen Mitteln formen zu können.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die größere Ablenkwinkel ermöglicht und/oder bei der das Strahlprofil des Elektronenstrahls mit einfachen Mitteln geformt werden kann.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder des Anspruchs 10 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Ablenkmittel eine Ablenkelektrode umfassen, an der der Elektronenstrahl reflektiert werden kann und/oder die eine zu der Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls geneigte Ablenkfläche aufweist. Aufgrund der Reflexion an der Ablenkelektrode, die einer Reflexion an einem Spiegel entspricht, sind sehr große Ablenkwinkel, beispielsweise zwischen 0° und 180° möglich.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Normale auf der Ablenkfläche der Ablenkelektrode mit der Verbindungslinie zwischen der Glühkathode und der Öffnung in der Anodenelektrode einen Winkel zwischen 0° und 90° einschließt, vorzugsweise einen Winkel zwischen 20° und 70°, insbesondere einen Winkel zwischen 30° und 60°, beispielsweise einen Winkel von 45°. Bei einem Winkel von 45° ergäbe sich ein Ablenkwinkel von 90°.
Vorzugsweise ist die Ablenkelektrode auf dem gleichen Potential wie die Kathodenelektrode, insbesondere an die gleiche Spannungsquelle wie die Kathodenelektrode angeschlossen ist. Durch das Anschließen an die gleiche Spannungsquelle kann gewährleistet werden, dass die Elektronen von der Ablenkelektrode weitestgehend vollständig abgebremst werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine weitere Elektrode umfasst, die gegenüber der Ablenkelektrode ein positives Potenzial aufweist und die Elektronen nach der Wechselwirkung mit der Ablenkelektrode beschleunigen kann. Auf diese Weise können die abgebremsten Elektroden in Richtung auf die zusätzliche Elektrode beschleunigt werden. Diese zusätzliche Elektrode sollte daher so positioniert werden, dass die Beschleunigung unter dem gewünschten Ablenkwinkel erfolgt.
Gemäß Anspruch 10 ist vorgesehen, dass die Ablenkmittel zwei einander gegenüberliegende Elektroden umfassen, zwischen denen eine Wechselspannung angelegt wird, durch die der Elektronenstrahl derart abgelenkt werden kann, dass dadurch das Strahlprofil des Elektronenstrahls gezielt gestaltet werden kann. Die Wechselspannung kann eine Frequenz größer als 10 kHz, vorzugsweise zwischen 25 kHz und 75 kHz, insbesondere zwischen 40 kHz und 60 kHz, beispielsweise eine Frequenz von 50 kHz aufweisen.
Die zwei einander gegenüberliegende Elektroden können aufgrund der vergleichsweise hohen Frequenz der Wechselspannung den Elektronenstrahl mit großer Geschwindigkeit auf einem zu bearbeitenden Werkstück hin und her bewegen. Insbesondere kann dabei die Wechselspannung gezielt beeinflusst werden, um einige Bereiche der Oberfläche des Werkstücks länger mit dem Elektronenstrahl zu beaufschlagen als andere Bereiche. Insbesondere wenn an dem Werkstück durch den Elektronenstrahl Veränderungen bewirkt werden sollen, die durch die von dem Elektronenstrahl übertragene Wärmeenergie verursacht werden, entspricht das wirksame Strahlprofil des Elektronenstrahls auf dem Werkstück einer gemittelten Intensitätsverteilung des mit großer Geschwindigkeit auf dem Werkstück hin und her bewegten Elektronenstrahls. Dies insbesondere deshalb, weil Wärmeprozesse in der Regel langsamer als die Bewegung des Elektronenstrahls auf dem Werkstück ablaufen. Es besteht also die Möglichkeit, mittels der beiden Elektroden und der Ansteuerwechselspannung gezielt ein wirksames Strahlprofil des Elektronenstrahls auszuwählen oder zu gestalten.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine schematische Darstellung, bei der die Intensität I in einer Arbeitsebene eines Elektronenstrahls zu verschiedenen Zeitintervallen t₁ bis t_N gegen eine Ortskoordinate X aufgetragen ist;
3 eine 2 entsprechende schematische Darstellung, die die zeitliche Mittelung der Intensität des Elektronenstrahls wiedergibt.
In den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile oder Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der beschriebenen Vorrichtung können einige oder insbesondere sämtliche Teile in einem Vakuum angeordnet sein. Das dazu erforderliche Gehäuse ist nicht abgebildet.
Die in 1 abgebildete Vorrichtung umfasst eine Glühkathode 1, eine Kathodenelektrode 2 und eine Anodenelektrode 3. Hinsichtlich dieser Teile entspricht die Vorrichtung im Wesentlichen einer Elektronenkanone vom Pierce-Typ. Sie kann einen Elektronenstrahl 4 erzeugen.
