DE1565881C - Verfahren und Anordnung zum gesteuer ten Erwarmen eines Targetmaterials in einem Hochvakuum Elektronenstrahlofen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum gesteuerten Erwärmen eines Targetmaterials in einem Hochvakuum-EIektronenstrahlofen, bei dem mindestens zwei getrennt erzeugte, nebeneinander etwa parallel verlaufende Elektronenstrahlen in zu ihnen senkrecht stehenden, gegebenenfalls unterschiedlichen ' Magnetfeldern auf das Targetmaterial in parallelen Ebenen gelenkt werden. ·

Eineinach dem vorstehend genannten Verfahren arbeitende Elektronenstrahlkanone ist bereits be- iq kannt (deutsche Auslegeschrift 1156 521). Bei dieser bekannten Elektronenstrahlkanone sind eine Glühkathode, und zwar insbesondere eine ringförmige Glühkathode, eine Fokussierungselektrode und eine Anode vorgesehen. Der einzigen Glühkathode ist dabei eine an sich bekannte, mit nebeneinanderliiegenden Löchern versehene Anode zugeordnet, und in Strahlrichtung gesehen sind hinter der Anode an sich bekannte magnetische, elektronenoptische Mittel angeordnet, die vorzugsweise durch elektromagnetische-Mittel gebildet sind. Diese bekannte Elektronenstrahlkanone vermag zwar eine Anzahl von parallel verlaufenden Elektronenstfahlen zu erzeugen, von Nachteil ist jedoch, daß die für die Ablenkung der Elektronenstrahlen vorgesehenen Magnetfelder nicht getrennt steuerbar sind, um auf irgendeine Stelle eines Targetmaterials gerichtet zu werden.

Es ist auch schon ein Verfahren zur Ablenkung und Leistungsmodulation eines Elektronenbündels in einem mit Elektronenbeschuß arbeitenden Ofen bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 172783). Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Elektronenbündel derart abgelenkt, daß es auf einen Randabschnitt eines zu schmelzenden Körpers trifft, woraufhin es bei fortschreitender Schmelzung über diesen Abschnitt vorgerückt und nach Bestreichung des gesamten Abschnittes in die Ruhestellung zurückgeführt wird. Dabei wird der zu schmelzende Körper gleichzeitig um etwa die Breite des abgeschmolzenen Abschnittes vorgerückt, so daß das Arbeitsspiel dann erneut beginnen kann. Für den zu schmelzenden Körper ist dabei eine seitliche Steuerplatte, auf welche das nicht abgelenkte Elektronenbündel fällt, sowie eine hintere Steuerplatte, welche den zu schmelzenden Körper wenigstens teilweise abdeckt, vorgesehen. Die durch 'däs^: Aufprallen des Elektronenbündels auf diese Steuerplatten erzeugten elektrischen Ströme werden zur Erregung von Ablenkspulen benutzt. Mit Hilfe dieses bekannten Verfahrens ist es zwar möglich, ein Elektronenbündel abzulenken und in der Leistung zu modulieren, von Nachteil ist jedoch, daß das betreffende Elektronenbündel bei vorgegebener Breite nicht ah jede beliebige Stelle des jeweiligen Targetmaterials -hin abgelenkt werden kann . bzw. daß für eine entsprechende Abgabe des Elektfönenbündels an irgendeine. Stelle eines Targetmaterials dieses noch entsprechend zu bewegen ist. — Da es sich hier hur um einen einzigen Elektronenstrahl handelt, tritt das Problem des Koordinierens mehrerer Strahlen nicht auf.

Im Zusammenhang mit dem Erwärmen eines Targetmateriäls in einem Hochvakuum-Elektronenstrahlofen ist es bereits bekannt (»Neue Hütte«, Januar .1963, H. 1, S. 2), einen Elektronenstrahl mit Hilfe einer magnetischen Linse zu führen und im SHahldurchmesser mit Hilfe einer weiteren magnetischen Linse zu variieren. Dabei können mit Hilfe gekreuzter magnetischer Ablenksysteme die Strahlenenergie auf Abschmelzstaib:und Schmelzsumpf in einer wassergekühlten Kupferkökille verteilt werden. Sind eine Mehrzahl von Elektronenstrahlen auf ein entsprechendes Targetmaterial -zu richten, so sind magnetische Linsen in entsprechender Vielzahl vorzusehen. Damit haftet dieser bekannten Art des gesteuerten Erwärmens eines Targetmaterials der Nachteil eines relativ hohen Aufwands an, wenn es überhaupt durchführbar ist, eine größere Anzahl von zweidimensionalen magnetischen Ablenksystemen nebeneinander anzuordnen. :

Im Zusammenhang mit dem Erwärmen eines Targetmaterials in einem Hochvakuum-Elektronenstrahlofen ist es schließlich bekannt (»Vakuum-Technik«, 1963, H. 3, S. 67), eine Elektronenstrahlablenkung um 90° vorzunehmen, und zwar mit für jeden Elektronenstrahl eigenem Ablenksystem. Damit ist auch bei dieser bekannten Art der Elektronenstrahlablenkung der Nachteil eines relativ hohen konstruktiven Aufwands vorhanden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie unter Vermeidung der den oben betrachteten bekannten Anordnungen anhaftenden Nachteile vorzugehen ist, um zwei oder mehrere benachbarte Elektronenstrahlen durch unterschiedlich orientierte Magnetfelder ablenken zu können und damit ein vorgegebenes Auftreffmuster auf einem Targetmaterial zu erhalten. -

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgäbe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die Elektronenstrahlen zunächst in einer gleichen Anzahl von getrennt steuerbaren Magnetfeldern im Sinne einer ersten auf das Target bezogenen Dimension abgelenkt werden, daß die Elektronenstrahlen darauf in einem ihnen gemeinsamen Magnetfeld in einer zu den parallelen Ebenen senkrechten Ebene abgelenkt werden und daß das gemeinsame Magnetfeld eine in Richtung der Elektronenstrahlen derart unterschiedliche Ausdehnung hat, daß die Elektronenstrahlen zu ihrer Zusammenführung im Sinne einer zweiten, auf das Target bezogenen Dimension unterschiedlich stark abgelenkt werden.

Die Erfindung bringt gegenüber den oben betrachteten bekannten Anordnungen den Vorteil mit sich, daß sie mit relativ geringem Aufwand die jeweils vorgesehenen Elektronenstrahlen auf das jeweils zu erwärmende Targetmaterial zum Zwecke einer gesteuerten Erwärmung dieses Materials zu richten gestattet.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer /Anordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2. einen Teilschnitt längs der Linie 2-2 in Fig.l,. - : ·<:·. ■■-.··· ^\ :'-''.. ,. . ■.·

Fig. 3 einen Teilschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1.

Die Anordnung gemäß der Erfindung enthält eine evakuierte Elektronenkanonenkammer 10 mit zwei Elektronenstrahlquellen 14 zur Erzeugung benachbarter und paraller bandförmiger Elektronenstrahlen hoher Dichte. Die ElektronenstraHlquellen können von konventioneller selbstbeschleunigender Art mit einer Kathode, einer fokussierenden Elektrode und einer Beschleunigungsanöde sein. Die Elektronenstrahlen laufen durch zwei Schlitze 18 und 20 in ein

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fokussierendes oder konzentrierendes Magnetfeld; das Stromversorgung der Spulen 32 und 34 wird.also: ein

durch eine neben den Schlitzen 18 und 20 angeord- magnetischesi Feld übendem Schlitz 22 aufgebaut;

nete stromdurchflossene Axialspule 21 erzeugt ,wird. dessen Feldlinien 50, wie dargestellt, vertikal ver^

