DE102016120416A1

DE102016120416A1 - Elektronenstrahlquelle, Elektronenkanone und Prozessieranordnung

Info

Publication number: DE102016120416A1
Application number: DE102016120416.1A
Authority: DE
Inventors: Ekkehart Reinhold; Carsten Deus; Thomas Niederhausen
Original assignee: Von Ardenne GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2015-11-10
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2017-05-11

Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) Folgendes aufweisen: eine Kathode (102s) und eine Anode (104, 604), welche eine Strahlachse (111) definieren, zum Erzeugen eines Elektronenstrahls entlang der Strahlachse (111); die Kathode (102s) aufweisend: einen Hohlraum, welcher sich entlang der Strahlachse (111) in die Kathode (102s) hinein oder durch diese hindurch erstreckt; eine Emissionsfläche (102f) zum Emittieren von Elektronen in den Hohlraum, wobei die Emissionsfläche (102f) den Hohlraum quer zur Strahlachse begrenzt; und einen Elektronenverdränger (102v), welcher sich entlang der Strahlachse (111) in den Hohlraum (613) hinein und/oder durch diesen hindurch erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlquelle, eine Elektronenkanone, und eine Prozessieranordnung.
Im Allgemeinen können Substrate (Werkstücke) prozessiert (behandelt), z.B. bearbeitet, erwärmt und/oder strukturell verändert werden, z.B. mittels Elektronenstrahlen. Dazu kann der Elektronenstrahl auf das jeweilige Substrat gelenkt werden, welche diesen absorbiert. Auf diese Weise kann thermische Energie auf das Substrat übertragen werden, so dass sich das Substrat erwärmt.
Alternativ können Elektronenstrahlen zum Beschichten von Substraten eingesetzt werden. Dabei wird mittels eines Elektronenstrahls thermische Energie auf ein zu verdampfendes Material (das sogenannte Verdampfungsgut) übertragen und dieses auf diese Weise in die Dampfphase (Gasphase) übergeführt. Der gebildete Materialdampf kann anschließend an dem Substrat abgeschieden werden, so dass dieser eine Schicht bildet.
Zum Erzeugen eines Elektronenstrahls können im Allgemeinen Elektronenstrahlquellen eingesetzt werden. Die zum Erzeugen eines Elektronenstrahls benötigten Elektronen werden mittels einer Kathode bereitgestellt, und mittels eines elektrischen Feldes beschleunigt, welches deren Flugbahnen zu einem Elektronenstrahl bündelt.
Zum Erwärmen ist es erforderlich ausreichend Energie auf das bestrahlte Material zu übertragen. Dazu kann ein Elektronenstrahl mit einer ausreichend großen Leistung bereitgestellt werden, beispielweise mit einem Elektronenstrahlstrom von mehreren Ampere (A) bei einer Beschleunigungsspannung von mehreren zehn Kilovolt (kV), wobei die Elektronenstrahlquelle eine Leistung von bis zu mehreren hunderten Kilowatt (kW) aufnehmen kann.
So genannte Transverse-Kanonen erzeugen einen Elektronenstrahl und lenken diesen auf eine gekrümmte nahezu kreisförmige Bahn von ungefähr 270° Krümmungswinkel in einen Tiegel hinein, wo Verdampfungsgut erhitzt und verdampft wird. Bei Transverse-Kanonen sind Strahlerzeugersystem, magnetische Strahlumlenkung und Tiegel in einer Baugruppe untergebracht. Bei ihnen ist eine vakuumtechnische Entkopplung zwischen Strahlerzeugung und thermischen Prozess nicht möglich. Herkömmlicherweise sind Transverse-Kanonen auf eine maximale Leistung des Elektronenstrahls von bis zu 10 kW begrenzt.
Alternativ werden so genannte Axialkanonen verwendet, welche nach dem Mehrkammerprinzip aufgebaut sind. Dabei wird der Elektronenstrahl in einer separaten Strahlerzeugungskammer, und somit entkoppelt von dem thermischen Prozess, erzeugt. Dazu werden herkömmlicherweise massive scheibenförmige Kathoden verwendet, welche indirekt von ihrer Rückseite her geheizt werden. Zum indirekten Heizen wird eine hinter der Kathode angeordnete Heizwendel mittels eines elektrischen Stroms erwärmt, so dass diese Heizwendel Elektronen emittiert, welche auf die Kathode gelenkt werden und diese aufheizen. Solche Anordnungen erfordern eine separate Stromversorgung der Heizwendel und eine Stoßstromversorgung für das gerichtete Elektronenbombardement der Katode mit den Elektronen von der Heizwendel. Sie sind daher kostenintensiv in der Anschaffung und Fertigung. Ferner benötigt die indirekte Heizung zusätzlichen Bauraum, was die Anordnungen vergrößert. Anschaulich lässt sich bei Erzeugung einer hohen Strahlqualität mit indirekt beheizten Massivkathoden lediglich der obere Teil des erreichbaren Leistungsbereichs abdecken, weshalb manche Anwendungen weder mit Transversekanonen noch mit Axialkanonen bei optimaler Strahlqualität realisierbar sind.
Alternativ können Kathoden als Draht ausgebildet (Kathodendraht) sein, der zu einer Spirale oder einer Wendel gewickelt ist (Spiralkathode). Dadurch kann eine vergrößerte Elektronen-Außenfläche bereitgestellt werden, welche mehr Elektronen zur Strahlformierung emittieren kann. Spiralkathoden können direkt mittels eines elektrischen Stroms erwärmt werden, so dass diese weniger Bauraum benötigen. Allerdings lässt sich mit Spiralkathoden nur der untere Teil des benötigten Leistungsbereichs abdecken, weshalb manche Anwendungen für Spiralkathoden unzugänglich sind.
Ebenso werden auch direkt beheizte Draht-Kathoden verwendet, zum Beispiel einfache Haarnadel-Kathoden, oder auch komplizierter geformte Kathoden, deren Form das Ziel hat, die Elektronen-Austrittsfläche zu vergrößern, allerdings häufig den Fertigungsaufwand erhöht. Diese Katoden haben im Gegensatz zu massiveren Kathoden eine geringere Lebensdauer hinsichtlich des Produkts aus Leistung und Betriebszeit, was deren Wirtschaftlichkeit im oberen Teil des Leistungsbereichs begrenzt.
Im Allgemeinen wird die Lebensdauer herkömmlicher Kathoden, direkt oder indirekt beheizt, aufgrund einer Bestrahlung der Kathode mit Ionen begrenzt, welche im Elektronenstrahlplasma gebildet und in dem elektrischen Feld der Kathode in deren Richtung beschleunigt werden. Anschaulich wird ein zur Kathode gerichteter lonenstrahl gebildet, welcher die Kathode nach und nach zerstäubt. Insbesondere sind davon die Elektronen-Austrittsflächen betroffen, welche aufrauen und abgetragen werden (bis zum Versagen der Katode) und dabei ihre Form sowie räumliche Emissionscharakteristik verändern.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird anschaulich ein Strahlerzeugungssystem (Elektronenstrahlquelle) bereitgestellt, welches einen vereinfachten Aufbau aufweist, der platzsparend und kostengünstig ist. Anschaulich weist dieses eine vereinfachte Geometrie auf, welche kostengünstig zu fertigen ist. Ferner kann durch deren Geometrie auf eine direkte Heizung der Kathode zurückgriffen werden, was den benötigten Bauraum verringert und somit Kosten spart. Beispielsweise kann eine separate Energieleitung für eine Heizvorrichtung eingespart werden. Optional ist die Kathode ebenso für eine indirekte Heizung geeignet, falls diese benötigt wird, so dass deren Flexibilität erhalten bleibt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird anschaulich eine Elektronenstrahlquelle bereitgestellt, welche eine erhöhte Lebensdauer aufweist. Anschaulich wird die Wechselwirkung der Kathode mit Ionen, die im Elektronenstrahlplasma gebildet werden, verringert. Somit kann die Zerstäubung der Kathode verringert werden, was deren Lebensdauer erhöht. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird optional ein Ionenabsorber bereitgestellt, welcher die Ionen auffängt nachdem diese den Bereich der Kathode passiert haben.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird anschaulich eine Elektronenstrahlquelle bereitgestellt, welche eine präzise und zeitstabile Strahlcharakteristik ermöglicht. Anschaulich werden die Elektronen-Emissionsflächen (Emissionsflächen) der Kathode derart angeordnet, dass diese vor einer Bestrahlung durch Ionen zumindest teilweise geschützt sind. Damit kann der Abtrag der Emissionsflächen durch Zerstäubung wesentlich verringert und die Lebensdauer erhöht werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Elektronenstrahlquelle bereitgestellt, welche in der Lage ist, sowohl den oberen Leistungsbereich als auch den unteren Leistungsbereich abzudecken. Beispielsweise kann die Elektronenstrahlquelle in einem Leistungsbereich zwischen ungefähr 5 kW und ungefähr 50 kW betrieben werden. Somit kann die Leistungslücke zwischen den Transverse-Kanonen und den Hochleistungs-Axialkanonen geschlossen werden, wodurch anschaulich mehr Anwendungen bedient werden können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wurde erkannt, dass der Verlauf der Elektronen-Trajektorien am Entstehungsort (z.B. in einem Hohlraum einer Hohlkathode) die Charakteristik des Elektronenstrahls, insbesondere die Stärke seiner Divergenz, beeinflusst. Anschaulich wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Elektronenstrahlquelle bereitgestellt, welche einen gut fokussierten Elektronenstrahl ermöglicht. Die Elektronenstrahlquelle kann beispielsweise ein direkt beheiztes rohr- bzw. ringförmiges Strahlerzeugungssystem (z.B. die Kathode) aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Kathode und eine Anode, welche eine Strahlachse definieren, zum Erzeugen eines Elektronenstrahls entlang der Strahlachse; die Kathode kann aufweisen: einen Hohlraum, welcher sich entlang der Strahlachse in die Kathode hinein oder durch diese hindurch erstreckt (d.h. diese durchdringt); eine Emissionsfläche (z.B. Primäremissionsfläche, z.B. Glühemissionsfläche) zum Emittieren von Elektronen in den Hohlraum hinein, wobei die Emissionsfläche den Hohlraum quer zur Strahlachse begrenzt; und einen Elektronenverdränger, welcher sich entlang der Strahlachse in den Hohlraum hinein und/oder durch diesen hindurch erstreckt. Der Elektronenverdränger kann sich beispielsweise nur zu einem Teil hinein, vollständig hinein oder durch den Hohlraum hindurch erstrecken.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner aufweisen: eine Lagervorrichtung, mittels welcher der Elektronenverdränger gelagert ist, wobei die Lagervorrichtung dem Elektronenverdränger einen Translationsgrad (z.B. entlang der Strahlachse) bereitstellt gemäß dem der Elektronenverdränger verschiebbar ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Strecke, gemäß welcher der Elektronenverdränger verschiebbar ist, größer sein als die Erstreckung des Hohlraums entlang der Strahlachse.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner aufweisen: eine Stellvorrichtung, mittels welcher eine Lage des Elektronenverdrängers relativ zu der Emissionsfläche stellbar ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger einen Stab, eine Nadel, ein Dorn und/oder ein Rohr aufweisen, welche entlang der Strahlachse längserstreckt sind.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche den Elektronenverdränger und/oder den Hohlraum zumindest teilweise (d.h. teilweise oder vollständig) umgeben.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner aufweisen: eine elektrische Abschirmung, welche die Kathode zum elektrischen Begrenzen der Emissionsfläche umgibt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner aufweisen: eine Kopplungsstruktur, welche den Elektronenverdränger und die Emissionsfläche elektrisch miteinander koppelt (z.B. elektrisch leitfähig miteinander koppelt, z.B. derart, dass dem Elektronenverdränger und der Emissionsfläche im Wesentlichen dasselbe elektrische Potential bereitgestellt ist).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kopplungsstruktur ferner den Elektronenverdränger und die Emissionsfläche thermisch voneinander entkoppeln und/oder dem Elektronenverdränger eine kleinere Betriebstemperatur und/oder größere Wärmeverlustleistung (beispielsweise entzogene Wärmeenergie pro Zeit) bereitstellen als der Emissionsfläche. Damit kann erreicht werden, dass der Elektronenverdränger kälter ist als die Emissionsfläche, z.B. der Elektronenverdränger eine Temperatur aufweisend, welche unterhalb der Emissionstemperatur (d.h. der Temperatur, welche zur Überwindung der Austrittarbeit benötigt wird) liegt. Anschaulich kann die Kopplungsstruktur dem Elektronenverdränger mehr Wärmeleistung entziehen als der Emissionsfläche.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger eine größere Austrittsarbeit aufweisen als die Emissionsfläche.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können der Elektronenverdränger und die Emissionsfläche mittels der Kopplungsstruktur thermisch derart voneinander entkoppelt sein, dass sich die aufgrund der Wärmebilanz (Differenz aus zugeführter und entzogener Wärmeenergie) am einstellende Temperatur (Betriebstemperatur) desselben eine geringe Elektronenemission des Elektronenverdrängers bewirkt (z.B. mit zu vernachlässigender Emissionsstromdichte), z.B. geringer als die Elektronenemission der Emissionsfläche.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner aufweisen: eine Strahlbündelungselektrode, welche zwischen der Emissionsfläche und der Anode angeordnet ist und entlang der Strahlachse von einer Durchgangsöffnung durchdrungen ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger ferner aufweisen: eine Opferstruktur zum Absorbieren von in dem Elektronenstrahl gebildeten Ionen, welche zumindest teilweise in Richtung der Anode freigelegt ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger die Opferstruktur oder eine Durchgangsöffnung entlang der Strahlachse, welche die Opferstruktur freilegt, aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner aufweisen: eine Heizvorrichtung, welche eingerichtet ist, der Emissionsfläche thermische Energie zuzuführen, zum Heizen der Emissionsfläche. Die Heizvorrichtung kann der Emissionsfläche mehr thermische Energie pro Flächeninhalt (der Emissionsfläche) zuführen als die Emissionsfläche dem Elektronenverdränger (d.h. bezogen auf dessen Oberfläche), z.B. kann die Wärmestromdichte zu der Emissionsfläche größer sein als die Wärmestromdichte zu dem Elektronenverdränger.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche entlang der Strahlachse eine Ausdehnung aufweisen; wobei der Elektronenverdränger entlang der Strahlachse um eine Strecke in den Hohlraum hinein erstreckt oder verschiebbar ist, welche größer ist als ungefähr die Hälfte der Ausdehnung, z.B. größer als ungefähr 75% der Ausdehnung, z.B. größer als die Ausdehnung.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich der Elektronenverdränger entlang der Strahlachse durch den Hohlraum hindurch erstrecken, z.B. aus diesem hervorstehend.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenkanone Folgendes aufweisen: die oder eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen, eine Vakuumkammer, in welcher die Elektronenstrahlquelle angeordnet ist und welche entlang der Strahlachse von einer Öffnung durchdrungen ist, so dass der Elektronenstrahl aus der Vakuumkammer durch die Öffnung hindurch austreten kann; und eine Ablenkanordnung zum Ablenken des aus der Vakuumkammer austretenden Elektronenstrahls gemäß einem oder mehreren Ablenkparametern.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung Folgendes aufweisen: eine Prozessierkammer, welche einen Prozessierbereich aufweist; und die oder eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen zum Bestrahlen des Prozessierbereichs mittels eines Elektronenstrahls.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Hohlraumkathode und eine Anode zum Erzeugen eines Elektronenstrahls; einen Elektronenverdränger, welcher innerhalb der Hohlraumkathode angeordnet ist und/oder in diese hinein verschiebbar gelagert ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren (z.B. zum Führen von Elektronen, z.B. zum Bilden eines Elektronenstrahls entlang einer Strahlachse) aufweisen: Emittieren von Elektronen in einen Hohlraum hinein aus einer Richtung, welche quer zur Strahlachse ist; und Verdrängen der Elektronen aus einem inneren Bereich des Hohlraums, durch welchen die Strahlachse hindurch verläuft.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren (z.B. zum Führen von Elektronen, z.B. zum Bilden eines Elektronenstrahls entlang einer Strahlachse) aufweisen: Emittieren von Elektronen aus einer ersten Richtung in einen Hohlraum hinein; Beschleunigen der Elektronen aus dem Hohlraum heraus in eine zweite Richtung, welche in einem Winkel (z.B. quer) zur ersten Richtung ist, so dass diese gekrümmte Trajektorien aufweisen; und Verdrängen der Trajektorien aus einem inneren Bereich (z.B. einem Kernbereich) des Hohlraums.
Der Kernbereich kann anschaulich im Zentrum des Hohlraums angeordnet sein, d.h. von seiner äußeren Begrenzung (z.B. der Emissionsfläche) einen im Wesentlichen radial gleichen Abstand aufweisen (z.B. konzentrisch liegend). Alternativ oder zusätzlich kann der Kernbereich zylinderförmig oder Kongruent zur Form des Hohlraums sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich die Strahlachse durch den Kernbereich hindurch erstrecken.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle eine Steuerung aufweisen, welche eingerichtet ist, die Lage des Elektronenverdrängers relativ zu der Emissionsfläche und/oder den Potentialunterschied zwischen der Emissionsfläche und dem Elektronenverdränger zu steuern und/oder zu regeln, z.B. auf Grundlage einer Benutzereingabe oder eines Messwerts. Der Messwert kann beispielsweise eine Charakteristik des Elektronenstrahls repräsentieren, z.B. dessen Leistung und/oder dessen Konvergenz.
Je kleiner im Betrieb der Elektronenstrahlquelle ein Potentialunterschied zwischen der Emissionsfläche und dem Elektronenverdränger ist, desto kleiner kann die Ausbeute an Elektronen im Elektronenstrahl sein und/oder desto kleiner kann die Divergenz des Elektronenstrahls sein (anschaulich kann dieser dann stärker gebündelt sein).
Je weiter sich der Elektronenverdränger in den Hohlraum hinein erstreckt, desto kleiner kann die Ausbeute an Elektronen im Elektronenstrahl sein und/oder desto kleiner kann die Divergenz des Elektronenstrahls sein (anschaulich kann dieser dann stärker gebündelt sein).
