DE1589005B1 - Vorrichtung zum Bearbeiten von Gegenstaenden mit Elektronenstrahlen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Be- 50 · 10~³ Torr oder weniger betragen muß. Bsi Hocharbeiten von Gegenständen mit Elektronenstrahlen, spannungen von 20 kV und mehr sind erheblich bestehend aus einer hohlzylindrischen, kalten Kathode, niedrigere Drücke, und zwar von 10 · 10~³ Torr deren Zylinderdurchmesser größer ist als dessen oder weniger, erforderlich, wobei diese Drücke Höhe, mit zwei zueinander koaxialen und symmetrisch 5 bedingt durch einen Gasaustritt oder sonstige Faktoren zur Zylinderachse angeordneten Öffnungen in den geringen Schwankungen unterworfen sind, beiden Stirnflächen des Zylinders, bei der der zu Hohlkathoden mit kleiner Austrittsöffnung werden

bearbeitende Gegenstand als Anode wirkt und in der für die Erzeugung von Elektronenstrahlen bei hohen Zylinderachse angeordnet ist. Drücken betrieben. Die Abmessungen der Hohl-

Eine derartige Vorrichtung ist aus der Zeitschrift io kathoden sind bei diesen Drücken jedoch so klein, Journal of Scientific Instruments, Vol. 41,1964, Nr. 5, daß die Strahlenergie auf einen Wert begrenzt wird, S. 351, bekannt. Bei dieser Vorrichtung dient die der die Verwendung dieser Kathoden in den meisten kalte Kathode zum Fokussieren; zur Erzeugung von Fällen nicht mehr zweckmäßig erscheinen läßt. Elektronen durch thermische Emission ist ein Wolfram- Da bei der Bearbeitung eines Materials mit einem

heizdraht vorgesehen. 15 Elektronenstrahl das Werkstück stark entgast und in

Auch sind Vorrichtungen bekannt, bei denen dem vom Elektronenstrahl getroffenen Bareich teil-Elektronenstrahlen von einer mit einer kleinen Aus- weise verdampft wird, werden Schwankungen des trittsöffnung versehenen Kathode für Glimment- gewünschten Gasdrucks verursacht, wodurch sich die ladungen erzeugt werden. Durch Änderung der Gefahr der Bildung einer Bogenentladung in der Hohlzwischen der Kathode und der Anode herrschenden 20 kathode erhöht. Darüber hinaus bewirken Tempa-Potentialdifferenz und des Gasdrucks der umgebenden raturänderungen des Gases Schwankungen des Gas-Atmosphäre lassen sich verschiedene Betriebsarten drucks und eine Verminderung der Stabilität des erreichen. Bei einer dieser Betriebsarten wird ein Betriebes. In der Praxis führten diese Faktoren zu scharf gebündelter Elektronenstrahl erzeugt, der sich einem Betrieb, der bei Hochspannungen von etwa zur Bearbeitung von Werkstücken eignet. Bei einer 25 15000V höchst instabil ist, wobei ein Druckanstieg anderen Betriebsart erreicht man eine Bogenentladung, um mehrere 10~³ Torr eine Bogenentladung verjedoch wird hierbei kein einwandfreies Arbeiten und ursacht. Es muß daher sehr eine aufwendig; Gasdruckauch kein Elektronenstrahl hoher Energie erzielt. Steuervorrichtung geschaffen werden, um den Elek-Die Hohlkathoden mit kleiner Austrittsöffnung be- tronenstrahl einer mit einer kleinen Austrittsöffnung sitzen durch einen Maschendraht oder durch ge- 30 versehenen Hohlkathode aufrechterhalten zu können, schlossene metallische Flächen gebildete Hohlkam- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

mern. Falls die Kathode geeignete geometrische Ab- Vorrichtung der eingangs genannten Gattung derart messungen aufweist, die Kathode gegen die Anode auszubilden, daß sie bei relativ hohen Gasdrücken mit entsprechend hohem negativem Potential vor- betrieben werden kann, daß Schwankungen des Gasgespannt ist und in der Hohlkammer ein geeigneter 35 drucks und der Betriebsspannung ohne Einfluß Druck herrscht, tritt aus der kleinen Austrittsöffnung bleiben und insgesamt ein möglichst stabiler Betrieb ein scharf gebündelter strichförmiger Elektronenstrahl erreicht wird.

hoher Stromdichte aus, dessen Elektronen hohe Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen,

