DE19638925A1 - Elektronen-Bandstrahler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektronen-Bandstrahler, mit dem ein Elektronenstrahl mit bandförmigem Strahlquerschnitt erzeugt wird. Er besitzt eine Linearkatode und ist beson­ ders für Niederenergie-Elektronenstrahlanlagen geeignet. Der Elektronenstrahl tritt durch ein Strahlaustritts-Fenster - auch Lenardfenster genannt - an Atmosphäre. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind die Aushärtung und Vernetzung von dünnen po­ lymeren Beschichtungen mit Schichtdicken bis zu einigen 10 µm sowohl auf bahn- als auch plattenförmigen Schichtträgern.

Es sind Elektronenstrahleinrichtungen bekannt, in deren Elektronenstrahler kurze, in Pro­ duktlaufrichtung gespannte drahtförmige Katoden angeordnet sind. Diese Katoden sind in bestimmten Abständen äquidistant und parallel zueinander angeordnet und durch Federn einzeln gespannt aufgehängt. Ihre Anzahl wird durch die jeweilige Bestrahlungs­ breite und damit die Fensterlänge bestimmt. Die Katodenlänge ergibt sich aus der Fen­ sterbreite. Jede dieser Katoden ist von einem zylindrischen Gitter konzentrisch umgeben. Zusätzlich ist im allgemeinen ein alle Gitter-Katodenanordnungen überspannendes, weite­ res Gitter vorgesehen. Die Gitter sind mit unterschiedlichen Potentialen belegt und dienen der Homogenisierung der Stromdichte quer zur Katodenspannrichtung (US 3,863,163).

Da alle diese Katoden elektrisch parallel geschaltet sind, besteht der Nachteil, daß sehr hohe Heizströme - insbesondere bei großen Bestrahlungsbreiten und damit einer entspre­ chend großen Zahl parallel liegender Katoden - auftreten. Derartige Katodensysteme werden insbesondere für Elektronenstrahlanlagen mit Beschleunigungsspannungen im Bereich < 180 kV eingesetzt. Die Breite des Strahlaustrittsfensters liegt dabei im Bereich von 200 mm. Nachteilig bei derartigen Elektronenstrahlanlagen ist auch, daß bei Ausfall einzelner Katoden die Homogenität der Stromdichte in Fensterlänge erheblich gestört wird. Ein Katodenwechsel ist konstruktionsbedingt sehr aufwendig und zeitintensiv.

Es sind Elektronenstrahlerzeuger mit bandförmigem Strahlquerschnitt bekannt, deren Strahlaustrittsfenster in der Länge der Produktbreite entspricht (DE 44 32 983 C1). Es sind eine oder mehrere parallel liegende Katoden über die Fensterlänge und damit die Bestrahlungsbreite angeordnet. Zur Begrenzung des Katodendurchhanges ist eine Feder­ vorspannung der Katoden erforderlich. Diese Katodenanordnung ist zur Strahlformung und gegebenenfalls zur Strahlstromsteuerung von einer, im allgemeinen rohrförmigen, in Strahlrichtung geschlitzten Steuerelektrode umgeben.

Alle Einrichtungen haben den Nachteil, daß mit zunehmender Fenster- und dadurch auch Katodenlänge Spannkräfte erforderlich sind, die die Fließgrenze des Katodenmaterials auf Betriebstemperatur übersteigen. Die Folge davon ist, daß die Katodenlänge mit zuneh­ mender Betriebsdauer ansteigt und die konstruktiv vorgesehenen Federwege erreicht werden. Ein Reißen der Katoden oder ein unzulässiger Katodendurchhang führen zur kritischen Begrenzung der Katodenlebensdauer. Das Fließen des Katodenmaterials be­ grenzt somit die Anwendbarkeit von derartigen Katodensystemen auf Katodenlängen und damit Bestrahlungsbreiten von etwa einem Meter.

Außerdem neigen diese Katodensysteme zu mechanischen Schwingungen. Derartige Schwingungen können leicht durch äußere Einflüsse angeregt werden. Die Folge von derartigen Katodenschwingungen können unkontrollierbare Auswirkungen auf die Strahlformierung und damit die Homogenität des Elektronenstrahls sein. Die aus dem Schwingen resultierenden Probleme nehmen ebenfalls mit der Länge des Spannkatoden­ systems zu.

