DE1589487A1 - Anordnung zur Erzeugung und Fuehrung eines ElektroAnordnung zur Erzeugung und Fuehrung eines Elektronenstrahles nenstrahles - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl-Ing. F.Weickmann, Dr. Ing. A.Weickmann

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann

: 15B9&87

8 MÜNCHEN 27, DEN

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

LÖBM

Air Reduction Company, 150 East 42nd Street, Hew York,

V.St.v.A.

Anordnung zur Erzeugung und Führung eines Elektronenstrahles

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung und Führung eines Elektronenstrahls auf einem gekrümmten Weg sowie auf einen

Verwendung einer derartigen Anordnung.

Bei der Vakuumbehandlung von verschiedenartigen Materialien v/erden Elektronenstrahlofen verwendet. Beispielsweise finden derartige Ofen beim Schmelzen und Gießen von metallischen Erzen Verwendung, um relativ reine Metalle oder Legierungen zu erhalten. Weiterhin v/erden derartige Öfen auch beim Schmelzen von Nichtmetallen, wie beispielsweise Keramiken und Kunststoffen, verwendet; es können mit der-

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artigen Ofen auch Iiämpi'e von Metallen und anderen Materialien erzeugt v/erden, um diese auf einem Substrat niederzuschlagen.

In Elektronenstrahlofen v;ird wenigstens eine Elektrouenkanone verwendet, um hochenergetische Elektronenstrahlen zu erzeugen und diese zur Aufheizuno' auf ein Target zu führei-, wobei das Target und die Elektronen kanone in einer geeigneten Hochvakuiimkanmer angeordnet sind. Elektronenkanonen enthalten generell eine Elektronenquelle bz'.i. einen Elektronenemitter zur .Aussendung der Elektronen, und geeignete Einrichtungen zum !Fokussieren der Elektronen in eine.· Strahl, Eer Elektronenstrahl wird längs seines anfänglichen Weges durch eine geeignete Eeschlcuriigungsanode beschleunigt. Zur Führung des Elektronenstrahls längs eines gewünschtei Weges auf die Oberfläche eines Tax-gets ira Ofen werden :.:;■,/-netische Pelder vorgesehen, Vielehe den Strahl gleichzeitig auf eine gewünschte Konzentration fokussieren.

Bei einem speziellen vorteilhaften Typ einer Elektronenkanone werden magnetische Pelder ausgenutzt, welche" quer zur Bewegungsrichtung der Elektronen ira Strahl verlaufen, um den Elektronenstrahl auf einem gekrümmten *.,"eg auf das Target zu richten. Durch die'Ablenkung des Elektronenstrahls mittels 'Aierfeidern ist die Möglichkeit gegeben, daß die Elektronenquelle außerhalb des Targetbereicher; an-

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geordnet werden kann. Auf diese Weise ist die Elektronenquelle nicht direkt dem großen Volumen von gasförmigen Verunreinigungen und Dampfpartikeln ausgesetzt, welche ionisierte und ungeladene Atome und Moleküle enthalten. Diese Atome und Moleküle werden im Targetbereich durch Aufheizung Aufschmelzen und Verdampfen bei vielen Materialien erhalten. \iird die Elektronenkanone in einem Bereich der Vakuumkammer angeordnet, wo sie großen Mengen von Danpfpartikeln und Gasen ausgesetzt ist, so kann die Erzeugung des Elektronenstrahls nachteilig beeinflußt werden. Beispielsweise reduzieren große Druckschwankungen den "Wirkungsgrad der Elektronenstrahlerseugung und machen eine genaue Steuerung schwierig. Prallen darüber hinaus Dampfpartikel auf den Emitter der Kanone auf, so kann dieser Emitter spröde \^erden und ausbrennen. Durch Anordnung der Elektronenlcanone in einer Stellung, in der sie den DampfpartikeIn so wenig wie möglich ausgesetzt ist, ergibt sich eine weit geringere Verschmutzung und daraus resultierende längere Lebensdauer.

Durch Verwendung von Querfeldern wird darüber hinaus die Möglichkeit des Einfangs von negativen Ionen und Sekundärelektronen in den Elektronenstrahl wesentlich verringert. Damit wird auch die Ausbildung einer Raumladung verringert, welche die Fokussierung und Ablenkung des Strahls nachteilig beeinflußen kann.

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Ein Beispiel für die Verwendung einer Elektronenkanone mit Ablenkung der Querfelder ist das Aufschmelzen von Material in einem aufrechten Tiegel. In einem derartigen Fall kann das Abspalten von kondensiertem Material an kühlen Flächen der Vakuumkammer und das Verspritzen von geschmolzenem Material aus dem Tiegel die Elektronenquelle verschmutzen und kurzschließen, so daß eine zufriedenstellende Wirkungsweise der Elektronenstrahlkanone unterbunden wird. Dieser Nachteil kann dadurch vermieden werden, daß die Elektronenstrahlquelle unter dem Tiegel angeordnet und der Elektronenstrahl auf einem gekrümmten Weg von mehr als 180° abgelenkt werden. Um die Möglichkeit des Auftreffens von DampfpartikeIn auf die Elektronenstrahlquelle weiter zu reduzieren, werden in bestimmten Anwendungsfällen zwei getrennt gepumpte Kammern für "das Target und die Elektronenquelle vorgesehen, wobei der durch die Kanone erzeugte Elektronenstrahl durch eine Öffnung in der ",fand zwischen den beiden Kammern gerichtet wird, um das Target zu erreichen.

In vielen Fällen kann es wünschenswert sein, den Elektronenstrahl in einen gekrümmten 'feg abzulenken, um ein Divergieren at vermeiden, oder den Strahl so zu fokussieren, daß er in einem bestimmten Bereich konvergiert. Dieser Bereich wird in folgenden Brennbereich genannt. Wird der Strahl in einen runden Fleck im Brennlereich fokussiert, v/elcher

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in oder unmittelbar vor der Oberfläche des Targets liegt, so ergibt sich eine wirksame Energieübertragung zwischen ■ dem Strahl und dem Target. Durch Konvergieren des Strahls an einer. Öffnung in einer Wand zwischen getrennt gepumpten Vakuumkammern oder an einer öffnung in einem Spritz- oder Dp.mpfschild kann die Größe der Öffnung zur besseren Trennung bzw. Abschirmung so klein wie möglich gehalten werden.

J3ei bisher bekannten Anordnungen zur Erzeugung und Führung von Elektronenstrahlen ist für viele Anwendungsfälle keine genügende Konvergenz des Strahls vorhanden. Dies ist insbesondere dann der Ir.nll, wenn eine Ablenkung verlangt wird, die größer als 90° ist. Ablenk- und Konvergenzprobleme können durch die Verwendung eines länglichen Emitters miteinander in Einklang gebracht v/erden, v/elcher einen streifenförmiges ocler bandförmigen Strahl erzeugt. Da derartige Emitter gegenüber anderen Typen von Emittern vorteilhaft sind, ist es wünschenswert, eine zufriedenstellende Fokussierung von bandförmigen Elektrcnenstrahlen zu erreichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Erzeugung und Führung eines Elektronenstrahls anzugeben, bei welcher der Elektronenstrahl in einen gekr'ii.omten Weg abgelenkt und in einem Brennbereich nach oder in diesem gekrümmten Weg konvergiert wird.

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Die Anordnung soll dabei so angeordnet v/erden kömion, da 3 das In-Kontakt-KocEien der jülek'üronenraielle alt Ιίαποΐ-nartikeln so klein wie möglich gehalten v:ird. uer ^iIe¹ ~trononstra'.il soll dabei insbesondere au der Oberfläche oder unmittelbar v;.;r der L-oerflüche eines Targets konvertiert v/erden, wobei eine Ablenkung des ϊ'ΛτζνΐΙη aiii c.'.i-o:.i i';el:;.-ii.:7irite,-"./eg, v/elc:ier etv/a P"? oder größer ist, 'nö^lich sein soll, './eiterhiu soll die --tiorduuri^ eiuo laa^o Lebonsdaucr der lile^troiienkanone uii'l eine genaue IietJ^lieA'an/; der Leistungav/erte, der Jlel:troiisnstra:ilriclitun_f'_; und dor 7'.ό':--.3-sieruii_o ermöglichen., schließlich soll die "_.-le-ctrrH»onkanone der Anordnung in einer -rom Target ^;e trennt en T'ai-iHer a;-._;;;oordnet v/erden können, vobez die iio^liohJccit do3 jjiriiaii^enn von negativ geladenen Ionen und Elektronen durch den -;.l3ktronenstrahl so gering wie nöglica gehalten ist.