Die Glühkathode 1 ist als Draht ausgebildet und erstreckt sich in die Zeichenebene der 1 hinein beziehungsweise in einer Längsrichtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 4 angeordnet ist. Durch diese Gestaltung wird ein linienförmiger Querschnitt des Elektronenstrahls 4 erzielt, wobei die Längsrichtung des linienförmigen Querschnitts parallel zur Längsrichtung des die Glühkathode 1 bildenden Drahtes ausgerichtet ist.
Die Glühkathode 1 wird von nicht abgebildeten Spannungsmitteln derart mit einer Spannung beaufschlagt, dass ein Strom durch die Glühkathode 1 fließt, der zu einer Erwärmung der Glühkathode 1 führt. Dabei kann die Glühkathode 1 zumindest teilweise auf dem gleichen Potential wie die Kathodenelektrode 2 liegen.
Die Kathodenelektrode umfasst Teile 5, die sich von der Glühkathode 1 weg erstrecken und einen Winkel α zwischen 70° und 110°, beispielsweise einen Winkel α von etwa 90° miteinander einschließen. Die beiden Teile 5 erstrecken sich in die Zeichenebene der 1 hinein, insbesondere ohne Veränderung ihres Querschnitts.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Kathodenelektrode 2 beziehungsweise die Teile 5 der Kathodenelektrode 2 in der Längsrichtung des die Glühkathode 1 bildenden Drahtes eine Strukturierung aufweisen, die eine Modulation des Elektronenstrahls 4 in Längsrichtung des linienförmigen Querschnitts bewirken kann.
Die Anodenelektrode 3 weist eine Öffnung 6 auf, durch die der von der Glühkathode 1 ausgehende Elektronenstrahl 4 hindurchtreten kann. Die Öffnung 6 ist insbesondere rechteckig und kann in ihrer Längsrichtung, die sich in die Zeichenebene der 1 hinein erstreckt, eine wesentlich größere Abmessung aufweisen als in ihrer Querrichtung, um den linienförmigen Elektronenstrahl passieren zu lassen.
Im Betrieb der Vorrichtung liegt zwischen der Kathodenelektrode 2 und der Anodenelektrode 3 eine von einer in 1 schematisch angedeuteten Spannungsquelle 7 erzeugte Spannung zur Beschleunigung der aus der Glühkathode 1 austretenden Elektronen an. Die Spannung kann beispielsweise zwischen 1 kV und 10 kV betragen. Dabei ist die Kathodenelektrode 2 mit dem Minuspol und die Anodenelektrode 3 mit dem Pluspol der Spannungsquelle 7 verbunden, wobei insbesondere die Anodenelektrode 3 zusätzlich mit Masse verbunden ist.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine als Ablenkmittel dienende Ablenkelektrode 8, die im Strahlengang des Elektronenstrahls 4 hinter der Anodenelektrode 3 angeordnet ist. Die dem Elektronenstrahl 4 zugewandte Seite der Ablenkelektrode 8 dient dabei als Ablenkfläche 9. Diese Ablenkfläche 9 schließt mit der Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 4 einen Winkel β ein, der im abgebildeten Ausführungsbeispiel etwa gleich 45° ist. Dadurch beträgt auch der Einfallswinkel γ zwischen dem Einfallslot und dem Elektronenstrahl 45°.
Die Ablenkelektrode 8 befindet sich ebenfalls auf einem negativen Potenzial, insbesondere auf dem gleichen negativen Potenzial wie die Kathodenelektrode 2. Vorzugsweise ist sie mit dem negativen Pol der gleichen Spannungsquelle 7 verbunden wie die Kathodenelektrode 2. Dadurch kann erreicht werden, dass die Elektronen des Elektronenstrahls an der Ablenkelektrode 8 zum Stillstand gelangen.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin in Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 4 hinter der Ablenkelektrode 8 eine weitere Elektrode 10, die eine Öffnung 11 für den Hindurchtritt des Elektronenstrahls 4 aufweist, die der Öffnung 6 entspricht. Die weitere Elektrode 10 ist mit Masse verbunden und weist daher gegenüber der Ablenkelektrode 8 ein positives Potenzial auf. Daher werden die an der Ablenkelektrode abgebremsten Elektronen des Elektronenstrahls 4 von der weiteren Elektrode 10 in Richtung auf die weitere Elektrode 10 beschleunigt und treten durch die Öffnung 11 hindurch.
