DE10255767A1 - Electron-beam-generating method for an electron beam generator emits electrons in a vacuum beam-generating chamber from a heated cathode's emission surface - Google Patents

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DE10255767A1 DE2002155767 DE10255767A DE10255767A1 DE 10255767 A1 DE10255767 A1 DE 10255767A1 DE 2002155767 DE2002155767 DE 2002155767 DE 10255767 A DE10255767 A DE 10255767A DE 10255767 A1 DE10255767 A1 DE 10255767A1
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Abstract

An emission surface (6) of a cathode (2) is heated directly. Energy-rich radiation is generated, from which a beam is directed onto the emission surface during electron beam generation. This beam is deflected at high frequency so that a target surface for this beam is moved on the emission surface. This target surface is moved on a pattern covering the whole emission surface. An Independent claim is also included for an electron beam generator.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls in einem Elektronenstrahlerzeuger, bei welchem die Elektronen in einer unter Vakuum stehenden Strahlerzeugungskammer aus einer Emissionsfläche einer beheizten Katode emittiert, in Richtung einer Anode beschleunigt und durch Elektronenstrahl-Führungsrohre in eine Prozesskammer geleitet werden.The invention relates to a method for generating an electron beam in an electron beam generator, in which the electrons emanate from a beam generating chamber under vacuum an emission area a heated cathode, accelerated towards an anode and through electron beam guide tubes be passed into a process chamber.

Die Erfindung betrifft auch einen Elektronenstrahlerzeuger, der in einer unter Vakuum stehenden Strahlerzeugungskammer eine beheizte Katode mit einer Elektronen emittierenden Emissionsfläche und eine die Elektronen beschleunigende Anode aufweist, wobei die Strahlerzeugungskammer über Elektronenstrahl-Führungsrohre, die als Strömungswiderstände ausgebildet sind, und über ein in Strömungsrichtung des Elektronenstrahles nach geordnetes Strahlablenksystem mit einer Prozesskammer verbunden sind.The invention also relates to a Electron gun in a vacuum generating chamber a heated cathode with an electron-emitting emission surface and one the electron accelerating anode, the beam generating chamber via electron beam guide tubes, which are designed as flow resistors are, and about one in the direction of flow of the electron beam according to an ordered beam deflection system with a Process chamber are connected.

Elektronenstrahlerzeuger insbesondere von hoher Leistung werden in metallurgischen Vakuumprozessen verwendet, um Metalle und Metalloxide zu erwärmen, zu schmelzen oder zu verdampfen.Electron beam generator in particular of high performance are used in metallurgical vacuum processes, to heat, melt or close metals and metal oxides evaporate.

Elektronenstrahlen hoher Leistung werden in Elektronenstrahlerzeugern durch Emission aus der Emissionsfläche indirekt geheizten Blockkatoden, z.B. Wolframblockkatoden, erzeugt und in Elektronenstrahl-Führungsrohren mit umliegend angeordneten magnetischen Linsen zu einem Ablenksystem geführt, das durch zeitabhängig veränderliche Magnetfelder die Elektronenstrahlen in ihrer Richtung und Leistung im Prozessraum verteilt. Die Elektronenstrahl-Führungsrohre bilden dabei zugleich Strömungswiderstände, die den Vakuumdruck der Strahlerzeugungskammer weitestgehend vom Vakuumdruck des Prozessraumes entkoppeln. Vorzugsweise werden die Blockkatoden durch Stoßelektronen beheizt, die von einer Heizwendel einer Stoßheizung emittiert und mittels einer Stoßspannung gegen die Blockkatode beschleunigt werden. Eine solche Anordnung ist aus der Druckschrift DE 44 43 830 C1 bekannt. Dabei ist die Heizwendel an der der Emissionsfläche abgewandten Seite der Blockkatode angeordnet. Die von der Heizwendel ausgesandten Stoßelektronen treffen auf die der Emissionsfläche abgewandten Stoßfläche der Blockkatode. Für eine maximale Emissionsleistung ist die Stoßheizung so eingestellt, dass die Temperatur der Stoßfläche, z.B. die der Wolfram-Blockkatode nur wenig unter der Schmelztemperatur des Wolframs (ca. 3380 C°) liegt, um eine Temperatur der vorderseitigen Emissionsfläche der Wolfram-Blockkathode von 2500 bis 2700 °C zu erhalten. Der Temperaturabfall zwischen der Stoßfläche und der Emissionsfläche der Blockkatode wird durch Wärmeverluste von der Oberfläche der Stoßfläche und der Umfassungsflächen der Blockkatode an die Umgebung verursacht. Der Emissionsstrom der emittierten Elektronen als eine Kenngröße der Leistung des Elektronenstrahlerzeugers ist u. a. von der Emissionstemperatur abhängig. Eine höhere Emissionstemperatur würde eine Leistungssteigerung der Blockkatode bedeuten. Diese Erhöhung der Emissionstemperatur ist jedoch mit der indirekten Blockkatodenheizung begrenzt.Electron beams of high power are generated in electron beam generators by emission from the emission surface of indirectly heated block cathodes, e.g. tungsten block cathodes, and are guided in electron beam guide tubes with surrounding magnetic lenses to a deflection system that distributes the direction and power of the electron beams in the process space through time-dependent magnetic fields. The electron beam guide tubes also form flow resistances that largely decouple the vacuum pressure of the beam generation chamber from the vacuum pressure of the process space. The block cathodes are preferably heated by shock electrons which are emitted by a heating coil of a shock heater and are accelerated against the block cathode by means of a surge voltage. Such an arrangement is from the document DE 44 43 830 C1 known. The heating coil is arranged on the side of the block cathode facing away from the emission surface. The impact electrons emitted by the heating coil hit the impact surface of the block cathode facing away from the emission surface. For maximum emission performance, the shock heater is set so that the temperature of the impact surface, e.g. that of the tungsten block cathode, is only slightly below the melting temperature of the tungsten (approx. 3380 C °), by a temperature of 2500 on the front emission surface of the tungsten block cathode to get up to 2700 ° C. The temperature drop between the butt surface and the emission surface of the block cathode is caused by heat losses from the surface of the butt surface and the peripheral surfaces of the block cathode to the environment. The emission current of the emitted electrons as a parameter of the power of the electron beam generator depends, among other things, on the emission temperature. A higher emission temperature would increase the performance of the block cathode. However, this increase in the emission temperature is limited with the indirect block cathode heating.