Zur Begrenzung der mit dem Spannkatodensystem verbundenen Nachteile wurden eine oder mehrere Zwischenaufhängungen der Katode vorgeschlagen. Diese Lösungen sind nur sehr begrenzt einsetzbar, da das Heizen der Katode mit einer erheblichen Längenän­ derung verbunden ist und die Aufhängung diese Längenänderung tolerieren muß. Hinzu kommt ein Emissionseinbruch der Katode an den Aufhangstellen infolge Wärmeablei­ tung. Weiterhin ist nachteilig, daß die Aufhängung selbst zu einer lokalen Beeinflussung der Potentialverteilung in Katodennähe führt, was sich ebenfalls negativ auf die Homo­ genität der Strahlstromdichteverteilung auswirken kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektronen-Bandstrahler zu schaffen, dessen Strahlerzeugungssystem für beliebige Bestrahlungsbreiten realisierbar ist. Die Ka­ todenanordnung soll frei von den Nachteilen des Standes der Technik sein, insbesondere keine Spannelemente für die Katoden erfordern, ein einfaches Wechseln der Katode und einen platzsparenden Aufbau ermöglichen. Der Elektronenstrahl soll linear hinreichend homogen zu erzeugen sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen zeigen die Patentansprüche 2 bis 12.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht im wesentlichen darin, daß die an sich bekannte Anordnung von mindestens einer drahtförmigen Katode in Längsrichtung des Strahlaus­ trittsfensters derart ausgeführt wird, daß in bestimmten Abständen Stützelemente ange­ ordnet sind. Im gleichen Abstand sind in der drahtförmigen Katode Ausbiegungen vorge­ sehen, in denen die Befestigung der Katode erfolgt. Diese einfache Anordnung macht die bisher üblichen Spannelemente zur Verhinderung der Durchbiegung der Katode über­ flüssig.

Der Abstand benachbarter Stützelemente wird dabei so gewählt, daß der thermisch be­ dingte Katodendurchhang zwischen den Stützelementen in einem Bereich bleibt, in dem die Auswirkungen auf die Strahlform tolerierbar klein sind. Dieser Bereich wird wesentlich durch die potentialfeldbestimmende Geometrie des Katoden-Steuerelektrodensystems bestimmt. Die Lage und der Abstand der Stützelemente zueinander sind auch abhängig von der Anzahl der eingesetzten Katoden.

Es ist zweckmäßig, bei mehreren - mindestens jedoch zwei parallel zueinander liegenden - Katoden die Stützelemente gegeneinander versetzt anzuordnen. Damit wird eine ungün­ stige Überlagerung nicht gänzlich auszuschließender geringfügiger Inhomogenitäten der Strahlstromdichte vermieden. Aufgrund der Heizung der Katoden im direkten Strom­ durchgang ergibt sich entlang der Katoden ein Potentialunterschied, der Auswirkungen auf die Strahlform haben kann. Es ist deshalb zweckmäßig, eine gerade Anzahl von Kato­ den zu verwenden und die Katoden wechselweise elektrisch antiparallel zu schalten.

Das wesentliche Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung ist die Ausbiegung der draht­ förmigen Katoden im Bereich der Stützstellen. Die Wärmeabfuhr an den Stützelementen führt zu einem Temperaturgradienten entlang der Katode in der unmittelbaren Umge­ bung der Einspannstelle. Eine weitgehende Elimination des daraus resultierenden Emissi­ onseinbruches wird durch eine spezielle Formgebung der Katode im Bereich des Stütz­ elementes erreicht, die dazu führt, daß sich die nicht oder geringer emittierenden Kato­ denbereiche außerhalb der eigentlichen Emissionsfläche befinden.

Ein weiterer Vorteil der räumlichen Trennung von Katodenaufhängung und Emissionsflä­ che besteht darin, daß Störungen des Potentialfeldes vor der Katode, hervorgerufen durch die Ausbiegungen in ihrer Auswirkung auf die Homogenität der Strahlstromdichte, weitgehend vermieden werden.

Die Ausbiegungen der drahtförmigen Katoden führen dabei zur Segmentierung, wobei die auf gleichem Emissionstemperaturbereich liegenden Segmente zwischen den Ausbie­ gungen mit geringem Abstand zueinander angenähert in einer Linie liegen.

Es ist weiterhin vorteilhaft, den Abstand der Ausbiegungen bei kalter Katode gegenüber dem Stützelement um etwa den Betrag der thermischen Längenausdehnung vermindert zu wählen. Daraus ergibt sich beim Einhängen der kalten Katode in die Stützelemente eine leichte mechanische Vorspannung der Katoden. Diese führt dazu, daß beim Heizen der Katoden ein wesentlicher Teil der thermischen Längendehnung durch ein Zusam­ menziehen der Ausbiegungen infolge der Elastizität im "kalten" Bereich der Ausbiegung kompensiert und der Katodendurchhang reduziert wird.

Zur Homogenisierung der Strahldichteverteilung ist es zweckmäßig, in Strahlrichtung vor der Katodenebene ein Gitter anzuordnen. Befindet sich das Gitter auf einem gegenüber den Katoden positiveren Potential (< 1 kV), so wird eine Vorbeschleunigung der Elektro­ nen und eine Auffächerung des Elektronenstrahls erreicht. Durch die Form dieses Vorbe­ schleunigungsgitters (konvex, konkav oder eben) und die geometrische Gestaltung des Strahlaustrittsbereiches im Katoden-Steuerelektrodensystem wird die sich ergebende Strahlbreite den Erfordernissen angepaßt.

Eine weitere Homogenisierung der Strahldichteverteilung wird durch ein zweites, dem ersten gegenüber höher transparentes Gitter erreicht, das diesem in Strahlrichtung nach­ gelagert ist. Dieses zweite Gitter liegt auf etwa Katodenpotential.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Elektronen-Bandstrahler,

Fig. 2 ein Stützelement mit eingehängter Katode,

Fig. 3 ein berechneter Verlauf des Elektronenstrahls in der Umgebung eines Stützele­ ments mit omegaförmiger Katodenausbiegung.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektronen-Bandstrahlers, wie er zum Aushärten von Lacken auf Platten verwendet wird. Der Elektronen-Bandstrahler besteht aus der rohrförmigen Vakuumkammer 1 mit einem Strahlaustrittsfenster 2. Axial mittig zur Vakuumkammer 1 ist ein Katoden-Steuerelektrodensystem 3 angeordnet. Das Katoden-Steuerelektrodensystem 3 besteht aus einem Rohr 4 und einem in diesem Rohr 4 eingeschobenen Katodenträger. Das Rohr 4 besitzt im Bereich des Strahlaustritts eine Öffnung 5. Der Katodenträger wird aus dem Mittelrohr 6 und mehreren Stützplatten 7 gebildet, die hintereinander angeordnet sind. Das Mittelrohr 6 ist segmentiert und bildet zusammen mit den Stützplatten 7 eine modulare Einheit, die in diskreten Abständen be­ liebig verlängert werden kann. Das Mittelrohr 6 trägt im Abstand voneinander und zum Mittelrohr 6 isoliert Stützelemente 8, die der Katodenaufnahme dienen. An den Stützplat­ ten 7 sind konzentrisch zueinander ein Reflektorblech 9, ein Gitter 10 und Strahlformie­ rungsbleche 11 so angebracht, daß sich infolge thermischer Ausdehnung alle Bauteile in Längsrichtung relativ zueinander verschieben können. Das Reflektorblech 9 trägt zur For­ mung des Potentialfeldes bei und reduziert gleichzeitig die Wärmestrahlung auf das Rohr 4 und die Stützelemente 8. Das Gitter 10 ist elektrisch isoliert gegenüber den übrigen Teilen des Katoden-Steuerelektrodensystems 3 angebracht und überdeckt den gesamten Bereich des Strahlaustrittsfensters 2.

Das Rohr 4 liegt zusammen mit dem Katodenträger, dem Reflektorblech 9 und den seit­ lich angeordneten Strahlformierungsblechen 11 auf negativem Hochspannungspotential. An dem Gitter 10 liegt eine gegenüber den Katoden 12 positivere Spannung an. Es sind zwei drahtförmige Katoden 12 parallel zueinander verlaufend angeordnet.

Die Stützelemente 8 bestehen aus Isolatoren 13, die in Bohrungen des Mittelrohrs 6 ein­ gesetzt sind, und einem Bolzen 14, der ein Befestigungselement 15 für die Katode 12 trägt. Die Bohrungen sind am Umfang des Mittelrohrs 6 so angeordnet, daß die beiden Katoden 12 wechselweise an den hintereinanderliegenden Stützelementen 8 eingehängt sind. Die jeweils letzten Stützelemente 8 dienen außerdem der Kontaktierung der Kato­ den 12.

In Fig. 2 ist ein Stützelement 8 mit der an ihm befestigten Katode 12 vergrößert darge­ stellt.

