DE2002524C3 - Verfahren zum Herstellen von Folien-Elektreten durch Elektronenbestrahlung - Google Patents

Description

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angesehen werden, deren Elektronen — teils von Ein Beispiel hierfür ist eine Platte 14 aus einem

Sekundäremission, teils von Rückstreuung herrüh- Kunststoff auf Acrylbasis. Eine Platte mit einer

iend^ — in größerem Umfang von der Folie ab- Dicke von etwa 1,25 cm und einer etwas größeren

sörbicrt und eingefangen werden können. Mit dem Oberfläche als die polarisierte Folie kann verwendet

Verfahren gemäß der Erfindung ist es demgemäß s werden.

möglich, große und reproduzierbare Ladungen mit Bei der solcherart hergestellten Elektretfolie belanger Lebensdauer in der Folie zu erzeugen, ohne steht die Polarisation im allgemeinen aus positiven daß hierzu ein zusätzliches äußeres elektrisches Feld und negativen Ladungen auf der oberen bzw, der oder ein spezieller Temperaturzyklus erforderlich unteren Folienoberfläche. Nach wenigen Tagen zeiwären. to gen die mit der Anordnung nach F i g. 1 polarisierten ein spezieller Temperaturzyklus erforderlich wäsn. Folien auf der oberen Oberfläche im allgemeinen eine

Bei einer zur Durchführung des Verfahrens be- Ladungsumkehr von positiv zu negativ, so daß eine

nutzten Anordnung wurden Folien-Elektrete durch Folie zu einem Elektret mit negativer Raumladung

Beschießen einer polymeren Folie oder einer Viel- im Ganzen entsteht. Es hat sich herausgestellt, daß

zahl gestapelter Folien erzeugt. Die Folien werden 15 geladene Folien nach einem gewissen anfänglichen

dabei in Kontakt mit einem dielektrischen Träger Abklingen auf der unteren Oberfläche über eine

oder in geringem Abstand hierzu gehalten. Elek- gewisse Zeit hinweg noch einen Ladungsaufbau

tronenenergien von etwa 1 MeV haben sich als hin- zeigen.

reichend erwiesen. Strahlen dieser Energie können Es wird angenommen, daß die folgenden Erscheinet handelsüblichen Einrichtungen erzeugt werden. *> nungen für das beobachtete Ladungsverhalten auf Die Strahlintensität kann in der Größenordnung Folienelektreten verantwortlich sind, die nach dem von 10-* A/cm* betragen. Diese Bedingungen stellen Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt werden, eine gesteuerte Sekundärelektronenemission und eine Die Primärelektronen induzieren eine Sekundär-Rückstreuung von der benachbarten dielektrischen emission von der oberen Oberfläche der Folie, die Plattenoberfläche sicher, bewirken aber keine wesent- as eine positive Ladung erzeugt. Die Folie wird zusätzliche Erhitzung oder Beschädigung des dielektri- lieh einer Sekundärelektronenemisuion und einer sehen Materials. Es hat sich gezeigt, daß eine Ex- Rückstreuung seitens der dielektrischen Platte ausposition von etwa 1 Sekunde Folienelektrete mit an- gesetzt. Die von der Platte emittierten Sekundärfänglichen Oberflächenladungsdichten von etwa 10' elektronen, die Antangsene.-gien von nur etwa bis lO*C/cm* und extrapolierten Ladungsabkling- 30 10 Volt oder weniger aufweisen, werden von der Zeitkonstanten von etwa 100 Jahren Hefen. Platte weg durch das starke dielektrische Feld be-

Es wurde festgestellt, daß die Anfangspolarität schleunigt, das durch die in der Platte absorbierten

der Ladung auf der dünnen Folie auf der Oberfläche, Elektronen verursacht wird. Dieses Feld verzögert

die dem auftreffenden Elektronenstrahl zugekehrt ferner die Primärelektronen, wodurch ein wirksameres

ist, positiv ist und auf der anderen Oberfläche nega- 35 Einfangen dieser Elektronen in der Folie entsteht,

tiv. Nach wenigen Tagen zeigt die Folie häufig auf Infolge des NichtVorhandenseins von Wärme ist zu

der dem Elektronenstrahl zugekehrten Oberfläche erwarten, daß eine Dipolausrichtung, wie man sie in

eine Ladungsumkehr von positiv zu negativ. Damit Thermoelektreten findet, nur von geringerer Bedeu-

wird die Folie ein Elektret mit gleichförmiger La- tung ist.