Das Bündeln des Elektronenstrahls mittels des Elektronenverdrängers kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Wirkung der Strahlbündelungselektrode überlagert sein oder werden oder alternativ zu dieser verwendet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Bilden eines Elektronenstrahls aufweisen: Führen von Elektronen entlang gekrümmter Trajektorien durch den Hohlraum hindurch aus einer ersten Richtung, welche quer zur Strahlachse ist, in eine zweite Richtung, welche entlang der Strahlachse ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der innere Bereich die Strahlachse umgeben und/oder mittig in dem Hohlraum angeordnet sein, z.B. entlang der Strahlachse erstreckt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein (z.B. nachgeführter) Elektronenverdränger in einer Hohlraumkathode verwendet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein (z.B. nachgeführter) Festkörper (z.B. ein Stab oder ein Rohr) in einer Hohlraumkathode (z.B. deren Hohlraum) verwendet werden zum zumindest teilweise (d.h. teilweise oder vollständig) Abschirmen der Strahlachse vor Elektronen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Kathode und eine Anode, welche eine Strahlachse definieren, zum Erzeugen eines Elektronenstrahls entlang der Strahlachse; die Kathode aufweisend: einen Hohlraum, welcher die Kathode entlang der Strahlachse durchdringt; eine Emissionsfläche (z.B. Primäremissionsfläche, z.B. Glühemissionsfläche) zum Emittieren von Elektronen in den Hohlraum, wobei die Emissionsfläche den Hohlraum quer zur Strahlachse (teilweise oder vollständig) begrenzt; und eine Stirnfläche, welche der Anode zugewandt ist; wobei die Emissionsfläche größer ist als die Stirnfläche.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Stirnfläche an die Emissionsfläche und/oder an den Hohlraum angrenzen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche zwischen der Stirnfläche und dem Hohlraum angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Stirnfläche zwischen der Emissionsfläche und der Anode angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Emissionsfläche und der Hohlraum in Richtung der Strahlachse gleich weit erstreckt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche zwischen der Stirnfläche und einer der Stirnfläche gegenüberliegenden Oberfläche der Kathode angeordnet sein, und sich beispielsweise von der Stirnfläche bis zu der der Stirnfläche gegenüberliegenden Oberfläche der Kathode erstrecken.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich die Stirnfläche mit einer ersten Richtungskomponente quer zu der Strahlachse erstrecken und mit einer zweiten Richtungskomponente entlang der Strahlachse erstrecken, wobei die erste Richtungskomponente größer ist als die zweite Richtungskomponente. Mit anderen Worten kann die Stirnfläche der Anode zugewandt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich die Emissionsfläche mit einer ersten Richtungskomponente quer zu der Strahlachse erstrecken und mit einer zweiten Richtungskomponente entlang der Strahlachse erstrecken, wobei die erste Richtungskomponente kleiner ist als die zweite Richtungskomponente. Mit anderen Worten kann die Emissionsfläche der Strahlachse zugewandt sein.
Anschaulich wurde erkannt, dass sich die Zerstäubung einer herkömmlichen Kathode, bei der hauptsächlich die der Anode zugewandte Oberfläche (Stirnfläche) Elektronen emittiert, nicht wirkungsvoll reduzieren lässt, ohne Einbußen in der Leistungsfähigkeit der Kathode hinnehmen zu müssen. Anders ausgedrückt, benötigt eine herkömmliche Kathode eine gewisse Größe der Stirnfläche, um die benötigte Menge an Elektronen zu emittieren. Im Gegensatz zur herkömmlichen Kathode, bei der die Stirnfläche zum Emittieren von Elektronen daher anschaulich möglichst groß gewählt wird, weist eine Kathode gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine möglichst kleine Stirnfläche auf. Dadurch wird die Oberfläche reduziert, auf welche die Ionen auftreffen können, so dass anschaulich möglichst wenig Kathodenmaterial abgetragen wird. In dem Bereich, in dem der Ionenstrom am stärksten ist, weist die Kathode einen Hohlraum auf, durch welchen die Ionen hindurch gelangen können, ohne mit der Oberfläche, welche den Hohlraum begrenzt, zu wechselwirken. Diese Oberfläche lässt sich gemäß verschiedenen Ausführungsformen als elektronenemittierende Oberfläche (Emissionsfläche) verwenden, so dass die reduzierte Elektronenemission der Stirnfläche ausgeglichen wird. Damit wird eine Emissionsfläche (z.B. Primäremissionsfläche, z.B. Glühemissionsfläche) mit hoher Lebensdauer bereitgestellt, welche anschaulich einen ausreichend großen Elektronenstrom zum Erreichen großer Leistungen bereitstellen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum, sich von einer ersten der Anode zugewandten Oberfläche der Kathode (Stirnfläche) zu einer zweiten der Anode abgewandten Oberfläche der Kathode erstrecken.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche zwei Emissionsflächenabschnitte aufweisen, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums angeordnet sind und jeweils eine Haupt-Emissionsrichtung definieren, mit welcher diese Elektronen in den Hohlraum emittieren, wobei die Haupt-Emissionsrichtungen der zwei Emissionsflächen einen Winkel zueinander und/oder zur Strahlachse aufweisen.
Die Haupt-Emissionsrichtung kann eine Richtung bezeichnen, entlang welcher sich die von der Emissionsfläche emittierten Elektronen im Mittel (d.h. der Schwerpunkt der Elektronen) im zeitlichen Verlauf in den Hohlraum hinein bewegen. Der Schwerpunkt der Elektronen (z.B. einer Vielzahl von Elektronen oder einer räumlichen Verteilung von Elektronen) kann als ein mit der Masse der Elektronen gewichtetes Mittel der Positionen der Elektronen beschreiben. Im Hohlraum können die Elektronen dann durch ein elektrisches Potential zwischen Kathode und Anode abgelenkt und in Richtung der Anode geführt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Haupt-Emissionsrichtung im Wesentlichen senkrecht (z.B. mit einer Toleranz von weniger als ±5°, z.B. mit einer Toleranz von weniger als ±2°, z.B. mit einer Toleranz von weniger als ±1°) zu einem Flächenabschnitt der Emissionsfläche (Emissionsflächenabschnitt) verlaufen. Ist der Flächenabschnitt gekrümmt, kann die Haupt-Emissionsrichtung im Wesentlichen der über den gekrümmten Flächenabschnitt gemittelten Flächennormale (z.B. mit einer Toleranz von weniger als ±5°, z.B. mit einer Toleranz von weniger als ±2°, z.B. mit einer Toleranz von weniger als ±1°) entsprechen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Winkel (Haupt-Emissionswinkel) jeder der zwei Haupt-Emissionsrichtungen jeweils zur Strahlachse kleiner als oder gleich zu ungefähr 90° sein, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 85°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 80°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 75°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 70°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 65°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 60°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 55°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 50° und/oder z.B. größer als oder gleich zu ungefähr 20° sein, z.B. größer als oder gleich zu ungefähr 30°, z.B. größer als oder gleich zu ungefähr 40°, z.B. in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 45° bis ungefähr 90°, z.B. in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 60° bis ungefähr 90°, z.B. in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 60° bis ungefähr 80°.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Winkel (Richtung-Winkel) der zwei Haupt-Emissionsrichtungen zueinander der Summe der zwei Haupt-Emissionswinkel entsprechen, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 180° sein, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 170°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 160°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 150°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 140°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 130°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 120°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 110°, z.B. kleiner als oder gleich zu ungefähr 100° und/oder größer als oder gleich zu ungefähr 40° sein, z.B. größer als oder gleich zu ungefähr 60°, z.B. größer als oder gleich zu ungefähr 80°, z.B. in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 90° bis ungefähr 180°, z.B. in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 120° bis ungefähr 180°, z.B. in einem Bereich von ungefähr bis ungefähr 120° bis ungefähr 160°.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Querschnittsfläche des Hohlraums quer zur Strahlachse in Richtung der Anode hin zunehmend ausgebildet sein. Dann kann die Hauptemissionsrichtung eine Richtungskomponente zur Anode hin gerichtet aufweisen (der Haupt-Emissionswinkel kann dann kleiner als 90° sein und z.B. von der Anode weg gerichtet sein).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Querschnittsfläche des Hohlraums quer zur Strahlachse in Richtung der Anode hin gleichbleibend oder abnehmend ausgebildet sein. Bei abnehmender Querschnittsfläche kann die Hauptemissionsrichtung eine Richtungskomponente von der Anode weg gerichtet aufweisen (der Haupt-Emissionswinkel kann dann kleiner als 90° sein und z.B. zu der Anode hin gerichtet sein). Bei gleichbleibender Querschnittsfläche kann die Hauptemissionsrichtung quer zur Strahlachse verlaufen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche einen Emissionsbereich in dem Hohlraum definiert zum Versorgen des Elektronenstrahls mit Elektronen aus dem Emissionsbereich. Die Emissionsfläche kann zum Versorgen genau des in dem Hohlraum angeordneten Emissionsbereichs eingerichtet sein. Beispielsweise können im Wesentlichen keine Elektronen außerhalb des Hohlraums emittiert werden, welche zu Strahlbildung beitragen. Anschaulich kann die Kathode derart eingerichtet sein, dass die Elektronen, aus welchen der Elektronenstrahl gebildet wird, im Wesentlichen aus dem Hohlraum stammen. Somit lässt sich ein präziser Elektronenstrahl erzeugen. Tendiert die Kathode im Gesamten zur Emission von Elektronen, können außerhalb des Hohlraums ein oder mehrere Abschirmelemente angeordnet sein, welche die Emission von Elektronen außerhalb des Hohlraums reduzieren oder im Wesentlichen eliminieren. Beispielsweise können die einen oder mehreren Abschirmelemente auf einem Potential liegen, welches die Emission von Elektronen in Richtung der einen oder mehreren Abschirmelemente erschwert, oder bereits emittierte Elektronen zurück in Richtung Kathode drängt, so dass diese wieder von der Kathode aufgenommen werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche den Hohlraum zumindest teilweise umgeben. Beispielsweise kann die Emissionsfläche eine zusammenhängende Fläche sein, welche den Hohlraum umgibt. Alternativ kann die Kathode von einer Öffnungsstruktur durchdrungen sein, welche die Emissionsfläche unterbricht und/oder segmentiert. Jedes Segment kann beispielsweise zumindest einen Flächenabschnitt der Emissionsfläche aufweisen oder daraus gebildet sein. Ist die Emissionsfläche zusammenhängend (nicht segmentiert) ausgebildet, können zumindest zwei Flächenabschnitte der Emissionsfläche aneinandergrenzen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner eine elektrische Abschirmung (erstes Abschirmelement) aufweisen, welche die Kathodenanordnung zum elektrischen Begrenzen der Emissionsfläche umgibt. Anschaulich kann die elektrische Abschirmung derart eingerichtet sein, dass die aktive Fläche der Kathode, welche Elektronen emittiert (Emissionsfläche), an den Hohlraum angrenzt. Somit kann erreicht werden, dass Elektronen im Wesentlichen nur in den Hohlraum emittiert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner eine Strahlbündelungselektrode aufweisen, welche zwischen der Emissionsfläche und der Anode angeordnet ist und entlang der Strahlachse von einer Durchgangsöffnung durchdrungen ist.
Die Strahlbündelungselektrode kann ein Einengen (Einschnüren) des elektrischen Potentials (Potentialeinschnürung) zwischen der Kathode und der Anode im Betrieb der Elektronenstrahlquelle bewirken. Damit kann erreicht werden, dass aus dem Hohlraum in Richtung der Anode beschleunigte Elektronen zu einem Strahl gebündelt werden. Beispielsweise kann die Elektronenstrahlquelle eine Steuerung aufweisen, welche der Strahlbündelungselektrode ein elektrisches Potential derart bereitstellt, dass aus dem Hohlraum in Richtung der Anode beschleunigte Elektronen zu einem Strahl gebündelt werden.
Die Potenzialverhältnisse (z.B. die Potenzialeinschnürung) ermöglichen beispielsweise, dass die Durchgangsöffnung der Strahlbündelungselektrode (auch als Strahlbündelungskatode bezeichnet) eine größere Ausdehnung (quer zur Strahlachse, z.B. Durchmesser) als der Hohlraum der Katode aufweisen kann.
Die Strahlbündelungselektrode kann zwischen der Stirnfläche (der Kathode) und der Anode erstreckt sein.
Die Strahlbündelungselektrode kann optional ebenfalls zum elektrischen Begrenzen der Emissionsfläche eingerichtet sein, z.B. derart, dass die Stirnfläche im Wesentlichen keine Elektronen emittiert, wobei die Strahlbündelungselektrode auch als zweites Abschirmelement bezeichnet werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerung eingerichtet sein, dem einen oder den mehreren Abschirmelementen (z.B. der Strahlbündelungselektrode und/oder der Abschirmung) ein elektrisches Potential derart bereitzustellen, dass die Emissionsfläche im Wesentlichen auf die Flächenabschnitte der Kathode begrenzt wird, welche an den Hohlraum angrenzen.
Die Steuerung kann ein elektrisches Abschirmpotential an dem einen oder den mehreren Abschirmelementen bereitstellen, welches eine Emission von Elektronen in Richtung der einen oder mehreren Abschirmelemente unterdrückt. Die Steuerung kann eingerichtet sein, einen elektrischen Potentialunterschied (elektrische Abschirmspannung) zwischen dem einen oder den mehreren Abschirmelementen (d.h. dem elektrischen Abschirmpotential) und der Kathode (d.h. dem elektrischen Kathodenpotential) bereitzustellen in einem Bereich von ungefähr 1 V bis ungefähr 50 V, z.B. in einem Bereich von ungefähr 2 V bis ungefähr 20 V, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 V bis ungefähr 10 V.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner eine Opferstruktur aufweisen zum Absorbieren von in dem Elektronenstrahl gebildeten Ionen, welche z.B. auf einer der Anode gegenüberliegenden Seite des Hohlraums angeordnet ist und zumindest teilweise in Richtung der Anode freigelegt ist. Anschaulich kann der Strom an Ionen (Ionenstrom) die Emissionsfläche im Wesentlichen passieren und durch den Hohlraum hindurch geleitet werden. Dort kann der lonenstrom mittels der Opferstruktur absorbiert werden, so dass die Ionen aus dem Wirkungsbereich der Kathode entfernt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zwischen der Opferstruktur und der Katode ein Freiraum (d.h. ein Raum frei von einem Feststoff) angeordnet sein oder werden, welcher z.B. einen Querschnitt quer zur Strahlachse von gleich zu dem ober mehr als der Hohlraum aufweist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner zwei elektrische Kontaktstrukturen aufweisen, welche einen Strompfad zwischen den zwei elektrischen Kontaktstrukturen durch die Kathode hindurch definieren. Beispielsweise kann jede der zwei elektrischen Kontaktstrukturen einen Anschlussabschnitt aufweisen, welcher sich von der Kathode weg erstreckt und/oder ein Befestigungsmittel (z.B. eine Gewindebohrung oder einen Einsteckabschnitt) aufweist. Die zwei Kontaktstrukturen können elektrisch leitend und/oder körperlich, z.B. monolithisch, mit der Kathode verbunden sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Kathodenanordnung und eine Anode, welche eine Strahlachse definieren, zum Erzeugen eines Elektronenstrahls entlang der Strahlachse; die Kathodenanordnung aufweisend: eine Emissionsfläche (z.B. Primäremissionsfläche, z.B. Glühemissionsfläche) zum Emittieren von Elektronen in einen Emissionsbereich, dessen Querschnittsfläche quer zur Strahlachse von der Emissionsfläche begrenzt wird; und eine Austrittsöffnung, welche den Emissionsbereich in Richtung der Anode zumindest teilweise freilegt zum Versorgen des Elektronenstrahls mit Elektronen aus dem Emissionsbereich.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Austrittöffnung gleich oder kleiner als die Querschnittsfläche des Emissionsbereichs sein. In dem Fall kann ein körperliches Abschirmen der Emissionsfläche erfolgen. Anschaulich kann die Emissionsfläche parallel zu der Strahlachse verlaufen und/oder in eine Richtung weg von der Anode weg gerichtet sein. Damit können sich entlang der Strahlachse ausbreitende Ionen kaum oder nicht mehr zur Emissionsfläche gelangen. Beispielsweise kann die Emissionsfläche trichterförmig oder ein kegelstumpfmantelflächenförmig ausgebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Austrittöffnung gleich oder größer als die Querschnittsfläche des Emissionsbereichs sein. Damit kann anschaulich ein größerer Elektronenstrom bereitgestellt werden. Anschaulich kann die Emissionsfläche parallel zu der Strahlachse verlaufen und/oder leicht zur Anode hin gerichtet sein. Beispielsweise kann die Emissionsfläche trichterförmig oder ein kegelstumpfförmig (d.h. wie die Mantelfläche des Kegelstumpfes) ausgebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche mehrere Abschnitte aufweisen, welche je einen voneinander unterschiedlichen Verlauf zur Strahlachse aufweisen. Beispielsweise kann die Emissionsfläche auch doppel-trichterförmig oder doppel-kegelstumpfförmig ausgebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Anode, entlang der Strahlachse von einer Öffnung (Anodenöffnung) durchdrungen sein. Mit anderen Worten kann die Anode eine Durchgangsöffnung (Anodenöffnung) aufweisen. Anschaulich kann die Anode dann als Hohlanode bezeichnet werden. Durch die Öffnung hindurch kann sich der Elektronenstrahl ausbreiten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Querschnittsfläche des Emissionsbereichs in eine Richtung weg von der Anode und/oder zur Anode hin gleichbleibend oder zunehmend ausgebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Querschnittsfläche der Anodenöffnung gleich, kleiner oder größer der Querschnittsfläche der Austrittsöffnung ausgebildet sein.
Die Austrittsöffnung kann als die Öffnung der Kathodenanordnung verstanden werden, durch welche hindurch die Elektronen den Emissionsbereich in Richtung der Anode verlassen (anschaulich ein Elektronenstrom). Zwischen der Austrittsöffnung und der Anode kann sich ein freier Raum erstrecken, in welche ein elektrisches Feld (Beschleunigungsfeld) zum Beschleunigen der Elektronen gebildet sein oder werden kann. Die Austrittsöffnung kann eine Querschnittsfläche des in Richtung der Anode austretenden Elektronenstroms definieren.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich das elektrische Beschleunigungsfeld teilweise in den Hohlraum der Kathode hinein erstrecken. Somit kann erreicht werden, dass die in dem Hohlraum bereitgestellten Elektronen effizient in Richtung der Anode beschleunigt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathode bzw. deren Emissionsfläche (Elektronenquelle) den Emissionsbereich umgeben. Beispielsweise kann die Emissionsfläche den Emissionsbereich bzw. dessen Querschnittsfläche an zumindest gegenüberliegenden Seiten quer zur Strahlachse begrenzen. Der Emissionsbereich kann anschaulich innerhalb der Kathode bereitgestellt sein oder werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathode bzw. deren Emissionsfläche mehrere Emissionsflächenabschnitte (auch als Flächenabschnitte bezeichnet) aufweisen, von denen zumindest zwei einander gegenüberliegende Emissionsflächenabschnitte die den Emissionsbereich auf dessen gegenüberliegenden Seiten begrenzen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathodenanordnung eine Kathode (Emissionsstruktur) aufweisen, welche die Emissionsfläche bereitstellt. Die Kathode kann eine Elektronenquelle bereitstellen, welche Elektronen für den Elektronenstrahl bereitstellt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathodenanordnung eine rohrförmige Kathode (Rohrelement) aufweisen, welche die Emissionsfläche im inneren der Kathode bereitstellt. Anschaulich kann die Emissionsfläche mittels einer inneren Mantelfläche der rohrförmigen Kathode bereitgestellt sein oder werden. Mit anderen Worten kann die Kathodenanordnung ein Kathoden-Rohr aufweisen oder daraus gebildet sein, in dessen Inneren der Hohlraum bereitgestellt sein oder werden kann. Alternativ kann die Kathodenanordnung eine (z.B. entlang einer Rohrform) einlagig gewickelte Kathoden-Spule (Spule) aufweisen, in deren Inneren der Hohlraum bereitgestellt sein oder werden kann. Die Innenseite der einlagigen Kathoden-Spule (auch als Spiralkathode bezeichnet) kann dann die Emissionsfläche bereitstellen (d.h. als emittierende Fläche wirken). Alternativ kann die Kathodenanordnung ein rohrähnliches (z.B. ringförmiges) Rundelement (ringförmige Kathode) aufweisen oder daraus gebildet sein, welches z.B. im Wesentlichen eine Windung aus Flachmaterial aufweist oder daraus gebildet ist, in dessen Inneren der Hohlraum bereitgestellt sein oder werden kann. Alternativ dazu kann die Kathodenanordnung ein Rundelement, in dessen Inneren der Hohlraum bereitgestellt sein oder werden kann, aufweisen, welches sich trichterförmig in Richtung Anode öffnet, wobei der Durchmesser der Kathodenanordnung linear oder auch nichtlinear in Richtung Anode zu- oder abnehmen kann.