Im Mittelrohr 6 ist der Isolator 13 eingesetzt. In ihm ist der Bolzen 14 verschiebbar ange­ ordnet. Eine Druckfeder 15 auf dem Bolzen 14 bewirkt, daß die in einen Schlitz des Bol­ zens 14 eingehängte Katode 12 mit an sich bekannten Befestigungselementen gehalten wird. Durch die Kraft der Druckfeder 15 wird die in den Bolzen 14 eingehängte Katode 12 gehalten. Die Katode 12 hat eine omegaförmige Ausbiegung 16, die durch ihre Fe­ derwirkung ein Durchbiegen weitestgehend verhindert und einen praktisch homogenen, linearen Elektronenstrahl erzeugt.

Ein Katodenwechsel ist somit sehr einfach zu realisieren, da durch leichten Druck auf den Bolzen 14 die Katode 12 aus- und wieder eingehängt werden kann.

Die Stützelemente 8 sind so ausgeführt, daß die Wärmeableitung von der Katode 12 über die Stützelemente 8 hinreichend klein gehalten werden kann.

In Fig 3 ist der Verlauf des Elektronenstrahls in der Zeichenebene im Bereich eines Stütze­ lements 8 mit der omegaförmigen Ausbiegung 16 der Katode 12 dargestellt. Es ist daraus ersichtlich, daß die Formgebung der Ausbiegung 16 einen praktisch homogenen, linien­ förmigen Elektronenstrahl entstehen läßt.

Claims (12)

1. Elektronen-Bandstrahler, bestehend aus einem in Längsrichtung ausgedehnten Re­ zipienten mit einem in Längsrichtung des Rezipienten verlaufenden Strahlaustritts­ fenster, einem in dem Rezipienten in dessen Längsrichtung angeordneten Katoden- Steuerelektrodensystem, in dem mindestens eine drahtförmige, parallel zur Längs­ achse des Katoden-Steuerelektrodensystems verlaufende Katode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in definierten Abständen die drahtförmige Katode (12) Ausbiegungen (16) besitzt, daß im gleichen Abstand im Katoden- Steuerelektrodensystem (3) Stützelemente (8) angeordnet sind, daß die Ausbiegun­ gen (16) mit den Stützelementen (8) auswechselbar verbunden sind und daß die Ausbiegungen (16) so ausgebildet sind, daß über die gesamte Länge der Katode (12) eine annähernd homogene Stromdichteverteilung in Richtung des Strahlaus­ trittsfensters (2) erreicht wird.

2. Elektronen-Bandstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (8) äquidistant angeordnet sind.

3. Elektronen-Bandstrahler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei n Katoden (12) die Stützelemente (8) der jeweiligen Katode (12) um den n-ten Betrag des Abstandes der Stützelemente (8) in Längsrichtung des Strahlaustrittsfen­ sters (2) versetzt angeordnet sind.

4. Elektronen-Bandstrahler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Stützelemente (8) so gewählt ist, daß die mechanischen Spannun­ gen in der geheizten Katode (12) gegen Null gehen.

5. Elektronen-Bandstrahler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung mehrerer Katoden (12) eine gerade Anzahl von Katoden (12) ange­ ordnet ist und diese wechselweise elektrisch antiparallel geschaltet sind.

6. Elektronen-Bandstrahler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbiegungen (16) so geformt sind, daß die Bereiche der Katode (12) mit redu­ zierter Temperatur vollständig innerhalb der Ausbiegung (16) verlaufen.

7. Elektronen-Bandstrahler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mit­ telpunkte der Krümmung der Katode (12) im Übergangsbereich vom geradlinig ge­ streckten Teil der Katode (12) in die Ausbiegung (16) außerhalb der Ausbiegung (16) angeordnet sind.

8. Elektronen-Bandstrahler nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbiegung (16) die Form eines Omegas hat.

9. Elektronen-Bandstrahler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (8) aus einem hülsenförmigen Isolator (13), in dem ein Bolzen (14) angeordnet ist, bestehen, und daß an dem aus dem Isolator (13) ragenden Bolzen (14) ein Befestigungselement für die Aufnahme der Ausbiegung (16) der Katode (12) angeordnet ist.

10. Elektronen-Bandstrahler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Katode (12) in Strahlrichtung ein Gitter (10) ange­ ordnet ist, das sich auf einem gegenüber der Katode (12) positiveren Potential be­ findet.

11. Elektronen-Bandstrahler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Strahlrichtung abgewandten Seite der Katoden (12) ein Reflektorblech (9) angeordnet ist, das auf Katodenpotential liegt.

12. Elektronen-Bandstrahler nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Gitter (10) in Strahlrichtung ein zweites Gitter angeordnet ist, und sich das zweite Gitter auf etwa Katodenpotential befindet.