Der erzeugte Elektronenstrahl wird in der Strahlerzeugungskammer fokussiert und gebündelt durch die Elektronenstrahl-Führungsrohre mit den umliegend angeordneten magnetischen Linsen in den Prozessraum geleitet. Diese Elektronenstrahl-Führungsrohre wirken dabei als Strömungswiderstände, die die Strahlerzeugungskammer von der Prozesskammer druckseitig entkoppeln. Eine Gestaltungsart dieser Kammerbarrieren ist aus der Druckschrift DE 197 30 855 C1 bekannt. In den beiden Kammern herrschen gewöhnlich unterschiedliche Vakuumdrücke, wobei in der Prozesskammer meist ein höherer Vakuumdruck zu verzeichnen ist. Mit den Strömungswiderständen wird die Rückströmung von insbesondere Fremdteilchen in die Strahlerzeugungskammer verringert, da diese dort zu ungewollten Entladungen und zur Standzeit verringernden Zerstäubung der Katode führen. Diese Druckentkopplung ist besonders bei reaktiven Bedampfungsprozessen mit hohen Reaktivgasdrücken und beim Schmelzen von Legierungen mit hohen Restgasdrücken von Bedeutung, da hierbei besonders hohe Partialdrücke der Fremdstoffe in der Prozesskammer herrschen. Das hat zur Folge, dass eine größere Anzahl von Fremdteilchen als bei sonstigen Prozessen in die Elektronenstrahlerzeugungskammer gelangt. Eine verbesserte Druckentkopplung ist mit einer weiteren Verringerung des Querschnitts der Strömungswiderstände verbunden, welcher infolge des Elektronenstrahldurchganges durch diese Strömungswiderstände auf den Querschnitt des Elektronenstrahles begrenzt ist. Die Übertragung der geforderten Elektronenstrahlleistung in die Prozesskammer bedingt in Abhängigkeit der gegebenen Elektronenstrahlemission einen bestimmten Querschnitt des Elektronenstrahles.The generated electron beam is focused in the beam generation chamber and bundled through the electron beam guide tubes with the surrounding magnetic lenses into the process space. These electron beam guide tubes act as flow resistances that decouple the beam generating chamber from the process chamber on the pressure side. One design of these chamber barriers is from the publication DE 197 30 855 C1 known. Different vacuum pressures usually prevail in the two chambers, with a higher vacuum pressure usually being recorded in the process chamber. The flow resistances reduce the backflow of foreign particles, in particular, into the jet generation chamber, since these lead to undesired discharges and atomization of the cathode which reduces the service life. This pressure decoupling is particularly important in the case of reactive vapor deposition processes with high reactive gas pressures and in the melting of alloys with high residual gas pressures, since particularly high partial pressures of the foreign substances prevail in the process chamber. As a result, a larger number of foreign particles than in other processes get into the electron gun. An improved pressure decoupling is associated with a further reduction in the cross section of the flow resistances, which is limited to the cross section of the electron beam as a result of the electron beam passage through these flow resistances. The transfer of the required electron beam power into the process chamber requires a specific cross section of the electron beam, depending on the given electron beam emission.

Mit einer Erhöhung der Elektronenstromdichte könnte der Querschnitt des Elektronenstrahles verringert und damit der Strömungswiderstand erhöht werden, ohne dass die geforderte Elektronenstrahlleistung in der Prozesskammer absinkt.With an increase in the electron current density could the cross section of the electron beam is reduced and thus the flow resistance elevated without the required electron beam power in the Process chamber sinks.

Es ist bekannt, zur Erhöhung der Elektronenstrahl-Erzeugungsleistung die Beschleunigungsspannung zwischen Katode und Anode zu erhöhen. Für Elektronenstrahlerzeuger hoher Leistung kann die Beschleunigungsspannung nicht wesentlich erhöht werden, weil dadurch die Röntgenemission aus der Prozesskammer zu hoch wird.It is known to increase Electron beam generating power to increase the acceleration voltage between the cathode and anode. For electron guns high power, the acceleration voltage cannot be increased significantly, because it’s the x-ray emission the process chamber becomes too high.

Eine weitere bekannte Methode der Steigerung der Elektronenstrahl-Erzeugungsleistung ist die Verringerung des Abstandes zwischen der Annode und Katode, bei der die Stromstärke des Elektronenstrahles solange erhöht wird , bis die die Temperatur bestimmende Sättigungsstromstärke erreicht wird. Diese Sättigungsstromstärke ist bei Elektronenstrahlerzeugern hoher Leistung bereits erreicht.Another known method of increasing the electron beam generation power is to reduce the distance between the anode and cathode, in which the current strength of the electron beam is increased until the temperature-determining saturation current strength is reached. This saturation current has already been reached in high power electron beam generators.