dung, wobei die Ladung insgesamt negativ ist. Auf 40 Die Ladungsumkehr mit der Zeit, die für die obere

der Oberfläche, die dem Elektronenstrahl abgekehrt Oberfläche beobachtet wird, wird durch Oberflächen-

ist, zeigt die Folie während einer gewisser Zeitdauer und Volumenrekombination verursacht. Die einge-

einen weiteren Ladungsaufbau. fangenen Primärelektronen und die rückgestreuten

Nachfolgend ist de Erfindung an Hand der Zeich- Elektronen wie auch die Sekundärelektronen der

nungen beschrieben. Es zeigt 45 dielektrischen Platte werden über das Volumen der

Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur l'erstel- Folie verteilt, während die positiven Ladungen in-

lung vom Folienelektreten im Verfahren gemäß der folge der Sekundärelektronenemissiou von der Folie

Erfindung, dicht bei der Oberfläche liegen. Die positiven La- F i g. 2 die auf einem Folienelektret festgehaltene düngen sind daher der Oberflächenrekombination mit Ladung als Funktion der einfallenden Elektronen- so atmosphärischen Ladungen unterworfen. Die Re-

ladung, und kombination der positiven Ladungen mit eingefange-

Fig. 3 das Ladungsabklingverhalten auf beiden nen Elektronen (Volumenrekombination) kann eben- Oberflächen des Folienelektrets. falls von Bedeutung in bezug auf die beobachtete Beim Verfahren gemäß der Erfindung wird ein Ladungsumkehr sein.

Elektronenstrahl auf eine polymere Folie gerichtet, 55 Es wird angenommen, daß im unteren Teil der die in Kontakt mit einer isolierenden, dielektrischen Folie der größere Beitrag von den Sekundärelektro-Platte slteht oder im Abstand von bis zu 1 cm hier- nen und den rückgestreuten Elektronen geliefert von stehlt. Entsprechend Fig. 1 wird der Elektronen- wird, die von der dielektrischen Platte emittiert und strahl einer Quelle 10 durch die Folie 11 auf die in der Folie eingefangen werden. Eine Sekundärdielektrische Platte 14 gerichtet, die ihrerseits von s< > elektronenemission von der Folie ist infolge des einem Metalltisch 12 getragen wird. Die Folie wird starken elektrostatischen Felds wahrscheinlich nicht etwa IS cm von der Elektronenquelle entfernt an- vorhanden. Es ist jedoch eine gewisse Ionisation in geordnet. Eine Strahlintensität von etwa 10·A/cm¹ der Folie vorhanden, der infolge des Felds eine oder weniger stellt sicher, daß keine merkban. Er- Ladungstrennung folgt. Somit ist zu erwarten, daß hitzung der polymeren Folie und keine Zerstörung 6j einige positive Ladungen dicht an der unteren Oberder dielektrischen Platte 14 erfolgen. Zahlreiche fläche vorhanden sind. Insgesamt ist ein Überfluß an dielektrische Materialien zeigen gutes Elektronen- negativen Ladungen im unteren Teil der Folie voreinfang- und Sekundärelektronenemissionsverhalten. handen. Die Ladungsvergrößerung, die sich häufig

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während des Anfangs der Lebensdauer von Elektre- zungspunkt bestätigt, daß ein Elektret mit gleich-

ten findet, kann wieder auf die Rekombination von förmiger Ladung hergestellt ist, der auf beiden Seiten

tiefsitzenden Elektronen zurückgeführt werden, wo- der Folie dieselbe Polarität aufweist,

bei positive Ladungen dicht an der Oberfläche Experimente haben bestätigt, daß die Verfahren

sitzen. 5 der Elektronenstrahlpolarisation der Erfindung in

Messungen der Oberflächenladung in Coulombs der Lage sind, stabile Folienelektrete mit Obernachen-

je Quadratzentimeter (C/cm*) auf Folienelektreten ladungen und Abklingzeitkonstanten zu erzeugen,

aus Polytetrafluoräthylen, die entsprechend dem vor- die diejenigen der besten bekannten Elektrete, die

liegenden Verfahren hergestellt sind, sind in F i g. 2 durch andere Verfahren hergestellt sind, vergleich-

als Funktion der gesamten Elektronenstrahlladung to bar sind oder größer sind als diese. Der Unterschied

dargestellt, die von der Elektronenquelle beliefert zwischen Radioelektreten und klassischen Thermo-