Eine Anordnung zur Erzeugung und Pührung eines Llelctronenstrahls ist zur Lösung der vorgenannten Aufgabe gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gekennzeichnet: eine Einrichtung zur Erzeugung eines bandförmigen, in eine Anfangsrichtung gerichteten Elektronenstrahls und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen Flußlinien quer zur Anfangsrichtung und sekreöht zur Hauptachsenebene des bandförmigen Elektronenstrahls verlaufen und das den bandförmigen Elektronenstrahl in einen gekrümmten Weg in der Strahlebene ablenkt.

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Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs-"beispielen anhand der Figuren. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Aufriß mit teilweise geschnittenen Teilen eines Elektronenstrahlofens gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt der Elektronenkanone im Ofen, wobei der Schnitt längs der Linie 2-2 in Pig, I geführt ist;

Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Querschnitt einer anderen Ausführungsform der Elektronenkanone;

Fig. 4 eine Seitenansicht mit teilweise geschnittenen

Teilen einer weiteren Ausführungsform des Elektronenstrahlofens ;

Fig. 5 eine Endansicht der Anordnung nach Fig. 4»

Fig. 6 einen schematischen Aufriß einer weiteren Ausführungsfonn des Elektronenstrahlofens gemäß der
Erfindung;

Fiir. 7 einen Querschnitt längs der Linie 7-7 nach lig. 6;

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Fig. 8 eine Unteransicht der Anordnung nach Fig. 6;

Fig. 9 einen schenatischen Vertikalquerschnitt entsprechend Fig. 7 einer v/eiteren Ausführungsform des Elektronenstrahlofen? ;

ig.10 einen schematischen Vertikalquerschnitt entsprechend

den Fig. 7 und 9 v/einer v/eiteren Ausführungsform des 'lektronenstrahlofens;

Fig.11 einen schenatischen Vertikalquerschnitt entsprechend den Fig. 7, 9 und 10 einer weiteren Ausführungsform, der Jirfindung;

Fig.12 eine Vridannicht der Anordnung nach Fig. 11;

Fig.13 eine Draufsicht der Anordnung nach Fig. 12in der Linie 13-13;

Fig.14 einen Aufriß einer v/eiteren Ausführungsform einer ! J1e>t rc ηe nka η one g enrß der Erfi ηd ung;

Fig.15 einen. · querschnitt längs der Linie 1^-15 in Fig. 14;

Fig. 16 einen querschnitt l^:üv_s der Linie 16-16 in Fig. 14;

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.17 einen schema ti sehen ^uersclmitt eines in bekannter "./eise erzeugte;.: bandförmigen Elektronenstrahls in einem bestimmten Abstand von der yuelle;

.18 einen Querschnitt eines gemäß der Erfindung fokussierten und abgelenkten Elektronenstrahls in einer Position, die durch die Linie 10-18 in Pig. 15 gegeben ist; und

I⁷Ig. 19 einen der I'ig. 14 entsprechenden Aufriß einer v/eiteren Ausführungsform der Elektronenkanone.

Generell gesprochen dient die Anordnung nach JJ'ig. 1 zum Aufheizen eines Targets in einem Elektronenstrahlofen, welcher eine erste ein Target 21 enthaltende Vakuumkammer 20, eine zweite Vakuumkammer 22 mit höherem Vakuum und eine die erste und zweite Kammer verbindende Öffnung 23 aufweist. Ein Elektronenstrahl 25 wird durch wenigstens eine Elektronenkanone 26 erzeugt, deren Emitter 27 in der zweiten Vakuumkammer 22 gegen die Öffnung 23 versetzt angeordnet ist. iJer Elektronenstrahl wird durch eine in der zv/eiten Vakuumkammer 22 angeordnete magnetische Ablenk- und Pokussiervorrichtung 28 derart abgelenkt und fokussiert, daß er durch die Öffnung 23 in die erste Vakuumkammer 20 eintritt. Nach dem Durchtreten durch die öffnung 23 wird der Elektronenstrahl durch eine weitere in der ersten Vakuumkammer 20 angeordnete magnetische Ab-

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leal:- und pOkusrjiorvorrichtimg 30 derart abgelenkt uod fokussiert, da"3 er in. gewünschter 7/eise auf daß Target auftrifft.

Gemäß de α 'Ji C₁. 1 und 2 "besitzt der Elektroiieiistraliloi eu einen. GoVLUiüekecael nit teilweise dargestellte /"ndeu 31. ^er Kessel ist durch eine Querwand 32 in di^f;· beiden (teilv/eise dargestellten) Vakuumkammerη 20 ur.d 22 unterteilt, ü-er Vakuumkessei kann aylindriGche, rec^:Ltecki:jG oder irgendeine geeignete Porn loesitaen. Lie üliore YtJcuLifr karainer v;ird durcii eine nicht dargestellte YvJ'üuixd'^^jO auf ein Vakuum von vorzugsweise weniger air; 10 " i'orr evakuiert.

Das Ta?:v;et 21 ist genüR !'ig. 1 in der ooeren Takuunicc.rirter 20 in einen Tiegel 33 ?-us Kupfer oder aus eiiio:^ entsprechenden Material angeordnet, welcher eine Vielzahl von ICühldurchlässen 35 beat.^t. Durch diese IHh 1 durch las se 35 kann ein Kühlmittel, wie "beispielsweise V/asser, zirkulieren, um den Tiegel unterhalb seiner Schmelztemperatur zu halten. Im Tiegel 33 ist ein aufgeschmolzenes Material 36 angedeutet. Bei diesem Material kann es sich um Metall, Keramik oder Kunststoff handeln. Da der Tiegel 33 gekühlt ist und die Wärme auf den zentralen Bereich der Oberfläche des Targets 21 zur Einwirkung gebracht wird, bildet sich an der Innenfläche des Tiegels

j i 0098 15/0996 " ⁿ " /

eine Kruste 37 aus festem Targetmaterial. Diese Kruste ermöglicht einen hohen Reinheitsgrad des geschmolzenen Materials im Tiegel 33f da durch sie eine Reaktion zwischen dem geschmol zenen Material und dem Tiegelmaterial verhindert wird. Natürlich kann anstelle der dargestellten Verhältnisse auch eine andere Targetkonfiguration und ein anderes Material vorhanden sein, wobei auch die Aufheizung nicht unbedingt zum Zwecke einer Aufschmelzung erfolgen muß.

Das geschmol sene Material 36 im Tiegel 33 wird, wie im folgenden noch genauer beschrieben wird, durch Elektronenstrahlen aufgeheizt. Da dieser Vorgang im Vakuum stattfindet, kann sich der Druck in der Vakuumkammer 20 aufgrund der Verdampfung von bestimmten Verunreinigungen im geschmolzmn Material und aufgrund der Verdampfung des geschmolzenen Materials selbst stark ändern. Aufgrund der kontinuierlichen ITatur der Heiawirkung sind trots des kontinuierlichen Betriebs der Vakuumpumpe immer (möglicherweise ionisierte) Dampfpartilcel vorhanden. Die Anzahl der vorhandenen Danpfpartikel 'iip'ngt von Pastoren, wie "beispielsweise der Konstitution des ^eschnolzoner* Materials selbst und der Leistung des "lektroiiei-strahls at>.

Um den Dffekt -der Druck"nderun.^er. und ^rο Pe:: Hennen vor; Danpfpartilceln so klein-.wie möglich zn halten, wird der Ele--rt-r.-:-:i«?nstralil 2? an einer Stelle erzeugt, welche prak-

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tisch nicht unter den Einfluß der Druckänderung und der Dampfpartikel steht. In der Anordnung nach Pig. 1 wird der '!elektronenstrahl in der unteren Vakuumkammer 22 erzeugt. Ein getrenntes (nicht dargestelltes) Vakuumpumpsystem evakuiert diese untere Vakuumkammer 22 auf ein Hochvakuum von vorzugsweise wenige}? als 10 ' Torr.