Mit einer Erhöhung der Elektronenemission an der Katode durch Temperaturerhöhung der Emissionsfläche kann ebenfalls eine höhere Elektronenstromdichte über die Emissionsfläche erzielt werden, die bei einer beizubehaltenden Elektronenstrahlleistung in der Prozesskammer die Verringerung des Elektronenstrahlquerschnittes ermöglicht. Mit der bekannten Heizmethode der indirekten Blockkatodenheizung stößt jedoch die Temperaturerhöhung der Emissionsfläche bei Elektronenstrahlerzeugern hoher Leistung an ihre Grenzen.With an increase in electron emission the cathode by increasing the temperature the emission area can also be a higher Electron current density over the emission area can be achieved with an electron beam power to be maintained in the process chamber the reduction of the electron beam cross section allows. With the well-known heating method of indirect block cathode heating bumps however the temperature increase the emission area to their limits with high power electron beam generators.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, die Leistungsfähigkeit des Elektronenstrahlerzeugers mit Hilfe der Erhöhung der Elektronenstrahlemission zu steigern, um die Einsatzmöglichkeiten des Elektronenstrahlerzeugers zu verbessern.The invention is therefore the object underlying, the performance of the electron beam generator with the help of increasing the electron beam emission to increase the possible uses to improve the electron gun.

Dies wird durch ein Verfahren der Elektronenstrahlerzeugung in einem Elektronenstrahlerzeuger derart gelöst, dass die Emissionsfläche der Katode direkt beheizt wird. Eine direkte Beheizung der Emissionsfläche der Katode kehrt den Temperaturgradienten um, der durch die Wärmeverluste, die durch die Wärmeleitung und -übertragung von der bis an die werkstoffbedingte Obergrenze beheizten Stoßfläche der indirekt beheizten Katode bis zur Emissionsfläche entsteht. Mit der Umkehrung der Wärmestromrichtung durch die Katode kann nun die Temperatur der Emissionsfläche um ca. 200 bis 300°C erhöht werden, während die bisherige Stoßfläche trotz hohen Energieeintrages durch die Heizung niedriger temperiert ist und sich nicht mehr in dem gefährdeten Bereich der Schmelztemperatur befindet. Durch die höher erhitzte Emissionsfläche werden mehr Elektronen aus ihr herausgelöst, was zu einem höheren Elektronenstrom führt. Neben der direkten Heizung der Emissionsfläche ist es wahlweise möglich, parallel zur direkten Heizung die indirekte Heizung zu betreiben, und dadurch die notwendige Leistung der direkten Heizung z reduzieren.This is done through a process of Electron beam generation in an electron beam generator like this solved, that the emission area the cathode is heated directly. Direct heating of the emission surface of the Cathode reverses the temperature gradient caused by heat loss, through heat conduction and transmission from the butt surface of the heated to the material-related upper limit indirectly heated cathode up to the emission surface. With the reverse the heat flow direction the temperature of the emission surface can now be reduced by approx. 200 to 300 ° C increase, while the previous butt area despite high energy input through the heating is tempered lower and no longer in the vulnerable Range of the melting temperature. By the higher heated emitting surface more electrons are released from it, resulting in a higher electron current leads. In addition to the direct heating of the emission surface, it is optionally possible to run in parallel to operate indirect heating for direct heating, and thereby reduce the power required for direct heating z.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine energiereiche Strahlung erzeugt und ein Strahl dieser energiereichen Strahlung während der Elektronenstrahlerzeugung auf die Emissionsfläche der Katode gerichtet. Die direkte Beheizung der Emissionsfläche wird praktischer Weise von einer energiereichen Strahlung, die auf die Emissionsfläche gerichtet wird, realisiert. Die auftreffende Strahlung erhitzt direkt und intensiv die Oberfläche der Emissionsfläche, ohne dass sich im Bereich des Emissionsstromes störende Heizelemente befinden.In an advantageous embodiment of the method according to the invention high-energy radiation is generated and a beam of this high energy radiation during of electron beam generation on the emission surface of the Cathode directed. Direct heating of the emission surface is becoming more practical Way of high-energy radiation directed at the emission surface is realized. The incident radiation heats up directly and intense the surface the emission area, without any annoying heating elements in the area of the emission current are located.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens der Elektronenstrahlerzeugung mit einer energiereichen Strahlung wird der Strahl der energiereichen Strahlung mit hoher Frequenz derart abgelenkt, dass eine Auftrefffläche des Strahles der energiereichen Strahlung auf der Emissionsfläche bewegt wird. Das hat den Vorteil, dass die Oberfläche der Emissionsfläche vollflächig und gleichmäßig mit der Strahlung, deren Auftrefffläche z.B. kleiner als die Emissionsfläche ist, beaufschlagt und erhitzt werden kann und folglich der Elektronenstrom in homogener Dichte über der gesamten Emissionsfläche erzeugt werden kann.In a further embodiment of the Process of electron beam generation with a high energy Radiation becomes the beam of high-energy radiation with high Frequency so deflected that an impact surface of the beam of high energy Radiation on the emission surface is moved. This has the advantage that the surface of the emitting surface entire area and even with the radiation, its impact area e.g. smaller than the emission area is charged and heated and consequently the electron current in homogeneous density of the entire emission area can be generated.

In besonderer Ausgestaltung des Verfahrens mit der energiereichen Strahlung wird die Auftrefffläche auf einem die ganze Emissionsfläche überdeckenden Muster bewegt. Mit Hilfe dieser programmierbaren Bewegungsmuster können bestimmte örtliche Bereiche der Emissionsfläche entsprechend der Einsatzvorgaben in zeitlich wiederholter Abfolge kurzzeitig, länger anhaltend oder auch permanent beheizt werden.In a special embodiment of the method with of the high-energy radiation is the impact area on a covering the entire emission area Pattern moves. With the help of these programmable movement patterns can certain local Areas of the emission area in short succession in chronological order in accordance with the requirements, longer be heated continuously or permanently.