Energie besitzen. daß zwischen Kathode und Anode eine Glimmant-

Der Spannungs- und Gasdruckbereich, innerhalb 40 ladung brennt und die Abmessung in Richtung der dessen eine Hohlkathode mit kleiner Austrittsöffnung Zylinderachse der der Anode zugewandten Öffnung einwandfrei und mit nur geringer Neigung zur Bogen- der Kathode gleich groß ist wie oder größer ist als die entladung arbeitet, ist klein. Eine mit einer kleinen Ausdehnung des Kathodenfalls. Austrittsöffnung versehene Kathode, die in Argon In dem als Kathodenfall bezeichneten und der

mit einem Druck von 24 · 10~³ Torr arbeitet, muß 45 Kathode benachbarten Bereich tritt der stärkste mit einer Spannung von 1200 V betrieben werden. Abfall des zwischen der Kathode und der Anode An dieser Kathode tritt eine Bogenentladung, wenn herrschenden Potentialgefälles auf. Untersuchungen das Potential auf 2000 V angehoben oder der Gasdruck haben nun gezeigt, daß ein stabiler Elektronenstrahl auf 40 · 10~³ Torr erhöht wird, auf. Bei einem Gas- erzeugt werden kann* wenn die der Anode zugewandte druck von 7 · 10~³ Torr ist ein Spannungspotential 50 Öffnung gleich groß ist wie oder größer ist als die von 10 000 V zulässig, ein Druckanstieg auf Ausdehnung des Kathodenfalls, solange die Saiten-10 · 10~³ Torr führt jedoch zu einer Bogenentladung. wände noch einen Hohlraum umschließen, innerhalb Hieraus folgt, daß für jeden für den Elektronenstrahl- dessen der Elektronenstrahl gebildet werden kann, betrieb erforderlichen besonderen Gasdruck eine maxi- Die Größe der Öffnung ist durch die Gestalt das zu male Spannung gegeben ist, oberhalb der ein relativ 55 ^erzeugenden Elektronenstrahls festgelegt. Dia Abkleiner Anstieg des Gasdrucks zu einer Bogenent- messungen der Querschnittsfläche des Elektronenladung führt. Strahls sind gleich groß wie oder größer als die ent-Für eine Hohlkathode mit kleiner Austrittsöffnung sprechenden Abmessungen der Ö.Tnung. Obgleich lassen sich die Betriebsbedingungen nur schwer fest- durch die relativ große öffnung des Hohlraums die legen, da diese von vielen Faktoren abhängen, wie 60 Fokussierung verringert wird, kann dar aus diasam z. B. der verwendeten Gasart, dem Gasdruck, der Hohlraum austretende Elektronenstrahl vorteilhaft Betriebsspannung, den geometrischen Abmessungen zur Bearbeitung von Werkstoffen verwandet warden, der Kathode, dem Energiebedarf des Elektronen- Da der aus einer solchen Anordnung mit großer Ausstrahls, der Stabilität und, sofern sich die Anode nahe trittsöffnung emittierte Elektronenstrahl dan übarder Kathode befindet, dem Abstand zwischen der 65 wiegenden Teil seiner Elektronen dam Plasma das Kathode und der Anode. Trotzdem kann mit aus- Hohlraums entnimmt, kann diese Anordnung als eine reichender Genauigkeit gesagt werden, daß der Gas- Hohlkathode mit großer Austrittsöffnung bezeichnet druck beim Betrieb dieser Kathodenanordnung etwa werden.

In den F i g. 1 und 2 der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt und nachstehend näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine hohlzylindrische Kaltkathode,

F i g. 2 einen Schnitt durch eine Kaltkathode in einer weiteren Ausführungsform.