Mit anderen Worten kann eine Kathodenanordnung mit einer rohrförmigen Geometrie bereitgestellt sein oder werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner Folgendes aufweisen: eine Abschirmung, welche die Kathodenanordnung umgibt, wobei zwischen der Abschirmung und der Kathodenanordnung ein Spalt erstreckt ist zum thermischen Entkoppeln der Abschirmung von der Kathodenanordnung.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle ferner Folgendes aufweisen: eine Kopplungsstruktur, welche die Abschirmung und die Kathodenanordnung elektrisch miteinander koppelt, wobei die Kopplungsstruktur zum Bereitstellen eines elektrischen Potentialunterschieds (Spannung) zwischen der Abschirmung und der Kathodenanordnung im Betrieb der Elektronenstrahlquelle eingerichtet ist. Die Abschirmung kann ein elektrisches Abschirmpotential bereitstellen, welches eine Emission von Elektronen in Richtung der Abschirmung unterdrückt. Der elektrische Potentialunterschied (elektrische Abschirmspannung) zwischen der Abschirmung (d.h. dem elektrischen Abschirmpotential) und der Kathodenanordnung (d.h. dem elektrischen Kathodenpotential) kann in einem Bereich von ungefähr 1 V bis ungefähr 50 V liegen, z.B. in einem Bereich von ungefähr 2 V bis ungefähr 20 V, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 V bis ungefähr 10 V.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann an der Anode ein elektrisches Bezugspotential bereitgestellt sein oder werden (z.B. Erdpotenzial, d.h. elektrische Masse), z.B. optional mittels der Steuerung. An der Kathode (bzw. zumindest deren Emissionsflächen) kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein elektrisches Kathodenpotential (Hochspannungspotenzial) bereitgestellt sein oder werden, z.B. optional mittels der Steuerung. Das elektrische Kathodenpotential kann bezüglich des elektrischen Bezugspotentials negativ sein. Die Differenz des elektrischen Kathodenpotentials und dem elektrischen Bezugspotential kann die elektrische Beschleunigungsspannung (des elektrischen Beschleunigungsfeldes) definieren. Der elektrische Potentialunterschied zwischen der Abschirmung und der Anode kann größer sein als der elektrische Potentialunterschied zwischen Kathode (bzw. zumindest deren Emissionsflächen) und der Anode. Mit anderen Worten kann die elektrische Abschirmspannung auf das elektrische Bezugspotential bezogen negativ sein.
Die Kopplungsstruktur und/oder die Steuerung können derart eingerichtet sein, dass zwischen der Kathode und der Abschirmung ein elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, beispielsweise ein elektrischer Widerstand größer als ungefähr 10 Ohm, z.B. größer als ungefähr 100 Ohm, z.B. größer als ungefähr 1000 Ohm (1 kOhm), z.B. größer als ungefähr 10 kOhm, z.B. größer als ungefähr 100 kOhm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kopplungsstruktur ferner zum Halten der der Kathode und/oder der Strahlbündelungselektrode in einer definierten Lage relativ zu der Abschirmung eingerichtet sein. Anschaulich kann die Kopplungsstruktur eine Haltestruktur aufweisen oder daraus gebildet sein, welche die Kathode und/oder die Strahlbündelungselektrode hält.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathodenanordnung ferner Folgendes aufweisen: eine Strahlbündelungselektrode, welche zwischen der Kathode (bzw. deren Emissionsfläche) und der Anode angeordnet ist und die Austrittsöffnung bildet. Die Strahlbündelungselektrode kann thermisch entkoppelt von der Kathode (bzw. deren Emissionsfläche) gehalten werden, z.B. mittels einer Haltestruktur. Beispielsweise kann die Haltestruktur an der Abschirmung und/oder an der Kathode befestigt und/oder abgestützt sein. Die Haltestruktur kann ferner die Strahlbündelungselektrode mit der Abschirmung und/oder der Kathode (bzw. deren Emissionsfläche) elektrisch koppeln, wobei die Haltestruktur zum Bereitstellen eines elektrischen Potentialunterschieds (Spannung) zwischen der Strahlbündelungselektrode und der Emissionsfläche im Betrieb der Elektronenstrahlquelle eingerichtet ist, z.B. derart, dass der Strahlbündelungselektrode und der Abschirmung ein im Wesentlichen gleiches elektrische Potential bereitgestellt ist oder wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle ferner Folgendes aufweisen: eine Opferstruktur (z.B. in Form eines Opfertargetblocks), welche auf einer der Anode gegenüberliegenden Seite des Emissionsbereichs angeordnet ist und zumindest teilweise in Richtung der Anode freigelegt ist. Die Opferstruktur kann als Auffänger (Absorber) für den (sonst zerstäubenden) Ionenstrom wirken. Auf diese Weise kann eine Zerstäubung des Kathodenmaterials (Material der Kathodenanordnung) verringert oder vermieden werden.
Die Kathode kann auf einer der Anode abgewandten Seite eine Öffnung (Rückseitenöffnung) aufweisen, z.B. wenn die Kathode rohrförmig ist. Die Opferstruktur kann die Rückseitenöffnung ganz oder teilweise abdecken.
Die Opferstruktur (Ionenabsorber) kann ein elektrisch leitfähiges Material (z.B. ionenabsorbierendes Material, anschaulich ein Auffängermaterial) aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. Kohlenstoff (z.B. in Form von Graphit), Molybdän und/oder Wolfram.
Die Opferstruktur kann von der Kathode elektrisch entkoppelt gehalten sein oder werden. Alternativ kann die Opferstruktur derart befestigt sein, dass ein elektrischer Potentialunterschied zwischen der Opferstruktur und der Kathode (bzw. deren Emissionsfläche) im Betrieb der Elektronenstrahlquelle bereitgestellt ist (z.B. mittels der Steuerung), z.B. derart, dass der Opferstruktur und der Abschirmung ein im Wesentlichen gleiches elektrisches Potential bereitgestellt ist oder wird und/oder derart, dass ein Potential der Opferstruktur bezüglich des Kathodenpotentials negativ ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle ferner Folgendes aufweisen: eine Heizvorrichtung, welche eingerichtet ist, der Kathode (bzw. deren Emissionsfläche) thermische Energie zuzuführen zum Heizen der Kathode (bzw. deren Emissionsfläche). Durch das Erhitzen kann die Emissionsfläche Elektronen emittieren, so genannte thermische Elektronen. Je mehr Elektronen die Emissionsfläche emittiert, umso größer können der Elektronenstrahlstrom und damit die Leistung des Elektronenstrahls sein, welcher aus den Elektronen gebildet wird (z.B. mittels einer Strahlführungsanordnung), und z.B. zum Prozessort geführt wird.
Die Heizvorrichtung kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Indirekt-Heizvorrichtung aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. eine Strahlung-Heizvorrichtung. Die Indirekt-Heizvorrichtung kann eingerichtet sein, der Kathode (bzw. deren Emissionsfläche) mittels Strahlung thermische Energie zuzuführen, z.B. mittels Wärmestrahlung und/oder Teilchenstrahlung, wie Elektronenstrahlung. Dazu kann die Indirekt-Heizvorrichtung eine Strahlungsquelle aufweisen zum Erzeugen von Strahlung.
Optional kann die Indirekt-Heizvorrichtung eine Energiequelle aufweisen, welche der Strahlungsquelle elektrische Energie zuführt. Anschaulich kann die Strahlungsquelle eingerichtet sein, elektrische Energie in Strahlungsenergie umzuwandeln und der Kathode bzw. deren Emissionsfläche zumindest teilweise zuzuführen. Bei einer Indirekt-Heizvorrichtung kann die Energiezufuhr zur Kathode bzw. deren Emissionsfläche beispielsweise mittels der Energie der auf die Kathode beschleunigten Elektronen erfolgen, d.h. mittels der Spannung, mit der die auf die Kathode gerichteten Elektronen beschleunigt werden. Hierzu kann die Spannung (Heizspannung) zwischen der Strahlungsquelle (z.B. einem thermisch geheizten Filament) und der Kathodenanordnung von etwa 1000 V angelegt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Heizvorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Direkt-Heizvorrichtung aufweisen oder daraus gebildet sein. Die Direkt-Heizvorrichtung kann einen elektrothermischen Wandler (z.B. ein resistives Heizelement) aufweisen, der eingerichtet ist, elektrische Energie in thermische Energie umzuwandeln. Beispielsweise kann der elektrothermische Wandler eine Heizwendel aufweisen oder daraus gebildet sein. Optional kann die Direkt-Heizvorrichtung eine Energiequelle aufweisen, welche dem elektrothermischen Wandler elektrische Energie zuführt. Der elektrothermische Wandler kann mit der Kathode bzw. deren Emissionsfläche thermisch leitend gekoppelt sein. Alternativ oder zusätzlich kann der elektrothermische Wandler monolithisch mit der Emissionsfläche verbunden sein. Anschaulich kann dann der elektrothermische Wandler zumindest teilweise Teil der Kathode sein, z.B. wenn die Kathode zum Heizen von einem elektrischen Strom (Heizstrom) durchflossen wird. Anschaulich wird mittels der Kathode dann der elektrothermische Wandler bereitgestellt, z.B. indem diese von einem Heizstrom durchflossen wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathodenanordnung bzw. deren Kathode eine Öffnungsstruktur (z.B. Spalten oder Schlitze) aufweisen, welche sich von der Emissionsfläche aus (z.B. quer zu der Strahlachse) durch die Kathodenanordnung hindurch erstreckt und einen Strompfad definiert, welcher um den Emissionsbereich zumindest teilweise herum verläuft, zum Heizen der Kathodenanordnung mittels eines elektrischen Stroms. Anschaulich kann die Kathode von einem oder mehreren Schlitzen durchdrungen sein. Anschaulich kann die Kathodenanordnung eine direkt stromdurchflossene Kathode aufweisen.
Die Elektronenstrahlquelle kann eine Strahlformierungsanordnung zum Führen des Elektronenstrahls (wird auch als Strahlbündler bezeichnet) aufweisen, welche die (von der Emissionsfläche) erzeugten Elektronen zusammenführt zu einem Strahl bündelt, d.h. den Elektronenstrahl formiert. Die Strahlformierungsanordnung kann beispielsweise ein elektrisches Feld (Beschleunigungsfeld) erzeugen, welches die Elektronen beschleunigt und zu einem Strahl konzentriert (d.h. z.B. kollimiert).
Die Strahlformierungsanordnung kann zumindest die Anode und/oder die Strahlbündelungselektrode aufweisen. Zwischen der Anode und der Kathodenanordnung kann das elektrische Feld (Beschleunigungsfeld) zum Beschleunigen der Elektronen bereitgestellt sein oder werden. Die Strahlbündelungselektrode kann das Beschleunigungsfeld deformieren, z.B. einschnüren, wodurch anschaulich ein Linseneffekt erreicht wird, der die Elektronen kollimiert (bündelt).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle (z.B. wenn diese in einem Hochleistungsmodus betrieben wird) einen Elektronenstrahl mit mehr als 5 kW bereitstellen, z.B. mit mehr als ungefähr 10 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 20 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 50 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 100 kW, z.B. mit von mehr als ungefähr 200 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 300 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 400 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 500 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 600 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 700 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 800 kW, z.B. in einem Bereich (Leistungsbereich) von ungefähr 5 kW bis ungefähr 1000 kW, z.B. in einem Bereich von ungefähr 100 kW bis ungefähr 50q kW oder in einem Bereich von ungefähr 5 kW bis ungefähr 50 kW oder in einem Bereich von ungefähr 10 kW bis ungefähr 800 kW.
Dazu kann die Elektronenstrahlquelle eine Energieversorgung aufweisen, welche mit der Kathodenanordnung elektrisch gekoppelt ist. Die Energieversorgung kann der Kathodenanordnung elektrische Energie zuführen, z.B. einen elektrischen Strom. Beispielsweise kann die Energieversorgung eingerichtet sein, einen elektrischen Strom mit mehreren Ampere (A) bereitzustellen und der Kathodenanordnung zuzuführen (z.B. anschaulich durch die Kathodenanordnung hindurch zu treiben), z.B. einen elektrischen Strom mit mehr als ungefähr 0,1 A, z.B. mit mehr als ungefähr 0,5 A, z.B. mit mehr als ungefähr 1 A, z.B. mit mehr als ungefähr 2 A, z.B. mit mehr als ungefähr 5 A, z.B. mit mehr als ungefähr 10 A, z.B. mit mehr als ungefähr 20 A, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10 A bis ungefähr 25 A.
Alternativ oder zusätzlich kann die Energieversorgung eingerichtet sein, eine elektrische Spannung (Beschleunigungsspannung) mit mehreren tausend V (Volt), d.h. im kV Bereich, bereitzustellen, z.B. zwischen der Kathodenanordnung (bzw. zumindest deren Emissionsfläche) und der Anode, zum Beschleunigen der Elektronen, z.B. eine elektrische Spannung mit mehr als ungefähr 5 kV, z.B. mit mehr als ungefähr 10 kV, z.B. mit mehr als ungefähr 20 kV, z.B. mit mehr als ungefähr 30 kV, z.B. mit mehr als ungefähr 40 kV, z.B. mit mehr als ungefähr 50 kV, z.B. in einem Bereich von ungefähr 25 kV bis ungefähr 60 kV.
Der elektrische Strom und/oder die elektrische Spannung, welche von der Energieversorgung bereitgestellt werden/wird, (z.B. der durch das Kathodensystem getriebene Strom) können eine elektrische Leistung definieren, welche die Energieversorgung der Elektronenstrahlquelle zuführt, bzw. welche die Elektronenstrahlquelle aufnimmt. Beispielsweise kann die Energieversorgung eingerichtet sein, eine elektrische Leistung im kW (Kilowatt) Bereich bereitzustellen und der Elektronenstrahlquelle zuzuführen, z.B. eine elektrische Leistung von mehr als ungefähr 5 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 10 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 20 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 50 kW, z.B. mit mehr als ungefähr 100 kW, z.B. von mehr als ungefähr 200 kW, z.B. von mehr als ungefähr 300 kW, z.B. von mehr als ungefähr 400 kW, z.B. von mehr als ungefähr 500 kW, z.B. von mehr als ungefähr 600 kW, z.B. von mehr als ungefähr 700 kW, z.B. von mehr als ungefähr 800 kW, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 kW bis ungefähr 1000 kW, z.B. in einem Bereich von ungefähr 100 kW bis ungefähr 500 kW oder in einem Bereich von ungefähr 5 kW bis ungefähr 50 kW oder in einem Bereich von ungefähr 30 kW bis ungefähr 800 kW.
Mit anderen Worten kann die Elektronenstrahlquelle die von der Energieversorgung bereitgestellte elektrische Leistung (oder zumindest einen Teil davon) in einen Elektronenstrahl umwandeln, welcher dann eine entsprechende elektrische Leistung aufweist. Die Leistung des Elektronenstrahls kann von der elektrischen Ladung definiert sein, welche der Elektronenstrahl in einer bestimmten Zeit über eine bestimmte Strecke transportiert. Mit anderen Worten kann die Leistung des Elektronenstrahls von der Menge der Elektronen und deren Geschwindigkeit definiert sein, welche den Elektronenstrahl bilden. Die Menge an Elektronen, welche der Elektronenstrahl pro Zeit transportiert, kann einen elektrischen Strom des Elektronenstrahls (Elektronenstrahlstrom) definieren. Der Elektronenstrahlstrom kann mehr als ungefähr 0,1 A aufweisen, z.B. mehr als ungefähr 0,5 A, z.B. mehr als ungefähr 1 A, z.B. mehr als ungefähr 2 A, z.B. mehr als ungefähr 5 A, z.B. mehr als ungefähr 10 A, z.B. mehr als ungefähr 20 A, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10 A bis ungefähr 25 A.
Beispielsweise ergibt sich bei einer Leistung von ungefähr 5 kW und einer Spannung von 50 kV ein Elektronenstrahlstrom von 0,1 A.
Die Kathode, z.B. deren Emissionsfläche, und/oder die Abschirmung können ein hochtemperaturfestes Material aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. mit einer Aggregatszustand-Übergangstemperatur (z.B. Schmelztemperatur oder Sublimationstemperatur) von mehr als ungefähr 2000°C, z.B. mehr als ungefähr 3000°C. Ein hochtemperaturfestes Material kann ein Metall aufweisen oder daraus gebildet sein, wie Eisen (Fe), Titan (Ti), Platin (Pt), Chrom (Cr), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Molybdän (Mo), Tantal (Ta) oder Wolfram (W).
Beispielsweise kann die Materialauswahl für die Emissionsfläche anhand deren Elektronenemission (in A/cm²) erfolgen, so dass anschaulich eine ausreichend hohe Elektronenemission als Funktion der Temperatur bereitgestellt sein oder werden kann.
Beispielsweise kann das hochtemperaturfestes Material eine Metallverbindung (z.B. eine intermetallische Verbindung oder eine Legierung) aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. eine Verbindung aus zumindest zwei Metallen, wie z.B. eine Titanlegierung, oder z.B. eine Verbindung aus zumindest einem Metall und mindestens einem nichtmetallischen Element, wie z.B. ein Carbit (z.B. Hafniumcarbid, Tantalcarbid, Tantalhafniumcarbid und/oder Wolframcarbit), ein Nitrid (z.B. Titannitrid), ein Borid (z.B. Lanthanhexaborid oder Ceriumhexaborid) oder eine Eisenlegierung (z.B. Stahl, z.B. Molybdänstahl oder Vanadiumstahl).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle eine Lanthanhexaborid-Kathode oder Ceriumhexaborid-Kathode aufweisen.
Die Abschirmung kann beispielsweise dasselbe Material aufweisen oder daraus gebildet sein wie die Kathode, z.B. deren Emissionsfläche, oder auch ein davon verschiedenes Material.
Die Kopplungsstruktur kann Kohlenstoff aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. in Form von Graphit, Kohlenstofffaser und/oder kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (auch als CFC bezeichnet).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenkanone (Elektronenstrahlkanone) Folgendes aufweisen: eine Elektronenstrahlquelle, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie hierin beschrieben ist, eine Vakuumkammer (Strahlerzeugungskammer), in welcher die Elektronenstrahlquelle angeordnet ist und welche entlang der Strahlachse von einer Öffnung durchdrungen ist, so dass der Elektronenstrahl aus der Vakuumkammer durch die Öffnung hindurch austreten kann; und eine Ablenkanordnung zum Ablenken des aus der Vakuumkammer austretenden Elektronenstrahls gemäß einem oder mehreren Ablenkparametern.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenkanone eine Strahlfokussierungsanordnung aufweisen, welche eine oder mehrere Elektronenlinsen, auch als Strahlfokussierlinsen bezeichnet, aufweisen kann. Eine Elektronenlinse kann beispielsweise zum Erzeugen eines magnetischen Feldes eingerichtet sein (und dazu eine oder mehrere elektrische Spulen aufweisen) und/oder zum Erzeugen eines elektrischen Feldes eingerichtet sein (und dazu eine oder mehrere Elektroden aufweisen).