Vie im folgenden noch auszuführen ist, wird de]? Elektronenstrahl ii die untere Vakuumkammer 20 und durch die Öffnung 23 in der 'Jr?ηd 32 auf das Target 21 gerichtet. Die Öffnung und das Target sind versetzt gegeneinander angeordnet, so daß die Öffnung außerhalb des Bereichs des geschmolzenen' Materials 36 liegt. Da zwischen der Oberfläche des geschmolzenen Ilaterinls und der Öffnung keine direkte Verbindungslinie vorhanden ist, -wird die Anzahl der durch die Öffnung in die untere Vakuumkammer 22 tretenden Dampfpartikel stark reduziert.

Obwohl die öffnung 23 außerhalb des Bereichs der Oberfläche des sehneIzbaren Materials 36 liegt, ruft der höhere Lruck in der oberen Vakuumkammer 20 in· Verbindung mit der j?atc?.che, ei?·. ~ zahlreiche laripfpartikel in der Kammer yerteilt sind, einen 2?luß von Dampfpartikeln durch die Off-<. nur.g 23 in die untere Vakuumkammer 22 hervor.Wie oben ausgeführt vurde, ist der beeinträchtigende Effekt auf

■ . '■■■■■■'

die Elektronenstrahlerzeugung umso größer, je mehr Darpf-

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.partikel die Elektronenkanone erreichen. Prallen beispielsweise Dampf partikel auf den Emitter als Elektronenkanone auf, so kann ein Kurzschluß oder ein Austrennen auftreten, was zu einer Reduzierung der Lebensdauer der Elektronenkanone führt. ■

Un zu vermeiden, daß überhaupt Dampfpartikel durch die Öffnung 23 treten, wird der Elektronenstrahl 25 in einem Bereich erzeugt, der außerhalb der Achse der Öffnung 23 liegt Der durch strichpunktierte Linien dargestellte Elektronenstrahl 25 besitzt bandförmige Gestalt. Dieser bandförmige Strahl wird in der unteren Hochvakuumkammer 22 in einen bogenförmigen '/eg (mit konstantem oder sich änderndem Radius) abgelenkt.

Die zu dieser Ablenkung verwendeten magnetischen Felder dienen auch dazu, um den Strahl in einen Fleck mit minimaler Querschnittsfläche zu fokussieren. Diese Tatsache führt dazu, daß eine maximale Anzahl von Elektronen flurch die Öffnung 23 gelangen können. In der dargestellten Ausführungsform beträgt die Ablenkung des Strahls etwa 90 .

Nach der Ablenkung und Fokussierung tritt der Elektronen-

strahl 25 durch die Öffnung 23 in die obere Vakuumkammer

20 ein. In dieser Kammer wird der Elektronenstrahl noch einmal auf die Oberfläche des geschmolzenen Materials 36 abgelenkt und fokussiert. Diese Ablenkung kann durch

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eine Bedienungsperson gesteuert werden, welche den Vorgang visuell durch nicht dargestellte gebräuchliche Fenster "beobachtet.

Es hat sich gezeigt, daß durch die Querablenkung des Elektronenstrahls in der beschriebenen V/eise die Wechselwirkung des Strahls mit DampfpartikeIn und Streuelektronen vermindert wird, wodurch die Führung und Fokussierung des Elektronenstrahls durch die Öffnung 23 erleichtert wird. Es lcann angenommen werden, daß sich dieser Sachverhalt aus der Tatsache ergibt, daß Steuelektronen nicht so leicht durch den Elektronenstrahl zur Ausbildung einer .Raumladung gefangen v/erden, sondern leichter in die Sereiclie der unteren Vakuumkammer 22 gelangen. Dies ist iasLesonde?re an Stellen, beispielnv/eise um die Öffnung 2>, vorteilhaft, ν/ο- die Ifenpfnartikelkonzentration hoch und dar it auch die Erzeugung von Streuelektronen und negativen Ionen hoch ist. Lie ".Jlektronenratrahlquelle !rann dadurch virtuell vom Sarget 21 isoliert werden, 'wobei demioch die gev/üuschte Ausrichtung und Fokussierung des Elektronenstrahls auf das Target durch Querablenkung und Fokussierung des otrrJils in die Vakuumkammer 20 erreicht \r.xä, . ■ "

^::!ie die Fig. 1 und 2 zeigen, umfaBt die i;iektroneiikanoae 26 zur Erzeugung des Elektronenstrahls zwei langgestreckte Emitter oder Fäden 27, welche durch ein Paar von Lei-

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tern 33' geteilt ei¹1 v/er den. Anstelle von zwei I mittern kann auch ein Emitter verwendet v/erden. Die Lmitter 27 sind in .einem Paar von Ausnehmungen 40 in einen jjlektronen-'stralilformer 40 angeordnet. Die Emitter 27, der ütrahlformer 41 und die Ausnehmungen 40 sind so geformt, daß zwei dicht benachbarte bandförmige Strahlen erzeugt· v/erden, welche in einen Brennpunkt 42 in "einen, einzigen Strahl ■

konvergiert v/erden. Dieser Brennpunkt ist in den im folgende:: zu erläuternden Ablenkmagnetfeld angeordnet. Pei einen bandförmigen Elektronenstrahl handelt es sich im einen Strahl mit langgestreckten Querschnitt, \/elcher im Idealfall ein schmales Rechteck, iedoch tatsächlich angenähert ein schmales Oval ist. Die vorgenannte Konvergenz macht es möglich, daß beide durcVi die Elektronenkanone erzeugten Strahlen einen scharf gebündelten Strahl bilden, welcher durch die Öffnung 23 in der Trenn- ·ϊί

wand 22 treten kann. ^aIIs erforderlich, kann in der \

r Vakuimlcanmer auch eine Vielzahl von "^lektronenstrahlka- j

nonen angeordnet werden, v/obei Able^?:I:einrich.tuiigen vorge- ^!

• ■ . . ; ■ i

sehen sind, um die Slektronenstrahlen durch eine ent- '

sprechende Anzahl von öffnungen zu f'Uiren, welche in das Target angeordnet sind, line derartige Ila'r-a-L'ne ergibt eine grjSe iSnergieübertragung auf das Target. In den "eichnun.jen sind jedoch aus Übersichtliciil-eitsgr'.in.cleu lediglich eine einzige Z^:lektrouon!:anon.e und die zugehörigen Ablenkeiai'ichtungen. dargestellt.

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Über nicht dargestellte elektrische Verbindungen, werden den verschiedenen Elektroden der Elektronenkanone 2.6 der Heizstrom and !Beschleunigungspotentiale zugeführt. Die Elektronenstrahlkanone 26 ist vorzugsweise unter einem geringen "'/inkel angeordnet, welcher magnetische Ablenkungender Llektronen durch ein Hagnetfeld kompensiert, das sich aufgrund des Heizstromes (vorzugsv/eise Gleichstrom) im Bereich der*Emitter 27 ergibt. Der Strahlformer 41 ist mittels einer isolierten Halterung 45 an einer montierten Platte 43 befestigten, welche auf Erdpotential liegt. Die Montierplatte43 ist durch nicht dargestellte Mittel in der Vakuumkammer 22 befestigt. Drei parallele, im Abstand voneinander befindliche langgestreckte Beschleunigungselektroden 46 sind an zwei Halterungsleisten 47 angebracht. Die Emitter werden in bezug auf die Elektroden.

46 auf ausreichendem negativen Potential gehalten, um die gewünschte Elektronenstrahlstärke zu erzeugen. Die Leisten

47 sind an der Montierplatte 43 befestigt, so daß sich die zentrale Elektrode 46 näher an den Emittern 27 als die Seitenelektroden befinden. Auf diese Yfeise werden, wie in Fig. 2 dargestellt, die durch die Emitter 27 erzeugten Elektronenstrahlen durch die Beschleunigungselektroden 46 in den Brennpunkt 42 geführt.