Die Strahlen verlaufen sodann durch zwei ent- laufen.. Auf diese: Weise wird als Funktion der von

sprechende Schlitze 22 und 23, welche am entgegen- :.5 den Quellen 46 und 48 gelieferten Energie ein Ma-

gesetzten Ende der Axialspule21 angeordnet sind. gnetfeld gewünschter■;Feldstärke erzeugt, .dessen

Die Schlitze 22 und 23 führen in ein; hochevakuiertes Feldlinien senkrecht zum aus dem Spalt 22 austreteii-

Elektronenstrahlofengehäuse 24 mit einem das auf- den Elektronenstrahl verlaufen. In. entsprechender

zuheizende Material (Targetmaterial 26) enthalten- Weise, sind die Spulen 36 und 38 mit den Quellen 46

den Tiegel 25. Eine mit dem Gehäuse 24:gekoppelte io und 48 entsprechenden Stromquellen 52.und 53 ge-

Hochvakuumpumpenanordnung 28 dient zur Auf- koppelt; das durch diese Spulen erzeugte' Magnetfeld

rechterhaltung eines vorgegebenen Drucks im Ge- mit regelbarer Flußdichte verläuft senkrecht zum

häuse 24; der Druck beträgt gewöhnlich 0,1 bis 5 μ Spalt 23. \ ....

Quecksilbersäule. . · . . Die Feldstärke der über den Spalten 22 und 23

Die Elektronenstrahlen werden in bezug auf das 15 erzeugten Quermagnetfelder kann variiert werden, in-Targetmaterial unter einem vorgegebenen Winkel in dem lediglich die Gesamtstromstärke des in die das Gehäuse 24 geführt. Aus Gründen der Einfach- Spulenpaaren eingespeisten Stromes geändert wird, heit sind die in das Gehäuse 24 eintretenden und zum Da eine Änderung der Magnetflußdichte die Quer-Targetmaterial 26 geführten Elektronenstrahlen par- ablenkung der durch die Spalte 22 und 23 tretenden allel dargestellt, wobei im vorliegenden Ausführungs- 20 Elektronen ändert, sind Mittel zur getrennten Konbeispiel die Eintrittrichtung horizontal ist. Die hori- trolle der Ablenkung der entsprechenden durch die zontal eintretenden Strahlen werden durch zwei Spalte 22 und 23 tretenden Elektronenstrahlen _;vorwechselweise aufeinander senkrecht stehende Ma- gesehen. Die durch die Spalte 22 und 23 tretenden gnetfelder .im Weg der Elektronenstrahlen auf einen Elektronenstrahlen können in bezug aufeinander um vorgegebenen Bereich des Targetmaterials gelenkt. 25 unterschiedliche oder gleiche Beträge abgelenkt Das erste. Feld dient dazu, die Strahlen in einer Rieh- werden, was von den Stromstärken in den zugeordtung längs der Oberfläche des Targetmaterials zu neten Spulenpaaren abhängt. Andererseits kann auch führen, welche im folgenden als Querrichtung be- die Stromstärke jeder einzelnen der entsprechenden zeichnet wird; das. zweite Feld führt die Strahlen entgegengesetzten Spulen der Spulenpaare geändert senkrecht zur vorgenannten Richtung auf die Ober- 30 werden, um die durch die Spalte 22 und 23 ausfläche des Targetmaterials, wobei diese (Richtung im tretenden Elektronenstrahlen um unterschiedliche folgenden als Transversalrichtung bezeichnet wird. Beträge abzulenken.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich, wird das Quermagnet- An den Außenkanten der Schenkel 40, 42, 44 ist

feld durch eine gegenüber den Schlitzen 22 und 23 eine Vielzahl von nicht dargestellten Kühlschlangen

angeordnete Querelektromagnetvorrichtung 30 er- 35 vorgesehen, um eine Aufheizung durch die aus dem

zeugt. Diese Querelektromagnetvorrichtung 30 ent- Ofen austretende Wärme und durch die Elektronen-

hält ein erstes Paar von Magnetkernspulen 32 und 34 strahlen zu begrenzen. ;. ■

mit mehreren Windungen, deren Kerne vorzugsweise Nach Durchlaufen der Quermagnetfelder vor den