Die Elektronenstrahlquelle kann zusammen mit der Ablenkanordnung und optional der Strahlfokussierungsanordnung Teil einer Elektronenstrahlkanone sein, welche es ermöglicht einen Elektronenstrahl in einen definierten Raumbereich (z.B. mit einem definierten Emissionswinkel) zu emittieren. Anschaulich kann die Ablenkanordnung die Richtung, bzw. den Verlauf, steuern und/oder regeln, mit der die Elektronenstrahlkanone den Elektronenstrahl emittiert.
Die Vakuumkammer, in der die Elektronenstrahlquelle angeordnet ist, kann auch als Strahlerzeugungskammer bezeichnet werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenkanone weitere Vakuumkammern aufweisen (welche zusammen ein Kammersystem bilden). Die Vakuumkammer(n), welche zwischen der Strahlerzeugungskammer und der Prozessierkammer angeordnet sind, können auch als Zwischenkammern bezeichnet werden. Mit anderen Worten kann der Elektronenstrahl durch die Zwischenkammern hindurch geführt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung Folgendes aufweisen: eine Prozessierkammer, welche einen Prozessierbereich aufweist; und eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie hierin beschrieben ist, zum Erzeugen eines auf den Prozessierbereich gerichteten Elektronenstrahls.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Hohlraumkathode und eine Anode zum Erzeugen eines Elektronenstrahls; wobei die Hohlraumkathode eine in Richtung der Anode ausgerichtete Hohlraumöffnung aufweist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine die Strahlachse konzentrisch in einem vorgelagerten Raumbereich einer Anode umschließende Kathode (z.B. eine Hohlraumkathode) und die Anode zum Erzeugen eines Elektronenstrahls. Die Anode kann entlang der Strahlachse von einer Durchgangsöffnung durchdrungen sein (kann auch als Anodenbohrung bezeichnet werden).
Eine Hohlraumkathode kann einen Hohlraum aufweisen, welcher zumindest zu einer Seite hin (z.B. Richtung Anode) geöffnet ist. Mit anderen Worten kann die Hohlraumkathode eine Öffnung (Hohlraumöffnung) aufweisen, welche den Hohlraum freilegt. Optional kann der Hohlraum zusätzlich zu einer anderen Seite geöffnet sein (z.B. in Richtung weg von der Anode). Mit anderen Worten kann die Hohlraumkathode zwei Hohlraumöffnungen aufweisen, z.B. einander gegenüberliegend. Eine der Hohlraumöffnungen kann als Austrittsöffnung verwendet werden, z.B. wenn die Kathodenanordnung keine Strahlbündelungselektrode aufweist oder wenn die Strahlbündelungselektrode andersartig geformt ist.
Eine Hohlraumkathode kann beispielsweise rohrförmig oder ringförmig sein. Optional kann die Hohlraumkathode eine oder mehrere Windungen (eine Schleife eines elektrischen Leiters) aufweisen, welche den Hohlraum umgeben und/oder begrenzen. Die Hohlraumkathode kann beispielsweise eine Spule aufweisen oder daraus gebildet sein, deren Kern den Hohlraum bildet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Hohlraumkathode verwendet werden mit einer Hohlraumöffnung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls in eine Richtung der Hohlraumöffnung.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Kathodenanordnung und eine Anode, welche eine Strahlachse definieren, zum Erzeugen eines Elektronenstrahls entlang der Strahlachse; die Kathodenanordnung aufweisend: eine Austrittsöffnung, deren Querschnittsfläche quer zur Strahlachse auf einer der Anode abgewandten Seite der Austrittsöffnung einen Hohlraum definiert, dessen Querschnittsfläche quer zur Strahlachse gleich, kleiner oder größer der Querschnittsfläche der Austrittsöffnung ist; eine Kathode zum Bereitstellen freier Elektronen in dem Hohlraum; wobei sich der Hohlraum entlang der Strahlachse von der Austrittsöffnung aus an der Kathode vorbei oder in die Kathode hinein erstreckt. Eine Oberfläche der Kathode in Richtung des Hohlraums kann eine Emissionsfläche (z.B. Primäremissionsfläche, z.B. Glühemissionsfläche) bereitstellen. Mit anderen Worten kann sich der Hohlraum entlang der Strahlachse von der Austrittsöffnung aus an der Emissionsfläche vorbei erstrecken.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Austrittsöffnung der Kathodenanordnung auf eine Ebene projiziert, welche quer zur Strahlachse verläuft, frei von einer Emissionsfläche sein. Mit anderen Worten kann die Emissionsfläche, auf die Ebene projiziert auf oder außerhalb der Austrittsöffnung angeordnet sein. Anschaulich kann die Emissionsfläche der Kathodenanordnung von der Austrittsöffnung zumindest teilweise abgeschirmt werden. Beispielsweise kann die Emissionsfläche der Kathodenanordnung von deren Strahlbündelungselektrode zumindest teilweise abgeschirmt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Kathodenanordnung zum Emittieren von Elektronen in einen Emissionsbereich hinein; und eine Anode zum Bilden eines Elektronenstrahls aus den Elektronen; wobei die Kathodenanordnung den Emissionsbereich umgibt und eine Öffnung (Austrittsöffnung) aufweist, wobei die Öffnung den Emissionsbereich in Richtung der Anode freilegt und mit der Durchgangsöffnung fluchtet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche in einem Winkel (Emissionsflächenwinkel) zu der Strahlachse verlaufen (mit einer Öffnung des Winkels von der Anode weg und/oder zur Anode hin gerichtet), z.B. in einem Bereich von ungefähr 0° (d.h. parallel zur Strahlachse) bis ungefähr 45°, in einem Bereich von ungefähr 0° bis ungefähr 20°, z.B. in einem Bereich von ungefähr 0° bis ungefähr 10° (d.h. im Wesentlichen parallel zur Strahlachse), z.B. in einem Winkel kleiner als ungefähr 5°. Der Winkel der Emissionsfläche kann sich über den Bereich der Emissionsfläche ändern (beispielsweise wenn die Emissionsfläche entlang der Strahlachse gekrümmt verläuft, d.h. anschaulich eine gekrümmter Kegelstumpf). Mit anderen Worten kann die Emissionsfläche (Elektronen-Emissionsfläche) im Wesentlichen parallel, z.B. parallel, zu der Strahlachse verlaufen.
Die Kathode bzw. deren Emissionsfläche kann den Hohlraum umgeben. Die Kathode bzw. deren Emissionsfläche kann sich vom Rand der Austrittsöffnung aus gesehen von der Anode weg erstrecken.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle Folgendes aufweisen: eine Kathodenanordnung zum Emittieren von Elektronen in einen Emissionsbereich hinein; und eine Anode, welche eine Strahlachse definiert, entlang welcher die Anode von einer Öffnung durchdrungen ist, zum Bilden eines sich entlang der Strahlachse ausbreitenden Elektronenstrahls aus den Elektronen; wobei die Kathodenanordnung einen Hohlraum aufweist, in welchem der Emissionsbereich bereitgestellt ist, wobei der Hohlraum zu der Anode hin geöffnet ist, so dass dieser entlang der Strahlachse mit der Öffnung fluchtet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathode bzw. deren Emissionsfläche den Hohlraum quer zu der Strahlachse begrenzen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum eine Öffnung aufweisen, welche diesen zu der Anode hin öffnet, wobei ein Querschnitt der Öffnung des Hohlraums größer, gleich groß oder kleiner sein kann, als eine Öffnung des Hohlraums der Anode.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Strahlachse einen Ausbreitungsbereich der Elektronen definieren, welcher um die Strahlachse herum ausgedehnt ist. Der Ausbreitungsbereich der Elektronen kann die Ausdehnung des Elektronenstrahls quer zur Strahlachse, z.B. den Durchmesser des Elektronenstrahls definieren. Beispielsweise kann der Ausbreitungsbereich der Elektronen an der Anode von deren Durchgangsöffnung definiert (z.B. begrenzt) sein, durch welche sich der Ausbreitungsbereich der Elektronen hindurch erstreckt. An der Kathodenanordnung kann der Ausbreitungsbereich der Elektronen von deren Austrittsöffnung definiert (z.B. begrenzt) sein, in welchen sich der Ausbreitungsbereich der Elektronen hinein erstreckt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Strahlachse einen Ausbreitungsbereich der Ionen definieren, welcher um die Strahlachse herum ausgedehnt ist. Der Ausbreitungsbereich der Ionen kann kleiner sein als die Ausdehnung des Elektronenstrahls quer zur Strahlachse. Anschaulich können die Ionen durch ein Wechselwirken der Elektronen des Elektronenstrahls mit Gasteilchen gebildet werden, so dass das Bilden von Ionen und deren Ausbreitungsbereich durch die Ausdehnung des Elektronenstrahls quer zur Strahlachse begrenzt wird. Beispielsweise kann der Ausbreitungsbereich der Ionen durch die Kathode hindurch zu der Opferstruktur erstreckt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenstrahlquelle in einer Elektronenstrahlprozessanordnung dazu genutzt werden, ein Material mittels des Elektronenstrahls zu temperieren, zu schmelzen, zu verdampfen und/oder zu sublimieren. Eine Elektronenstrahlquelle kann beispielsweise in einer Beschichtungsanlage eingesetzt werden, einer sogenannten Elektronenstrahlverdampferanlage oder einem sogenannten Elektronenstrahlverdampfer, um beispielsweise Schichten auf entsprechenden Substraten abzuscheiden, z.B. um ein Substrat (aufweisend z.B. Glas, Folie, Metall, z.B. ein bandförmiges oder plattenförmiges Substrat) zu beschichten. Ferner kann eine Elektronenstrahlquelle zum Elektronenstrahlschmelzen eingesetzt werden, wobei beispielsweise ein Material mittels des Elektronenstrahls aufgeschmolzen wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Kathode eine Ausdehnung quer zur Strahlachse in einem Bereich von ungefähr 10 mm bis ungefähr 50 mm aufweisen, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10 mm bis ungefähr 30 mm, z.B. ungefähr 19 mm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum eine Ausdehnung quer zur Strahlachse in einem Bereich von ungefähr 5 mm bis ungefähr 40 mm aufweisen, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 mm bis ungefähr 25 mm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 14 mm bis ungefähr 19 mm. Beispielsweise kann die Ausdehnung zu der Anode hin um mehr als 1 mm zunehmen, z.B. um weniger als 10 mm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 2 mm bis ungefähr 5 mm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Kathode eine Ausdehnung entlang der Strahlachse in einem Bereich von ungefähr 10 mm bis ungefähr 150 mm aufweisen, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10 mm bis ungefähr 100 mm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10 mm bis ungefähr 50 mm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Durchgangsöffnung der Strahlbündelungselektrode eine Ausdehnung quer zur Strahlachse aufweisen, welche gleich oder größer der Ausdehnung des Hohlraums ist, z.B. weniger als 10 mm größer der Ausdehnung des Hohlraums, z.B. weniger als 5 mm größer der Ausdehnung des Hohlraums, z.B. in einem Bereich von ungefähr 15 mm bis ungefähr 25 mm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 19 mm bis ungefähr 22 mm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger einen Festkörper aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. ein Metall (wie zumindest Stahl oder Kupfer), z.B. ein unmagnetisches Metall, wie Wolfram oder Molybdän. Alternativ oder zusätzlich kann der Elektronenverdränger ein Halbmetall aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. Kohlenstoff in einer Kohlenstoffmodifikation (z.B. Graphit) oder in einem Karbid.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger eine Ausdehnung (z.B. Durchmesser) quer zur Strahlachse aufweisen in einem Bereich von ungefähr 1 mm bis ungefähr 10 mm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 3 mm bis ungefähr 5 mm (Millimeter). Alternativ oder zusätzlich kann der Elektronenverdränger eine Ausdehnung (z.B. Durchmesser) quer zur Strahlachse aufweisen, welche kleiner ist als die Hälfte der dazu parallelen Ausdehnung des Hohlraums.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger eine Ausdehnung (z.B. eine Länge) entlang der Strahlachse aufweisen in einem Bereich von ungefähr 5 mm bis ungefähr 10 cm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 mm bis ungefähr 5 cm (Zentimeter). Alternativ oder zusätzlich kann der Elektronenverdränger eine Ausdehnung (z.B. Durchmesser) quer zur Strahlachse aufweisen welche kleiner ist als die Hälfte der dazu parallelen Ausdehnung des Hohlraums.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger eine Öffnungsausdehnung (z.B. Länge der Durchgangsöffnung) entlang der Strahlachse aufweisen in einem Bereich von ungefähr 5 mm bis ungefähr 10 cm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 mm bis ungefähr 5 cm (Zentimeter). Alternativ oder zusätzlich kann der Elektronenverdränger eine Öffnungsausdehnung (z.B. Innendurchmesser der Durchgangsöffnung) quer zur Strahlachse aufweisen welche kleiner ist als die Hälfte der dazu parallelen Ausdehnung des Hohlraums.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1A und 1B jeweils eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
2A und 2B jeweils eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
3A und 3B jeweils eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
4A und 4B jeweils eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
5A eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
5B eine Elektronenkanone gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
6A eine Prozessieranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
6B eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
7A, 7B und 7C jeweils eine Kathodenanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
8A eine Kathodenanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
8B eine Prozessieranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
9 eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
10A eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
10B eine Kathode gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Auffaltung;
11 eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
12A und 12B jeweils eine Kathode gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
13A und 13B jeweils eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
14A und 14B jeweils eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
15A und 15B jeweils eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht;
16 ein Verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Ablaufdiagramm; und
17 ein Verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Ablaufdiagramm.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe "verbunden", "angeschlossen" sowie "gekoppelt" verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Begriff "gekoppelt" oder "Kopplung" im Sinne einer (z.B. mechanischen, hydrostatischen, thermischen und/oder elektrischen), z.B. direkten oder indirekten, Verbindung und/oder Wechselwirkung verstanden werden. Mehrere Elemente können beispielsweise entlang einer Wechselwirkungskette miteinander gekoppelt sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann "gekuppelt" im Sinne einer mechanischen (z.B. körperlichen bzw. physikalischen) Kopplung verstanden werden, z.B. mittels eines direkten körperlichen Kontakts. Eine Kupplung kann eingerichtet sein, eine mechanische Wechselwirkung (z.B. Kraft, Drehmoment, etc.) zu übertragen.
Das Steuern kann verstanden werden als eine beabsichtigte Beeinflussung eines Systems. Dabei kann der Zustand des Systems gemäß einer Vorgabe verändert werden. Regeln kann als Steuern verstanden werden, wobei zusätzlich einer Zustandsänderung des Systems durch Störungen entgegengewirkt wird. Anschaulich kann die Steuerung eine nach vorn gerichtete Steuerstrecke aufweisen und somit anschaulich eine Ablaufsteuerung implementieren, welche eine Eingangsgröße in eine Ausgangsgröße umsetzt. Die Steuerstrecke kann aber auch Teil eines Regelkreises sein, so dass eine Regelung implementiert wird. Die Regelung weist im Gegensatz zu der reinen Vorwärts-Steuerung eine fortlaufende Einflussnahme der Ausgangsgröße auf die Eingangsgröße auf, welche durch den Regelkreis bewirkt wird (Rückführung). Mit anderen Worten kann alternativ oder zusätzlich zu der Steuerung eine Regelung verwendet werden bzw. alternativ oder zusätzlich zu dem Steuern ein Regeln erfolgen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine elektrische Spannung als elektrische Potentialdifferenz (Differenz zweier elektrischer Potentiale) verstanden werden, z.B. zwischen zwei Elementen. Eine Spannung an einem Element (z.B. einem Anschluss, einer Struktur, einem Körper o.ä.) kann verstanden werden als die Differenz des elektrischen Potentials an dem Element zu einem Referenzpotential (z.B. elektrische Masse). Angaben über mehrere Spannungen können sich auf dasselbe Referenzpotential beziehen. Ist die Spannung an einem Element positiv, ist dessen elektrisches Potential größer als das Referenzpotential. Ist die Spannung an einem Element negativ, ist dessen elektrisches Potential kleiner als das Referenzpotential. Je größer die elektrische Spannung an einem Element ist, desto größer kann dessen elektrisches Potential sein. Eine Spannungsdifferenz (z.B. zwischen zwei Elementen) kann verstanden werden als die Differenz zweier Spannungen, welche, wenn die zwei Spannungen auf dasselbe Referenzpotential bezogen sind, der Differenz der entsprechenden elektrischen Potentiale (z.B. zwischen den zwei Elementen) entspricht (d.h. unabhängig vom Referenzpotential angegeben). Ein negativeres elektrisches Potential kann verstanden werden als einen größeren negativen Wert aufweisend, z.B. bezüglich des Referenzpotentials. Ein positiveres elektrisches Potential kann verstanden werden als einen positiven negativen Wert aufweisend, z.B. bezüglich des Referenzpotentials.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Elektronenstrahlquelle zur Erzeugung von Elektronenstrahlen zur thermischen Bearbeitung bereitgestellt. Das thermische Behandeln kann aufweisen ein Target, z.B. ein Substrat (Werkstück) oder Verdampfungsgut, zu erwärmen. Das thermische Behandeln (der thermische Prozess) kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem Vakuum erfolgen.
Die aus der Kathode, bzw. deren Emissionsfläche, austretenden Elektronen werden von der Strahlbündelungselektrode zu einem Strahl gebündelt (formiert) und zu einer Anode (z.B. eine Hohlanode) hin beschleunigt. Die Elektronen passieren die Anode durch deren Öffnungen (z.B. eine Bohrung) hindurch, z.B. unbehindert.
Optional passieren die Elektronen eine oder mehrere Kammer(n) (eines Kammersystems), das zumindest für eines von Folgendem eingerichtet ist: zur weiteren Strahlfokussierung, zur Strahlablenkung; zur Druckentkopplung.
Die Elektronen, welche das Kammersystem verlassen, treten in die Prozessierkammer ein und erreichen den Auftreffort (Auftreffbereiche) in der Prozessierkammer, wo der gewünschte thermische Prozess erzeugt wird, z.B. das Target (Bestrahlungstarget).
Die Elektronenkanone kann als eigenständige Baugruppe an der Prozessierkammer befestigt, z.B. daran angeflanscht sein, und optional zumindest teilweise in diese hinein ragen.
Das Kammersystem kann eine oder mehrere Kammern (z.B. Vakuumkammern) aufweisen, welche zumindest teilweise separat evakuierbar (d.h. abpumpbar) sind (wird auch als differentielles Pumpen bezeichnet). Zum Abpumpen können die eine oder mehreren Kammern des Kammersystems mit einer Vakuumpumpenanordnung, aufweisend eine oder mehrere Vakuumpumpensysteme, gekoppelt sein. Ein Vakuumpumpensystem kann z.B. eine Hochvakuumpumpe und/oder eine Vorvakuumpumpe aufweisen. Separat abpumpbare Kammern des Kammersystems können mittels separater Vakuumpumpensysteme abgepumpt werden.
Mittels des Kammersystems kann eine vakuumtechnische Entkopplung (Druckentkopplung) zwischen dem Strahlerzeugungsbereich und dem Auftreffbereich (in dem das thermische Behandeln erfolgt) erreicht werden. Der Strahlerzeugungsbereich kann in einer ersten Kammer (Strahlerzeugungskammer) des Kammersystems bereitgestellt sein oder werden. In dem Strahlerzeugungsbereich können zumindest eine Anode und eine Kathodenanordnung angeordnet sein.