Die erste magnetische Ablenkvorrichtung 28 umfaßt vorzugsweise ein Paar von Polschuhen 48, welche an je einem

, _ ₁₇ _

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Ende einer Spule 50 angeordnet sind. Bei Erregung der j

Spule 50 erzeugen die Polschuhe 48 ein Magnetfeld. f

Wie im folgenden noch beschrieben wird, wird dieses magne- J

tische EeId durch geeignete Anordnung und Gestaltung der X

Polschuhe 48 geformt, um die gewünschte Ablenkung des zu- |

sammengesetzten Elektronenstrahls 25 herbeizuführen. Im \

dargestellten Ausfülirungsbeis piel wird der Strahl um ;

etwa 90° in einem gebogenen Weg abgelenkt. ;

Es ist zu bemerken, daß die Emitter 27 der Elektronenkanone

26 so orientiert sind, da^p sie senkrecht zu den PluRlinien

des Feldes verlaufen und etwa in (tatsächlich an gegen- \

Mberliegenden Seiten von) der Ebene liegen, in welcher _?

auch der \Ies des durch die magnetische Ablenkvorrichtung /,

28 abgelenkten. Elektronenstrahls 25 liegt. Es hat sich I

geneigt, daß diese spezielle Orientierung der Emitter I

der Elektronenkanone eine wirtschaftliche.Konstruktion, J

eine gute Steuerung dea Elektronenstrahls sowie eine hohe j "'"'lektronendichte und Leistung im Strahl gewahrleistet.

La die Emitter 27 parallel zu den Po!schuhen 48 verlaufen,
ist es .!lü^lich, den Spalt zwischen den Polschuhen relativ
klein .v;u machen. Im Vergleich zu weiter getrennten PoI-scnuhon ergibt sich dadurch, daß die gewünschte PluHverteilung leicht erreicht wird und da3 die zur Fokussierung
geforderte Gestalt des magnetischen !''eldeo leichter su
steuern ist. Darüber hinaus ist der !landeffekt außerhalb

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— Io —

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des !Bereiches direkt zwischen den Polschuhen 4-8 leichter behe?:rschbar und die Anordnung kompakter aufzubauen.

Um die Ablenkung der Elektronenstrahlen iri etwa ;^v>" herbeizuführen, ißt das zwischen den Polschuhen Ao aufgebaute magnetische TeId darüber hinaus so beschaffen, d;.V~' die Elektr one η aiii Au°-enrand der bandförmige;:. '.'"-Ick tr nenstrahlen si oh l-^;:njer in magnetische.- PeIu l)ofinde-i, 'ü.g die Elektronen an Innenrand des Strahls. .Iu:'.' diece ",.'eise worden die Elektronen an Au^enrand des ;jtriviln sfrkor abgelenjct, als die Elektronen ara Innenrarid,. Π'-· da die Elektronen insgesamt in der HauotachneneLoae des Strahls konvergieren. Durch geeignete Bemessung der Grcueo::. des magnetischen PeIden kann der Elektr'.-nenstrrkil so :öcu3üiert ■v/erden, da" sein '.aierschnitt aus einen ].anggestrec:ten Oval in einen runden Pleck fokussiert vi:-?d. l'ie genaue fokussierung kann durch Auswahl der i^?eldsf^;rke des ilagr.'.Gtfeldes, einer speziellen Gestalt der Polsc"··-.uhe und eiuor speziellen Orientierung der Emitter in bezug auf das PeId erreicht v/erden. Zur Herbeiführung der gev/vnschte:i Ablenkung wird die Länge des Elektronemveges in Zentrun, des Strahls durch das PeId ausgewählt. Die Ablenkung kar/nwie dargestellt, >0^J betragen bzw, großer oder kleiner sein, vas von den speziellen Anforderungen ira Cfen abh,^:\i_gt VJie- im folgenden noch beschrieben wird, kann, ein nicht gleichförmiger Abstand des Polschuhes (Pig, 6 - l.Z) ausgenutat v/erden, um für eine s esielle Ablenkung bav/, eine

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spezielle Fokussierung eine nicht gleichförmige Feldstärke zu erzeugen.

Die Querschnittsfläche des Strahls 25 wird auf diese Weise zum Duchlaufen der Öffnung 23 so klein wie möglich gemacht. Es kann dabei zweckmäßig sein, den Strahl nicht auf seinen kleinsten möglichen Querschnitt zu reduzieren. In diesem Sinne bezeichnet der verwendete Ausdruck "minimale Querschnittsfläche" den schmälsten Strahl, welcher noch mit den anderen Betriebsfaktoren vereinbar ist. Um den Querschnitt des Strahls beim Durchtreten der Öffnung 23 zu definieren, können Metall- oder Kohlenstoffplatten (nicht dargestellt) vorgesehen werden, welche den Umfang der Öffnung umgeben. Derartige Platten brennen durch, v/enn die Divergenz oder eine ungenaue Ablenkung des Strahls vorhanden ist.

Die zweite in der oberen Vakuumkammer 20 angeordnete Ablenkvorrichtung 30 umfaßt zwei getrennte Ablenk-Elektromagnete 51 und 52. Diese Elektromagnete 51und 52 können gleich aufgebaut sein wie die untere Ablenkvorrichtung Die Elektromagnete 5.1 und 52 sind so angeordnet, daß sie rechtwinklig zueinander verlaufende Magnetfeider erzeugen, so daß der Strahl in zwei Wechselseitig senkrecht aufeinanderstellende Richtungen abgelenkt wird. Auf diese Weise kann die Richtung des Strahls 25 durch Änderung der Feldstärke der beiden ablenkenden Felder derart ge-

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steuert v/erden, daß er in irgendeinem Fleck auf der gesamten Oberfläche des geschmolzenen Materials 36 auftrifff. Der Elektromagnet 51 gemäß Pig. 1 dient zur Ablenkung des Strahls in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene, während der Slekt3?otnagnet 52 den Strahl in einer Richtung parallel zur Zeichenebene ablenkt. VJährend des Schmelz- v:>v(j3.)i^s kc.Mi die Strahlsteuerung durch eine Bedienungsperson ierar"¹: vorgenommen v:e:ode-, da" (uicht dargestellte) elektrische Steuerungen f'lr die (nicht dargestellte) Lei— stungc^ufhrunf-; fb? die Ulektr^magnete 51 und 52 betätigt v/erden.

Pig. ". ."ci^t or'.ne z\:eLte Ausfhrungsfcrsi der Dlektronen— 'zar.oiis, ^"Lei.-gleiche Teile \r±e in den Fig. 1 und 2 mit gleiche:: Be^ugszeicher uriter Hinsuf .igung des Buchstabens "p" bezeichnet sind. Bei dieser Auofoirutigsfom sind Ieilr'rlich e'n !-.riitter 27a vmC. sver". Henchleuaigungselektroden f-Go. vo:-:_uo ;orieu. Bei dieser Ausf ^:hrungsj?orm v/ird lediglich eir. bandίinniger Strahl erzeugt, dessen Hauptach— cenebene durch einen Hmitter verlauft.

In den Γϊ_;~. 4 und 5 ist ein weiteres Ausf'ihrungsbeispiel der Erfinäu;ig; dargestellt, vroeei gleiche Teile v/ie.in. den Tig. 1 und 2 mit der. gleichen, !iezugszeichen unter Zusatz; des Buchstabens "u" bezeichnet sind. Bei dieser Ausf^:Ihrungsform ist lediglich eine nagn9tische Ablenk- -

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vorrichtung 53 vorgesehen, wobei der Ofen nicht in zwei Kammern getrennt ist. Die Elektronenstrahlkar.one 26b erzeugt lediglich einen bandförmigen Elektronenstrahl 25b, wobei diese Kanone der in Pig. 3 dargestellten Kanone 'gleichwertig sein kann. Die. magnetische Ablenkvorrichtung 53 besitzt ein Paar von Polschuhen bzw. Polplatten 55 und 56, welche oarallel zueinander und zum Emitter 27b auf Trägern 57 und 50 gehaltert sind. Diese Träger sind am Vakuumseh"use befestigt. Die Platten 55 und 56 sind halbkreisförmig ausgebildet und besitzen Tortenstück-artige Einschnitte, wobei zwei derartige Einschnitte in jeder Platte vorgesehen sind. Daher ergeben sich drei getrennte Paare 60, 61, 62, von Plattensegmenten, welche drei senkrecht zur Ebene des bandfornigen Strahls 25b verlaufende Querfelder erzeugen.