In einer praktischen Ausführungsform des Verfahrens der Elektronenstrahlerzeugung mit einer energiereichen Strahlung wird ein Laserstrahl während der Elektronenstrahlerzeugung auf die Emissionsfläche der Katode gelenkt. Ein Laserstrahl ist eine Konzentration elektromagnetischer Wellen und kann mit geringer Divergenz eine hohe Energierate über weite Strecken übertragen. An dem Auftreffort der Strahlung wird die Strahlungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Diesen Vorteil macht man sich auch in diesem Verfahren zu nutze. Die Strahlenergie des Laserstrahles kann aus größerer Entfernung geradlinig und verlustarm auf die Emissionsfläche auftreffen und diese erhitzen.In a practical embodiment the process of electron beam generation with a high energy Radiation becomes a laser beam during of electron beam generation on the emission surface of the Steered cathode. A laser beam is a concentration of electromagnetic Waves and can with a low divergence a high energy rate over wide Transfer routes. At the point of impact of the radiation, the radiation energy is converted into thermal energy converted. This advantage is also used in this process advantage. The beam energy of the laser beam can be seen from a greater distance Hit the emission surface in a straight line and with little loss and heat it.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens der Elektronenstrahlerzeugung mit einer energiereichen Strahlung wird ein Stoßelektronenstrahl auf die Emissionsfläche der Katode gelenkt. Der hier verwendete Teilchenstrom aus Elektronen ist eine ebenso energiereiche Strahlform, wie der in dem Verfahren erzeugte Elektronenstrahl selbst, jedoch mit erheblich geringerer Leistung. Diese ist dennoch so groß ausgelegt, um die Emissionsfläche mit den auftreffenden Stoßelektronen auf ca. 3000°C zu erhitzen.In another embodiment the process of electron beam generation with a high energy Radiation will hit a collision electron beam the emission area steered the cathode. The particle stream of electrons used here is an equally high-energy beam shape as that in the process generated electron beam itself, but with significantly less Power. This is nevertheless designed to be large enough to cover the emission area the impact electrons to approx. 3000 ° C to heat.

Die Aufgabe wird außerdem in einer Anordnung eines Elektronenstrahlerzeugers derart gelöst, dass in dem Elektronenstrahlerzeuger die Emissionsfläche der Katode direkt beheizbar ist.The task is also in an arrangement of an electron gun solved such that the emission surface of the cathode can be heated directly in the electron beam generator is.

Eine direkt beheizte Emissionsfläche der Katode hat, wie oben beschrieben, eine Umkehrung der durch die indirekte Heizung entstehenden Wärmestromrichtung durch die Katode zur Folge. Die bei der indirekten Heizung wegen der Wärmeverluste durch die Wärmeleitung und -übertragung gegenüber der Stoßfläche um ca. 300°C geringer temperierte Emissionsfläche kann bei der direkten Beheizung der Emissionsfläche um diesen Betrag höher temperiert werden. Durch die höher erhitzte Emissionsfläche werden mehr Elektronen aus ihr herausgelöst, was letztlich zu einem höheren Elektronenstrom führt.A directly heated emission area of the As described above, the cathode has a reversal of that caused by the indirect one Heating emerging heat flow direction through the cathode. The indirect heating because the heat loss through heat conduction and transmission across from the butt surface by approx. 300 ° C lower tempered emission surface can be heated by this amount if the emission surface is heated directly. By the higher heated emission area more electrons are released from it, which ultimately leads to a higher Leads electron current.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung eines Elektronenstrahlerzeugers ist eine Strahlungsquelle mit einem Strahlaustritt versehen, dessen Strahlrichtung auf die Emissionsfläche der Katode gerichtet ist. Mit dieser Strahlungsquelle wird eine energiereiche Strahlung erzeugt, die in einem Winkel zur Emissionsfläche oder senkrecht auf die Emissionsfläche gerichtet wird. Die auftreffende Strahlung erhitzt direkt und intensiv die Oberfläche der Emissionsfläche. Die Strahlungsquelle mit dem Strahlaustritt befindet sich dabei in vorteilhafter Weise in einem ausreichenden Abstand von der Emissionsquelle und in einer Lage außerhalb des erzeugten Emissionsstromes, so dass dieser hiervon ungestört ist.In an advantageous embodiment of the arrangement of an electron beam generator according to the invention, a radiation source is provided with a beam exit, the beam direction of which Emission surface of the cathode is directed. This radiation source generates high-energy radiation which is directed at an angle to the emission surface or perpendicular to the emission surface. The incident radiation heats the surface of the emission surface directly and intensively. The radiation source with the beam exit is advantageously located at a sufficient distance from the emission source and in a position outside the generated emission current so that it is not disturbed thereby.

In der erfindungsgemäßen Anordnung weist in einer günstigen Ausführung die Strahlungsquelle eine Strahlablenkungseinheit auf. Die Strahlablenkungseinheit ermöglicht eine gezielte Lenkung des Strahles in der durch die Programmierung der Strahlablenkungseinheit vorgegebenen Weise über die gesamte Emissionsfläche der Katode, so dass diese z.B. gleichmäßig von einem einzigen Strahl erhitzt werden kann.In the arrangement according to the invention points in a favorable execution the radiation source has a beam deflection unit. The beam deflection unit allows a targeted steering of the beam in through the programming the beam deflection unit predetermined way over the entire emission area of the Cathode, so that this e.g. evenly from a single jet can be heated.

In einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sind Elemente der Strahlungsquelle außerhalb der Strahlerzeugungskammer und der Prozesskammer angeordnet, wobei an einer Verbindungsstelle in die Strahlerzeugungskammer oder Prozesskammer mindestens ein Strahleinkoppelsystem angeordnet ist. Das ist eine wartungsfreundliche Version der erfindungsgemäßen Anordnung. An der Verbindungsstelle in die Kammer wird der Strahl über ein vakuumdichtes, strahlendurchlässiges System in die, entsprechend der vorgesehenen Strahlführung genutzten Kammer, eingekoppelt.In a practical embodiment the arrangement according to the invention are elements of the radiation source outside the beam generation chamber and the process chamber arranged, at a connection point at least one in the jet generation chamber or process chamber Beam coupling system is arranged. It is easy to maintain Version of the arrangement according to the invention. At the junction in the chamber, the beam is over a vacuum-tight, radiolucent System used in the, according to the intended beam guidance Chamber, coupled.

In einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst die Strahlungsquelle einen Laserstrahlgenerator. Damit kann der bereits oben beschriebene Laserstrahl erzeugt und zur direkten Beheizung der Emissionsfläche genutzt werden.In an embodiment variant of the arrangement according to the invention the radiation source comprises a laser beam generator. So that can the laser beam already described above is generated and used for direct Heating the emission area be used.

Bei der Übertragung eines Laserstrahles aus der Strahlungsquelle zur Emissionsfläche über die Vakuumkammerwände kann das Strahleinkoppelsystem ein Strahlendurchtrittsfenster oder ein Glasfaserkabel aufweisen. Beide Systeme eignen sich für den vakuumdichten Strahlendurchtritt von Laser in die Vakuumkammern.When transmitting a laser beam from the radiation source to the emission surface via the vacuum chamber walls the beam coupling system has a beam passage window or a Have fiber optic cables. Both systems are suitable for vacuum tight Laser penetration into the vacuum chambers.

In einer günstigen Anordnungsvariante, bei der die Strahlungsquelle einen Laserstrahlgenerator umfasst, ist der Strahlaustritt der Strahlungsquelle in einem der Elektronenstrahl-Führungsrohre angeordnet. Der Laserstrahl tritt durch ein Austrittsfenster in den Vakuumraum zwischen den Elektronenstrahl-Führungsrohren aus. Das Austrittsfenster ist in den Elektronenstrahl-Führungsrohren integriert und so angeordnet, das der austretende Laserstrahl gegen den durch die Elektronenstrahl-Führungsrohre geleiteten Elektronenstrom geradlinig auf die Emissionsfläche gerichtet ist. Damit kann der Winkel der Einstrahlung des Laserstrahles auf die Emissionsfläche besonders steil, nahe der senkrechten Einstrahlung gestaltet werden, was die Intensität der Heizstrahlung des Lasers (Einstrahlzahl) erhöht.In a favorable arrangement variant, in which the radiation source comprises a laser beam generator, is the beam exit of the radiation source in one of the electron beam guide tubes arranged. The laser beam enters through an exit window Vacuum space between the electron beam guide tubes. The exit window is in the electron beam guide tubes integrated and arranged so that the emerging laser beam against those passed through the electron beam guide tubes Electron current is directed straight to the emission surface. So that can especially the angle of the radiation of the laser beam on the emission surface steep, close to the vertical radiation, what the intensity the heat radiation of the laser (number of rays) increased.

In einer weiteren Anordnungsvariante ist der Strahlaustritt der Strahlungsquelle in der Anode angeordnet. Das Austrittsfenster des Laserstrahles ist dabei in die Annode integriert. Der Laserstrahl tritt von dort direkt in die Strahlerzeugungskammer aus und trifft geradlinig und auf kürzestem Wege auf die Emissionsfläche der Katode auf. Durch den kurzen Weg werden Strahlverluste verringert und ebenfalls die Intensität der Laserstrahlung erhöht.In another arrangement variant the beam exit of the radiation source is arranged in the anode. The exit window of the laser beam is integrated in the annode. From there, the laser beam enters the beam generation chamber directly and meets the emission surface of the Cathode on. The short path reduces beam losses and also the intensity the laser radiation increases.

Bei einer anderen Anordnungsvariante ist der Strahlaustritt der Strahlungsquelle in Verlängerung der Strahlachse des unabgelenkten Elektronenstrahles nach dem Strahlablenksystem des Elektronenstrahles angeordnet. Die Strahlrichtung verläuft geradlinig und entgegen dem Richtungssinn des unabgelenkten Elektronenstrahles, der in weiterer Folge durch das Ablenkungssystem des Elektronenstahlerzeugers auf den Prozessort abgelenkt wird. Mit in der Weise angeordnetem Strahlaustritt kann der Einstrahlwinkel der energiereichen Strahlung, hier des Laserstrahles auf die Emissionsfläche genau senkrecht erfolgen. Auch diese Lösungsvariante erbringt eine hohe Intensität der Heizstrahlung auf die Emissionsfläche.In another arrangement variant is the radiation exit of the radiation source in extension the beam axis of the undeflected electron beam according to the beam deflection system arranged of the electron beam. The beam direction is straight and against the direction of the undeflected electron beam, which is subsequently caused by the deflection system of the electron gun is distracted to the process location. With arranged in the way Beam exit can be the angle of incidence of high-energy radiation, here of the laser beam on the emission surface take place exactly perpendicular. This solution variant also provides a high intensity the radiant heat onto the emission surface.