aus Weicheisen bestehen und die gegenüber dem Schlitzen 22 und 23 werden die Elektronenstrahlen

oberen Schlitz 22 angeordnet sind. Weiterhin enthält 40 durch ein transversales Magnetfeld geführt. Das

die Querelektromagnetvorrichtung ein zweites Paar transversale Magnetfeld dient dazu, die horizontal

gleichartiger Magnetkernspulen 36 und 38 gegenüber verlaufenden Elektronenstrahlen um einen Winkel

dem unteren Schlitz 23. Die Spulen der Spulenpaare zwischen etwa 45 und 120° abzulenken, so daß sie

sind in. bezug aufeinander magnetisch gegensinnig auf das Targetmaterial 26 auftreffen. ··..·:

orientiert, jedoch von gleicher baulicher Beschaffen- 45 In F i g. 3 ist eine transversale Elektromagnetvbr-ί

heit. Die Spulen jedes Paares haben also gleich- richtung 54 zur Erzeugung des transversalen Magnet-=-,

namige Magnetpole in der gleichen Richtung. feldes dargestellt. Die Elektromagnetvorrichtung 54

Die Spulen 32 und 34 des ersten Spulenpaares umfaßt eine obere horizontal angeordnete Eisenkerne

sind an ihren oberen Enden durch einen Schenkel 40 spule 58 sowie eine untere horizontal angeordnete

aus relativ hochpermeablem Material, wie beispiels- 50 Eisenkernspule 62. Diese Spulen haben Zylinderform

weise Weicheisen, magnetisch gekoppelt, während und eine ausreichende Windungszahl, um ein Ma-

sie an ihren unteren Enden durch einen Schenkel 42 gnetfeld zu erzeugen, das die Elektronenstrahlen um

aus relativ hochpermeablem Material magnetisch ge- einen Winkel von etwa 90° ablenkt. Die Spulen sind

koppelt sind, wobei sich die Schenkel 40 und 42 ent- mit entsprechenden Gleichstromquellen 63 und 64

sprechen. Die oberen Enden der Spulen 36 und 38 55 gekoppelt, wobei der in die Spulen fließende Strom

des zweiten Spulenpaares sind in der gleichen Weise reguliert werden kann.

durch den Schenkel 42 gekoppelt. Die unteren Enden Die Spulen 58 und 62 sind durch eine Seitenplatte

der Spulen 36 und 38 des zweiten Spulenpaares sind 66 miteinander gekoppelt, welche die entsprechen-

durch einen den Schenkeln 40 und 42 entsprechen- den-Spulenenden auf einer Seite verbindet. Eine

den Schenkel 44 magnetisch gekoppelt. Ersichtlich 60 weitere Seitenplatte 70 verbindet die - Enden ' der

verläuft der durch die entgegengesetzten Spulen 32 Spulen 58 und 62 auf der anderen Seite. Die Seiten-

und 34 erzeugte magnetische Fluß gegensinnig durch platten 60 und 70 sind in ihrer Form gleichartig. Sie

die Schenkel 40 und 42. Da die magnetischen. Feld- bestehen vorzugsweise aus ferromagnetischem Ma-

linien in sich geschlossen sind, müssen die durch die terial, wie beispielsweise Weicheisen, und dienen zur

Spulen 32 und 34 erzeugten magnetischen Feldlinien 65 magnetischen Kopplung der Spulen 58 und 62. Bei

notwendigerweise am Spalt 22 vorbeilaufen, indem einer derartigen Anordnung sind die Spulen 58 und

sie von einem Ende ihrer entsprechenden Spulen aus- 62 entgegengesetzt angeordnet, so daß gleichnamige

gehen und zum anderen Ende zurückkehren. Bei Magnetpole in gleicher Richtung liegen. Werden die

Spulen 58 und 62 mit Strom gespeist, so verläuft das von. entsprechenden Enden der Spulen ausgehende Magnetfeld in den Seitenplatten in entgegengesetzter Richtung. Da die Magnetfeldlinien in sich geschlossen sind, verlaufen sie in einen Raum 74, welcher durch die Spulen 68 und 62 sowie die Seitenplatten 66 und 70 gebildet wird, und treten an den anderen Enden der entsprechenden Spulen durch die entgegengesetzte Seitenplatte wieder ein. Die Spulen 58 und 62 erzeugen ein relativ starkes transversales Magnetfeld im Raum74 mit Feldlinien 78 (s. Fig. 3).

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, das Magnetfeld derart aufzubauen, daß die Elektronenstrahlen in Bereiche maximaler Flußdichte gelenkt werden, so daß sie um einen maximalen Betrag ab- *5 jelenkt werden. Die Seitenplatten werden zu diesem tweck vorzugsweise in Rechteckform hergestellt s. F i g. 1) und so orientiert, daß ihre Basis im ■wesentlichen mit der Richtung der Spalte 22 und 23 ibereinstimmt. Da das Magnetfeld dem Weg geingsten magnetischen Widerstandes folgt, verläuft es λ den Seitenplatten vor Eintritt in den Raum 74 Jurch deren breiteren Mittelbereich. Die Strahlen werden in den mittleren Bereich des Raumes 74 ge^ lichtet, in dem die höchste Flußdichte herrscht, so iaß sie um den maximalen Betrag abgelenkt.werden and auf das Targetmaterial 26 auftreffen. Die Flußdichte im Raum 74 kann durch Regulierung der Stromstärke, in. den Spulen 58 und 62 eingestellt werden, so daß jeder Strahl auf vorgegebene Bereiche des Targetmaterials gelenkt wird oder die Strahlen auf einen gemeinsamen Bereich der Oberfläche des .Targetmaterials 26 fokussiert werden.

Ersichtlich können die durch die Spalte 22 und 23 tretenden Elektronenstrahlen durch das durch die Elektromagnetvorrichtung 22 erzeugte Querfeldmagnet in Querrichtung abgelenkt und in den Raum 74 gerichtet werden. Darauf werden sie durch das transversale Magnetfeld um den gewünschten Betrag von ihrer ursprünglichen Richtung in transversaler Riehtung abgelenkt. Durch geeignete Einstellung der vorerwähnten Quer- und Transversalmagnetfelder ist es möglich, die Elektronenstrahlen auf vorgegebene Bereiche auf der Oberfläche des Targetmaterials zu richten, wodurch ein vorgegebenes Auftreffraster definiert wird. ^: ..·■.. . .

: Für bestimmte Anwendungsfälle ist es wünschenswert, ein zyklisch sich wiederholendes Auftreffmuster zu realisieren. Dies kann durch eine entsprechende Stromspeisung der Elektromagnetvorrichtung 30 oder der Elektromagnetvorrichtung 54 realisiert werden, so daß sich ein, zyklisch sich änderndes Magnetfeld ergibt. Ein derartiges Magnetfeld lenkt die Strahlen derart ab, daß ein zyklisch sich änderndes Auftreffmuster entsteht.

Das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Anordnung bezieht sich auf die Behandlung von zwei Elektronenstrahlen; es können jedoch auch, falls gewünscht, mehr als zwei Elektronenstrahlen in der beschriebenen Weise behandelt 6ö~ werden.