Der Strahl wird, wie Pig. 4 zeigt, etwa um 270° abgelenkt.Das erste PoId, das der Strahl durchlauft, wird durch das Plattensegmeutpaar 60 gebildet, deren Konfiguration so beschaffen ist, daß das er zeugte PeId eine Gestalt besitzt, bei der der AuOenrand des Strahls einen !".ngeren Meß als der Innenrand im PeId zu durchlaufen hat. Dabei ergibt sich eine geringe Konvergenz. Im nächsten PeId zwischen dem Plattensegmentnnar 61 divergieren die gegenüberliegenden Ränder des Strahls gering, da die Elektronen am Außenrand des Strahls einen relativ kürzeren Weg zurücklegen. Das

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letzte Magnetfeld zwischen dem Segmentpaar 62 entspricht in seiner Feldgestalt dem ersten feld, so da.? der Strahl konvergent und auf die Oberfläche des geschmolzenen Materials 36b gerichtet ist.

In den Fig. 6-8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das dem Ausf:üirungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 entspricht, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen unter Hinzufligung des Buchstabens "c" versehen sind. Bei diesem AusfUhrungsbeispiel ist eine magnetische Ablenkvorrichtung 63 vorgesehen, welche den Elektronenstrahl 25c vom Emitter 27c in einem Bogen, der größer als 180° ist, auf das Targetmaterial-21c richtet. Dabei wird der bandförmige Strahl zur besseren Aufheizung in konzentrierter Form auf das Target konvergiert. Die magnetische Ablenkvorrichtung 63 erzeugt ein nichthomogenes magnetisches Feld, das quer zum Weg des Elektronenstrahls verläuft und zwischen einem Paar von halbkreisförmigen Polschuhen 65 und 66 aus ferromagnetischem Material aufgebaut ist. Die Polschuhe werden mit entgegeagesetzter Polarität magnetisiert, indem sie mit erregten Elektromagneten oder Permanentmagneten (nicht dargestellt) verbunden v/erden. Die zwei halbiere is f.cimigen Po !schuhe 65 und GG werden auf beiden Seiten des Strahls 25c durch ^eoi j'iioto Mittel (nicht dargestellt) so gehaltert, da ^ ihre geraden. Kanten in einer vertikalen Ebene liegen, welche nucr 3ur

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■ ■■'■■■ 'i

Achse des anfänglichen Strahlwe ges verläuft. Dabei sind f die Kanten von ihren unteren Enden nach oben um einen ;|

Winkel B gegen die Vertikale gegenüber geneigt; der |

Zweck dieser Ha" nähme wird in folgenden noch genauer beschrieben. Die unteren Enden der Kanten sind unter da"., Emitter angeordnet, während die oberen JLt. nt en über der Oberfläche des Targets angeordnet sind. Die gegenüberliegenden Pl"chender Polschuhe 65 und GC sind, nach au"en geneigt. Zur Kühlung der Polschuhe sind nicht.dargestellte Mittel vorgesehen.

Die vorgenannte Anordnung der Palschuhe 65 und 66 ergibt

ein magnetisches Tc-Iu, dessen Intensität infolge der "■

Neigung von den geraden Ilanten abrinnt und :-.ach au."on ge- ' bogen ist und von unten nach oben Im Bereich dor geraden f Kanten suninnt. Dieses leid lenkt den Strahl 2i;c un etv;a j; 225 in einen ebenen bogenförmigen ".."eg ab. Die nach a^:i^ren ΐ

gebogenen TIu-linien, verhindern, da" die Elektronen :n s

Strahl in eiuer Richtung normal zur Strahlebene divergie-

ren. Die Elektronen im Bereich des Innenrandes 67 des j

Strahls verlaufen durch ein stärkeres MagnetJSlä als die ■ I Elektronen ar.i Aiien-yand 63 des Strahls. Da jedoch der Weg der Elektronen.mit zunehmendem Abstand von Innenrand 67 2uhimmt, verbleiben die Elektronen am Au-enrand 68 länger unterdera Einfluß des Feldes, wodurch aufgrund der unterschiedlichen lieglängen eine Konvergens erreicht wird.

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1589A87

-.24 -

Bei der Ausführungsform nach den Tig. 6 bis 8 ist der Neigungswinkel der Polschuhe 65 und 66 so ausgebildet,·daß der Strahl mit der gleichen Breite -auf dem größten Teil . seines. .Weges durch das Feld läuft. Für eine Ablenkung um αehr als 130° liegt der in Fig. 8 mit A bezeichnete Neigungswinkel vorzugsweise zwischen etwa 50 und 55 » um eine

konstante otrahlbroeite während des größten Teils des Weges ■ -■ ■ ■ ^f - .■■·.■.-■ ·■■■'.., ■·

durch das Feld, su erreichen. J.i;i Bereich, in dem der Elektronenstrahl aus deni nichthomogenou magnetfeld austritt, be- . findet sich der' Außenrand, 68 des .'J tr ah Is aufgrund des Winkels B der geraden lianten der Polschuh«= in einen stärkeren. Magnetfeld als der Innenranü 67. Daher v/erden die Elektronen an Außenrand 6c stärker abgelenkt, als die Elektronen am"■.■'.. Itinenrand 67, so daß sich eins Konvergenz bzw. eine Fokussierung des aus dein Feld austretenden Strahls ergibt. Der-,

.-, .'fnkel der geraco:. '::.v..ten dor Polschuhe ist so gewählt, daß.

-■"sich die je:-Ui;schte otrahlkonvergenz ergibt. Ln einen kreis-■η rjtrahl auf das Target zu richten, beträgt der Win- '·

-O ■.■'■. " ">■ ■■■ ;^{L ;}' "[^:--i ■■ ■

-:."■. .";. jDie speziell in der Ausführungsförra nach den jig. 6 - G ■■■:'. . ;: .zur Anwendung konii-iende Anordnung ist eine geeignete I-laß-'■', ;ΐ nähmeI um Konvergenz an der Oberfläche des geschmolzenen c' jj Materials 36c in Elektronenstrahlofen zu erhalten. Die .^Gestalt der Polschuhe ist dabei kein notwendiges Kriterium. : ·.'■._. j\ Wesentlich ist jedoch ihr relativer Abstand und ihre gegen-

%-^iff^:3.^ i .. ■'■,■ .■'■ ' ■ -'-'^ ^:"· ''■". ^-^: - 25 !;;■"■ ifv:$i ^:E--"■'^-'' :^:" ° ° ⁹ 8,1,'5V O 99 6.;'; '

Fig. 9_: zeigt ei^e w,ei-|e:pe Aujfiibjr.yn.gsfprm^ bei de:p ^er te.r. iu ^orte.i|h^,fter ^eis^ ^uer zur; E^e.^e §e.s geboigeaeii

sich νο,η der nach de,n 3?ig·. 4 -z 8.» bei der der Emitter iu dar. Ebjgnca (\ss gaboge.na^ aiirahlweges ^.i

. · - 25 - ·.■'■ I

■'' - ' ιε

seitige Winkelstellung, welche die Änderung der magneti- . |l sehen !Feldstärke bestimmen. Bei einer Entfernung der · I Schmelze von etwa 8,9 cm (3,5 inches) von den geraden |

Kanten 4er Polschuhe wird für eine Elektronenstrahlelei- S stung von 13 kW beispielsweise ein runder Auftreffbereich erreicht. Dabei ist der Emitter 10,16 cm (4 inches) lang, während sein Zentrum etwa 11,43 cm (4>5 inches) unter der Oberfläche der Schmelze liegt. Die oberen Enden der Polschuhe sind durch einen Spalt von 10,16 cm (4 inches) getrennt, divergieren längs der geraden Kanten um etwa 10° und sind um etwa 55° geneigt;die Polschuhe sind längs ihrer geraden Kanten 68,42 cm (23 inches) lang, wobei ihre maximale Breite ebenfalls 68,42 cm (23 inches) beträgt. Dabei reicht eine feldstärke aus, welche von. etwa IQ Gauss im Bereich des Strahleintritts auf etwa 20 Gauss iju Bereich des, Strahlaustritts zunimmt. In Abhängigkeit vor der gewünjschte.n StrahlablenkungsGb-arakteristik können auch, andere ^e.läkQtafJi.guratipnen aufgebaut wurden.

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. s 26 γ ■

Diese Divergenz kann die Heizungseigenachaften des Strahls 25c nachteilig beeinflußen.Läuft der Strahl durch ein . PeId, wie es bei der Ausführungsforri nach den Pig, 6 - 8 vorhanden ist, so wird die Tendenz sur Divergenz korrigiert, wie die gestrichelten Linien in Pig. ? seifen.

Die Anordnung kann auch als ein Beispiel O.af'ir dienen., daß die Slektronenquslle nicht langgestreckt, sondern fleckförmig ist. Auch eine fleckförmige Elektronenquelle zeigt die'Tendenz zu einerDivergenz der Elektronen. '.,Iine Korrektur dieser Konvergenz wird bei einer Anordnung nach Pig. 9 ebenso erreicht, wie es für eine langgestreckte .uelle beschrieben wurde.

Bei der Anordnung nach Pig. 10 sind ansteile eines ^T.-lektrotienemitters zwei Elektronenemitter bzw. Elektranencuellen vorgesehen, Dies ist insbesondere vorteilhaft,, wenn eine große Slektronenstrahlleistung* verlangt wird. .Lie/beiden Elektr.onensitrahlquellen sind in Pig, 10 nit ^O und 71 oeseich-, net:^ Die dvirch diese Quellen erzeugten Elektroneiistrahlen ^: ^2 VWd 7'3 besitzen die. durch gestrichelte Linien d-argen Avisen. Ersichtlich wird der Strahl auf dor Ober.^ ■

Saiden Elek^r.p.rie.n'itrahlen, eine Κρ,η^

Die Pig. 11 - 13 zeigen eine v/eitere Ausfiihrungsform der .,'Z ;
Erfindung, bei der- eine zusätzliche Vielseitigkeit erreicht'
wird. Dabei werden zwei Paare von. Pol schuh en 75» .76. und. 77» «
78 verwendet. Die Illeldronenstrahlquelle 26c entspricht
der nach den l^?ig. 6-8 und liefert 'einen" bandförmigen
Elektronenstrahl 25c Die Polschuhe 75 und 76 sind nach

' ■ l-

außen ^geneigt, wobei ihre geraden ICanteu jedoch parallel |<

zueinander und'zur .Ebene des gebogenen v/eges, auf den der . | Elektronenstrahl abgelenkt wird. Wie Tig. 11 zeigt, nii;unt j daher die magnetische feldstärke von rechts nach links ι

in der gleichen Jlichtung wie der Vieg der Elektronen von ;

' ' ■ ' ■ f

der Elektronenkanone 26c ab. Die Feldstärke zwischen den ;■ . ' ·, Polschuhen 75 und 76 ict so ausgebildet, daß der Strahl

um 90° 'abgelenkt'wird. . j.

.'·■·· ■ ' I^s-

Nach dem Verlassen des Feldes, swischen den Polschulien 75 ^

und 76 verläuft der.-Strahl durch einen Spalt;und tritt _/:
dann in das leid zwischen den Polschuhen 77 und 73 e'.'.:.
Diese Polschuhe 77 und 7ö sind nic':t nur in der gleichen
V/eise wie die rolsc'.iuho 75 und 76 nach außen geneigt,
sondern ihre geraden leinten sind ,auch in einem 'Jinke-l
gegeneinander angeordnet. Daher uir.at der Hrürjnungsr-.-.clius
des ElektiOnc-nrtrahls im PeId zv.^rischen den Polschuhen 77
und 78 gegen deren obere Enden ab.

Durch Verwendung zweier getrennter PQlschuhpaare in oben

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■"beschriebenen. Sinne können die Feldstärken der zwischen diesen Polschuhen vorhandenen nichthomogenen Magnetfelder einzeln variiert werden, um für eine bestimmte Ablenkung und Fokussierung des Strahls ein geeignetes Feldverhältnis auszuwählen. Darüber hinaus kann die Elektronenquelle wesentlich unterhalb des Niveaus des geschmolzenen Materials 36c angeordnet werden, wobei das obere Paar von Polschuhen 77 und 78 in einer solchen Höhe angeordnet ist, daß der Strahl aus einem vertikalen Y/eg auf das Target abgelenkt wird.

Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung der beschrie-· benen nichthomogenen Magnetfelder spezielle Vorteile bei Elektronenstrahlofen bietet. Bei diesen Vorteilen handelt es sich u.a. um die Möglichkeit der Ablenkung des Strahls von einer unter dem Target angeordneten Quelle und der Fokussierung des Strahls auf der Oberfläche des geschmolzenen Materials.

Bei der Aisführungsforn nach den Fig. 14 - 16 ist eine der Elektronenkanone nach Fig. 3 entsprechende Elektronenkanone vorgesehen. Entsprechende Teile sind dabei nit g'leichen Bezugszeichen unter Zusatz des Buchstabens "d" . versehen. ' -\ ·

Sei dieser Ausführungcfona besteht die Eeschleiinigunga- ;

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elektrode 46d aus einer Platte mit einer Öffnung 80 und zwei rechwinkligen Ansätzen 81 und 82, welche an einer nicht dargestellten Befestigung angebracht slid.

l'Jie Fig. 15'zeigt, verläßt der Elektronenstrahl den gleichstromgeheiaten Emitter 27d unter einem T/i nie el in der Hauptachsenebene. Die drei gestrichelten Linien geben die gegenüberliegenden Ränder und die Achse des bandförmigen Strahles an, wobei der hiitalpha bezeichnete Winkel kleiner als 90° ist. Die unnormale Orientierung des anfänglichen Strahlweges in bezug auf den Emitter ergibt sich aus der v/irkung des durch die Crleichstromheizung hervorgerufenen hochintensiven Umfangsfeldes.

Bach dem Austreten aus der Anodenöffnung'wird der Elektronenstrahl durch ein Quernagnetfeld um etwa 90° auf einem gekrümmten "7eg abgelenkt. Las Quermagnetfeld'wird im anfänglichen 17eg des Strahls zwischen einem Paar von langgestreckten stabförmigen Polschuhen 83 und 85 mit vorzugsweise rechteckigem .juerschnitt aufgebaut. Tie auf je einer Seite des Strahls 2[>d angeordneten Pölsehiüie verlaufen pa3?aliel zueinander und parallel ztttn Emitter 27d. Zwischen den oberen Enden da· Polschuhe S3 und 85 verläuft e5.li Magnet 36, während zwischen den unteren Enden der ■'Po!schuhο C? und 85 ein Magnet 87 verläuft. Die beiden in "bo&ug auf ihre Polaritäten identisch orientierten

Magnete sind elektrische Magnete, welche ar. eine Steuer- und Leistiuigszuflüirungsscha^ltung 90 angeschlossen sind. li'ie Pig. 14 zeigt,Ist der Polschuh 83 ein Südpol und der Polschuh 85 ein ITordpol, wobei sich eine nach oben gerichtete Ablenkung dec Elektronenstrahls 2;id ergibt.

Pur die folgende:. Ausführungen werden vernc'iiao.eiie ~3e"ugsebenen eiagefährt. Ji in ο "beide Achrjen der Pc!schuhe enthaltende und in Pig. 15 ^i t A "bezeichnete Ijoei-G (senlrrecht zur- Zelcheueoene) v:ird r-lcj Sbene des QuerioL'les Ijozeichnet. Die Hauptachsonebene des Strahls ist in !ig. IS die Zeichenebene und v;ird in Pig. 15 uit 3 bezeichnet. I)ie Achse dos Strahls (eine Linie) ist in Pig. 15 niit 0 bezeichnet und liegt in der Lbenο 3 (Pig. 16). Das cnfangliche gerade Stück der Achse c in Pig. I^ in Beisicli des Emitters 2?d gibt den anfänglichen u^reg 1)Z\r, die P-instrahlrichtung des Strahls an, bevor er in das Vaeriold eintritt.

Um eine Ablenkung und Pokussierung gemäß, der "-.rrfTindung zu erhalten, vrircl der Strahl in das durca die Ip?.s.chuhe 83 und 85 gebildete PeId so eingeführt j .daß sein anf^ng-r . ■ lich.er ^T.»^:eg.die ~3bene des Ciierfeldes, (Sboue A) In einen, spitzen ",rinlcel schneidet, welcher in der Jfeuptachsenebene (Ebene B) liegt. Dieser 'Jinkel öffnet sich iri der pLlclltuhg der Ablenkung des Strahls. Bei der dargestellten Ausführungsförm bedeutet dies, daß der gerade 2eil der Aciise C dee

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Strahls (eine .Strahlrichtung), die !äbene des Querfeldes unter Bildung eines Winkels ß schneidet, welcher in der Hauptachsenebene des Elektronenstrahls liegt und gleich dein Winkel alpha ist.