In einer Ausführungsalternative zur der erfindungsgemäßen Anordnung eines Laserstrahlgenerators besteht die Strahlungsquelle aus einem Stoßelektronenstrahlerzeuger, der einen Stoßelektronenstrahl erzeugt. Die Anordnung eines separaten Elektronenstrahlerzeugers, dessen erzeugter Elektronenstrahl direkt auf die Emissionsfläche gerichtet ist, hat ebenfalls die Wirkung, die Emissionsfläche durch die direkt auf die Emissionsfläche auftreffenden Stoßelektronen auf ca. 200 bis 300°C höher als durch die indirekte Heizmethode zu erhitzen und somit eine bedeutende Emissionsstromsteigerung zu erlangen.In an alternative to the arrangement according to the invention a laser beam generator, the radiation source consists of a Shock electron gun the one impact electron beam generated. The arrangement of a separate electron beam generator, whose generated electron beam is aimed directly at the emission surface is also has the effect of directly emitting the emission area through the emitting surface impact electrons to approx. 200 to 300 ° C higher than heated by the indirect heating method and thus a significant one Achieve emission current increase.

Bei der Übertragung eines Elektronenstrahles aus dem erfindungsgemäßen separaten Elektronenstrahlerzeuger zur Emissionsfläche über die Vakuumkammerwände kann das Strahleinkoppelsystem ein Strahlendurchtrittsfenster aufweisen. Dieses System eignet sich für den vakuumdichten Strahlendurchtritt von Elektronenstrahlung in die Vakuumkammern.When transmitting an electron beam from the separate according to the invention Electron beam generator to the emission surface over the vacuum chamber walls can the beam coupling system has a beam passage window. This system is suitable for the vacuum-tight radiation passage of electron radiation in the vacuum chambers.

In einer praktischen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung eines Stoßelektronenstrahlerzeugers sind Bohrungen in der Anode angeordnet, durch die Stoßelektronenstrahlen auf die Katode gerichtet sind. Auch mit dieser Gestaltung kann der Einstrahlwinkel des energiereichen Strahles, hier des Elektronenstrahles, auf die Emissionsfläche besonders steil verwirklicht werden. Im Ergebnis wird auch hier die Intensität der Heizstrahlung auf die Emissionsfläche erhöht.In a practical form the arrangement according to the invention of a collision electron gun holes are arranged in the anode, through the impact electron beams are directed towards the cathode. With this design, too Angle of incidence of the high-energy beam, here the electron beam, on the emission surface be realized particularly steeply. The result is also here the intensity the radiant heat on the emission surface increased.

Der Gegenstand der Erfindung soll im Folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen, die in zwei Zeichnungen schematisch dargestellt sind, näher erläutert werden.The object of the invention is intended in the following using two exemplary embodiments, which in two Drawings are shown schematically, are explained in more detail.

1 stellt einen Elektronenstrahlerzeuger mit einer direkten Beheizung der Emissionsfläche durch Laserstrahlung schematisch dar. 1 schematically represents an electron beam generator with direct heating of the emission surface by laser radiation.

2 stellt einen Elektronenstrahlerzeuger mit einer direkten Beheizung der Emissionsfläche durch Stoßelektronenstrahlung schematisch dar. 2 schematically represents an electron beam generator with direct heating of the emission surface by means of collision electron radiation.

Der in 1 dargestellte Elektronenstrahlerzeuger besteht aus einer Strahlerzeugungskammer 1, in der eine Katode 2 und eine Anode 3 angeordnet ist. Die Katode 2 wird einerseits in üblicher Weise durch einen Stoßelektronenstrahl 4 beheizt, der von einer rückseitig der Katode 2 angeordneten Heizwendel 5 emittiert wird und von einer Stoßspannung zwischen Heizwendel 5 und Katode 2 von ca. 1 kV zur Katode 2 beschleunigt wird. Dabei wird die Heizwärme durch den Querschnitt der Katode 2 an die Emissionsfläche 6 der Katode 2 übertragen. Die von der Katode 2 emittierten Elektronen werden durch die an der Stromversorgung des Elektronenstrahlerzeugers 7 anliegenden Beschleunigungsspannung von ca. 50 kV zu einem Elektronenstrahl 8 formiert. Dieser Elektronenstrahl 8 wird durch das Elektronenstrahl-Führungsrohr 9 mit umfassenden magnetischen Linsen geleitet und nach dem Passieren eines nicht dargestellten magnetischen Strahlablenksystems in die Prozesskammer 10 auf den Prozessort 11 gelenkt. Um die Strahlerzeugungskammer 1 von der Prozesskammer 10 druckmäßig zu entkoppeln, umschließt das Elektronenstrahl-Führungsrohr 9, als Strömungswiderstand ausgebildet, eng den durchtretenden Elektronenstrahl 8. In der Strahlerzeugungskammer 1 wird dabei ein Vakuumdruck von kleiner/gleich 10–4 mbar gehalten, wogegen in der Prozesskammer 10 prozessbedingt gewöhnlich ein höherer Vakuumdruck von etwa 10–2 mbar herrscht. Ein zweites direktes Heizsystem für die Emissionsfläche wird durch Laserstrahlen 12 verwirklicht. Durch ein oder mehrere Strahlaustrittsfenster 13, die in dem Elektronenstrahl-Führungsrohr 9 angeordnet sind, werden die Laserstrahlen 12 entgegen der Strömungsrichtung des Elektronenstrahles 8 auf die Emissionsfläche 6 der Katode 2 gerichtet und heizen diese zusätzlich auf. Infolge der verbesserten Aufheizung der Emissionsfläche 6 ist der Emissionsstrom höher und bezogen auf die Emissionsfläche 6 auch dichter. Die höhere Stromdichte ermöglicht bei gleich bleibender Elektronenstrahlleistung am Prozessort 11 nun die Verkleinerung der Emissionsfläche 6 der Katode 2 und gleichermaßen des Elektronenstrahldurchmessers. Mit diesem Effekt kann der Durchmesser des Elektronenstrahl-Führungsrohres 9 verjüngt werden und die Druckentkoppelung der Prozesskammer 10 von der Strahlerzeugungskammer 1 verbessert werden. Ein Elektronenstrahlerzeuger mit hoher Leistung kann somit z.B. auch für reaktive Bedampfungsprozesse und für Schmelzprozesse von Legierungen, bei denen jeweils hohe Partialdrücke von Restgasen vorherrschen, universeller eingesetzt werden.The in 1 The electron beam generator shown consists of a beam generation chamber 1 in the cathode 2 and an anode 3 is arranged. The cathode 2 is on the one hand in the usual way by an impact electron beam 4 heated by a back of the cathode 2 arranged heating coil 5 is emitted and a surge voltage between the heating coil 5 and cathode 2 of approx. 1 kV to the cathode 2 is accelerated. The heat is generated by the cross section of the cathode 2 to the emission area 6 the cathode 2 transfer. The one from the cathode 2 Electrons are emitted by the power supply to the electron gun 7 applied acceleration voltage of approx. 50 kV to an electron beam 8th formed. This electron beam 8th through the electron beam guide tube 9 guided with comprehensive magnetic lenses and after passing through a magnetic beam deflection system, not shown, into the process chamber 10 to the process location 11 directed. Around the beam generating chamber 1 from the process chamber 10 decoupling in terms of pressure encloses the electron beam guide tube 9 , designed as a flow resistance, narrowly penetrating the electron beam 8th , In the beam generation chamber 1 a vacuum pressure of less than / equal to 10 -4 mbar is maintained, whereas in the process chamber 10 Due to the process, there is usually a higher vacuum pressure of around 10 -2 mbar. A second direct heating system for the emission surface is by laser beams 12 realized. Through one or more beam exit windows 13 that in the electron beam guide tube 9 are arranged, the laser beams 12 against the direction of flow of the electron beam 8th on the emission surface 6 the cathode 2 directed and additionally heat them up. As a result of the improved heating of the emission surface 6 the emission current is higher and related to the emission area 6 also denser. The higher current density enables the electron beam power at the process location to remain the same 11 now the reduction of the emission area 6 the cathode 2 and equally the electron beam diameter. With this effect, the diameter of the electron beam guide tube 9 be rejuvenated and the pressure decoupling of the process chamber 10 from the beam generating chamber 1 be improved. An electron beam generator with high power can thus also be used more universally, for example, for reactive vapor deposition processes and for melting processes of alloys, in which high partial pressures of residual gases predominate.

Gleiche Wirkung erzielt man mit dem in 2 dargestellten Elektronenstrahlerzeuger. Bei analogen Aufbau des Elektronenstrahlerzeugers wie in 1, weshalb die in 1 erläuterten Details größtenteils weggelassen wurden, sind anstelle der Laserstrahlen 12 mit deren Strahlaustrittsfenstern 13 im Elektronenstrahl-Führungsrohr 9 Stoßelektronenstrahlen 14 zur direkten Beheizung der Emissionsfläche 6 verwendet. Diese Stoßelektronenstrahlen 14 werden von zwei Stoßelektronenstrahlerzeugern 15 mit geringerer Elektronenstrahlleistung als bei dem eigentlichen Elektronenstrahlerzeuger ausgesendet und mit einer Stoßspannung von ca. 55 kV und auf die Emissionsfläche 6 beschleunigt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Stoßelektronenstrom durch die im ersten Beispiel genannten 50kV des Elektronenstrahles vor dem Auftreffen auf die Emissionsfläche um diese 50 kV "abgebremst" wird. Um die Stoßelektronenstrahlen 14 in einem steileren Winkel auf die Emissionsfläche 6 richten zu können, sind in der Anode 3 Bohrungen 16 angeordnet, durch die die Stoßelektronenstrahlen 14 hindurchgeleitet werden.The same effect is achieved with the in 2 shown electron gun. With an analog structure of the electron gun as in 1 which is why the in 1 The details explained have largely been omitted instead of the laser beams 12 with their beam exit windows 13 in the electron beam guide tube 9 shock electron 14 for direct heating of the emission area 6 used. These collision electron beams 14 are from two collision electron guns 15 emitted with a lower electron beam power than the actual electron beam generator and with a surge voltage of approx. 55 kV and onto the emission surface 6 accelerated. It should be taken into account that the collision electron current is "braked" by this 50 kV by the 50 kV of the electron beam mentioned in the first example before it hits the emission surface. To the impact electron beams 14 at a steeper angle on the emission surface 6 to be able to judge are in the anode 3 drilling 16 arranged through which the collision electron beams 14 be passed through.

11
StrahlerzeugungskammerBeam generating chamber
22
Katodecathode
33
Anodeanode
44
Stoßelektronenstrahlshock electron
55
Heizwendelheating coil
66
Emissionsflächeemitting surface
77
Stromversorgung des Elektronenstrahlerzeugerspower supply of the electron gun
88th
Elektronenstrahlelectron beam
99
Elektronenstrahl-FührungsrohrElectron beam guide tube
1010
Prozesskammerprocess chamber
1111
Prozessortprocess location
1212
Laserstrahllaser beam
1313
StrahlaustrittsfensterRay gate
1414
Stoßelektronenstrahlshock electron
1515
StoßelektronenstrahlerzeugerShock electron gun
1616
Bohrungendrilling

Claims (18)

Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls in einem Elektronenstrahlerzeuger, bei welchem die Elektronen in einer unter Vakuum stehenden Strahlerzeugungskammer aus einer Emissionsfläche einer beheizten Katode emittiert, in Richtung einer Anode beschleunigt und durch Elektronenstrahl-Führungsrohre in eine Prozesskammer geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsfläche (6) der Katode(2) direkt beheizt wird.A method for generating an electron beam in an electron beam generator, in which the electrons are emitted in a beam generating chamber under vacuum from an emission surface of a heated cathode, accelerated towards an anode and guided through electron beam guide tubes into a process chamber, characterized in that the emission surface ( 6 ) the cathode ( 2 ) is heated directly. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine energiereiche Strahlung erzeugt wird und ein Strahl dieser energiereichen Strahlung während der Elektronenstrahlerzeugung auf die Emissionsfläche (6) der Katode (2) gelenkt wird.A method according to claim 1, characterized in that an energy-rich radiation is generated and a beam of this energy-rich radiation during the electron beam generation on the emission surface ( 6 ) the cathode ( 2 ) is steered. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl der energiereichen Strahlung mit hoher Frequenz derart abgelenkt wird, dass eine Auftrefffläche des Strahles der energiereichen Strahlung auf der Emissionsfläche (6) bewegt wird.A method according to claim 2, characterized in that the beam of high-energy radiation is deflected at a high frequency such that an impact surface of the beam of high-energy radiation on the emission surface ( 6 ) is moved. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftrefffläche auf einem die ganze Emissionsfläche (6) überdeckenden Muster bewegt wird.A method according to claim 3, characterized in that the impact surface on the entire emission surface ( 6 ) covering pattern is moved. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl(12) während der Elektronenstrahlerzeugung auf die Emissionsfläche (6) der Katode (2) gelenkt wird.Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that a laser beam ( 12 ) during electron beam generation on the emission surface ( 6 ) the cathode ( 2 ) is steered. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stoßelektronenstrahl (14) während der Elektronenstrahlerzeugung auf die Emissionsfläche (6) der Katode (2) gelenkt wird.Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that an impact electron beam ( 14 ) during electron beam generation on the emission surface ( 6 ) the cathode ( 2 ) is steered. Elektronenstrahlerzeuger, der in einer unter Vakuum stehenden Strahlerzeugungskammer, eine beheizte Katode mit einer Elektronen emittierenden Emissionsfläche und eine die Elektronen beschleunigende Anode aufweist, wobei die Strahlerzeugungskammer über Elektronenstrahl-Führungsrohre und über ein in Strömungsrichtung des Elektronenstrahles nachgeordneten Strahlablenksystem, mit einer Prozesskammer verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsfläche (6) der Katode (2) direkt beheizbar ist.Electron beam generator which, in a beam generation chamber which is under vacuum, has a heated cathode with an electron-emitting emission surface and an anode which accelerates the electrons, the beam generation chamber being connected to a process chamber via electron beam guide tubes and via a beam deflection system arranged downstream in the flow direction of the electron beam characterized that the emission area ( 6 ) the cathode ( 2 ) is directly heated. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsquelle mit einem Strahlaustritt versehen ist, dessen Strahlrichtung auf die Emissionsfläche (6) der Katode (2) gerichtet ist.Electron beam generator according to claim 7, characterized in that a radiation source is provided with a beam exit whose beam direction onto the emission surface ( 6 ) the cathode ( 2 ) is directed. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle eine Strahlablenkungseinheit aufweist.Electron beam generator according to claim 8, characterized characterized in that the radiation source is a beam deflection unit having. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente der Strahlungsquelle außerhalb der Strahlerzeugungskammer (1) und der Prozesskammer (10) angeordnet sind und an einer Verbindungsstelle in die Strahlerzeugungskammer (1) oder Prozesskammer (10) mindestens ein Strahleinkoppelsystem angeordnet ist.Electron beam generator according to one of claims 8 or 9, characterized in that elements of the radiation source outside the beam generation chamber ( 1 ) and the process chamber ( 10 ) are arranged and at a connection point in the beam generation chamber ( 1 ) or process chamber ( 10 ) at least one beam coupling system is arranged. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle einen Laserstrahlgenerator umfasst.Electron beam generator according to one of claims 8 to 10, characterized in that the radiation source is a laser beam generator includes. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahleinkoppelsystem ein Strahlendurchtrittsfenster oder ein Glasfaserkabel aufweist.Electron beam generator according to claim 11, characterized characterized in that the beam coupling system has a beam passage window or has a fiber optic cable. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlaustritt der Strahlungsquelle in einem der Elektronenstrahl-Führungsrohre (9) angeordnet ist.Electron beam generator according to claim 11, characterized in that the beam exit of the radiation source in one of the electron beam guide tubes ( 9 ) is arranged. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlaustritt der Strahlungsquelle in der Anode (3) angeordnet ist.Electron beam generator according to claim 11, characterized in that the beam exit of the radiation source in the anode ( 3 ) is arranged. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlaustritt der Strahlungsquelle in Verlängerung der Strahlachse des unabgelenkten Elektronenstrahles (8) nach dem Strahlablenksystem des Elektronenstrahles (8) angeordnet ist.Electron beam generator according to claim 11, characterized in that the beam exit of the radiation source extends the beam axis of the undeflected electron beam ( 8th ) according to the beam deflection system of the electron beam ( 8th ) is arranged. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle aus einem Stoßelektronenstrahlerzeuger (15) besteht.Electron beam generator according to one of Claims 8 to 10, characterized in that the radiation source consists of a collision electron beam generator ( 15 ) consists. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahleinkoppelsystem ein Strahlendurchtrittsfenster aufweist.Electron beam generator according to claim 16, characterized characterized in that the beam coupling system has a beam passage window having. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass Bohrungen (16) in der Anode (3) angeordnet sind, durch die Stoßelektronenstrahlen (14) auf die Katode (2) gerichtet sind.Electron beam generator according to one of claims 16 or 17, characterized in that bores ( 16 ) in the anode ( 3 ) are arranged by the collision electron beams ( 14 ) on the cathode ( 2 ) are directed.
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