Aufgrund der Ausrichtung der Ablenkfläche 9 der Ablenkelektrode 8 unter einem Winkel von 45° ist die weitere Elektrode 10 zu der Ablenkelektrode 8 ebenfalls unter einem Winkel von 45° ausgerichtet. Insgesamt ist damit die weitere Elektrode 10 senkrecht zur Anodenelektrode 3 ausgerichtet. Der Elektronenstrahl 4 wird somit an der Ablenkfläche 9 um einen Winkel von 90° abgelenkt. Insbesondere wirkt die Ablenkelektrode 8 zusammen mit der weiteren Elektrode 10 wie ein Spiegel für den Elektronenstrahl 4, wobei wie bei einer Reflexion an einem Spiegel der Einfallswinkel γ gleich dem Ausfallswinkel δ ist.
Die Ablenkfläche 9 der Ablenkelektrode 8 kann unter anderen Winkeln als dem abgebildeten 45°-Winkel zum Elektronenstrahl 4 ausgerichtet sein. Dann muss entsprechend die weitere Elektrode 10 anders ausgerichtet und positioniert werden, so dass der Einfallswinkel γ dem Ausfallswinkel δ entspricht.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Ablenkelektrode 8 schwenkbar zu gestalten, so dass während des Betriebs eine andere Ablenkrichtung gewählt werden kann. Beispielsweise können dazu Schrittmotoren oder Piezoelemente verwendet werden. Entsprechend zur Verschwenkung der Ablenkelektrode 8 müsste dann auch die weitere Elektrode 10 verschwenkt und verschoben werden.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Ablenkfläche 9 der Ablenkelektrode 8 gekrümmt, insbesondere konkav gekrümmt ist, um den Elektronenstrahl 4 zu fokussieren.
In 1 ist hinter der weiteren Elektrode 10 beispielhaft eine weitere Ablenkelektrode 12 angeordnet, hinter der eine zusätzliche weitere Elektrode 13 mit einer Öffnung 14 vorgesehen ist. Durch die weitere Ablenkelektrode 12 und die zusätzliche weitere Elektrode 13 wird der Elektronenstrahl 4 noch einmal um 90° abgelenkt. Auf die weitere Ablenkelektrode 12 und die zusätzliche weitere Elektrode 13 kann auch verzichtet werden. Andererseits können auch mehr als zwei Ablenkeinheiten aus einer Ablenkelektrode und einer weiteren Elektrode vorgesehen werden.
Wenn die Kathodenelektrode 2 beziehungsweise die Teile 5 der Kathodenelektrode 2 in der Längsrichtung des die Glühkathode 1 bildenden Drahtes eine Strukturierung aufweisen, um eine Modulation des Elektronenstrahls 4 in Längsrichtung des linienförmigen Querschnitts zu bewirken, kann vorgesehen werden, dass dann auch die Anodenelektrode 3 und/oder die Ablenkelektrode 8, 12 und/oder die weitere Elektrode 10, 13 eine entsprechende Strukturierung in der Längsrichtung des die Glühkathode 1 bildenden Drahtes aufweisen.
Optional sind hinter den beiden zusätzlichen Elektroden 12, 13 zwei als Plattenkondensator wirkende Elektroden 15, 16 vorgesehen, an die eine Wechselspannung angelegt ist. Die entsprechende Spannungsquelle ist nicht abgebildet. Die Wechselspannung kann beispielsweise eine Frequenz größer als 10 kHz, vorzugsweise zwischen 25 kHz und 75 kHz, insbesondere zwischen 40 kHz und 60 kHz, beispielsweise eine Frequenz von 50 kHz aufweisen. Die beiden zusätzlichen Elektroden 12, 13 können auch weggelassen werden. Sie dienen lediglich der Formung des Strahlprofils des Elektronenstrahls 4 wie im Nachfolgenden noch näher erläutert wird. Wenn eine Strahlformung nicht gewünscht ist, können die beiden zusätzlichen Elektroden 12, 13 entfallen.
Die zwei als Plattenkondensator wirkenden Elektroden 15, 16 können aufgrund der vergleichsweise hohen Frequenz der Wechselspannung den Elektronenstrahl 4 mit großer Geschwindigkeit auf einem zu bearbeitenden Werkstück (nicht abgebildet) hin und her bewegen. Insbesondere kann dabei die Wechselspannung gezielt beeinflusst werden, um einige Bereiche der Oberfläche des Werkstücks länger mit dem Elektronenstrahl 4 zu beaufschlagen als andere Bereiche.
2 zeigt beispielhaft einen schmalen Elektronenstrahl, der in einer Ortskoordinate X auf einem Werkstück bewegt wird, die beispielsweise der Richtung senkrecht zur Längserstreckung des Querschnitts der Elektronenstrahllinie entspricht. Dabei ist in 2 nach oben die Intensität des Elektronenstrahls 4 aufgetragen. Insbesondere sind den einzelnen Intensitätsverteilungen Zeitintervalle t₁ bis t_N zugeordnet, in denen der Elektronenstrahl 4 auf den Bereich mit der entsprechenden Ortskoordinate X auftrifft.