Der !land des durch ie Polschuhe 83 und 85 gebildeten Querfeldes ist gekrümmt, wie in Pig. 15 durch Kreuzchen 91 angedeutet ist (diese Kreuzchen repräsentieren die Flußlinien). Darüber hinaus sind die Flußlinien selbst in diesem Randbereich gekrümmt, wie Tig. 16 zeigt. Das PeId besitzt also in grober Annäherung eine Faßform, bei dem die Dauben durch die Flußlinien und der Deckel sowie der Boden durch die Polschuhe gegeben sind.

Die gekrümmte Peripherie des Feldes dient zusammen mit dem Einstrahlwinkel des Strahles dazu, daß die Elektronen am unteren Rand, wie Fig. 15 zeigt, einen längeren Weg im magnetischen Querfeld unter Einfluß seines Randes zurückzulegen haben, als die Elektronen am gegenüberliegenden StrüLrand. Da ein Weglängenunterschied vorhanden ist, und da die langer unter dem Einfluß des Feldes stehenden Elektronen u:a einen größeren Betrag abgelenkt werden, werdendie Ränder des Strahles in der Hauptachsenebene·¹ kon- · vergiert, wie' Fig. 15 zeigt; (longitudinale^:Fokussierung}. Diese SOkussierunfjswirkun^ ist "bei der 'Konzentrierung-des .Querschnittes des Strahls voir Vorteil.. DcniA_ :-:ahh -eine- -^;

wirksamere Aufheizung der Targctoberflache erreicht werden; andererseits kann der iJtrahl gemäß Fig. 1 durch eine Öffnung minimaler Größe gerichtet werden.

Durch Ausnutzung der Ilandbereiche des Quermagnetfeldea zusammen mit einer geeigneten Enitterorientierung wird eine longitudinale Fokussierung mit einer sehr einfachen Polschuhkonfiguration erreicht. In IIochvakuum-Elektronenstrablöfen, in denen der Raum im Vakuumeinschluß minimal

ist, ergeben kleine Polschuhe einen wesentlichen Vorteil. Darüber hinaus ornöglicht die Einfachheit der beschriebenen Konstruktion eine wenig aufwendige Herstellung.

TJm eine genaue Einteilung der I/okusrn erung des Elektronenstrahls nu erreiche^ ist der Steuer- und Leistungszuführungslcreis 90 so ^ungebildet,- daß die Elektrnnagnete 86 und getrennt gespeist v/erden küuneu. Daher kann ein Gradient der magnetischen Feldstärke von einen Ende zum anderen Ende O.er Iclschuhe erreicht werden. Vird der Gradient gegen das untere Ende der Polschuhe GZ und 85 gemäß Fig. IA und 15 vergrößert und in der Richtung, in welcher der Elektronenstrahl abgelenkt wi:?d (in !'ig. 14 und 15 nach oben), vermindert, ,so wird eine sch".rfore Eokussierung erreicht. Uios berivht darauf, daß bei zunehmenden Magnetfeld der ICrümmuiigsradius der Elektronen auf ihrem gekrümraten '..'eg kleiner wi:-:d. jjurch geeigiic-cc '_inr:tellurig der

• " ■ ' ■ ■

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relativen Feldstärken der Elektromagneten 86 und 87 kann eine genaue longitudinale Fokussierung e?:r eicht v/erden. Die Ausfuhrungsform der Erfindung nach Fig. 16 führt auch eine Querfokussierung des riektronenstrahls 25d herbei. Ern:aitlich sind die oben erwähnten Flußlinien in Randbereich den durch die Polschuhe 83 und 35 gebildeten Felde,?, weiche in ^rig. 16 durch gestrichelte Linien dargestollt sind, gebogen. ':-)±e in gebogenen. Magnetfeld auf die Elektronen im iitrahl ausgeübte Kraft ergibt eine aufeinander zugerichtete Ablenkung der vilektr::.nen, wie dies in Tic. durch ausgezogen-gestrichelte Linien dargestellt ist. Au;':' diese "i/eine v/ird sus^:i.bnlich su der vorboschriebeneu lon— gituclin^lou Tokusoierung des iJtrahls auch eine Querfokuosic3?uug erreicht. Die magnetische i'oldstärke und der nöglicherv/eioe vorhandene Gradient des magnetischen Feldes !'erden so ausgebildet, daß die Querfokussierung und die longitudinale Fokussierung in ihren entsprechenden Richtungen zu einer Konvergenz in etwa dem gleichen Punkt führen. ■

Das Ergebnis der durch die Wirkung der Anordnung gemäß der Erfindung erreichten Fokussierung kann aus einem Vergleich der Fig. 17 und 13 entnommen werden. Fig. 17 zeigt einen typischen Elektronenstrahlquerschnitt für einen Fall, bei dem der Elektronenstrahl durch eine den Fig. 14, 15 und 16 entsprechende Elektronenkanone erzeugt und geführt wird, wobei jedoch das durch die PoI-

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schuhe erzeugte Quermagnetfeld fehlt. Der Strahlbesteht aus einem zentralen Hauptteil 92 und einem Paar von. seit- ,. liehen Teilen 93 und 95. Sin derartiges Strahlraster erfordert beim Durchführen durch eine Wand mit geringen Verlusten eine relativ große Öffnung und ergibt im Vergleich zu dem abgerundeten Strahlquerschnitt nachFig. 18 eine relativ schlechtere Energieübertragung. Der Querschnitt 96 nach Fig. 18 ist dem Querschnitt des Strahls angnähert, wie er längs der Linie 18-18 in Fig. 15 vorhanden ist. Da der Querschnitt mehr abgerundet ist, kann die Größe der Öffnung kleiner sein; v/ird der Strahl direkt auf ein Target gerichtet, so ist die Wärmeübertragung vom Strahl auf das Targetmaterial v/irksamer.

In Pig. 19 ist eine abgewandelte Au3führungsform der Polschuhe schematisch dargestellt, Zwischen den unteren Enden von einem Polschuhpaar 98 und 100 verläuft lediglich ein Elektromagnet 97. Un bei Verwendung eines I.lektromagneten 97 einen Gradient der na^netischei I'olcTst^trhe zwischen den Polsohuhen DS und 100 zu ersenden, sind diese Polschufre nacli außen geneigt. Der l'ei ,Uii^rr.n.nhel hängt vom gewünschten Peldgradienten al) und '-arm so au.s-i gewählt werden, daP. clio /jewimocht.c Ablenkung und Γο!:ιιε-sierung erreicht w;'.rd.

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Ein wünschenswertes Verhältnis swinclien den Abstand der Polschuhο 'voneinander und vom Emitter lie^t in der Größenordnu ng von 4 oder 5:3. Bei Verwendung eines Emitters Ton 12,7 era (5 inches) LMnge und einem Paar von parallelen Polschuhen von 20,32 cm (3 inches) Länge eowie einer Breite und Dicke von 1,27 cm (0,5 inch) ergeben siah zufriedenstellende Ergebnisse, v/eiiii die PoI-sohuhe 2^06 cm (0,75 inch) vom Emitter und 2,06 cm (1,125 inch) voneinander entfernt sind und wenn ein Imittergleichstrom von ¹OO Amper, eine magnetische Feldstärke

Ewisohendin Polschuhen von 55 Gauss und eine GtrahlboschleunigunLBspannunc von 10 kV benutet werden. Der Winkel alphn kann etv/a 11° betragen. '. ntnprechend ergeben eich eufriedenstellende Ergebnisse mit der cleichei: Anordnung bei einem Emitter st rom von 100 /unper, einer na£- netischen PeldstHrke zwischen den Polcchuheu von 90 (ir.iuss und einer Strahlbeschleunigungscpaanuiifl ve ti 18 kV. In... diesem falle kann der Winice 1 alpha etwa 8^C

Die vorliegende Erfindung sieht also eine Anordnung zur Ereeugung und Führung eines Elektronenstrahls vor, welohe in einen Hochvakuum-Elektroneustrahlofen ver\;eudbar ist· Insbesondere eignet sich die Anordnung nach der Erfindung bei Elektronenstrahlofen, bei denen eine Verschmutzung beispielsweise aufgrund des Auftreffens von Darapfpartikelu cu berücksichtigen ist. Hit der Aiicrduuuj; nach der Srfiuduug ist die Ablenkuni; eine,™ Elektroneu-

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^v e5-t

Jcahri^:,raöglich, .während/

;möglicllt äie Anordnung; gemäß der "Erfindung eine g
Steuerung der Polius si eriing-'- und Ablenkung des Eiektröneiistrahls unter ßich änderndem· Bedingungen. : ^:; :.

Bei der Anordnung nach der Srfindung ist die Anzahl der ,; auf die Elektronenkanone auf treffenden Dampfpartikel so- ; klein' .v;ie möglich gehalten.Damit wird die Lebensdauer .■
der Elektronenkanone wesentlich, erhöht. "Weiterhin wird:: : eine _; zufr'aienGtellende Steuerung der: Dichte, der ^: Stärke ::; und der Richtung: des Elektronenstrahls, erleichtert-.^; :-:";> ■"■■' ^:%

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Claims (1)

1. Pate n^t_:'a>n'Xs .p^ .r-ilcK-;^;;,e.<.\ ϊ,^

   1. Anordnung zur Erzeugung, und !Führung eines .-Elektronen- ^;. Strahls, gekennzeichnet''durch, eine Einrichtung (26;26a;. 26b;26c;26d) sur Urzeugung eines bandförmigen, in. eine Anfangsrichtun^; gerichteten Elektronenstrahls (25 ; 25b;25c; 25d) und durch wenigstens eine Vorrichtung (28;28a; 53;63;75,76,77,78;O3,O5,86,87;97,98,lOO); zur Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen Elußlinien quer zur Anfangsrichtung und senkrecht zur Hauptachsenebene des bandförmigen Elektronenstrahls verlaufen und das den bandförmigen Elektronenstrahl in einen gekrümmteinNeg in seiner Ebene ablenkt. ·. . ^;

   2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die felderzeugende Vorrichtung (28;28a;55) so ausgebildet ist, daß das erzeugte MagnetfeldGrenzen aufv/eist, bei denen die Elektronen am Außenrand des bandförmigen Slektronenstrahls |25|25aj25^) länger als die Elektronen am Innenrand aurcü daa feld laufen« V

   3« Anordnung naoh Ansprueh 1 oder 2* daduroh gekehnaeiohnet, daß die Einrichtung (2$iZ§&i%$k) aux Irseuguu^ des

   einen langgesWtektea
   ) aufweist» der tu eiaw Ibon© mit d@m

   - 38 Strahlweg liegt. ■> .

   4. Anordnung nach den Ansprüchen 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Quermagnetfeld hervorgerufene Gesamtablenkung des Elektronenstrahls (25 ;25a;25t>) wenigstens

   90° beträgt. ;;; :. f :. \

   5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 - 4, ■. dadurch gekennzeichnet, daß die raagnetfelderseugeade Vorrichtung (28;28a;53) ;; ■■■■■/■;■■■"'. : ein Paar von parallelen. Po!platten (48 ;4Sa ; 55»56) :aü.fv/eist, ■
   welche parallel zum Llektronenemitter (27;27a ;27"b) "ver- _;;^ ^:'. laufen. i^:- ■:/.- . ■■',.- ' -. '\->ς].;;ϊ;/~>.^^^>]^'■ '

   6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 - 4» dadurch ge]:earizei;chnet, daß die fclderaeugende Vorrichtung (63r77,78) so

   , "bildet ist, daß ein nichthonogenes ^r:üermagaetfel^
   steht, dessen !Feldstärke in einen größerer: ;^:,O]eil [.&e$£ii
   Elektronenntrahlweges in PeId in der; ^:Ebon:e /.des g
   !'Jeges vom Strahlinnenrand zum Gtrahlaußen.rand-vab^

   7. Jtordnung nach .Insnruch 5, dadurch gej-e;nh.seion.iiet,;_:; M^- .cli.'e-:-:-;,^: Feldstslrke clos Ilagnetfeldes iv: Außtrit-Göijerelcli; des, ^lsktronenst??ahlo (2^c) .?.ua den 3?elcl cn Strahl^iuPc^rauci . ^r.3^pI?;r. ^; ·.
   aln am i'trL^ilinnenraiic¹ ^ct. ■ -,¹^::;'

   8» Anord -vwc n.:-\ch Atinprucn G oiler 7,uauurc'i ^ekemi.^cvici.v.i-et,-

   daß die felderseucende Yorriclitung ein Paar von flachen, auf je einer Seite dec gekrümmten. Teile des utrahlvoges ':, angeordneten Polcchuhen (65,66;77,78)-aufweint und daß die' Polachuhe In c:'nen v/inkel zueinander angeordnet sind, der sich von Ejntrittcbereich decs Elektronenstrahls ±\i das Magnetfeld öffnet.

   9. Anordnung: noc¹"¹ Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, da Π die Polnchuhe (65,66:77,78) so angeordnet n;nd, daß die dem Außenrand dec j-'lcktrrmenctrahls (25c) abgevap.dte;. Teile näher πu^an.iennteilen ale die Se^ ] e en CtrahlauPenrand.

   10. Anordnunr nach Anspruch 6 ode?" 7,''V'duj-ch rr^c·:) co\fih:iot,

   • daß die I fel'derricuzende Yorriohtt-uiif: ein Paa?; von haIbicreipför.aiGen in Anstand voneinander befiiic.licher.rjcheiljcii -(G5 j o6;77,70) aufveis t, deren gerade Kante Cer εtrahlerseug'enden I3inrichtunc (26c) zugewandt ist, daß die Scheiben in -Richtung ihrer geraden Kanten, ir. einen VIrJrel zueinander atigeordnet sind, der sich zum 2in.-trittsbereich des Blelctroneustrahls (2^c) in das liagnetfelci öffnet und daß die Scheiben :.n einer: weiteren. Videl zueinander angeordnet, sind, der sich in Richtunc auf ihre jeicrünntefi

   • Kanten Öffnet. ' · ,

   11. Anordniuij nach An Spruch C-, gekennzeichnet durch eins weitere 7orr.ichti.vas (75,761) zur Erceujun^ eines sv;cite:: .

   0 0 9 8 1E5Y--JQ&9Gf <

   iiichthonogenen ^uermagnetfeldGs vor dem ersten Ilagnetfclcl, v/obeidie veitere felderzeugende Vorrichtung ο ango-. ~ ordnet, int, daß dio !feldstärke; dea nv;eiteu IIa{jnet:Celdes auf- eiiion veoeutlichen Teil den ^ekrümiteii !Jtralilueü'ea i.iit suiielirioudem Al^r/oand von Jntieurand des Zlelrtroiienstralila alinimit.

   12. 7üiorduun{; nach .liirjprr.cli 1, dadurch {jelcentiseiclmet, daß dio, H*trahlerneu;je!idc ^iiir.-ichtun;; (26d) πυ orientiert ist, daß die in das IIa£iiet£cld eiii/jef'-ihrter. l-llelctronen an Außenrand des ^o'rriirir.iten Strahls in Vergleich zu den Elektronen

   '. am■ ütrahlitinenrand einen längeren V/eg im liagnetfeld zu- ·

   rücklegen.

   13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

   das Magnetfeld zwischen, den Polschuhen (G3>05) gleichför- ; mige. Feldstärke besitzt. · ν "

   14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ^j"

   ein Paar von im Abstand voneinander befindlichen langge- ■ V streckten Polschuhen (83,84) zur Erzeugung des Magnetfei- ; des dient und daß die Feldstärke des Magnetfeldes zwischen den Polschuhen quer zum anfänglichen Weg in der generellen Ablenkrichtung des Zlektronenstrahles (25b) abnimmt.

   15. Anordnung nach. Anspruch .14». dadurch gekennzeichnet, daß '

   die Strahlerzeugungs-Einrichtung (26d) und die Polschuhe (83,85)

   00981 570996