DE1589005C - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Gegenständen mit Elektronenstrahlen, bestehend aus einer hohlzylindrischen, kalten Kathode, deren Zylinderdurchniesser 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.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der Zeitschrift •Journal of Scientific Instruments, Vol. 41, 1964, Nr. 5, S. 351, bekannt. Bei dieser Vorrichtung dient die kalte Kathode zum Fokussieren; zur Erzeugung von Elektronen durch thermische Emission ist ein Wolframheizdraht vorgesehen.

Auch sind Vorrichtungen bekannt, bei denen Elcktronenstrahlen von einer mit einer kleinen Austrittsöifnung versehenen Kathode für Glimmentladungen erzeugt werden. Durch Änderung der zwischen der Kathode und der Anode herrschenden Potentialdifferenz und des Gasdrucks der umgebenden Atmosphäre lassen sich verschiedene Betriebsarten erreichen. Bei einer dieser Betriebsarten wird ein scharf gebündelter Elektronenstrahl erzeugt, der sich zur Bearbeitung von Werkstücken eignet. Bei einer anderen Betriebsart erreicht man eine Bogenentladung, . jedoch wird hierbei kein einwandfreies Arbeiten und auch kein Elektronenstrahl hoher Energie erzielt. Die Hohlkathoden mit kleiner Austrittsöffnung besitzen durch einen Maschendraht oder durch geschlossene metallische Flächen gebildete Hohlkammern. Falls die Kathode geeignete geometrische Abmessungen aufweist, die Kathode gegen die Anode mit entsprechend hohem negativem Potential vorgespannt ist und in der Hohlkammer ein geeigneter Druck herrscht, tritt aus der kleinen Austrittsöffnung ein scharf gebündelter strichförmiger Elektronenstrahl hoher Stromdichte aus, dessen Elektronen hohe Energie besitzen.

Der Spannungs- und Gasdruckbereich, innerhalb dessen eine Hohlkathode mit kleiner Austrittsöffnung einwandfrei und mit nur geringer Neigung zur Bogenentladung arbeitet, ist klein. Eine mit einer kleinen Austrittsöffnung versehene Kathode, die in Argon mit einem Druck von 24*10~³Torr arbeitet, muß mit einer Spannung von 1200 V betrieben werden. An dieser Kathode tritt eine Bogenentladung, wenn das Potential auf 2000 V angehoben oder der Gasdruck auf 40 · 10~³ Torr erhöht wird, auf. Bei einem Gasdruck von 7 · 10~³ Torr ist ein Spanniingspotential von 10 000 V zulässig, ein Druckanstieg auf 10 · 10~³ Torr führt jedoch zu einer Bogenentladung. Hieraus folgt, daß für jeden für den Elektronenstrahlbetrieb erforderlichen besonderen Gasdruck eine maximale Spannung gegeben ist, oberhalb der ein relativ kleiner Anstieg des Gasdrucks zu einer Bogenentladung führt.

Für eine Hohlkathode mit kleiner Austrittsöffnung lassen sich die Betriebsbedingungen nur schwer festlegen, da diese von vielen Faktoren abhängen, wie z. B. der verwendeten Gasart, dem Gasdruck, der Betriebsspannung, den geometrischen Abmessungen der Kathode, dem Energiebedarf des Elektronenstrahls, der Stabilität und, sofern sich die Anode nahe der Kathode befindet, dem Abstand zwischen der Kathode und der Anode. Trotzdem kann mit ausreichender Genauigkeit gesagt werden, daß der Gasdruck beim Betrieb dieser Kathodenanordnung etwa 50 · 10-³ Torr oder weniger betragen muß. B;i Hochspannungen von 20 kV und mehr sind erheblich niedrigere Drücke, und zwar von 10 · 10~³ Torr oder weniger, erforderlich, wobei diese Drücke bedingt durch einen Gasaustritt oder sonstige Faktoren geringen Schwankungen unterworfen sind.
. Hohlkathoden mit kleiner Austriltsöffnung werden für die Erzeugung von Elektronenstrahlen bei hohen Drücken betrieben. Die Abmessungen der Hohlkathoden sind bei diesen Drücken jedoch so klein, daß die Strahlenergie auf einen Wert begrenzt wird, der die Verwendung dieser Kathoden in den meisten Fällen nicht mehr zweckmäßig erscheinen läßt.

