DE1955846A1

DE1955846A1 - Elektronenkanone fuer die Erhitzung von Materialien in einem Vakuumbehaelter

Info

Publication number: DE1955846A1
Application number: DE19691955846
Authority: DE
Inventors: Dellert Helmut Georg Valentin
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1969-11-06
Filing date: 1969-11-06
Publication date: 1972-01-05
Also published as: DE1955846B2; JPS5022280B1; US3652821A; GB1236891A; DE1955846C3

Description

t-vft nicht ,geSfef werden

Köln, den 28.10.1969 ZR3--Zap/Sk - 69514 -

Pat oil t - und G- ebrauohsmus t erhi 1 f s anmel dung

"Elektronenkanone für die Erhitzung von Materialien in einem Yakuurab ehält er"

Hie Erfindung betrifft eine Elektronenkanone für die Erhitzung von Materialien in einem Vakuunib ehält er, bestehend aus einer Elektronenstrahlquelle, mindestens einer Elektronenlinse und mindestens einer im we«entlichen symmetrisch zum · Strahl angeordneten Ablenkeinheit zur Ablenkung des Strahls im Innern des Behälters, wobei zwischen der Strahlachse einerseits und der 13'lektronenlinse sowie der Wicklung und dem Joch der Ablenkeinheit andererseits ein vakuumdichtes, mit dem Behälter verbindbares Strahlführungsrohr angeordnet ist, das an seinem freien Ende durch die Elektronenstrahlquelle verschlossen ist.

Eine Elektronenkanone der vorstehenden ixt ist beispielsweise durch die deutsche Auslegeschrift 1 248 175 bekannt. Die bekannte Kanone ragt in eingebautem Zustand mit ihrer Elektronenlinse und der Ablenkeinheit in das Innere eines Vakuumbehälters hinein, in dem ein Erhitzungsvorgang bewirkt werden soll. Es kann sich dabei um Schmelz-, Schweiß- und Verdampfungsvorgänge von Materialien aller Art handeln. Zum Zwecke des Schutzes der warmeempfindlichen Spulen von Slektronenlinse und Ablenkeinheit ist die Kanone an ihrem in den Behälter hineinragenden Seil mit einem Kühlmantel versehen. Die bekannte Kanone ist jedoch nur bedingt einsetzbar bei Behältern, in denen ein Höchstvakuum erzeugt und während des Betriebes der Kanone aufrechterhalten werden soll. Höchstvakua werden insbesondere für

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viele Vakuumaufdanipfprozesse benötigt. Um die geforderten, niedrigen Drücke erreichen zu können, ist es bekanntlich, erforderlich, die gesarate innere Oberfläche des Vakuumbehälter ¹¹ aus zuheiz en", das heißt, auf eine solche Temperatur zu bringen bei der sich die ansonsten im Behälter verbleibenden G-asuiole·· küle von den Wandungsteilen lösen und nachfolgend abgepumpt werden können. Die erforderlichen Ausheiztemperaturen liegen häufig im Bereich bis zu 400 C und teilweise auch darüber. 3?ür derartig hohe Temperaturen sind jedoch die bekannten Kanonen aus folgenden Gründen nicht geeignet: Bei Anwendung einer Wassloihlung läßt sich die in den Behälter hineinragende Oberfläche der Kanone nicht ausheilen, beim Yerzicht auf eine Wasserkühlung würde die elektrische Isolation der Magnetspulen zerstört. Ein Ausbau der Kanone verbietet sich, da hierbei das Vakuum im Behälter zusammenbrechen vmrde. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kanone der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die ein Ausheizen der dem Inneren des Vakuumbehälters zugekehrten Wandungsteile gestattet ohne daß hierbei die wärmeempfindlichen Bauteile gefährdet würden. Ausserdem soll die schnelle Betriebsbereitschaft der in den Behälter eingebauten Elektronenkanone trotz des Ausheizvorganges erhalten bleiben.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß sowohl die Wicklung und das Joch der Ablenkeinheit als auch die Blektronenlinse ohne Aufhebung des Vakuums im Behälter von dem Strahlführungsrohr abziehbar sind. Die besondere Schwierigkeit, die durch eine solche lösung zu überwinden war, besteht dabei darin, daß der Elektronenstrahl im Innern des Behälters abgelenkt werden soll, so daß sich der die eigentliche Strahlablenkung bewirkenden Teil der Ablenkeinheit im Innern des Behälters befinden muß. Diese Bedingung hat bisher ein Ausheizen des Vakuumbehälters und der mit ihm verbundenen Kanone verhindert.

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Um eine besonders einfache Entfernung der Ablenkspule zu ermöglichen, wird gemäß der v/eiteren Erfindung vorgeschlagen, daß die PolschuliG und das Jocli mit der Wicklung der Ablenkeinheit als getrennte Bauteile ausgeführt sind, wobei die Polschuhe fest mit dom Vakuumbehälter verbindbar und das Joch mit der Wicklung von dem Strahlführungsrohr abziehbar gestaltet sind. Eine solche Ausführung erfüllt sämtliche eingangs gestellten Forderungen und zeichnet sich ausserdem durch einen einfachen und betriebssicheren Aufbau aus.

Bin Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung sei nachstehend an Hand der Figuren 1 bis 3 näher beschrieben. · Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine an einen Vakuumbehälter angebaute Kanone,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1, bei der die wesentlichen Baugruppen auseinandergezogen dargestellt sind und

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Ablenkeinheit mit ihren wesentlichsten !eilen.

In Fig. 1 ist mit 1 die vollständige Elektronenkanone bezeichnet, bestehend aus einer Elektronenstrahlquelle 2, einer Elektronenlinse 3 und einer Ablenkeinheit 4, die den Elektronen strahl 5 im Innern des Behälters 6 um einen Winkel zur ursprünglichen Strahlachse ablenkt. Die Elektronenquelle besteht ihrerseits aus einer Glühkathode 7 und einer auf Erdpotential befindlichen Beschleunigungsanode 18, zwischen denen beim Betrieb eine hohe Potentialdifferenζ vorhanden ist. Die Elektronenstrahlquelle ist über die beiden Steckkontakte 9 und 10,

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Vielehe mit Gegenkontakten zusammenwirken, die - nicht sichtbar - in der Flanschplatte 11 aus Isoliermaterial angeordnet sind, an nicht gezeichnete Hoehcpannungszuleitungen angeschlossen. Über die Kontakte 9 und 10 fließt gleichzeitig der Heisstrom für die Glühkathode 7. Mit 12 ist ein G-cgenflansch bezeichnet, der mit einem keramischen Hochspannungsisolator vakuumdicht verbunden ist. Per Isolator ist am gegenüberliegendön Ende mit einem weiteren Plansch 14 verbunden, der mit einem Gegenflansch 15 verschraubt ist, 16 und 17 sind Distanzringe, die ebenfalls absolute Yakuumdichtheit gewährleisten und die hohl-kegelförmig ausgebildetete Beschleunigungsanode 18 umschließen.Der Gegenflansch 15 ist mit einem StrahlführungE rohr 19 verbunden, welches das vakuumdichte Zwischenglied zwischen der Elektronenquelle 2 und dem Vakuumbehälter 6 darstellt. Zu diesem Zwecke ist das Stranlführungsrohr 19 an dem der Elektronenquelle abgewandten Ende mit einer Flanschplatte 20 versehen, die unter Zwischenschaltung eines Dichtungs- . ringes 21 auf dem Behälterflansch 22 ruht.

Die Ablenkeinheit 4 besteht aus einem im wesentlichen U-förmig en Magnetkern aus Weicheisen, der sieh wiederum aus den Schenkeln 23 mit den Polschuhen 24 und dem Joch 25 zusammensetzt. Die Schenkel 23 und das Joch 25 sind 3-teilig ausgeführt, berühren sich jedoch im Zustand der Betriebsbereitschaft der Kanone zur leitung des magnetischen Flusses an den Crennfugen 26. Die Schnjkel 23 sind vakuumdicht und unlösbar mit der aus nicht ferromagnetischem Werkstoff bestehenden Flanschplatte 20 verbunden. Das Joch 25 ist senkrecht zur Schnittebene ringförmig ausgebildet und konzentrisch zum Strahlführungsrohr 10 angeordnet. Es besitzt 2 diametral gegenüberliegende, parallel verlaufende Schenkelansätze 27, auf denen die 2-teilig ausgeführte Wicklung 28 befestigt ist. Bei Erregung der Wicklung28 wird zwischen den Polschuhen 24 ein Magnetfeld erzeugt, dessen Kraftlinien im wesentlichen senk-

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recht zur Achse des Elektronenstrahles 5 verlaufen und infolgedessen eine Ablenkung bewirken, deren Größe unter anderem von der Höhe des Erregungsstromes abhängig ist.

Das Joch 25 mit der Wicklung 28 ist ebenso wie die Elektronenlinse 3 im Innern einer als Hohlzylinder ausgebildeten Kapsel 29 befestigt. Als Distanzstück 38 dient ein Ring, der ebenso wie das Strahlführungsrohr 19 aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff besteht, um die Magnetfelder nicht störend zu beeinflussen. Die Kapsel 29 ist mit ihren Einbauten von dem Strahlführungsrohr in dessen Achsrichtung abziehbar und stützt sich auf der Anschlaghülse 30 ab. Die Kapsel 29 besitzt ferner 2 entsprechend geformte Ausnehmungen für den Durchtritt der Schenkel 23 der Ablenkeinheit 4. Die Slektronenlinse 3 ist von einem Weicheisenmantel 32 umgeben, dessen Innendurchmesser ebenso wie der des Jochs 25 so bemessen ist, daß ein Abnehmen der Kapsel 29 über die Umhüllung der Elektronenquelle 2 möglich ist.

Die Kapsel 29 ist durch eine Flanschplatte 33 verschlossen, die gleichzeitig Träger für die Schutzkappe 34 ist, die zum Zwecke des Berührungsschutzes einen metallischen, geerdeten Überzug trägt. Die Flanschplatte 33 bes-itzt ebenfalls eine Bohrung 35» die ein Abnehmen über die Umhüllung der Elektronenquelle 2 gestattet. Die Flanschplatte 33 ist mit dem Gegenflansch 15 verbunden, was beispielsweise über einen nicht dargestellten Bajonettverschluß erfolgen kann. Hierdurch wird die Kapsel 29 gegen die Anschlaghülse 30 gepreßt und unverrückbar festgehalten. Ein Vorsprung .36 an der Flanschplatte 33 sorgt für die radiale Festlegung der Kapsel 29.Fig. 2 zeigt die Elektronenstrahlkanone .in einem Zustand, der ein Ausheizen der gesamten Vorrichtung erlaubt, das heißt, ohne Elektronenlinse und Wicklung des Magnetjochs 25. An dem V_akuumbehälter

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ist noch die Flansch/platte 20 mit dem Strahlführungsrohr 19 und dem Hochspannungsisolator 13 befestigt, in dessen Innerem sich die Elektronenquelle 2 befindet. Die entsprechenden Einzelteile sowie die zwischcngeschalteten Dichtungsmittel sind absolut beständig bei den auftretenden Ausheiztemperaturen. Aus der Planschplatte 20 ragen die beiden Enden der Schenkel 23 der Ablenkeinheit heraus. Bas mit ihnen im Betriebszustand der Kanone in Verbindung stehende Joch mit der Ablenkwicklung befindet sich zusammen mit der Elektronenlinse im Innern der abgezogenen Kapsel 29. Die Schutzkappe 34» in der sich auch die Steckkontakte 9 und 10 befinden,ist ebenfalls in abgezogenem Zustande dargestellt. ITach Beendigung des Ausheizvorgauges und genügendem Abkühlen der ausgeheizten Seile ist es lediglich erforderlich, die Kapsel 29 wieder auf das Strahlführungsrohr 19 aufzuschieben und durch Aufsetzen und Verriegeln der Schutzkappe 34 in ihrer, lage zu arretieren.

Die Details der Pig. 2 sind aus Platzgründen in einem kleineren Maßstab dargestellt,als in Pig. 1.

In Pig. 1 ist eine Ablenkeinheit 4 dargestellt, die eine Strahlablenkung im wesentlichen nur in einer Ebene zuläßt. Es ist jedoch ebensogut denkbar, eine weitere Ablenkeinheit vorzusehen, die beispielsweise unter einem Winkel von 90 zur dargestellten Ablenkeinheit stehen kann. Mit einer solchen Anordnung ist es dann möglich, mit dem Elektronenstrahl eine praktisch beliebige Pläche zu bestreichen, wobei auch sich periodisch ändernde Ströme den Ablenkspulen zugeführt werden können, um bestimmte Leistungsdichteverteilungen im Elektronenstrahl zu erzeugen. Die geometrische Porm der Ablenkeinheit 4· ist aus der Perspektiven Darstellung in Pig. 3 ersichtlich. Die Bezifferung der dargestellten Teile ist mit der in Pig. 1 identisch. Es ist zu erkennen, daß das ringförmige Joch 25 und die

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beiden Schenkel 23 getrennt ausgeführt sind und an den Trenn* fugen 26 aneinanderstoßen. Zwischen der Trennfuge und dem Joch 25 befinden sich auf diametral entgegengesetzten Seiten die Schenkelcn-sät^e 27, auf die die Wicklung 28, bestehend aus zwei Ein ζ «!spulen aufgeschoben v/erden kcüin. Me Öffnung 37 wird von dem hier nicht dargestellten Stralilfülirungsrohr 19 durchsetzt.

Die beiden Schenkel 23 sind vakuumdicht in der Weise mit der !Flanschplatte 20 verbunden, daß die Schenkelend en mit den Polschuhen 24 bei eingebauter Kanone symmetrische zum Elektronenstrahl 5 in das Innere des Vakuuinb ehält er s 6 hineinragen.

3 Ansprüche 3 Figuren

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Claims

Elektronenkanone für die Erhitzimg von Materialien in einem Yakuumbehälter, bestehend aus einer Dlektroricnstrahlquelle, mindestens einer lülcktrononlinsG und raindestens einer im wesentlichen symmetrisch zum Strahl angeordneten Ablenkeinheit zur Ablenkung des Strahls im Innern des Behälters, wobei zwischen der Strahlachse einerseits und der Elektronenlinse sowie'der Wicklung und dem Joch der Ablenkeinheit andererseits ein vakuumdichtes? mit dem Behälter verbindbares Strahlführungsrohr angeordnet ist, das an seinem freien Ende durch die Elektron ens tr 8,hlquelle verschlossen ist, djadurohJ^ekennzeicbp^t, da,ß sowohl die Wicklung (28) und das Joch (25) der Ablenkeinheit (4) als auch.die Elektronenlinse (3) ohne Aufhebung des Vakuums im Behälter (6) von dem Strahlfürhungsrohr (19) abziehbar sind.
2. Elektronenkanone nach Anspruch 1_S ^

daß die Schenkel (25) und das Joch (25) mit der Wicklung (28) der Ablenkeinheit (4). als getrennte Bauteile ausgeführt sind, wobei die Schenkel (23) fest mit dem Takuumbehälter (6) verbindbar und das Joch (25) mit der Wicklung (28) von dem Strahlführungsrohr (19) abziehbar gestaltet sind.
3. Elektronenkanone nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (25) der Ablenkeinheit (4) im wesentlichen ringförmig ausgebildet und mit zwei diametral gegenüberliegenden, parallelen Schenkelansätζen (27) versehen ist, auf denen die Wicklung (28) angeordnet ist, und daß das Joch (25) das Strahlführungsrohr (19) umschließt.

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