F i g.l zeigt eine hohlzylindrische Kaltkathode 1, die in einer Kammer 3 angeordnet ist, von der eine Wand 5 teilweise dargestellt ist. Die Kammer 3 ist auf einen Druck evakuiert, der zur Erzeugung eines Elektronenstrahls erforderlich ist. Die Kathode 1 weist eine Zylinderwand 7 auf, an deren Strinflächen nach innen gerichtete Seitenwände 9, 10 angeordnet sind, die zueinander koaxiale und zur Zylinderachse symmetrisch angeordnete Öffnungen 30 aufweisen. Dadurch wird ein ringförmiger Hohlraum 14 gebildet, der eine Öffnung 16 aufweist, die von den Seitenwänden 9 und 10 begrenzt wird. Zur Bearbeitung unregelmäßig gestalteter Werkstücke können auch andere als zylindrische Kathodenformen vorgesehen werden. Koaxial' zur Kathode 1 ist ein Werkstück 18 angeordnet, das als Anode dient und mit dem positiven Pol einer Hochspannungsquelle 20 elektrisch verbunden ist. Falls das Werkstück 18 elektrisch nicht leitend ist, kann der positive Pol der Hochspannungsquelle 20 mit einer beliebigen, elektrisch leitenden Fläche im Inneren der Kammer 3 verbunden sein. Der negative Pol der Hochspannungsquelle 20 ist über ein Hochspannungskabel 22 und eine Leiterdurchführung 24 mit der Ka node I verbunden. Die Kathode 1 ist an mehreren Stellen ihrer Umfangsfläche in elektrisch nicht leitenden Trägerelementen 26 gelagert. Zur Unterdrückung des Austritts von Elektronen aus der vom Kathodeninneren abgekehrten Kathodenfläche ist die Kathode 1 mit einem Schutzschirm 28 umgeben, der Öffnungen 32 für das Werkstück 18 aufweist. Der Abstand des Schutzschirmes 28 von der Kathode 1 ist so gewählt, daß zwischen diesen beiden kein Durchschlag stattfinden kann.

Die Strahlelektronen werden zu einem großen Teil durch die Fangwirkung im Hohlraum 14 erzeugt. Die Intensität des im Hohlraum herrschenden Plasmas kann durch, wie in F i g. 2 gezeigt ist, nach innen gerichtete, die Öffnung 16 verkleinernde Wände 34 verstärkt werden. Für die Größe dieser Elemente ist eine bestimmte Grenze gegeben, die durch das Verhältnis zwischen der Höhe A der durch sie gebildeten Öffnung und der Zylinderhöhe H festgelegt ist. Unterhalb eines Verhältnisses von AjH von etwa 0,7 ist der aus der Kathode austretende Elektronenstrahl wesentlich kleiner als die Öffnung und besitzt die Eigenschaften der durch Hohlkathoden mit kleiner Austrittsöffnung erzeugten Elektronenstrahlen. Oberhalb des Verhältniswertes von 0,7 wird dar durch die Kathode erzeugte Elektronenstrahl im wesentlichen durch die Größe der Öffnung bestimmt und besitzt gegenüber Schwankungen des Gasdrucks und des zwischen der Kathode und der Anode herrschenden Spannungspotential eine große Stabilität. Gasdrücke" größer als 200 · 10~³ Torr und Spannungen von 10 kV und mehr können zur Erzeugung eines Elektronenstrahls angewendet werden. Nähert sich das Verhältnis von AjH dem Wert 1, wird auch bei diesem Wert noch ein stabiler Elektronenstrahl erzeugt, wenn die Öffnung 16 gsmäß der Erfindung Abmessungen aufweist, die gleich groß wie oder größer als die Weglänge des Kathodanfalls sind. D^r Waglänge des Kathodenfalls entspricht in den meisten Anwendungsfällen die Strecke, längs der der größte Spannungsabfall des zwischen der Kathode und der Anode herrschenden Spannungsgefälles auftritt. Diess Weglängen können experimentell bestimmt oder der Literatur entnommen werden. Beim Bstrieb einer Kathode mit 2000 V Spannung und Heliumgas mit ein m Druck von 500 ■ 10~^a Torr beträgt die Länge des Kathodenfalls etwa 1 cm.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bearbeiten von Gegenständen mit Elektronenstrahlen, bestehend aus einer hohlzylindrischen, kalten Kathode, deren Zylinderdurehmesser größer ist als dessen Höhe, mit zwei zueinander koaxialen und symmetrisch zur Zylinderachse angeordneten Öffnungen in den beiden Stirnflächen des Zylinders, bei der der zu bearbeitende Gegenstand als Anode wirkt und in der Zylinderachse angeordnet ist. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kathode (1) und Anode (18) eine Glimmentladung brennt und die Abmessung in Richtung der Zylinderachse der der Anode zugewandten Öffnung (16) der Kathode (1) gleich groß ist wie oder größer ist als die Ausdehnung des Kathodenfalls.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine sich von wenigstens einer der Seitenwände (9, 10) nach innen erstreckende Wand (34), die so bemessen ist. daß das Verhältnis der Weite (A) der verbleibenden Öffnung (16) zur Höhe (H) der Kathode größer als 0,7 fst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) von einer Abschirmung (28) umschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnunsen COPY