Alternativ kann die Elektronenkanone auch ohne differentielles Pumpen betrieben werden, z.B. mit einem Kammersystem, das nur eine Kammer aufweist oder mehrere Kammern, von denen nur eine, z.B. die Strahlerzeugungskammer, abgepumpt wird. Die Elektronenkanone kann je nach den vorliegenden Vakuumverhältnissen bei der Generierung des thermischen Prozesses mit oder ohne Zwischenkammer(n) (z.B. einzeln oder gemeinsam abgepumpt) betrieben werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Elektronenkanone bzw. deren Elektronenstrahlquelle für Hochleistungsprozesse in einem Leistungsbereich von ungefähr 10 kW bis ungefähr 800 kW bereitgestellt sein oder werden. Mit anderen Worten kann ein Elektronenstrahl in dem in einem Leistungsbereich von ungefähr 10 kW bis ungefähr 800 kW bereitgestellt sein oder werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine direkt beheizte Kathodenanordnung bereitgestellt, durch welches im Vergleich zum indirekten Heizprinzip eine der sonst drei Hochspannungszuleitungen (z.B. eine Stoßstromversorgung) eingespart wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der mittels der Elektronenstrahlquelle bzw. deren (z.B. direkt beheizten) Kathodenanordnung zumindest eines von Folgendem verringert oder vermieden werden:

a) Eine Emission von Elektronen aus einer der Anode zugewandten Oberfläche. Beispielsweise kann die Emissionsfläche, welche die Elektronen emittiert (d.h. die aktive Emissionsfläche), gegenüber der Anode abgeschirmt und/oder abgedeckt sein.
b) Ein direkter Zerstäubungsangriff auf die aktive Emissionsfläche.
c) Eine Emission von Elektronen auf der Außenseite der Kathodenanordnung. Mit anderen Worten kann eine Emission von Elektronen aus einer dem Emissionsbereich abgewandten Oberfläche unterdrückt sein oder werden, z.B. teilweise oder vollständig.

Eine elektrisch wirksame Außenabschirmung (Abschirmung) kann die Emission von Elektronen (den Elektronenaustritt) an der Außenseite der Kathodenanordnung verringern oder verhindern. Mit anderen Worten erfolgt die Emission von Elektronen vornehmlich im Inneren der Kathodenanordnung, z.B. des Kathoden-Rohres. Die Elektronen folgen dem Potenzialgefälle (welches durch das Beschleunigungsfeld bereitgestellt ist) zur Anode und werden in der der Anode zugewandten Öffnung zu einem Strahl (Elektronenstrahl) formiert.
Der Strom an Ionen (lonenstrom), welcher der Elektronenbewegung im Elektronenstrahl entgegen gerichtet ist, passiert die Kathodenanordnung bzw. deren Emissionsfläche zumindest teilweise (d.h. teilweise oder vollständig, z.B. im Wesentlichen vollständig), ohne die Kathode bzw. deren Emissionsfläche zu beaufschlagen und/oder zu zerstäuben.
Optional können die Kathodenanordnung und die Anode beweglich relativ zueinander gelagert sein. Mit anderen Worten können die Kathodenanordnung und/oder die Anode beweglich gelagert sein, z.B. gemeinsam mittels einer Lageranordnung und/oder separat voneinander mittels getrennter Lageranordnungen. Dies ermöglicht es, den Abstand der Kathodenanordnung und der Anode voneinander einzustellen (wird auch als Vario-Kathoden-Prinzip oder Vario-Anoden-Prinzip bezeichnet). Mittels des Abstands der Kathodenanordnung von der Anode kann die Strahlleistung bei gegebener Beschleunigungsspannung angepasst bzw. eingestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlleistung bei gegebener Beschleunigungsspannung mittels der Temperatur der Kathode bzw. deren Emissionsfläche angepasst bzw. eingestellt werden, z.B. indem die Stärke des Heizstroms angepasst bzw. eingestellt wird (Anpassen bzw. Einstellen des Heizstromdurchflusses).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein dornförmiges oder ringförmiges Element (allgemeiner auch als Elektronenverdränger bezeichnet), z.B. auf Kathodenpotenzial, welches konzentrisch in das rohr- bzw. ringförmige Kathodensystem hineinragt bzw. hindurchragt, bereitgestellt und/oder verwendet. Die Materialstärke des Elementes und die Stützung zur Halterung des Elementes können verhindern, dass das Element Temperaturen erreicht, bei denen es durch Elektronenemission zur Strahlformierung beiträgt. Das dorn- bzw. ringförmige Element kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen folgende Funktionen erfüllen: a) Auffangen des rückwärts gerichteten Ionenstroms (d.h. als Opferelement fungieren) und/oder b) eine Veränderung der Potenzialverhältnisse im Strahlerzeugungsbereich (auch als Emissionsbereich bezeichnet), mit der überkreuzte und/oder divergierende Strahlanteile vermieden werden.
Das Element (der Elektronenverdränger) kann beispielsweise Graphit, Molybdän und/oder Wolfram aufweisen oder daraus gebildet sein.
Das Element (der Elektronenverdränger) kann zur Strahlbündelung über die der Anode zugewandte Vorderkante der Kathode in den Strahlerzeugungsbereich hineinragen. Die Position der Vorderkante des Elements kann zu Strahl-Optimierungszwecken veränderbar sein. Das Element kann nachführbar gestaltet sein oder werden, um den durch den Ionenstrom erzeugten Materialabtrag zu kompensieren.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein ringförmiges und/oder rohrförmiges Elements (ringförmiger und/oder rohrförmiger Elektronenverdränger) gegenüber einem Dornelement (d.h. einem Vollmaterial-Elektronenverdränger) einen geringeren (z.B. aufgrund des Materialabtrags durch den Ionenrückstrom bewirkten) Verschleiß aufweisen. Ein großer Anteil der Ionen kann anschaulich das Rohr passieren und kann und an der Rohrrückseite auf das dort optional angeordnete Opferelement (auch als Opferstruktur bezeichnet) treffen.
1A veranschaulicht eine Elektronenstrahlquelle 100a gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten).
Die Kathodenanordnung 102 und die Anode 104 können in einem Abstand voneinander angeordnet sein. Die Kathodenanordnung 102 kann eine Emissionsfläche 102f (z.B. Primäremissionsfläche, z.B. Glühemissionsfläche) aufweisen, welche zum Emittieren 112 von Elektronen in einen Emissionsbereich 113 entlang einer Haupt-Emissionsrichtung 112 eingerichtet ist. Der Emissionsbereich 113 kann anschaulich an die Emissionsfläche 102f angrenzen. Dadurch kann die Querschnittsfläche 113q des Emissionsbereichs 113 von der Emissionsfläche 102f begrenzt werden. Die Haupt-Emissionsrichtung 112 kann mit der Strahlachse einen Haupt-Emissionswinkel 112w einschließen, welcher gleich zu oder kleiner als ungefähr 90° und größer als ungefähr 45° ist, z.B. größer als ungefähr 60°.
Die Austrittsöffnung 106 (veranschaulicht durch Pfeile) kann den Emissionsbereich 113 in Richtung der Anode 104 freilegen. Anschaulich kann der Emissionsbereich 113 den Elektronenstrahl mit Elektronen versorgen.
Die Querschnittsfläche 106q der Austrittsöffnung 106 kann größer, kleiner oder gleich der Querschnittsfläche 113q des Emissionsbereichs 113 sein. Die entsprechende Querschnittsfläche des inneren Bereichs 613k des Hohlraums kann kleiner sein als die Querschnittsfläche 106q der Austrittsöffnung 106 und/oder mit dieser fluchten.
Die Querschnittsfläche 113q des Emissionsbereichs 113 kann die Querschnittsfläche 106q der Austrittsöffnung 106 z.B. überlappen, z.B. auf gegenüberliegenden Seiten (quer zur Strahlachse 111) über die Querschnittsfläche 106q der Austrittsöffnung 106 hinaus stehen. Anschaulich kann der Emissionsbereich 113 optional breiter (quer zur Strahlachse 111 ausgedehnt) sein als die Austrittsöffnung 106.
Die Kathodenanordnung 102 und die Anode 104 können einen Ausbreitungsbereich definieren, z.B. in Form eines Kanals, entlang dessen sich die Elektronen bewegen, d.h. welcher sich entlang der Strahlachse 111 erstreckt. Der Ausbreitungsbereich kann sich durch die Austrittsöffnung 106 hindurch in den Emissionsbereich 113 hinein erstrecken.
Analog dazu kann die Strahlachse 111 einen Rückstrombereich 108 definieren, entlang dessen die Ionen 108, welche entlang des Elektronenstrahls gebildet werden, zu der Kathodenanordnung 102 strömen (d.h. einen Ionenstrom 108i bilden). Der Rückstrombereich 108 kann von der Austrittsöffnung 106 auf deren Querschnittsfläche 106q verringert (eingeengt) sein, so dass die Austrittsöffnung 106 bzw. deren Querschnittsfläche 106q die Querschnittsfläche des Ionenstroms 108i innerhalb des Emissionsbereichs 113 definiert (d.h. auf die Querschnittsfläche 106q der Austrittsöffnung 106 begrenzt). Der Ionenstrom 108i kann sich beispielsweise in dem Elektronenstrahl ausbilden.
Die Emissionsfläche 102f der Kathodenanordnung 102 kann außerhalb des Rückstrombereichs 108 angeordnet sein, welcher sich in die Kathodenanordnung 102 hinein erstreckt.
Die Querschnittsfläche 113q des Emissionsbereichs 113 kann in eine Richtung von der Anode 104 weg (z.B. entgegen der Richtung des Elektronenstrahls, d.h. der Strahlrichtung) zunehmen. Mit anderen Worten kann die Emissionsfläche 102f schräg zu der Strahlachse 111 verlaufen.
Anschaulich kann der Ionenstrom im Wesentlichen die Emissionsfläche passieren ohne mit dieser zu wechselwirken, da die Trajektorien der Ionen (Ionenbahn) auf Grund von deren höherer Masse gegenüber den Elektronen viel weniger abgelenkt werden können als Trajektorien der Elektronen (Elektronenbahnen).
Alternativ kann die Querschnittsfläche 113q des Emissionsbereichs 113 in eine Richtung von der Anode 104 weg (z.B. entgegen der Richtung des Elektronenstrahls, d.h. der Strahlrichtung) abnehmen (vergleiche 10A).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathode 102s einen Elektronenverdränger 102v aufweisen, welcher sich entlang der Strahlachse 111 in den Hohlraum 613 zumindest teilweise (d.h. teilweise oder vollständig) hinein erstreckt, z.B. in dessen inneren Bereich 613k. Der Elektronenverdränger 102v kann die Form eines Dorns aufweisen, welcher optional innen hohl sein kann. Der Elektronenverdränger 102v kann beispielsweise verschiebbar gelagert sein oder werden, so dass sein Abstand zur Anode bzw. seine Lage relativ zur Emissionsfläche eingestellt und/oder geregelt werden kann. Beispielsweise kann das Verschieben des Elektronenverdrängers 102v mittels einer Stellvorrichtung erfolgen, wie später genauer beschrieben wird. Die Stellvorrichtung kann beispielsweise einen Antrieb und/oder eine Stellschraube aufweisen, deren Betätigung eine Verschiebung des Elektronenverdrängers 102v bewirkt.
1B veranschaulicht eine Elektronenstrahlquelle 100b gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten).
Die Emissionsfläche 102f der Kathodenanordnung 102 kann mittels einer Kathode 102s bereitgestellt sein oder werden. Die Kathode 102s kann verschiedene Geometrien aufweisen, z.B. rohrförmig, ringförmig, spiralförmig, C-förmig, usw. Die Geometrie der Kathode 102s kann die Geometrie der Emissionsfläche 102f definieren.
Die Kathode 102s bzw. die Emissionsfläche 102f kann einstückig (d.h. monolithisch) sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Kathode 102s bzw. die Emissionsfläche 102f segmentiert sein.
Die Emissionsfläche 102f kann mehrere Emissionsflächenabschnitte aufweisen, von denen zumindest zwei Emissionsflächenabschnitte 102a, 102b den Emissionsbereich auf gegenüberliegenden Seiten (z.B. quer zur Strahlachse 111) begrenzen. Die mehreren Emissionsflächenabschnitte können aneinandergrenzen (z.B. wenn die Emissionsfläche 102f einstückig ist) oder paarweise (d.h. jeweils einander benachbarte Emissionsflächenabschnitte) einen Abstand voneinander aufweisen. Die Emissionsflächenabschnitte können beispielsweise von einzelnen Segmenten der Kathode 102s bereitgestellt sein oder werden. Optional können die Segmente der Kathode 102s elektrisch miteinander gekoppelt sein, so dass ein Strompfad bereitgestellt wird, welcher durch diese hindurch verläuft.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Emissionsfläche 102f als (z.B. geschlossene) Mantelfläche der Innenseite der Kathode 102s bereitgestellt sein oder werden.
Wie in 1B veranschaulicht ist, kann die Emissionsfläche 102f (bzw. können deren Emissionsflächenabschnitte) parallel zur Strahlachse ausgerichtet sein. Alternativ kann die Emissionsfläche 102f (bzw. können deren Emissionsflächenabschnitte) in einem Winkel 102w (Emissionsflächenwinkel) zu der Strahlachse verlaufen (vergleiche 1A).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Anode 104 entlang der Strahlachse 111 von einer Öffnung durchdrungen sein. Mit anderen Worten kann die Anode 104 als Hohlanode ausgebildet sein. Die Öffnung 104o der Anode 104 (Anodenöffnung 104o) kann eine Querschnittsfläche 104q aufweisen, welche kleiner ist als die Querschnittsfläche 113q des Emissionsbereichs 113 und/oder kleiner als die Querschnittsfläche 106q der Austrittsöffnung 106. Alternativ oder zusätzlich kann die Öffnung 104o der Anode 104 (Anodenöffnung 104o) eine Querschnittsfläche 104q aufweisen, welche größer ist als die Querschnittsfläche 113q des Emissionsbereichs 113 und/oder kleiner als die Querschnittsfläche 106q der Austrittsöffnung 106 (vergleiche 10A).
Die Austrittsöffnung 106 und die Anodenöffnung 104o können miteinander fluchten, z.B. entlang der Strahlachse 111. Optional können die Austrittsöffnung 106 und die Anodenöffnung 104o konzentrisch angeordnet sein.
Die Kathode 102s kann einen Hohlraum 613 aufweisen, welcher die Kathode 102s entlang der Strahlachse 111 durchdringt. Die eine Emissionsfläche 102f kann den Hohlraum 613 quer zur Strahlachse 111 begrenzen, z.B. vollständig. Ferner kann die Kathode 102s eine Stirnfläche 102q aufweisen, welche der Anode 104 zugewandt ist. Die Emissionsfläche 102f kann optional gleich der oder größer als die Stirnfläche 102q ausgebildet sein, z.B. gleich wie oder mehr als doppelt so groß wie die Stirnfläche 102q, z.B. gleich wie oder mehr als dreifach der Stirnfläche 102q sein, z.B. gleich wie oder mehr als vierfach der Stirnfläche 102q, z.B. gleich wie oder mehr als fünffach der Stirnfläche 102q, z.B. gleich wie oder mehr als sechsfach der Stirnfläche 102q, z.B. gleich wie oder mehr als zehnfach der Stirnfläche 102q.
Die Emissionsfläche 102f kann optional eine größere Elektronen-Emission (z.B. pro Fläche und/oder pro Zeit) bewirken als die Stirnfläche 102q.
Anschaulich kann die Querschnittsfläche 613q des Hohlraums 613 quer zur Strahlachse 111 derart groß ausgebildet sein, dass sich die Emissionsfläche 102f im Wesentlichen außerhalb des Ionenstroms 108i befindet (vergleiche 1A). Die entsprechende Querschnittsfläche des inneren Bereichs 613k des Hohlraums kann kleiner sein als die gesamte Querschnittsfläche 613q des Hohlraums, z.B. eine Untermenge davon.
2A veranschaulicht eine Elektronenstrahlquelle 200a gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten).
Die Elektronenstrahlquelle 200a kann eine Energieversorgung 202 aufweisen, welche eine elektrische Energiequelle 202u und eine elektrische Energieleitung 202l aufweisen kann. Die elektrische Energiequelle 202u kann mittels der elektrischen Energieleitung 202l (aufweisend z.B. Hochspannungszuleitungen) mit der Kathodenanordnung 102 und/oder der Anode 104 elektrisch leitend verbunden sein. Ist die elektrische Energiequelle 202u nicht mittels der elektrischen Energieleitung 202l mit der Anode 104 verbunden, können die Anode 104 und die elektrische Energiequelle 202u auch über elektrische Masse miteinander elektrisch gekoppelt sein (d.h. indirekt). Alternativ kann die Energieversorgung 202 (bzw. können die elektrische Energiequelle 202u und die elektrische Energieleitung 202l) die Kathodenanordnung 102 und die Anode 104 elektrisch miteinander koppeln (d.h. direkt).
Zwischen der Kathodenanordnung 102 und der Anode 104 kann zum Betrieb der Elektronenstrahlquelle 200a mittels der Energieversorgung 202 eine elektrische Beschleunigungsspannung bereitgestellt sein oder werden. Dadurch kann zwischen der Kathodenanordnung 102 und der Anode 104 ein elektrisches Feld (Beschleunigungsfeld) ausgebildet sein oder werden, welches die Elektronen aus dem Emissionsbereich 113 in Richtung der Anode 104 beschleunigt und zu einem Strahl (Elektronenstrahl) mit einem Elektronenstrahlstrom 211 entlang der Strahlachse 111 formiert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger 102v um eine Strecke 111d (z.B. parallel zu Strahlachse 111) in den Hohlraum 613 (bzw. den Emissionsbereich 113) hinein und/oder heraus verschiebbar sein. Die Strecke 111d kann größer sein als eine Ausdehnung des Hohlraums 613 (bzw. des Emissionsbereichs 113) parallel zu der Strecke 111d.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle 200a eine Kopplungsstruktur 302k aufweisen, welche den Elektronenverdränger 102v und die Emissionsfläche 102f elektrisch leitfähig miteinander koppelt. Damit kann erreicht werden, dass dem Elektronenverdränger 102v und der Emissionsfläche 102f dasselbe elektrische Potential (Kathodenpotential) bereitgestellt ist. Beispielsweise kann die Kopplungsstruktur 302k eine elektrische Energieleitung 202l aufweisen oder daraus gebildet sein und/oder eine monolithische metallische Verbindung des Elektronenverdrängers 102v mit der Emissionsfläche 102f bereitstellen.
Optional kann die Elektronenstrahlquelle 200a eine Steuerung 208 aufweisen, welche eingerichtet sein kann, das Verschieben des Elektronenverdrängers 102v zu steuern und/oder zu regeln. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 208 eingerichtet sein, eine elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Elektronenverdränger 102v und der Emissionsfläche 102f zu steuern und/oder zu regeln, z.B. mittels einer Spannungsquelle und/oder eines stellbaren elektrischen Widerstandes.
Optional kann die Kopplungsstruktur 302k dem Elektronenverdränger 102v eine größere Wärmeverlustleistung bereitstellen als der Emissionsfläche 102f. Anschaulich kann die Kopplungsstruktur 302k gegenüber dem Elektronenverdränger 102v eine größere Kühlwirkung entfalten als gegenüber der Emissionsfläche 102f. Damit kann erreicht werden, dass der Elektronenverdränger 102v seine Emissionstemperatur, bei welcher dieser beginnt, Elektronen zu emittieren, nicht erreicht. Beispielsweise kann ein Verhältnis der elektrischen Potentiale des Elektronenverdrängers 102v und der Emissionsfläche 102f kleiner sein als ein Verhältnis der Temperaturen des Elektronenverdrängers 102v und der Emissionsfläche 102f. Die Temperatur des Elektronenverdrängers 102v im Betrieb der Elektronenstrahlquelle 200a kann sich aus einem Gleichgewicht zwischen diesem zugeführter Wärmeleistung und diesem entzogener Wärmeleistung ergeben. Mittels Wärmestrahlung von der Emissionsfläche 102f kann dem Elektronenverdränger 102v Wärmeleistung zugeführt werden. Mittels der Kopplungsstruktur 302k kann dem Elektronenverdränger 102v Wärmeleistung wieder entzogen (auch als Wärmeverlustleistung bezeichnet) werden.