Da bei der Bearbeitung eines Materials mit einem Elektronenstrahl das Werkstück stark entgast und in dem vom Elektronenstrahl getroffenen Bereich teilweise verdampft wird, werden Schwankungen des gewünschten Gasdrucks verursacht, wodurch sich die Gefahr der Bildung einer Bogenentladung in der Hohlkathode erhöht. Darüber hinaus bewirken Tempsraturänderungen des Gases Schwankungen des Gasdrucks und eine Verminderung der Stabilität des Betriebes. In der Praxis führten diese Faktoren zu einem Betrieb, der bei Hochspannungen von etwa 15000 V höchst instabil ist, wobei ein Druckanstieg um mehrere 1O^-3 Torr eine Bogenentladung verursacht. Es muß daher sehr eine aufwendige Gasdruck-Steuervorrichtung geschaffen werden, um den Elektronenstrahl einer mit einer kleinen Austrittsöffnung versehenen Hohlkathode aufrechterhalten zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Vorrichtung der eingangs genannten Gattung derart auszubilden, daß sie bei relativ hohen Gasdrücken betrieben werden kann, daß Schwankungen des Gasdrucks und der Betriebsspannung ohne Einfluß bleiben und insgesamt ein möglichst stabiler Betrieb erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß zwischen Kathode und Anode eine Glimmentladung brennt und die Abmessung in Richtung der

Zylinderachse der der Anode zugswandten Öffnung der Kathode gleich groß ist wie oder größer ist als die Ausdehnung des Kathodenfalls.

In dem als Kathodenfall bezeichneten und der

45. Kathode benachbarten Bereich tritt der stärkste Abfall des zwischen der Kathode und der Anode herrschenden Potentialgefälles auf. Untersuchungen haben nun gezeigt, daß ein stabiler Elektronenstrahl erzeugt werden kann, wenn die der Anode zugewandte

Öffnung gleich groß ist wie oder größer ist als die Ausdehnung des Kathodenfalls, solange die Seitenwände noch einen Hohlraum umschließen, innerhalb dessen der Elektronenstrahl gebildet werden kann. Die Größe der Öffnung ist durch die Gestalt des zu erzeugenden Elektronenstrahls festgelegt. Dia Abmessungen der Querschnittsfläche des Elektronen-■ Strahls sind gleich groß wie oder größer als die entsprechenden Abmessungen der Öffnung. Obgleich durch die relativ großs Öffnung des Hohlraums die Fokussierung verringert wird, kann der aus diessm Hohlraum austretende Elektronenstrahl vorteilhaft zur Bearbeitung von Werkstoffen verwendet werden. Da der aus einer solchen Anordnung mit großir Austriitsöffnung emittierte Elektronenstrahl d:n üb;rwiegenden Teil seiner Elektronen dem Plasma dis Hohlraums entnimmt, kann diese Anordnung als eine Hohlkathode mit großer Austrittsöffnung b^zeichnJt 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 ao 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 as 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'hodel verbunden. Die Kathode 1 ist an mehreren Stellen ihrer Umfangsflächc in elektrisch nicht leitenden Trägerelementen 26 gelagert. Zur Unterdrückung des Austritts von Elektronen aus der vom Kathodeninneren abgekehrten Kathodeniläche 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 A/H 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 Elcktronenstrahlen. Oberhalb des Verhältniswertes von 0,7 wird der 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 A/II dem Wert 1, wird auch bei diesem Wert noch ein stabiler Elektronenstrahl erzeugt, wenn die öffnung 16 gemäß der Erfindung Abmessungen aufweist, die gleich groß wie oder größer als die Weglänge des Kathodenfalls sind. D;r Weglänge des Kathodenfalls entspricht in den meisten Anwendungsfällen die Strecke, längs der der größte Spannungsabfall des zwischen der Kathode und der Anode herrschenden Spannungsgefälles auftritt. Diese Weglängen können experimentell bestimmt oder der Literatur entnommen werden. Beim Betrieb einer Kathode mit 20(K) V Spannung und Heliumgas mit ein m Druck von 500 · 10~³ 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 Zylinderdurchmesser 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 ist.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen