DE19518623C2 - Vorrichtung zum Bestrahlen von Oberflächen mit Elektronen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen von Oberflächen mit Elektronen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Solche Vorrichtungen erzeugen Niederenergie-Elektronen­ strahlen, die aus miniaturisierten Vakuumkammern aus­ treten. Sie werden zur Elektronenstrahlhärtung fester und flexibler Materialien sowie im Druckbereich einge­ setzt. In diesen Bereichen werden unterschiedliche An­ forderungen an die Vorrichtungen bezüglich der Elek­ tronenenergien und Elektronenstrahlleistungen gestellt.

Es werden hierfür Vorrichtungen mit Elektronenenergien zwischen 150 und 250 keV und Strahlströmen zwischen 30 und 300 mA eingesetzt. In 'Nuclear Instruments & Methods in Physics Research', Section B 1992, Article "LEA electron accelerators for radiation processing" ist eine Vorrichtung mit einer drahtförmigen Linearkathode be­ schrieben, in der die Elektronen ohne Steuergitter über eine rohrförmige Elektrode formiert und durch ein Elektronenaustrittsfenster ausgeschleust werden.

Beim Ausschleusen der Elektronen aus der Vakuumkammer durch ein strahlungsdurchlässiges Elektronenaustritts­ fenster, beispielsweise aus dünner Titanfolie, treten Energieverluste auf. Der durch Absorption entstehende Energieverlust in einer von einem Stützgitter ge­ tragenen 15 µm dicken Titanfolie beträgt für Elektronen mit Energien von 150 keV etwa 25%. Zusätzliche Verluste entstehen an den von den Elektronen nicht durchdring­ baren Stegen des Stützgitters und durch das schräge Auftreffen der Elektronen auf das Elektronenaustritts­ fenster. Durch die Energieverluste werden die Teile des Elektronenaustrittsfensters erwärmt und dehnen sich aus. Elektronenaustrittsfenster sind in der DE 26 06 169 C2 näher beschrieben. Das bekannte Elektronenaus­ trittsfenster besteht aus einem Fensterrahmen mit Kühlbohrung und einem Andruckflansch. Mit dem Andruck­ flansch wird die elektronendurchlässige Folie einge­ klemmt und durch den äußeren Luftdruck auf das Stütz­ gitter gedrückt. Das Stützgitter besteht aus doppel­ kammartigen Segmenten, die einen durchgehenden, die Breite des Fensterrahmens überbrückenden Hauptsteg mit Kühlkanal und eine Vielzahl links und rechts vom Haupt­ steg senkrecht abstehenden Stegelementen aufweisen. Die Hauptstege sind senkrecht zur Längsausdehnung des Elektronenfensters angeordnet und üblicherweise gerade ausgebildet. Mehrere dieser doppelkammartigen Segmente mit einer Vielzahl von senkrecht abstehenden Stegele­ menten bilden das Stützgitter.

Weiterhin ist aus der DD-PS 138 588 ein Elektronen­ strahlaustrittsfenster mit konisch nach der Vakuumseite zulaufender Stegkonstruktion bekannt, damit die Elek­ tronen, die auf die Stege treffen, auch reflektiert wer­ den und aus dem Fenster austreten. Die Stegkonstruktion besteht aus einem in der Mitte angeordneten Hauptsteg mit parallel dazu verlaufenden Gitterstegen.

Ferner ist aus der DE-AS 15 89 773 ein Elektronen­ strahlfenster bekannt, das wassergekühlte Querstege aufweist, die über kurze Längsrippen miteinander ver­ bunden sind.

Schließlich ist aus der US 48 73 468 ein Elektronenstrahlfenster bekannt, bei dem eine anodische Folie mittels Stegen gegen einen höheren Außendruck abgestützt ist, die zur Dissipationsminimierung in Lücken der durch ein axiales Magnetfeld fokussierten Elektronen­ strahlen angeordnet sind.

Durch das Elektronenaustrittsfenster wird die untere Grenze der Elektronenenergie festgelegt. Eine obere Grenze der Elektronenstrahlleistung erhält man durch die maximal mögliche Strombelastung/cm² Fensterfläche, die 0,2 mA/cm² nicht überschreiten soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zum Bestrahlen von Oberflächen mit Elektronen zu schaffen, mit der der Energieverlust beim Ausschleu­ sen aus dem Elektronenaustrittsfenster verringert wird und das Elektronenaustrittsfenster eine verbesserte Wärmeableitung bei ausreichender me­ chanischer Stabilität besitzt.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 be­ rücksichtigten Stand der Technik, ist diese Aufgabe ge­ löst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Merkmale des Anspruches 1 wird die offene Fläche der Stützgitter vergrößert. Dies erhöht die Transmission der Elektronen ebenso wie die Ausrichtung des Hauptsteges parallel zu den Kathoden. Vorteilhaft ist, daß die Elektronenstrahlteilfelder so einjustiert werden können, daß sie den Hauptsteg nicht treffen.

Durch diesen Hauptsteg wird die mechanische Stabilität des Stützgitters erhöht. Fensterrahmen, Hauptsteg und Stegelemente bilden eine Baueinheit, die einstückig ausgebildet ist. Dadurch kann das Stützgitter einfacher hergestellt werden und besitzt nun nur noch Stegele­ mente die zwischen dem Hauptsteg und dem Fensterrahmen angeordnet sind. Der Hauptsteg ist bei zwei draht­ förmigen Kathoden vorzugsweise in der Mitte des Elek­ tronenaustrittsfensters angeordnet. Sind mehr als zwei drahtförmige Kathoden bei der Vorrichtung vorgesehen, dann teilen die Hauptstege immer ein symmetrisches Fensterfeld mit in der Mitte darüberliegend angeord­ neter Kathode ab.

Zusätzlich wird ein Kühlgas- und/oder Schutzgassystem bereitgestellt. Das System besteht aus einem am Hauptsteg angeordneten Kanal für eine Kühlgas- und/oder Schutzgaszufuhr, während am Andruckflansch angebrachte Kanäle der Absaugung dienen. Das gekühlte Gas tritt beidseitig aus dem am Hauptsteg angeordneten Kühlgaskanal aus und ist gegen die Folie gerichtet, so daß die Folienoberfläche mit einem Schutz- bzw. Kühlgas überströmt wird.

Es wird ein guter Wärmeübergang über die gesamte Länge geschaffen. Wird in der Mitte eingeblasen, so ist der Aufwand für die Gasführung reduziert. Hinzu kommt, daß eine einfache Gasabsaugung ausgebildet werden kann, wodurch die Strömungsverhältnisse und damit der Wärme­ übergang optimiert werden und das Gas rückgewonnen werden kann.

Durch die Merkmale der Ansprüche 3 und 4 wird der Verformung der Stegelemente bei Erwärmung entgegenge­ wirkt. Da die Stegelemente einen Verformungsbereich aufweisen, können die Wärmespannungen in Dehnungen oder Bewegungen in der Ebene des Stützgitters umgesetzt werden. Die damit verbundenen Längenänderungen der Stegelemente führen dabei nicht zu einer Verformung des Elektronenaustrittsfensters. Auch ist es nicht erforder­ lich, die Stützgitter mit mehreren Kühlkanälen zu versehen. Damit vergrößert sich die offene Fläche des Stützgitters zusätzlich. Erfindungsgemäß werden die Verformungsbereiche durch eine von der Geraden ab­ weichende Form der Stege ausgebildet. Die Stege können hierbei z. B. sinusförmig geschwungen und/oder zick­ zackförmig und/oder pfeilförmig verlaufen. Dabei muß bei der sinusförmigen Ausbildung die Amplitude nur wenige Zehntel-Millimeter betragen.

Es zeigen

Fig. 1 Eine Seitenansicht in schematischer Dar­ stellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 Eine schematische Draufsicht des Elektronenaustrittsfensters

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung mit dem Elektronen­ strahlerzeugersystem. Sie besteht aus einer rohrför­ migen Vakuumkammer 11 mit doppelwandigem, wassergekühl­ ten Gehäuse 12. In einer Seite 13 befindet sich die Öff­ nung 14 für den Anschluß der Vakuumpumpe 15. Vorzugs­ weise konzentrisch in der Vakuumkammer 11 ist das Elek­ tronenstrahlerzeugersystem angeordnet. Es besteht aus einem rohrförmigen Hohlkörper 20 mit innenliegendem Hohlraum-Längsteiler 21, welche die Formierelektrode bilden, und je einer drahtförmigen Kathode 22, 23 in jedem vom Hohlraum-Längsteiler 21 abgeteilten Hohlraum­ segment 24, 25. Die Kathoden 22, 23 bestehen aus zwei Wolframdrähten, die mit Stromdurchgang erhitzt werden, so daß sie thermische Elektronen emittieren. Die Formierelektrode liegt zusammen mit den Kathoden 22, 23 auf negativem Hochspannungspotential und ist deshalb isoliert in der Vakuumkammer 11 befestigt. Der Hohl­ körper 20 weist einen zum Elektronenaustrittsfenster 16 offenen Längsschlitz 26 auf. Der Längsschlitz 26 in der Formierelektrode hat eine Öffnungsbreite in der Größenordnung des Hohlkörperradius. Er bildet zusammen mit einem senkrecht zum Längsteiler 21 verlaufenden Quersteg 27, der zum offenen Bereich des Längsschlitzes 26 weist, einen Restspalt 28, der für den elektrischen Durchgriff des Potentialfeldes in die, die Kathoden 22, 23 enthaltenden Hohlraumsegmente 24, 25 verantwortlich ist. Durch Variation der Breite und/oder geometrischen Form des Quersteges 27 wird die Brechkraft des sta­ tischen Beschleunigungsfeldes verändert und die axiale Breite B der von den Kathoden 22, 23 emittierten Be­ strahlungsfelder 29, 30 der Elektronen eingestellt.

Durch die Aufteilung der Bestrahlung in zwei Be­ strahlungsfelder 29 und 30 ist die Divergenz jedes Bestrahlungsfeldes halbiert gegenüber Anwendungen mit nur einer Kathode. Die Bestrahlungsfelder 29, 30 tref­ fen auf das Elektronenaustrittsfenster 16. Es besteht aus einer Metallfolie 17, vorzugsweise einer Titan­ folie, und einem Metallstützgitter 18, vorzugsweise aus Kupfer, das an einem rechteckigen Fensterrahmen 19 befestigt ist.

Das die Folie 17 tragende Stützgitter 18 weist einen Hauptsteg 40 auf, der das Elektronenaustrittsfenster 16 in zwei Fensterflächen 41, 42 teilt (Fig. 2). Die Teilung des Elektronenaustrittsfensters 16 erfolgt parallel zur Anordnung der drahtförmigen Kathoden 22, 23 in der Mitte des Fensterrahmens 19 bzw. in der Mitte der darüberliegenden Kathoden 22, 23. Der Hauptsteg 40 weist mindestens einen Kühlkanal 32 auf, der mit Kühl­ kanälen 33, 34 des Fensterrahmens 19 verbunden ist. In den Kühlkanälen 32, 33, 34 strömt ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser.

Zwischen der Längsseite des Fensterrahmens 19 und dem Hauptsteg 40 sind Stegelemente 36, 37, 38 angeordnet, (Fig. 2), die die Folie 17 halten und dem Wärmeab­ transport zu den kühlmitteldurchströmten Fensterrahmen 19 bzw. Hauptsteg 40 gewährleisten. Vorzugsweise sind die Stegelemente 36 bis 38 nicht vollkommen gerade ausgebildet. Sie können somit die aufgrund der Er­ wärmung entstehenden Längenänderungen in Dehnung oder Bewegung in der Stützgitterebene umsetzen. Einige Formen der Ausbildung von geometrischen Verformungs­ bereichen 45, 46, 47 sind in Fig. 2 schematisch darge­ stellt. Andere Formen der Verformungsbereiche liegen im Bereich der Erfindung. Die Fig. 2 stellt mehrere Ausführungsvarianten der Stegelemente 36, 37, 38 dar. Dabei muß z. B. bei der sinusähnlichen Variante die Amplituide 39 nur wenige Zehntel-Millimeter betragen, damit Wärmespannungen vermieden werden.

Das Stützgitter 18 ist mit seinem Fensterrahmen 19 an einem Anschlußflansch 35 der Vakuumkammer 11 befestigt (Fig. 1).

Die elektronendurchlässige Folie 17 wird mit einem separaten Andruckrahmen 44 gegen den Fensterrahmen 19 gespannt (Fig. 1). Der Andruckrahmen 44 weist einen unter dem Hauptsteg 40 verlaufenden, die Folie 17 gegen den Hauptsteg 40 spannenden Schutz- und/oder Kühlkanal 48 auf. Der Kanal 48 weist gegen die Folie gerichtete Ausströmöffnungen für ein Kühl- und/oder Schutzgas auf. Das Gas strömt dadurch von der Mitte des Elektronenaustrittsfensters 16 zu dem heißesten Bereich der Folienoberfläche und wird von Absaugkanälen 49, 50, die dem Kanal 48 gegenüberliegend im Andruckrahmen 44 angeordnet sind, abgesaugt. Dabei ist die zu über­ strömende Strecke bis zum heißesten Bereich der Folien­ oberfläche klein. Es wird ein guter Wärmeübergang erzielt. Durch die Absaugung kann das Gas rückgewonnen werden.

Die Bestrahlungsfelder 29, 30 werden durch dieses Elektronenaustrittsfenster 16 mit einem hohen Wirkungs­ grad transmittiert, weil die Elektronen nahezu vertikal auf die Folie auftreffen und die Streuung und Ab­ sorption an bzw. in dem Stützgitter 18 verkleinert ist. Das erfindungsgemäße Elektronenaustrittsfenster 16 mit dem parallel zu den Kathoden 22, 23 und im wesentlichen in der Mitte zwischen den beiden Kathoden 22, 23 bzw. in der Mitte des Fensterrahmens 19 angeordneten Hauptsteg 40, der von einem Kühlmedium durchströmt ist, eignet sich vorteilhaft für eine Vorrichtung mit zwei Be­ strahlungsfeldern 29, 30, die sich als Teilstrahlungs­ felder durch die geometrische Anordnung des Längs­ teilers 21 und die Position der Kathoden 22, 23 auf die beiden offenen Flächen 41, 42 des Elektronenaustritts­ fensters 16 justieren lassen. Das erfindungsgemäße Elektronenaustrittsfenster 16 besteht aus den zwei Fensterflächen 41, 42 mit Stegelementen z. B. 36, 37 und/oder 38. Durch die Justierung der Teilstrahlungs­ felder 29, 30 auf die Fensterflächen 41, 42 werden die Felder durch die Stegelemente 36, 37, 38 nur noch in einer Richtung unterteilt.

Eine vergrößerte Folienfläche zum Ausschleusen der Elektronen wird durch diese Ausbildung erreicht.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Bestrahlen von Oberflächen mit Elektronen, die aus mindestens zwei drahtförmigen Kathoden (22, 23) emittiert werden
mit einer Vakuumkammer (11), die ein Elektronenaus­ trittsfenster (16) aufweist
mit einer elektronendurchlässigen Folie (17), die die Vakuumkammer im Bereich des Elektronenaustritts­ fensters gegenüber dem Umgebungsmedium abschließt und über einen Andruckrahmen (44) mit dem Elektronen­ austrittsfenster verbunden ist
mit einem Fensterrahmen (19) und einem Stützgitter (18) für die Folie, das aus mindestens einem Kühlmittel- durchströmten Hauptsteg (40) und Stegelementen (36, 37, 38) besteht,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hauptsteg (40) parallel zu jeder drahtför­ migen Kathode (22, 23) und in der Mitte des Fensterrahmens (19) zwischen zwei Kathoden (22, 23) angeordnet ist, und
daß der Andruckrahmen (44) einen unter dem Hauptsteg (40) verlaufenden Schutz- und/oder Kühlgaskanal (48) aufweist, aus dem Gas gegen die Folie (17) strömt und dem Schutz- und/oder Kühlgaskanal (48) gegen­ überliegend Absaugkanäle (49, 50) für das Gas vorge­ sehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützgitter (18) und der Fensterrahmen (19) eine Baueinheit sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichent, daß die Stegelemente (36, 37, 38) Verformungsbe­ reiche (45, 46, 47) für eine Bewegung in der Ebene des Stützgitters (18) aufweisen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Stegelemente (36, 37, 38) von der Geraden abweichende Formen aufweisen.