Claims (9)

.; . Patentansprüche:

1. Verfahren zum gesteuerten Erwärmen eines Targetmaterials in einem Hochvakuum-Elektronenstrahlofen, bei dem mindestens zwei getrennt erzeugte, nebeneinander etwa parallel ver- ■" laufende Elektronenstrahlen in zu ihnen senkrecht stehenden, gegebenenfalls unterschiedlichen Ebenen gelenkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlen zunächst in einer gleichen Anzahl von getrennt steuerbaren Magnetfeldern im Sinne einer ersten auf das Target bezogenen Dimension in parallelen Ebenen abgelenkt werden, daß die Elektronen-Strahlen darauf in einem ihnen gemeinsamen Magnetfeld in einer zu den parallelen Ebenen senkrechten Ebene abgelenkt werden und daß das gemeinsame Magnetfeld eine in Richtung der Elektronenstrahlen derart unterschiedliche Ausdehnung hat, daß die Elektronenstrahlen zu ihrer Zusammenführung im Sinne einer zweiten auf das Target (26) bezogenen Dimension unterschiedlich stark labgelenkt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten steuerbaren Magnetfelder und das gemeinsame Magnetfeld unabhängig voneinander gesteuert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlen um einen Winkel von etwa 90° umgelenkt werden.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, unter Verwendung eines evakuierten Gehäuses, in welchem Einrichtungen untergebracht sind, die zumindest zwei benachbarte und im wesentlichen parallel verlaufende Elektronenstrahlen erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (32, 34; 36, 38; 46, 48; 52, 53) zur Erzeugung voneinander getrennter Magnetfelder in der Bahn der Elektronenstrahlen und Einrichtungen (58, 62, 66, 63, 64, 70) zur Erzeugung eines gemeinsamen Magnetfeldes in der Bahn zumindest zweier Elektronenstrahlen vorgesehen sind, wobei das gemeinsame Magnetfeld Flußlinien besitzt, die im wesentlichen senkrecht zu den Flußlinien der getrennten Magnetfelder verlaufen und durch die die Elektronenstrahlen auf bestimmte Bereiche des Targetmaterials (26) gerichtet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die getrennten Magnetfelder erzeugenden Einrichtungen (32, 34; 36, 38; 30; 46, 48; 52, 53) jeweils zwei voneinander beabstandete, magnetisch entgegengesetzt wirkende Spulen (32, 34; 36, 38), Einrichtungen (30) zur magnetischen Kopplung der Spulen (32, 34; 36, 38) und Einrichtungen (46, 48; 52, 53) zur steuerbaren Speisung der Spulen (32, 34; 36, 38) mit Strom enthalten.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die das gemeinsame Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen (58, 62, 66,70, 63, 64) zwei voneinander beanstandete, magnetisch entgegengesetzt wirkende Spulen (58, 62) Einrichtungen (66, 70) zur magnetischen Kopplung der Spulen (58, 62) und Einrichtungen (63, 64) zur Abgabe von Strom an die Spulen (58, 62) enthalten.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden magnetisch entgegengesetzt wirkenden Magnetspulen zur Erzeugung der getrennten Magnetfelder mit ent-! sprechenden. Magnetpolen in gleicher Richtung zeigend angeordnet sind, daß ein Bügel (40,42, 44) aus einem Material relativ hoher Permeabili-,

tat entsprechende Pole der Spulen (32,34; 36,38) verbindet und eine Öffnung bildet, durch die der Elektronenstrahl zwischen den Spulen (32, 34; 36,38) hindurchtritt, und daß Einrichtungen (46, 48; 52,53) zur steuerbaren Abgabe von Strom an die beiden Spulen (32, 34; 36,38) vorgesehen sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetspulen (58,62) zur Erzeugung des ge- χο meinsamen Magnetfeldes so angeordnet sind, daß entsprechende Pole in gleicher Richtung zeigen, daß Einrichtungen (63,64) zur Speisung der bei-

den Spulen (58,62) vorgesehen sind und daß die Einrichtungen (66, 70) zur magnetischen Kopplung der beiden Spulen (58, 62) zwei im wesentlichen dreieckförmige Seitenplatten (66,70) enthalten, die aus einem Material relativ hoher Permeabilität bestehen und die jeweils entsprechende Pole der beiden Spulen (58,62) verbinden.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Magnetfeld eine solche Stärke besitzt, daß die durch dieses Magnetfeld hindurchtretenden Elektronenstrahlen um einen Winkel zwischen etwa 45 und 120° umlenkbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen