DE19752802C2 - Strahlerzeugungssystem für Elektronenkanonen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahlerzeugungssystem für Elektronenkanonen vom Axialtyp. Elektronenkanonen mit diesem Strahlerzeugungssystem werden für die verschiedensten elektronenstrahltechnologischen Prozesse, wie z. B. Schweißen, Verdampfen oder Bearbeiten, eingesetzt. Die Strahlerzeugungssysteme werden dem jeweiligen Anwendungsgebiet und der erforderlichen Leistung angepaßt.

Die wesentliche Baugruppe der Elektronenkanonen vom Axialtyp ist das Strahlerzeugungssystem. Es besteht aus der Katode, die direkt oder indirekt geheizt sein kann, der Wehneltelektrode (Fokussierungselektrode) und der Anode. Diese Baugruppe befindet sich in der sogenannten Strahlerzeugungskammer, die evakuiert und von den übrigen Baugruppen, wie Strahlfokussierung und Strahlablenkung druckentkoppelt ist. D. h. alle einzelnen Kammern der gesamten Elektronenkanonen sind getrennt evakuierbar. Das gleiche gilt auch für die eigentliche Prozeßkammer, in der der Elektronenstrahl z. B. auf den Verdampfertiegel einwirkt [DE 195 37 230 C1, Schiller et al, Eletronenstrahltechnologie, Verlag Technik 1977, S. 115]. Diese Ausführungen haben den Nachteil, daß durch den Gasstrom bedingt positive Ionen in den Strahlerzeugungsraum gelangen und die Katode zerstäuben.

Es ist bekannt, für Prozesse mit hohem Restgasdruck in der Prozeßkammer die Druckentkopplung zwischen der Prozeßkammer und der Strahlerzeugungskammer durch einen in Strahlrichtung der Anode nachfolgenden Rohrwiderstand zu verstärken, der zusätzlich zum Widerstand der Anodenbohrung als vakuumtechnischer Strömungswiderstand wirkt.

Es sind weitere Ausführungen von Elektronenkanonen bekannt, die zur Erhöhung der Druckentkopplung zwischen der Prozeß- und Strahlerzeugungskammer mehrstufig differentiell evakuierbar aufgebaut sind, d. h., es sind mehrere hintereinander angeordnete Kammern über Rohrwiderstände (Strömungs­ widerstände) verbunden, die separat evakuiert werden [Schiller et al, Elektronen­ strahltechnologie, Verlag Technik 1977, S 115].

Bei Elektronenkanonen hoher Leistung und hoher Perveanz wird die Divergenz des Elektronenstrahls bereits innerhalb der Rohrwiderstände so groß, daß etwa 5 bis 10% der Elektronenstrahlleistung als Verlustleistung an den Rohrwiderstand abgeführt wird. Dieser Effekt ist auf der der Katode abgewandten Seite des Rohrwiderstandes am stärksten ausgeprägt.

Zur Beseitigung dieses Nachteiles der relativ hohen Verlustleistung ist es bekannt, diese bei den für die Elektronenstrahlerzeugung notwendigen niedrigen Drücken klein zu halten. Dazu wird üblicherweise Gas zwischen den Rohrwiderständen eingelassen, um unter Ausnutzung der magnetischen Gasfokussierung einen nahezu parallelen Elektronenstrahl mit niedriger Divergenz zu erzeugen.

Diese magnetische Gasfokussierung erfordert einen Restgasdruck innerhalb des Rohrwiderstandes und einer angrenzenden Zwischenkammer, der im Bereich von 10^-3 bis 10^-4 mbar und damit mindestens eine Zehnerpotenz über dem zum Betrieb der Katode erforderlichen Mindestvakuumwert in der Strahlerzeugungskammer liegt.

Diese Lösung ist jedoch mit dem Mangel behaftet, daß bedingt durch den Druckunterschied ein Gasstrom von der Prozeß- bzw. einer Zwischenkammer durch die Anode in die Strahlerzeugungskammer fließt. Dieses Gas weist einen hohen Ionisationsgrad auf und seine positiven Ionen werden im Raum zwischen Anode und Katode auf die Katode zu beschleunigt und bombardieren sie. Dies führt zur Zerstäubung der Katode. Dadurch wird die Lebensdauer der Katode wesentlich begrenzt.

Es ist weiterhin bekannt, die Nutzungsdauer der Katode durch Verringerung des Auftreffens von Fremdteilchen zu verlängern, indem die Achse des Strahlerzeugungssystems zu der der Strahlführung seitlich verschoben wird. Es wird eine bzw. zwei Strahlknickungen durchgeführt (DE 44 30 534 A1; DE 24 54 139). Es ist auch bekannt, unterhalb der Anode koaxial einen Potentialring anzuordnen, der auf einem gegenüber dem Anodenpotential positiven Potential liegt (EP 0 417 638 A2). Auch diese Lösungen verhindern nicht, daß mit dem Gasstrom eine erhebliche Menge Fremdteilchen, insbesondere positive Ionen, auf die Katode gelangen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strahlerzeugungssystem für Elektronenkanonen vom Axialtyp zu schaffen, das die Erzeugung eines leistungsstarken, magnetisch gasfokussierten Elektronenstrahles ermöglicht und eine hohe Lebensdauer der Katode gewährleistet. Der Aufbau der Elektronenkanone soll keine wesentlichen, insbesondere apparativen, zusätzlichen Bauelemente erfordern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 beschrieben.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung von mindestens einer Öffnung in der Nähe der Anodenbohrung außerhalb des Bereiches der Katodenfläche gelangt Gas von der Prozeßkammer her durch die Strahlführungskammer durch die dazwischen angeordneten Rohrwiderstände, bedingt durch den Druckunterschied, in die Strahlerzeugungskammer. Die zusätzlichen Öffnungen stellen einen Bypass dar. Das Gas bzw. der Teilchenstrom enthält positive Ionen und auch störende Partikel vom Prozeßort und wird durch gleiche Druckverhältnisse an der Anodenbohrung und den zusätzlichen Öffnungen aufgeteilt. Damit wird der die Katode zerstäubende Teilchenstrom reduziert, was die Lebensdauer der Katode erhöht.

Zweckmäßigerweise sollen die Öffnungen so bemessen werden, daß ihr Strömungswiderstand geringer ist als der der Anodenbohrung.

Da ohne die erfindungsgemäßen Öffnungen der Strömungswiderstand im wesentlichen durch den Rohrwiderstand zwischen der Strahlerzeugungskammer und der Strahlführungskammer und weniger durch die Anode bestimmt wird, erhöht sich durch die Öffnungen der Gesamt-Gasstrom von der Prozeßkammer bzw. der Strahlführungskammer in die Strahlerzeugungskammer nur unwesentlich.

Durch diese Anordnung von Öffnungen wird erreicht, daß besonders bei kleinen Drücken im kritischen Strahlbereich der Rohrwiderstände der optimale Restgasdruck zur Gasfokussierung eingestellt werden kann. Gleichzeitig gelangt jedoch nur wenig Gas direkt zwischen Katode und Anode, wo die zum Katodenverschleiß führende Beschleunigung der Ionen in Richtung Katode stattfindet.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Schnitt durch eine Elektronenkanone.

Im Gehäuse 1 der Axialkanone sind eine Strahlerzeugungskammer 2, eine Strahlführungskammer 3 und eine an die Prozeßkammer 5 angrenzende Ablenk­ kammer 4 aneinander angeordnet und über Rohrwiderstände 6 als Strömungs­ widerstände verbunden. Die Kammern 2; 3; 5 sind getrennt evakuierbar. In der Strahlerzeugungskammer 2 sind in bekannter Weise eine Katode 7, Fokussierungselektrode 8 und Anode 9 mit der Anodenbohrung 10 angeordnet.

In einen Anodenträger 11 sind am Umfang verteilt Öffnungen 12 eingebracht. Sie sind derart angeordnet, daß sie sich nicht gegenüber der Katode 7 befinden.

Da der Druck in der Prozeßkammer 5 in der Regel deutlich über dem Druck der Strahlerzeugungskammer 2 liegt, entsteht ein Gasstrom in die Strahlerzeugungs­ kammer 2. Der Anodenträger 11 mit den Öffnungen 12 bewirkt die Aufteilung von einströmenden Gasteilchen in einen Gasstrom durch die Anodenbohrung 10 und die Öffnungen 12. Bei Nichtvorhandensein der Öffnungen 12 würden alle Gasteilchen durch die Anodenbohrung 10 in die Strahlerzeugungskammer 2 gelangen, wo sie ionisiert und auf die Katode 7 beschleunigt würden und diese durch Zerstäuben zerstören.

Claims (5)

1. Strahlerzeugungssystem für Elektronenkanonen vom Axialtyp, bestehend aus einer Katode, Fokussierungselektrode und Anode, die in einer getrennt evakuierbaren Strahlerzeugungskammer angeordnet sind, die über einen Strömungswiderstand als Rohrwiderstand mit einer nachfolgenden, getrennt evakuierbarer Strahlführungskammer verbunden ist, die ebenfalls über einen Strömungswiderstand mit einer getrennt evakuierbaren Prozeßkammer verbunden ist, wobei der Elektronenstrahl vom Strahlerzeugungssystem durch eine Anodenbohrung in der Anode und die Strömungswiderstände zum Prozeßort führbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die bestehenden Volumina der Strahlerzeugungskammer (2) und der Strahlführungskammer (3) beiderseits der Anode (9) neben der Anodenbohrung (10) durch mindestens eine weitere Öffnung (12) verbunden sind.

2. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtquerschnitt der Öffnungen (12) gleich oder größer als der Querschnitt der Anodenbohrung (10) ist.

3. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Öffnungen (12) unterschiedlich ist.

4. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (9) so ausgebildet ist, daß die Öffnungen (12) in ihr angeordnet sind.

5. Strahlerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Strahlerzeugungskammer (2) einströmende Gasmenge durch den Rohrwiderstand (6), der in Richtung des Elektronenstrahls zwischen der Strahlerzeugungskammer (2) und der nachfolgenden Strahlführungskammer (3) angeordnet ist, begrenzt ist.