2B veranschaulicht eine Elektronenstrahlquelle 200b gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten).
Die Elektronenstrahlquelle 200b kann eine Heizvorrichtung 212 aufweisen, welche eine elektrische Energiequelle 212u und eine elektrische Energieleitung 212l aufweisen kann. Die elektrische Energiequelle 212u kann mittels der elektrischen Energieleitung 212l (aufweisend z.B. Hochspannungszuleitungen) mit einer (elektrothermischen) Wandleranordnung 212w elektrisch leitend verbunden sein. Die Wandleranordnung 112w kann z.B. mittels der Kathode 102s und/oder mittels einer Strahlungsquelle 212s bereitgestellt sein oder werden. Die Wandleranordnung 112w kann eingerichtet sein, elektrische Energie (elektrische Heizenergie) in thermische Energie umzuwandeln (elektrothermische Wandlung).
Beispielsweise kann elektrische Energie in Form eines elektrischen Stroms (Heizstrom) entlang eines Strompfades durch die Kathode 102s hindurch geführt werden, so dass der Heizstrom dissipativ in thermische Energie übergeht.
Alternativ oder zusätzlich kann der elektrische Strom (Heizstrom) der Strahlungsquelle 212s zugeführt werden, welche diesen zumindest teilweise in Strahlung, z.B. Elektronenstrahlung und/oder Wärmestrahlung umwandelt. Die Energie der Strahlung kann beim Auftreffen auf die Kathode 102s dissipativ in thermische Energie übergehen. Den Elektronen der Elektronenstrahlung kann kinetische Energie zugeführt werden, z.B. indem mittels der Energiequelle 212u zwischen der Strahlungsquelle 212s und der Kathode 102s ein elektrisches Feld erzeugt wird, in dem die Elektronen der Elektronenstrahlung beschleunigt werden.
Zwischen den Anschlüssen der Heizvorrichtung 212 kann zum Betrieb der Elektronenstrahlquelle 200b eine elektrische Heizspannung bereitgestellt sein oder werden, welche den elektrischen Heizstrom ergibt. Beispielsweise kann die elektrische Heizspannung an Strahlungsquelle 212s anliegen. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Heizspannung an der Kathode 102s anliegen. Zwischen der Strahlungsquelle 212s und der Kathodenanordnung 102 kann eine optionale Heizspannung angelegt sein oder werden, z.B. wenn Elektronenstrahlung zum Heizen verwendet wird.
3A veranschaulicht eine Elektronenstrahlquelle 300a gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten).
Die Elektronenstrahlquelle 300a kann eine Abschirmung 302 aufweisen, welche die Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s umgibt. Die Abschirmung 302 kann eine Außenseite 102e (z.B. eine Außenfläche 102e) der Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s abdecken. Somit kann erreicht werden, dass die Außenseite 102e kaum oder keine Elektronen emittiert (Elektronenaustritt), d.h. anschaulich weniger oder keine Elektronen von der äußeren Oberfläche emittiert und somit auch nicht zur Anode hin beschleunigt werden.
Die Abschirmung 302 kann in Richtung der Anode 104 geöffnet sein, so dass die Austrittsöffnung 106 der Kathodenanordnung 102 in Richtung der Anode 104 freigelegt ist. Mit anderen Worten kann die Abschirmung 302 eine Öffnung aufweisen, welche die Austrittsöffnung 106 der Kathodenanordnung 102 freilegt (z.B. vollständig).
Optional kann sich die Abschirmung 302 zumindest teilweise zwischen der Anode 104 und der Kathodenanordnung 102 erstrecken, z.B. außerhalb der Austrittsöffnung 106.
Die Abschirmung 302 kann die emissionsaktive Oberfläche (Emissionsfläche 102f) der Kathodenanordnung 102 definieren, z.B. begrenzen. Anschaulich kann die Emission von Elektronen mittels der Abschirmung 302 an den Oberflächen der Kathodenanordnung 102 unterdrückt werden, welche mittels der Abschirmung abgedeckt sind. Beispielsweise können die verbleibenden Oberflächen, d.h. die von der Abschirmung 302 freigelegt (nicht abgedeckt) sind, die Emissionsfläche 102f aufweisen oder daraus gebildet sein. Anschaulich kann mittels des elektrischen Abschirmpotentials die Energiebarriere, welche die Elektronen aufbringen müssen, um die Kathodenanordnung 102 zu verlassen, erhöht sein oder werden, so dass möglichst wenige Elektronen die Kathodenanordnung 102 in Richtung der Abschirmung 302 verlassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Abschirmung 302 eine geschlossene (d.h. frei von Durchgangsöffnung) und/oder monolithische Struktur aufweisen. Alternativ kann die Abschirmung 302 eine Durchgangsöffnung oder mehrere Durchgangsöffnungen aufweisen, welche diese z.B. quer zur Strahlachse 111 durchdringen, und/oder segmentiert sein. Beispielsweise kann die Abschirmung 302 ein Netz aufweisen oder daraus gebildet sein.
Ferner kann zwischen der Abschirmung 302 und der Kathodenanordnung 102 (z.B. deren Kathode 102s) ein Spalt gebildet sein, so dass die Abschirmung 302 und die Kathodenanordnung 102 (z.B. deren Kathode 102s) in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Beispielsweise können die Abschirmung 302 und die Kathodenanordnung 102 (z.B. deren Kathode 102s) frei von einem direkten physikalischem Kontakt miteinander sein. Dadurch kann erreicht werden, dass die Abschirmung 302 und die Kathodenanordnung 102 (z.B. deren Kathode 102s) thermisch voneinander entkoppelt sind. Somit kann die Abschirmung 302 z.B. eine Abstrahlung von Wärmestrahlung von der Kathodenanordnung 102 (z.B. deren Kathode 102s) weg, verringern, z.B. wenn die Kathodenanordnung 102 (z.B. deren Kathode 102s) geheizt wird.
Die Abschirmung 302 kann optional mittels einer Kopplungsstruktur 302k mit der Kathodenanordnung 102 elektrisch (z.B. leitfähig) gekoppelt und/oder mechanisch gekuppelt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Abschirmung 302 mittels der Kopplungsstruktur 302k mit dem Elektronenverdränger 102v elektrisch (z.B. leitfähig) gekoppelt und/oder mechanisch gekuppelt sein.
3B veranschaulicht eine Elektronenstrahlquelle 300b gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten).
Die Kathodenanordnung 102 kann eine Strahlbündelungselektrode 304 aufweisen. Die Strahlbündelungselektrode 304 kann entlang der Strahlachse 111 von einer Öffnung (Strahlbündelungsöffnung) durchdrungen sein, welche eine Querschnittsfläche (quer zur Strahlachse 111) aufweist. Die Öffnung der Strahlbündelungselektrode 304 kann die Austrittsöffnung 106 bilden und die Querschnittsfläche der Strahlbündelungsöffnung kann die Querschnittsfläche 106q der Austrittsöffnung 106 definieren.
Der Elektronenstrahl kann eine Ausdehnung (z.B. Durchmesser) quer zur Strahlachse 111 aufweisen, welche kleiner ist als die Austrittsöffnung 106.
Die Querschnittsfläche der Strahlbündelungsöffnung kann gleich, größer und/oder kleiner der Querschnittsfläche 113q des Emissionsbereichs 113 sein.
Die Strahlbündelungsöffnung und die Anodenöffnung 104o können miteinander fluchten, z.B. entlang der Strahlachse 111. Optional können die Strahlbündelungsöffnung und die Anodenöffnung 104o konzentrisch angeordnet sein.
4A veranschaulicht eine Elektronenstrahlquelle 400a gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten).
Die Kathodenanordnung 102 kann eine Rückseitenöffnung 116 aufweisen, welche eine Querschnittsfläche (quer zur Strahlachse 111) aufweist. Die Querschnittsfläche der Rückseitenöffnung 116 kann gleich oder größer der Querschnittsfläche 106q der Austrittsöffnung sein.
Optional kann der Elektronenverdränger 102v eine Öffnung 116d aufweisen, welche diesen entlang der Strahlachse 111 durchdringt (auch als Durchgangsöffnung 116d bezeichnet). Die Durchgangsöffnung 116d kann Teil der Rückseitenöffnung 116 sein. Beispielsweise kann die Strahlachse 111 in der Durchgangsöffnung 116d des Elektronenverdränger 102v angeordnet sein.
Die Austrittsöffnung 106, die Durchgangsöffnung 116d und/oder die Rückseitenöffnung 116 können miteinander fluchten, z.B. entlang der Strahlachse 111. Optional können die Austrittsöffnung 106, die Durchgangsöffnung 116d und/oder die Rückseitenöffnung 116 konzentrisch angeordnet sein.
Die Rückseitenöffnung 116 oder zumindest die Durchgangsöffnung 116d kann mittels einer Opferstruktur 402 abgedeckt sein oder werden. In dem Fall kann die Opferstruktur 402 beispielsweise außerhalb des Hohlraums 613 angeordnet sein und/oder der Elektronenverdränger 102v kann zwischen der Austrittsöffnung 106 und der Opferstruktur 402 angeordnet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Opferstruktur 402 oder zumindest ein Teil dieser auf einer Seite des Elektronenverdrängers 102v angeordnet sein, welcher der Austrittsöffnung 106 zugewandt ist (z.B. stirnseitig). Beispielsweise kann der Elektronenverdränger 102v die Opferstruktur 402 aufweisen oder daraus gebildet sein. In dem Fall kann die Opferstruktur 402 beispielsweise in dem Hohlraum angeordnet sein.
Die Opferstruktur 402 kann anschaulich zum Absorbieren von Ionen eingerichtet sein, z.B. unter anschaulich möglichst geringer Zerstäubung. Anschaulich kann die Opferstruktur 402 ein möglichst zerstäubungsresistentes Material (auch als Opfermaterial bezeichnet) aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. ein Nitrid, ein Borid und/oder ein Karbid. Alternativ oder zusätzlich kann die Opferstruktur 402 Kohlenstoff in einer Kohlenstoffmodifikation aufweisen oder daraus gebildet sein, zum Beispiel in Form von Graphit.
Beispielsweise kann der Elektronenverdränger 102v das Opfermaterial aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. Graphit.
4B veranschaulicht eine Elektronenstrahlquelle 400b gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten).
Die Strahlbündelungselektrode 304 kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen an der Abschirmung 302 befestigt sein. Optional können die Abschirmung 302 und die Strahlbündelungselektrode 304 elektrisch leitend miteinander gekoppelt sein, z.B. derart, dass diese ein gemeinsames elektrisches Potential aufweisen. Somit kann eine zusätzliche Energieleitung für die Strahlbündelungselektrode 304 oder die Abschirmung 302 eingespart werden.
5A veranschaulicht eine Elektronenstrahlquelle 500a gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten).
Die Kopplungsstruktur 302k, welche die Kathodenanordnung 102 mit der Abschirmung 302 elektrisch koppelt und/oder mechanisch kuppelt, kann z.B. ringförmig sein und/oder segmentiert. Die Kopplungsstruktur 302k kann an einem der Anode 104 gegenüberliegenden Endabschnitt der Kathodenanordnung 102 (z.B. deren Kathode 102s) anliegen, z.B. in diesen formschlüssig hineingreifen. Beispielsweise können die Kathodenanordnung 102 (z.B. deren Kathode 102s) und die Kopplungsstruktur 302k ineinander gesteckt sein.
Die Opferstruktur 402 kann beispielsweise eine Scheibe und/oder einen Klotz aufweisen oder daraus gebildet sein.
Die Elektronenstrahlquelle 500a kann einen Radialabschnitt 102r aufweisen, welcher sich von der Strahlachse 111 weg erstreckt, z.B. senkrecht zu dieser. Der Radialabschnitt 102r kann an der Kathodenanordnung 102 (z.B. deren Kathode 102s) befestigt sein oder mit dieser verbunden sein (z.B. monolithisch). Alternativ kann der Radialabschnitt 102r Teil einer Haltevorrichtung zum Halten der Kathodenanordnung 102 sein.
Der Radialabschnitt 102r kann eine oder mehrere Durchgangsöffnungen 102o aufweisen (welche diesen z.B. entlang der Strahlachse 111 durchdringen). Durch die Durchgangsöffnungen 102o hindurch kann die Abschirmung 302 erstreckt und/oder abgestützt sein, z.B. ohne den Radialabschnitt 102r direkt physikalisch zu kontaktieren. Dadurch können der Radialabschnitt 102r und die Abschirmung 302 thermisch und/oder elektrisch voneinander entkoppelt sein. Beispielsweise kann zwischen dem Radialabschnitt 102r und der Abschirmung 302 in den Durchgangsöffnungen 102o ein Ringspalt gebildet sein, welcher optional zumindest teilweise mit einem elektrisch und/oder thermisch isolierenden Material gefüllt sein kann. Das elektrisch und/oder thermisch isolierende Material kann ermöglichen, die Abschirmung 302 in den Durchgangsöffnungen 102o abzustützen und kann optional Teil der Kopplungsstruktur 302k sein.
Alternativ kann die Abschirmung 302 mittels einer Haltevorrichtung abgestützt sein und die Kathodenanordnung 102 an ihrem der Anode 104 zugewandten Endabschnitt an der Abschirmung 302 abgestützt sein, z.B. in den Durchgangsöffnungen 102o. Es können auch andere Varianten verwendet werden um die Bestandteile der Kathodenanordnung 102 in einer definierten Lage relativ zueinander zu halten (zu lagern).
5B veranschaulicht eine Elektronenkanone 500b gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten).
Die Elektronenkanone 500b kann eine Elektronenstrahlquelle 502 aufweisen, und eine Vakuumkammer 504 (auch als Strahlerzeugungskammer 504 bezeichnet) in der die Elektronenstrahlquelle 502 angeordnet ist. Die Strahlerzeugungskammer 504 kann eine Öffnung 504o (Kammeröffnung 504o) aufweisen, z.B. deren Querschnittsfläche (quer zur Strahlachse 111) im Wesentlichen der Querschnittsfläche der Anodenöffnung 104o der Elektronenstrahlquelle 502 entspricht oder größer ist, so dass der Elektronenstrahl die Kammeröffnung 504o passieren kann. Mit anderen Worten kann die Strahlerzeugungskammer 504 in ihrer Kammerwand entlang der Strahlachse 111 von einer Kammeröffnung 504o durchdrungen sein.
Die Kammeröffnung 504o und die Anodenöffnung 104o können miteinander fluchten, z.B. entlang der Strahlachse 111. Optional können die Austrittsöffnung 106 und die Anodenöffnung 104o konzentrisch angeordnet sein.
Die Elektronenstrahlquelle 502 kann analog zu der Elektronenstrahlquelle 100a eingerichtet sein, und/oder ähnlich zu einer anderen hierin beschriebenen Elektronenstrahlquelle eingerichtet sein, z.B. ähnlich zu der Elektronenstrahlquelle 500a. Die Elektronenstrahlquelle 502 kann einen Elektronenstrahl 502e in Richtung der Kammeröffnung 504o emittieren, z.B. durch die Kammeröffnung 504o hindurch.
Die Elektronenkanone 500b kann ferner eine Ablenkanordnung 506 aufweisen, welche eingerichtet ist den Elektronenstrahl 502e gemäß einem oder mehrerer Ablenkparameter abzulenken. Dazu kann die Ablenkanordnung 506 eingerichtet sein, gemäß dem einen oder der mehreren Ablenkparameter ein elektrisches und/oder magnetisches Feld zu erzeugen welches mit dem Elektronenstrahl 502e wechselwirkt.
Der abgelenkte Elektronenstrahl 512e kann sich in einem Winkel zu der Strahlachse 111 ausbreiten. Beispielsweise kann der Winkel einen Wert in einem Bereich von ungefähr 0° bis ungefähr 45°. Je nach Anforderung kann der Elektronenstrahl 502e auch in einem anderen Winkel abgelenkt werden.
Optional kann die Elektronenkanone 500b eine weitere Vakuumkammer 508 (auch als Ablenkkammer 508 bezeichnet) aufweisen, in welcher die Ablenkanordnung 506 angeordnet ist. Die Ablenkkammer 508 kann an die Strahlerzeugungskammer 504 angrenzen und/oder diese zumindest teilweise umgeben. Die Ablenkkammer 508 kann eine Kammeröffnung 508o aufweisen, welche an die Ablenkanordnung 506 angepasst ist, so dass der Winkelbereich, in dem die Ablenkanordnung 506 den Elektronenstrahl 502e ablenken kann, von der Kammeröffnung 508o der Ablenkkammer 508 überspannt wird.
6A veranschaulicht eine Prozessieranordnung 600a gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten).
Die Prozessieranordnung 600a kann eine Prozessierkammer 612 aufweisen, in der ein Prozessierbereich 611 bereitgestellt sein kann. Die Prozessierkammer 612 kann als Vakuumkammer eingerichtet sein, d.h. dass darin ein Vakuum erzeugt werden kann. Ferner kann die Prozessieranordnung 600a eine Elektronenstrahlquelle 502 aufweisen, welche einen Elektronenstrahl 502e in Richtung des Prozessierbereichs 611 emittieren kann.
Alternativ oder zusätzlich kann die Prozessieranordnung 600a eine Elektronenkanone 500b aufweisen, welche z.B. die Elektronenstrahlquelle 502 aufweisen kann. Beispielsweise kann die Prozessieranordnung 600a mehr als eine Elektronenkanone 500b und/oder Elektronenstrahlquelle 502 aufweisen.
6B veranschaulicht eine Elektronenstrahlquelle 600b gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten).
Die Elektronenstrahlquelle 600b kann eine Hohlraumkathode 102s (Hohlkathode 102s) aufweisen. Die Hohlraumkathode 102s kann eine Hohlraumöffnung 602r aufweisen, d.h. einen Hohlraum 613 welcher zumindest in eine Richtung geöffnet ist. Der Hohlraum 613 kann in Richtung der Anode 604 geöffnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum 613 auf einer der Anode 104 gegenüberliegenden Seite (Rückseite) verschlossen sein (einseitige Hohlraumöffnung 602r). Dann kann die Elektronenstrahlquelle 600b ein Wandelement 602w aufweisen, welche die Rückseite der Hohlraumkathode 102s verschließt.
Das Wandelement 602w kann beispielsweise eine Opferstruktur 402 (vergleiche 4A) aufweisen oder daraus gebildet sein, wie vorangehend beschrieben ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Wandelement 602w Teil einer Abschirmung 302 sein, wie vorangehend beschrieben ist.
Alternativ kann der Hohlraum 613 auf einer der Anode 104 gegenüberliegenden Seite (Rückseite) geöffnet sein (zweitseitige Hohlraumöffnung 602r). Mit anderen Worten kann der Hohlraum 613 die Hohlraumkathode 102s durchdringen, z.B. entlang der Strahlachse 111.