3 zeigt eine 2 entsprechende schematische Darstellung, die die zeitliche Mittelung der Intensität des Elektronenstrahls wiedergibt. Insbesondere wenn an dem Werkstück durch den Elektronenstrahl 4 Veränderungen bewirkt werden sollen, die durch die von dem Elektronenstrahl übertragene Wärmeenergie verursacht werden, entspricht die in 3 abgebildete beispielhafte gemittelte Intensitätsverteilung 17 dem wirksamen Strahlprofil des Elektronenstrahls 4 auf dem Werkstück. Dies insbesondere deshalb, weil Wärmeprozesse in der Regel langsamer als die Bewegung des Elektronenstrahls 4 auf dem Werkstück ablaufen.
Es besteht also die Möglichkeit, mittels der beiden als Plattenkondensator wirkenden Elektroden 15, 16 und der Ansteuerwechselspannung gezielt ein wirksames Strahlprofil des Elektronenstrahls 4 auszuwählen oder zu gestalten. 3 zeigt nur ein beliebiges Beispiel. Andere Strahlprofilformen sind möglich.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (4), umfassend – eine Glühkathode (1), – eine Kathodenelektrode (2), – eine Anodenelektrode (3) mit einer Öffnung (6), durch die ein von der Vorrichtung erzeugter Elektronenstrahl (4) hindurchtreten kann, wobei im Betrieb der Vorrichtung zwischen der Kathodenelektrode (2) und der Anodenelektrode (3) eine Spannung zur Beschleunigung der aus der Glühkathode (1) austretenden Elektronen anliegt, – Ablenkmittel, die den durch die Öffnung der Anodenelektrode (3) hindurch getretenen Elektronenstrahl (4) ablenken können, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel eine Ablenkelektrode (8, 12) umfassen, an der der Elektronenstrahl (4) reflektiert werden kann und/oder die eine zu der Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls (4) geneigte Ablenkfläche (9) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Normale auf der Ablenkfläche (9) der Ablenkelektrode (8, 12) mit der Verbindungslinie zwischen der Glühkathode (1) und der Öffnung (6) in der Anodenelektrode (3) einen Winkel (β) zwischen 0° und 90° einschließt, vorzugsweise einen Winkel (β) zwischen 20° und 70°, insbesondere einen Winkel (β) zwischen 30° und 60°, beispielsweise einen Winkel (β) von 45°.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelektrode (8, 12) auf dem gleichen Potential wie die Kathodenelektrode (2) ist, insbesondere an die gleiche Spannungsquelle (7) wie die Kathodenelektrode (2) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine weitere Elektrode (10, 13) umfasst, die gegenüber der Ablenkelektrode (8, 12) ein positives Potenzial aufweist und die Elektronen nach der Wechselwirkung mit der Ablenkelektrode (8, 12) beschleunigen kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkfläche (9) der Ablenkelektrode (8, 12) gekrümmt ist, insbesondere konkav gekrümmt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühkathode (1) als Draht ausgebildet ist und sich in einer Längsrichtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls (4) angeordnet ist, erstreckt, um einen linienförmigen Querschnitt des Elektronenstrahls (4) zu erzielen, wobei die Längsrichtung des linienförmigen Querschnitts parallel zur Längsrichtung des die Glühkathode (1) bildenden Drahtes ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenelektrode (2) und/oder die Anodenelektrode (3) und/oder die Ablenkelektrode (8, 12) und/oder die weitere Elektrode (10, 13) sich in der Längsrichtung des die Glühkathode (1) bildenden Drahtes ohne Querschnittsveränderung erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenelektrode (2) und/oder die Anodenelektrode (3) und/oder die Ablenkelektrode (8, 12) und/oder die weitere Elektrode (10, 13) sich in der Längsrichtung des die Glühkathode (1) bildenden Drahtes Strukturierung aufweisen, die eine Modulation des Elektronenstrahls (4) in Längsrichtung des linienförmigen Querschnitts bewirken kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkfläche (9) der Ablenkelektrode (8, 12) bewegbar, insbesondere verkippbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau und/oder die Ansteuerung der Glühkathode (1), der Kathodenelektrode (2) und der Anodenelektrode (3) dem Aufbau und/oder der Ansteuerung einer Pierce-Elektronenkanone entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel zwei einander gegenüberliegende Elektroden (15, 16) umfassen, zwischen denen eine Wechselspannung angelegt wird, durch die der Elektronenstrahl (4) derart abgelenkt werden kann, dass dadurch das Strahlprofil des Elektronenstrahls (4) gezielt gestaltet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung eine Frequenz größer als 10 kHz, vorzugsweise zwischen 25 kHz und 75 kHz, insbesondere zwischen 40 kHz und 60 kHz, beispielsweise eine Frequenz von 50 kHz aufweist.