Die Hohlraumkathode 102s kann zum Erzeugen eines Elektronenstrahls 502e in eine Richtung der Hohlraumöffnung 602r verwendet werden. Mit anderen Worten kann der Elektronenstrahl 502e sich in eine Richtung von der Hohlraumkathode 102s weg ausbreiten, in welche die Hohlraumkathode 102s geöffnet ist. Die Austrittsöffnung 106 kann durch die Hohlraumöffnung 602r bereitgestellt sein oder werden, welche in Richtung der Anode 104 ausgerichtet ist.
Der Hohlraum 613 kann eine Querschnittsfläche 613q quer zur Strahlachse 111 aufweisen, welche gleich oder größer der Querschnittsfläche 106q der Austrittsöffnung 106 ist.
In der Hohlraumöffnung 602r bzw. dem Hohlraum 613 kann der Emissionsbereich bereitgestellt sein. Mit anderen Worten kann der Hohlraum 613 von einer Emissionsfläche umgeben, z.B. begrenzt, sein oder werden, welche von einer Kathode 102s (Hohlraumkathode) bereitgestellt ist. Der Hohlraum 613 kann sich entlang der Strahlachse 111 von der Austrittsöffnung 106 aus an der Kathode 102s vorbei oder in die Kathode 102s hinein erstreckt.
Die Strahlbündelungselektrode 304 (kann auch als Fokussierelektrode 304 bezeichnet werden, vergleiche 3B 5A) kann eine Öffnung mit einem Querschnitt aufweisen, welcher größer ist als ein Querschnitt der Hohlraumöffnung 602r.
7A, 7B und 7C veranschaulichen jeweils eine Kathodenanordnung 102 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in verschiedenen Ansichten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s eine Öffnungsstruktur 702 aufweisen (z.B. Spalten oder Schlitze). Die Öffnungsstruktur 702 kann eine Öffnung 702 oder mehrere Öffnungen 702, z.B. optional zusätzlich weitere Öffnungen 702o, aufweisen, welche sich von der Emissionsfläche (in der Ansicht verdeckt) aus (bzw. von dem Emissionsbereich 113 aus) durch die Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s hindurch erstrecken.
Die Öffnungen 702, 702o der Öffnungsstruktur 702 können einen Strompfad 702p definieren, welcher um den Emissionsbereich herum verläuft, zum Heizen der Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s mittels eines elektrischen Stroms (welcher entlang des Strompfads 702p fließt). Der Strompfad 702p kann zwischen zwei Kontaktbereichen der Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s verlaufen, in denen die Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s mittels einer Energieversorgung elektrisch kontaktiert ist.
Die Öffnung(en) 702, 702o der Öffnungsstruktur 702 kann/können sich z.B. quer zur Strahlachse 111 teilweise (z.B. zu einem Großteil) durch die Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s hindurch erstrecken, wie in 7A in einer Seitenansicht (z.B. quer zur Strahlachse 111) veranschaulicht ist. Anschaulich kann die Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s mehrere ringförmige Abschnitte (Ringstruktur) oder rohrförmige Abschnitte (Rohrstruktur) aufweisen, welche paarweise mittels eines Stegs miteinander verbunden sind.
Alternativ oder zusätzlich kann/können sich die Öffnung(en) 702, 702o der Öffnungsstruktur 702 z.B. entlang der Strahlachse 111 zumindest teilweise (d.h. teilweise oder vollständig) durch die Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s hindurch erstrecken, wie in 7B in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. quer zur Strahlachse 111 geschnitten) veranschaulicht ist. Die Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s kann anschaulich als geschlitzte Ringstruktur oder Rohrstruktur ausgebildet sein.
Alternativ kann/können sich die Öffnung(en) 702, 702o der Öffnungsstruktur 702 z.B. quer zu der Strahlachse 111 spiralförmig zumindest teilweise durch die Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s hindurch erstrecken, wie in 7C in einer perspektivischen Ansicht veranschaulicht ist. Die Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s kann dann anschaulich spiralförmig ausgebildet sein.
8A veranschaulicht eine Kathodenanordnung 102 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten), z.B. die in 7C veranschaulichte Kathodenanordnung 102, wobei die Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s eine (z.B. entlang einer Rohrform) einlagig gewickelte Spule aufweisen oder daraus gebildet sein kann. Mit anderen Worten kann die Kathodenanordnung 102 bzw. deren Kathode 102s einen spiralförmigen Leiter 802 (z.B. ein Draht) aufweisen. Der Strompfad kann (spiralförmig) entlang der Wicklung der Spule erstreckt sein. Der Leiter 802 kann einen eckigen Querschnitt aufweisen, z.B. in Form eines Flachdrahts. Alternativ kann der Leiter 802 einen runden Querschnitt aufweisen.
8B veranschaulicht eine Prozessieranordnung 800b gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Prozessieranordnung 800b (Elektronenstrahlprozessanordnung) eine Vakuumkammer 612 (Prozessierkammer 612) aufweisen, in welcher mehrere Auftreffbereiche 808a, 808b angeordnet sind. Ferner kann die Prozessieranordnung 800b mindestens eine Elektronenstrahlquelle 502 aufweisen, welche eingerichtet ist, einen Prozessierbereich 611 oder ein darin angeordnetes Target 810 zu bestrahlen, z.B. zu erwärmen und/oder zu verdampfen, zu schmelzen und/oder zu sublimieren.
Ferner kann die Prozessieranordnung 800b eine Ablenkanordnung 506 aufweisen, welche mit der Elektronenstrahlquelle 502 gekoppelt sein kann. Die Elektronenstrahlquelle 502 und die Ablenkanordnung 506 können derart eingerichtet sein, dass der Elektronenstrahl 512e, 522e in verschiedene Bereiche 808a, 808b (Auftreffbereiche) in der Vakuumkammer 612 abgelenkt werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann in einer Vakuumkammer, z.B. der Prozessierkammer 612 und/oder einer Kammer des Kammersystems (z.B. der Strahlerzeugungskammer 504 und/oder der Ablenkkammer 508), ein Vakuum im Bereich des Hochvakuums oder des Ultrahochvakuums bereitgestellt sein oder werden. Dabei kann das Vakuum mittels einer Vakuumpumpenanordnung bereitgestellt werden (nicht dargestellt), wobei die Vakuumpumpenanordnung beispielsweise mindestens eine Hochvakuumpumpe (z.B. eine Turbomolekularpumpe) aufweisen kann.
Die Ablenkanordnung 506 kann neben den Elementen zur Strahlablenkung eine elektronenoptische Linse aufweisen, um den Elektronenstrahl 512e, 522e auf den jeweiligen Auftreffbereich 808a, 808b zu bündeln. Beispielsweise kann die Ablenkanordnung 506 eine oder mehrerer Spulen zum Erzeugen eines Magnetfeldes aufweisen und kann zusätzlich ein computergestütztes oder computerbasiertes Strahlführungssystem aufweisen, wobei das computergestützte oder computerbasierte Strahlführungssystem beispielsweise Ablenkparameter für die Ablenkanordnung 506 zum Ablenken des Elektronenstrahls 512e, 522e bereitstellen kann, so dass mittels der Ablenkanordnung 506 der Elektronenstrahl 512e, 522e entsprechend in der Prozessierkammer 612 abgelenkt werden kann.
Wie in 8B veranschaulicht ist, kann der Elektronenstrahl 512e in einem ersten Betriebsmodus gemäß einem ersten Ablenkparametersatz (aufweisend mehrere Ablenkparameter) in einen ersten Bereich 808a (erster Auftreffbereich 808a) in der Prozessierkammer 612 abgelenkt sein (auftreffen) oder werden. Ferner kann der Elektronenstrahl 522e in einem zweiten Betriebsmodus gemäß einem zweiten Ablenkparametersatz in einen zweiten Bereich 808b (zweiter Auftreffbereich 808b) in der Prozessierkammer 612 abgelenkt sein (auftreffen) oder werden.
9 veranschaulicht eine Elektronenstrahlquelle 900 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. entlang der Strahlachse 111 geschnitten).
Zwischen der Kathode 102s und der Anode 104 kann die Beschleunigungsspannung U_B bereitgestellt sein oder werden, z.B. mittels der Energieversorgung 202. Zwischen der Kathode 102s und der Strahlbündelungselektrode 304 kann eine Strahlfokussierspannung U_K bereitgestellt sein oder werden, z.B. mittels der Energieversorgung 202 und/oder mittels deren Haltestruktur. Zwischen zwei Anschlussbereichen der Kathode 102s kann eine Heizspannung U_H bereitgestellt sein oder werden, z.B. mittels der Heizvorrichtung 212.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Emissionsfläche 102f und der Elektronenverdränger 102v der Kathode 102s potentialausgleichend miteinander gekoppelt sein. Damit kann erreicht werden, dass der Elektronenverdränger 102v und die Emissionsfläche 102f auf einem gemeinsamen Kathodenpotential liegen.
10A veranschaulicht eine Elektronenstrahlquelle 1000a gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht.
Die Kathodenanordnung 102 kann eine Emissionsfläche 102f (z.B. Primäremissionsfläche, z.B. Glühemissionsfläche) aufweisen, welche zum Emittieren 112 von Elektronen in einen Emissionsbereich 113 entlang einer Haupt-Emissionsrichtung 112 eingerichtet ist. Der Emissionsbereich 113 kann anschaulich an die Emissionsfläche 102f angrenzen. Dadurch kann die Querschnittsfläche 113q des Emissionsbereichs 113 von der Emissionsfläche 102f begrenzt werden. Die Haupt-Emissionsrichtung 112 kann mit der Strahlachse einen Haupt-Emissionswinkel 112w einschließen, welcher gleich zu oder kleiner als ungefähr 90° und größer als ungefähr 45° ist, z.B. größer als ungefähr 60°.
10B veranschaulicht eine Kathode 102s gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Flächen-Auffaltung 1000b, 1000c, wobei in 1000b die Stirnfläche 102q in Draufsicht oder Querschnittsansicht und in 1000c die Emissionsfläche 102f veranschaulicht ist.
Die Größe der Stirnfläche 102q kann von der Differenz einer Querschnittsfläche 1002 der Kathode 102s (Außenquerschnittsfläche 1002) und der Querschnittsfläche 1008 (Innenquerschnittsfläche 1008) des Hohlraums 613 an der Hohlraumöffnung 602r (bzw. an der Stirnfläche 102q) definiert sein. Je kleiner die Außenquerschnittsfläche 1002 und/oder je größer die Innenquerschnittsfläche 1008 ist, desto kleiner kann die Stirnfläche 102q sein.
Die Größe der Emissionsfläche 102f kann von dem Produkt des Umfangs 1004 der Innenquerschnittsfläche 1008 und der Ausdehnung 1006 der Kathode 102 entlang der Strahlachse 111 definiert sein. Je größer die Ausdehnung 1006 der Kathode 102 und/oder die Innenquerschnittsfläche 1008 (bzw. deren Umfang 1004) sind, desto größer kann die Emissionsfläche 102f sein.
Weist die Stirnfläche 102q schräg zu der Strahlachse verlaufende Flächenabschnitte auf, kann die Größe der Stirnfläche 102q von der Differenz (Querschnittsdifferenz) der Außenquerschnittsfläche 1002 und der Innenquerschnittsfläche 1008 definiert sein oder werden. Mit anderen Worten kann die Größe der Stirnfläche 102q von einer Projektion auf eine Fläche quer zur Strahlachse 111 definiert sein.
Beispielsweise kann die Kathode 102s eine Ausdehnung 1006 entlang der Strahlachse 111 aufweisen, welche gleich oder größer als deren Materialstärke 1010 quer zu der Strahlachse 111 ist, z.B. gleich wie oder mehr als doppelt so groß als die Materialstärke 1010, z.B. gleich wie oder mehr als dreifach der Materialstärke 1010, z.B. gleich wie oder mehr als vierfach der Materialstärke 1010, z.B. gleich wie oder mehr als fünffach der Materialstärke 1010, z.B. gleich wie oder mehr als sechsfach der Materialstärke 1010, z.B. gleich wie oder mehr als zehnfach der Materialstärke 1010.
Beispielsweise kann eine Ausdehnung der Innenquerschnittsfläche 1008 (z.B. ein Durchmesser des Hohlraums 613) an einem Abschnitt nahe der Anode in einem Bereich von ungefähr 5 mm bis ungefähr 19 mm liegen, z.B. ungefähr 14 mm sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Ausdehnung der Innenquerschnittsfläche 1008 (z.B. ein Durchmesser des Hohlraums 613) an einem Abschnitt entfernt von der Anode in einem Bereich von ungefähr 14 mm bis ungefähr 25 mm liegen, z.B. ungefähr 19 mm sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Elektronenverdränger 102v in dem Hohlraum 613 (z.B. konzentrisch) angeordnet sein oder sich in diesen hinein erstrecken. Der Elektronenverdränger 102v kann einen Vollstab aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. das Opfermaterial aufweisend oder daraus gebildet. Alternativ kann der Elektronenverdränger 102v ein Rohr aufweisen oder daraus gebildet sein, dessen Durchgangsöffnung auf das Opfermaterial gerichtet ist.
11 veranschaulicht eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Querschnittsfläche 113q des Emissionsbereichs 113 bzw. die Querschnittsfläche 613q des Hohlraums 613 in eine Richtung zur Anode 104 (z.B. parallel zur Strahlachse 111) hin zunehmen.
Der Hohlraum 613 kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen die Form eines stumpfen Körpers aufweisen (wobei die Emissionsfläche entlang der Mantelfläche des stumpfen Körpers verläuft), z.B. eines stumpfen Kegels (Kegelstumpf).
Die Querschnittsfläche des Hohlraums kann kreisförmig sein oder eine andere Form aufweisen (z.B. auch eckig).
Der Emissionsbereich 113 kann in dem Hohlraum 613 angeordnet sein und beispielsweise in dessen Ausdehnung kleiner sein als der Hohlraum 613 (z.B. entlang der Strahlachse 111).
Das Material der Kathode 102s (Kathodenmaterial) kann nach einer vorgegebenen Emissionsfähigkeit für thermische Elektronen ausgewählt sein oder werden. Beispielsweise kann die Kathode 102s bzw. deren Emissionsfläche 102f eine Emissionsfähigkeit aufweisen, welche größer ist als eine Emissionsfähigkeit der Fokussierelektrode 304, der Abschirmung 302, der Opferstruktur 402, der Stirnfläche 102q, der Außenseite der Kathode und/oder der Anode 104. Die Emissionsfähigkeit einer Oberfläche kann größer sein je kleiner eine Austrittsarbeit der Oberfläche ist und/oder je größer eine Temperatur der Oberfläche ist.
Anschaulich können die Kathode 102s und die Anode 104 ähnlich ausgebildet sein, wobei die Anode 104 eine Durchgangsöffnung 104o aufweist, durch welche die Elektronen (in Form eines Elektronenstrahls) hindurchgelangen können, und wobei die Kathode 102s eine Durchgangsöffnung 613 (Hohlraum 613) aufweist, durch welche die Ionen hindurch gelangen können (z.B. in Form eines Ionenstrahls). Die Kathode 102s und die Anode 104 können derart eingerichtet und zueinander ausgerichtet sein, dass die Elektronen durch die Durchgangsöffnung 104o der Anode 104 hindurch geführt werden und die Ionen durch die Durchgangsöffnung 613 der Kathode 102 hindurch geführt werden, z.B. mittels des elektrischen Feldes zwischen der Anode 104 und der Kathode 102s.
Beispielsweise kann die Emissionsfläche 102f außerhalb des Ausbreitungsbereichs der Ionen angeordnet sein (welcher kleiner sein kann als der Ausbreitungsbereich der Elektronen), z.B. zwischen der Stirnfläche und dem Hohlraum. Beispielsweise kann die (z.B. minimale) Querschnittsfläche 613q der Durchgangsöffnung 613 der Kathode 102s größer sein als die Querschnittsfläche des Elektronenstrahls.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich der Elektronenverdränger 102v durch den Hohlraum 613 (z.B. konzentrisch) hindurch erstrecken oder zumindest um eine dazu korrespondierende Strecke 111d verschiebbar sein. Beispielsweise kann sich der Elektronenverdränger 102v von der Opferstruktur 402 weg erstrecken und/oder eine Durchgangsöffnung 116d aufweisen, welche an die Opferstruktur 402 angrenzt und/oder auf die Opferstruktur 402 gerichtet ist.
12A veranschaulicht eine Kathode 102s gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. quer zur Strahlachse 111 geschnitten).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathode 102s zwei elektrische Kontaktstrukturen 102k aufweisen, an denen die Kathode 102s kontaktiert sein oder werden kann. Die elektrischen Kontaktstrukturen 102k können sich z.B. von dem Hohlraum 613 weg erstrecken. Zwischen den zwei elektrischen Kontaktstrukturen 102k kann ein Strompfad 704p durch die Kathode 102s hindurch definiert sein, entlang dessen ein elektrischer Strom durch die Kathode 102s hindurch fließen kann.
12B veranschaulicht eine Kathode 102s gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. quer zur Strahlachse 111 geschnitten).
Die zwei elektrischen Kontaktstrukturen 102k können elektrisch leitend und/oder körperlich, z.B. monolithisch, mit der Kathode verbunden sein.
Beispielsweise kann ein Blech in Form einer Halbschale 1202 gebildet werden, von der sich zwei Anschlussabschnitte der Kontaktstruktur 102k weg erstrecken. Beispielsweise können zwei Halbschalen 1202 mit deren Kontaktstruktur 102k aneinander liegend den Hohlraum 613 bilden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kathode 102s mittels Klemmens, Schraubens oder Steckens kontaktiert werden.
13A und 13B veranschaulichen eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. quer zur Strahlachse 111 geschnitten) in einer ersten Konfiguration 1300a und einer zweiten Konfiguration 1300b. Die dargestellte Ansicht zeigt eine Seite der Elektronenstrahlquelle von der Strahlachse 111 ausgehend, in welcher die Trajektorien 1311 der Elektronen veranschaulicht sind (z.B. analog zu 1A). Die andere Seite der Elektronenstrahlquelle kann beispielsweise ebenso eingerichtet sein (z.B. radialsymmetrisch).
In der ersten Konfiguration 1300a ist ein Abstand des Elektronenverdrängers 102v von der Anode 104 und/oder der Fokussierelektrode 304 größer als in der zweiten Konfiguration 1300b. Mit anderen Worten ist der Elektronenverdränger 102v in der zweiten Konfiguration 1300b weiter in den Hohlraum 613 hinein erstreckt (z.B. um einer Strecke größer) als in der ersten Konfiguration 1300a. Beispielsweise kann der Elektronenverdränger 102v in der ersten Konfiguration 1300a außerhalb des Hohlraums 613 angeordnet sein und/oder in der zweiten Konfiguration 1300b durch den Hohlraum 613 hindurch erstreckt sein. Beispielsweise kann der Elektronenverdränger 102v in der zweiten Konfiguration 1300b an die Durchgangsöffnung der Fokussierelektrode 304 angrenzen.
Je weiter der Elektronenverdränger 102v in den Hohlraum 613 hinein erstreckt ist, desto kleiner kann die Ausbeute an Elektronen im Elektronenstrahl sein und/oder desto kleiner kann eine Divergenz des Elektronenstrahls sein. Die Divergenz kann ein Maß für die gemittelte Winkelabweichung 1301 der Trajektorien der Elektronen, welche sich von der Elektronenstrahlquelle weg ausbreiten, von der Strahlachse 111 sein. Je größer die Divergenz ist, desto mehr Elektronen weisen eine divergente Ausbreitungsrichtung aus und/oder desto divergenter ist die Ausbreitungsrichtung der Elektronen, welche sich von der Elektronenstrahlquelle weg ausbreiten. Die Divergenz repräsentiert anders ausgedrückt die Abnahme der Leistungsdichte (Leistung pro Querschnittsfläche 104q) des Elektronenstrahls mit zunehmendem Abstand von der Elektronenstrahlquelle, d.h. den Gradienten der Leistungsdichte des Elektronenstrahls entlang der Strahlachse (welcher mit zunehmender Divergenz zunimmt).
In der ersten Konfiguration 1300a (anschaulich eine Hochleistungsbetrieb-Konfiguration 1300a) kann anschaulich ein Elektronenstrahl mit einer größeren Divergenz und/oder einer größeren Leistung bereitgestellt werden als in der zweiten Konfiguration 1300b (anschaulich eine Hochkonvergenzbetrieb-Konfiguration 1300a).
Eine ähnliche Wirkung kann hervorgerufen werden, indem das elektrische Potential des Elektronenverdrängers 102v relativ zu der Emissionsfläche 102f verändert wird, z.B. deren Potentialunterschied zueinander. Anschaulich kann damit die Verdrängungswirkung des Elektronenverdrängers 102v verändert werden. Je negativer der Elektronenverdränger 102v geladen ist, desto stärker kann dieser die Elektronen (bzw. deren Trajektorien) aus dem inneren Bereich 613k des Hohlraums 613 verdrängen, was die Divergenz des Elektronenstrahls verringert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann dem Elektronenverdränger 102v in einer dritten Konfiguration ein negativeres elektrisches Potential bereitgestellt sein oder werden als in der zweiten Konfiguration 1300b.
In der dritten Konfiguration (anschaulich eine zusätzliche Hochkonvergenzbetrieb-Konfiguration) kann anschaulich ein Elektronenstrahl mit einer kleineren Divergenz und/oder kleineren Leistung bereitstellt sein oder werden als in der zweiten Konfiguration 1300b. Daher kann bezüglich der dritten Konfiguration auch die zweiten Konfiguration 1300b als Hochleistungsbetrieb-Konfiguration verwendet werden.
Die Veränderung der Lage des Elektronenverdrängers 102v und des elektrischen Potentials des Elektronenverdrängers 102v können einander überlagert werden, um die Charakteristik des Elektronenstrahls anzupassen. Damit kann ein breiter Parameterbereich aufgespannt werden, welcher die Charakteristik des Elektronenstrahls, wie Divergenz und Leistung, beeinflusst.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle eine Steuerung 208 aufweisen, welche eingerichtet ist, die Lage des Elektronenverdrängers 102v relativ zu der Emissionsfläche 102f und/oder das elektrische Potential des Elektronenverdränger 102v relativ zu der Emissionsfläche 102f zu steuern und/oder zu regeln, z.B. auf Grundlage einer Benutzereingabe oder eines Messwerts. Der Messwert kann beispielsweise eine Leistung des Elektronenstrahls und/oder dessen Konvergenz repräsentieren.
Anschaulich kann mit einem zunehmend negativen elektrischen Potential des Elektronenverdrängers 102v und/oder mit zunehmender Hineinerstreckung des Elektronenverdrängers 102v in den Hohlraum 613 hinein eine Verdrängung der Elektronen (bzw. deren Trajektorien 1311) aus dem inneren Bereich 613k des Hohlraums 613 zunehmen, wie nachfolgend genauer beschrieben wird.
14A und 14B veranschaulichen eine Elektronenstrahlquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsansicht (z.B. quer zur Strahlachse 111 geschnitten) in einer Hochleistungsbetrieb-Konfiguration 1400a und einer Hochkonvergenzbetrieb-Konfiguration 1400b.
Die Hochleistungsbetrieb-Konfiguration 1400a kann beispielsweise die erste Konfiguration 1300a sein und die Hochkonvergenzbetrieb-Konfiguration 1400b kann die zweite Konfiguration 1300b oder die dritte Konfiguration sein. Alternativ kann die Hochleistungsbetrieb-Konfiguration 1400a die zweite Konfiguration 1300b und die Hochkonvergenzbetrieb-Konfiguration 1400b kann die dritte Konfiguration sein.
In 14A und 14B ist der Verlauf der Trajektorie 1311 exemplarisch für ein Elektron durch den Hohlraum 613 hindurch veranschaulicht. Der Verlauf kann anschaulich auch eine Schar von Trajektorien 1311 für mehrere Elektronen repräsentieren.
Ausgehend von der Emissionsfläche 102f werden Elektronen in den Hohlraum 613 hinein emittiert aus einer Richtung (z.B. aus Richtung 1401), welche quer zur Strahlachse 111 ist. In der Hochleistungsbetrieb-Konfiguration 1400a durchquert die Trajektorie 1311 der Elektronen den inneren Bereich 613k (auch als Kernbereich 613k bezeichnet) des Hohlraums 613, z.B. die Strahlachse 111 kreuzend (in der gezeigten Projektion). Mittels der Beschleunigungsspannung (z.B. zwischen Anode 104 und Kathode 102s) wird das Elektron aus dem Hohlraum 613 heraus (z.B. in Richtung der Anode 104) beschleunigt und durchquert die Anodenöffnung 104o. Der Winkel 1301 (auch als Austrittswinkel 1301 bezeichnet), den die Trajektorie an der Anodenöffnung 104o zu der Strahlachse 111 aufweist, ist ein Maß für die Divergenz des bereitgestellten Elektronenstrahls.
In der Hochkonvergenzbetrieb-Konfiguration 1400b werden die Elektronen aus dem Kernbereich 613k verdrängt, was zur Folge hat, dass die Krümmung der Trajektorie 1311 und somit deren Austrittswinkel 1301 verringert wird. Dies vergrößert die Konvergenz des erzeugten Elektronenstrahls.
Anschaulich wird in der Hochkonvergenzbetrieb-Konfiguration 1400b der Ausbreitungsbereich, welcher den Elektronen in dem Hohlraum 613 zur Verfügung steht verringert. Der Elektronenverdränger 102v kann dabei aufgrund seiner körperlichen Ausdehnung einen (z.B. die Strahlachse 111 umhüllenden) Verdrängungsbereich definieren, in welchen die Elektronen nicht gelangen können. Der Verdrängungsbereich kann sich mit zunehmend negativem Potential des Elektronenverdrängers 102v ausdehnen und somit die Elektronen (bzw. deren Trajektorien) zunehmend aus dem Kernbereich 613k verdrängen. Das Verdrängen kann auch als eine wenigstens teilweise Abschirmung der Strahlachse vor Elektronen bezeichnet sein.
15A und 15B veranschaulichen eine Elektronenstrahlquelle 1500a, 1500b ähnlich zu den vorangehend beschriebenen Elektronenstrahlquellen (vergleiche beispielsweise 1A und 1B).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektronenstrahlquelle 1500a, 1500b eine Stellvorrichtung 1502 aufweisen, mittels welcher eine Lage des Elektronenverdrängers 102v relativ zu der Emissionsfläche 102f stellbar ist. Beispielsweise kann der Elektronenverdränger 102v sich durch mehr als ungefähr die Hälfte des Hohlraums 613 hindurch erstrecken, z.B. durch mehr als ungefähr 75% des Hohlraums 613 oder aus diesem (z.B. in Richtung der Anode 104) heraus vorstehen. Die Stellvorrichtung 1502 kann beispielsweise eine Lagervorrichtung aufweisen und/oder mit dieser gekuppelt sein, welche den Elektronenverdränger 102v lagert. Die Lagervorrichtung kann beispielsweise ein Translationslager (z.B. ein Schubgelenk) aufweisen oder daraus gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Lagervorrichtung ein Futter aufweisen oder daraus gebildet sein, welches mehrere Rollen aufweist, mittels denen der Elektronenverdränger 102v gestützt wird.
Optional kann der Elektronenverdränger 102v als Stab (z.B. als Draht) bereitgestellt sein oder werden, z.B. als Rohr (d.h. rohrförmig).
Optional kann die Stellvorrichtung 1502 eingerichtet sein, den Elektronenverdränger 102v nachzuführen. Damit kann einer Änderung der Charakteristik des Elektronenstrahls aufgrund des Verbrauchs des Elektronenverdrängers 102v entgegengewirkt werden. Beispielsweise kann die Steuerung 208 eingerichtet sein, eine Lage des Elektronenverdrängers 102v und/oder eine Erstreckung des Elektronenverdrängers 102v in den Hohlraum hinein beizubehalten. Dazu kann die Steuerung 208 eingerichtet sein, eine Lage des Elektronenverdrängers 102v relativ zu der Emissionsfläche 102f zu erfassen und die Stellvorrichtung 1502 zu steuern und/oder zu regeln, z.B. auf Grundlage der erfassten Lage des Elektronenverdrängers 102v.
16 veranschaulicht ein Verfahren 1600 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Ablaufdiagramm.
Das Verfahren 1600 kann in 1601 aufweisen: Emittieren von Elektronen aus einer ersten Richtung in einen Hohlraum hinein. Die erste Richtung kann beispielsweise senkrecht zu der Emissionsfläche und/oder senkrecht zu der Strahlachse 111 sein.
Das Emittieren kann beispielsweise aufweisen: Erzeugen einer Primäremission der Elektronen in den Hohlraum hinein, z.B. einer Glühemission. Das Erzeugen der Glühemission kann aufweisen: Erwärmen der Emissionsfläche auf eine Temperatur gleich oder größer zu einer Emissionstemperatur, welche z.B. anschaulich eine angestrebte Emissionsstromdichte ermöglicht. Die erste Richtung kann beispielsweise einen Winkel zur Strahlachse aufweisen, z.B. senkrecht zu dieser sein. Die Emissionstemperatur kann die Austrittsarbeit der Emissionsfläche repräsentieren. Anschaulich kann die Emissionstemperatur die Temperatur bezeichnen, bei der die Austrittsarbeit überwunden wird. Die Austrittsarbeit kann eine Materialkonstante sein. Die Emissionsstromdichte kann eine Funktion der Temperatur sein.
Das Verfahren 1600 kann in 1603 aufweisen: Beschleunigen der Elektronen aus dem Hohlraum heraus in eine zweite Richtung, welche in einem Winkel (z.B. quer) zur ersten Richtung ist, so dass diese gekrümmten Trajektorien aufweisen. Das Beschleunigen kann aufweisen: Erzeugen eines elektrischen Feldes, welches eine Feldstärke (z.B. mit zumindest einer Richtungskomponente) entlang der zweiten Richtung (z.B. entlang der Strahlachse) aufweist. Das Erzeugen des elektrischen Feldes kann unter Verwendung einer Anode und einer Kathode erfolgen, beispielsweise indem zwischen diesen ein elektrischer Potentialunterschied bereitgestellt wird. Die zweite Richtung kann beispielsweise parallel zur Strahlachse sein.
Das Verfahren 1600 kann in 1605 aufweisen: Verdrängen der Trajektorien aus einem inneren Bereich des Hohlraums. Mittels des Verdrängens der Trajektorien aus einem inneren Bereich des Hohlraums kann eine Dichte von Elektronen in dem inneren Bereich des Hohlraums reduziert werden, d.h. die Elektronen können in einer Richtung von der Strahlachse weg abgestoßen werden.
Das Verdrängen kann aufweisen: Verringern der Feldstärke des elektrischen Feldes in dem inneren Bereich. Das Verringern der Feldstärke des elektrischen Feldes in dem inneren Bereich kann erfolgen, indem ein Abstoßungspotential für die Elektronen in dem inneren Bereich gebildet wird. Anschaulich kann das Verdrängen aufweisen, dass die räumliche Verteilung des elektrischen Feldes im Hohlraum verändert wird.
Beispielsweise kann ein (z.B. zentralsymmetrisches) der Bewegung der Elektronen entgegen gerichtetes Potential (auch als Abstoßungspotential bezeichnet, z.B. ein bezüglich der Anode negatives Potential) in dem inneren Bereich bereitgestellt sein oder werden.
Das Abstoßungspotential kann mittels des Elektronenverdrängers bereitgestellt sein oder werden, z.B. Indem der Elektronenverdränger in den Hohlraum hineingebracht wird und/oder indem ein elektrisches Potential in dem inneren Bereich des Hohlraums (z.B. das eines oder des Elektronenverdrängers, welcher in den Hohlraum hinein oder durch diesen hindurch erstreckt ist) in eine negative Richtung (z.B. vergrößert) verändert wird.
Der Elektronenverdränger bzw. des Abstoßungspotenzial begrenzt anschaulich den Raum, der den Elektronen innerhalb des Hohlraums zur Verfügung steht.
Das Verdrängen kann beispielsweise aufweisen: Zumindest teilweises Vergrößern eines Abstandes der Trajektorien von der Strahlachse und/oder zumindest teilweise Vermeiden von Überkreuzungen (z.B. z.B. Verringern der Anzahl der Überkreuzungen) der Trajektorien mit der Strahlachse.
17 veranschaulicht ein Verfahren 1700 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Ablaufdiagramm.
Das Verfahren 1700 kann in 1701 aufweisen: Emittieren von Elektronen in einen Hohlraum hinein aus einer ersten Richtung, welche quer zur Strahlachse ist. Das Emittieren kann beispielsweise aufweisen: Erzeugen einer Primäremission der Elektronen in den Hohlraum hinein, z.B. einer Glühemission. Das Erzeugen der Glühemission kann aufweisen: Erwärmen der Emissionsfläche auf eine Temperatur gleich oder größer zu einer Emissionstemperatur, z.B. die eine angestrebte Emissionsstromdichte ermöglicht. Die Emissionstemperatur kann die Austrittsarbeit der Emissionsfläche repräsentieren.
Das Verfahren 1700 kann in 1703 aufweisen: Verdrängen der Elektronen aus einem inneren Bereich des Hohlraums, durch welchen die Strahlachse hindurch verläuft. Das Verdrängen kann aufweisen: Verringern der Feldstärke des elektrischen Feldes in dem inneren Bereich. Das Verringern der Feldstärke des elektrischen Feldes in dem inneren Bereich kann erfolgen, indem ein Elektronenverdränger in den Hohlraum hineingebracht wird und/oder indem ein elektrisches Potential in dem inneren Bereich des Hohlraums (z.B. das eines oder des Elektronenverdrängers, welcher in den Hohlraum hinein oder durch diesen hindurch erstreckt ist) in eine negative Richtung (z.B. vergrößert) verändert wird. Ein Elektronenverdränger kann in den Hohlraum hineingebracht werden, wodurch die Verteilung des elektrischen Potenzials in dem inneren Bereich des Hohlraums verändert wird.
Das Verdrängen kann beispielsweise aufweisen: Zumindest teilweises Vergrößern eines Abstandes von Trajektorien von der Strahlachse und/oder zumindest teilweise Vermeiden von Überkreuzungen der Trajektorien mit der Strahlachse.

Claims

Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a), aufweisend: eine Kathode (102s) und eine Anode (104, 604), welche eine Strahlachse (111) definieren, zum Erzeugen eines Elektronenstrahls entlang der Strahlachse (111); die Kathode (102s) aufweisend: • einen Hohlraum (613), welcher sich entlang der Strahlachse (111) in die Kathode (102s) hinein oder durch diese hindurch erstreckt; • eine Emissionsfläche (102f) zum Emittieren von Elektronen in den Hohlraum (613), wobei die Emissionsfläche (102f) den Hohlraum (613) quer zur Strahlachse begrenzt; und • einen Elektronenverdränger (102v), welcher sich entlang der Strahlachse (111) in den Hohlraum (613) hinein und/oder durch diesen hindurch erstreckt.
Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Lagervorrichtung, mittels welcher der Elektronenverdränger (102v) gelagert ist, wobei die Lagervorrichtung dem Elektronenverdränger (102v) einen Translationsgrad bereitstellt, gemäß dem der Elektronenverdränger (102v) verschiebbar ist.
Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: eine Stellvorrichtung (1502), mittels welcher eine Lage des Elektronenverdrängers (102v) relativ zu der Emissionsfläche (102f) stellbar ist.
Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Elektronenverdränger (102v) einen Stab und/oder ein Rohr aufweist, welche entlang der Strahlachse (111) längserstreckt sind.
Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Emissionsfläche (102f) den Elektronenverdränger (102v) und/oder den Hohlraum (613) zumindest teilweise umgibt.
Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend: eine elektrische Abschirmung (302), welche die Kathode (102s) zum elektrischen Begrenzen der Emissionsfläche (102f) umgibt.
Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend: eine Kopplungsstruktur (302k), welche den Elektronenverdränger (102v) und die Emissionsfläche (102f) elektrisch miteinander koppelt.
Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) gemäß Anspruch 7, wobei die Kopplungsstruktur (302k) ferner den Elektronenverdränger (102v) und die Emissionsfläche (102f) thermisch voneinander entkoppelt und/oder dem Elektronenverdränger (102v) eine kleinere Betriebstemperatur bereitstellt als der Emissionsfläche (102f).
Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend: eine Strahlbündelungselektrode (304), welche zwischen der Emissionsfläche (102f) und der Anode (104, 604) angeordnet ist und entlang der Strahlachse (111) von einer Durchgangsöffnung durchdrungen ist.
Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, der Elektronenverdränger (102v) ferner aufweisend: eine Opferstruktur (402) zum Absorbieren von in dem Elektronenstrahl gebildeten Ionen, welche zumindest teilweise in Richtung der Anode (104, 604) freigelegt ist.
Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner aufweisend: eine Heizvorrichtung (212), welche eingerichtet ist, der Emissionsfläche (102f) thermische Energie zuzuführen, zum Heizen der Emissionsfläche (102f).
Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11: wobei die Emissionsfläche (102f) entlang der Strahlachse (111) eine Ausdehnung aufweist; und wobei der Elektronenverdränger (102v) entlang der Strahlachse (111) um eine Strecke in dem Hohlraum (613) hinein erstreckt oder verschiebbar ist, welche größer ist als die Hälfte der Ausdehnung.
Elektronenkanone (500b), aufweisend: • eine Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, • eine Vakuumkammer (504), in welcher die Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) angeordnet ist und welche entlang der Strahlachse (111) von einer Öffnung durchdrungen ist, so dass der Elektronenstrahl aus der Vakuumkammer (504) durch die Öffnung (504o) hindurch austreten kann; und • eine Ablenkanordnung (506) zum Ablenken des aus der Vakuumkammer (504) austretenden Elektronenstrahls gemäß einem oder mehreren Ablenkparametern.
Prozessieranordnung (600a), aufweisend: • eine Prozessierkammer (612), welche einen Prozessierbereich (611) aufweist; und • eine Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Bestrahlen des Prozessierbereichs (611) mittels eines Elektronenstrahls.
Elektronenstrahlquelle (100a, 100b, 500a), aufweisend: • eine Hohlraumkathode (102s) und eine Anode (104, 604) zum Erzeugen eines Elektronenstrahls; und • einen Elektronenverdränger (102v), welcher innerhalb der Hohlraumkathode (102s) angeordnet ist und/oder in diese hinein verschiebbar gelagert ist.
Verfahren zum Bilden eines Elektronenstrahls entlang einer Strahlachse, das Verfahren aufweisend: • Emittieren von Elektronen in einen Hohlraum hinein aus einer Richtung, welche quer zur Strahlachse ist; • Verdrängen der Elektronen aus einem inneren Bereich des Hohlraums, durch welchen die Strahlachse hindurch verläuft.
Verwenden eines Festkörpers in einer Hohlraumkathode zum zumindest teilweisen Abschirmen der Strahlachse vor Elektronen.