wird. elektreten liegt in der Hauptsache in der physikali-

Die effektive Oberflächenladung nimmt anfangs in sehen Natur der Polarisation. Während bekannt ist, der ersten Woche ab, beginnt jedoch dann wieder daß die Ladungen auf Thermoelektreten aus ausgeinfolge des oben geschilderten Rekombinationspro- 15 richteten Dipolen und aus Raumladungen bestehen, zesses zu steigen. Nach wenigen Wochen halten besitzen Radioelektrete nur eine Raumladungspolari-Elektrete, die mit höheren Elektronenenergien pola- sation. Da die Zeitkonstante des Abklingens der risiert sind, im allgemeinen weniger Ladung fest. Raumladung viel größer als die Dipolrelaxationszeit Dieses kann von einer Zunahme der Leitfähigkeit ist, sind Radioelektrete offensichtlich wenigstens so nach starker Elektronenbeschießung herrühren. Typi- ao stabil wie Thermoelektrete. Überdies kann das Versehe Änderungen der Oberflächenladungsdichte, die fahren der Erfindung auch benutzt werden, um man mit Elektreten erhält, die unter gleichen Be- Elektrete mit insgesamt negativen Raumladungen zu dingungen hergestellt sind, liegen innerhalb ± 4"/o. erzeugen. In der Praxis sind die Polarisationsver-Thermoelektrete haben im Vergleich dazu Abwei- fahren der Erfindung viel schneller und liefern besser chungen von mehr als ± 10%. »5 reproduzierbare Ergebnisse als bekannte Verfahren.

Fig. 3 zeigt das Abklingen der Ladung auf beiden Elektronenstrahlexpositionszeiten mit der Größen-Seiten eines Folienelektrets, der nach dem Verfahren Ordnung von 1 Sekunde liefern ohne besondere Temgemäß der Erfindung hergestellt wurde. Es handelt peraturverhältnisse ausgezeichnete Ergebnisse. Ubersich dabei um eine dünne Polytetrafnioräthylen-Folie. dies ist die Schwankung der Oberflächenladungs-Bei der anfangs negativ geladenen Oberfläche (ge- 30 dichten auf Elektreten, die mit einem Elektronenstrichelte Kurve) klingt die Ladung zuerst in einer strahl polarisiert sind, wenigstens um einen Faktor 3 Periode von wenigen Wochen ab, dann steigt sie in kleiner als die Schwankungen, die bei Thermoelektrceiner Periode von etwa 5 Monaten an, danach bleibt ten beobachtet wurden. Selbstverständlich kann die sie mehr oder weniger konstant. Die Ladung auf der Elektronenbeschießung eines dielektrischen Mateanderen Oberfläche (ausgezogene Kurve) beginnt 35 rials entsprechend dem Verfahren der Erfindung von positiv, geht durch Null und nimmt schließlich nega- einer Vielzahl von Quellen geliefert werden, z. B. tive Werte an. Der in dieser Figur zu sehende Kreu- von einer radioaktiven Quelle od. dgl.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

ι 2 Nach einem anderen bekannten Verfahren werden Patentansprüche: gewisse, photoleitende Stoffe mit Licht bestrahlt, wo-

1. Verfahren zum Herstellen von Foliea-Elek- bei gleichzeitig «in elektrisches Feld angelegt wird, treten durch Bestrahlen einer dünnen FoBe aus Solche Photoelekttete haben eine Ladungslebenspolymerem Material mit einer monoenergetischsn 5 dauer in etwa derselben Größenordnung wie Thermo-Elektroaenstrahlung dadurch gekenn- elektrete.

zeichnet, daß an der dem Elektronenstrahl . Nach einem dritten bekannten Verfahren werden

abgewandten Seite dei Folie eine dielektrisvhe Dielektrika mit Betastrahlen oder Elektronen be-

Platte, die im wesentlichen die gleichen Abmes- strahlt, siehe z. B. die Zeitschrift »Journal of Applied

lungen wie die Folie besitzt, parallel zu den Fo- »o Physics«, Juli 1963, Vol. 34, Heft 7, Seiten 2061 bis

Menflächen verlaufend angeordnet wird, und daß 2063. Gegebenenfalls wird dabei gleichzeitig ein elek-

dann die andere Oberfläche der Folie der mono- trisches Feld angelegt Eine Polarisation wird in die-

energetkchea Elektronenstrahlung ausgesetzt sem Fall durch Absorption von Elektronen im Di-

wird, deren Energie so gewählt wird, daß die elektrikum erreicht Bei in der Literatur beschriebe-

Elektronen die Folie durchbringen und in die sich 15 nen Experimenten wurden dicke Platten, die norma-

auf der dem Strahl angewandten Seite der Folie lerweise die meisten von radioaktiven Quellen oder

befindende dielektrische Platte eindringen, und Elektronenstrahlgeneratoren verfügbaren Elektronen

deren Intensität so niedergehalten wird, daß die absorbieren, benutzt. Es ist jedoch wenig über die

dielektrische Platte nicht nennenswert erwärmt Abklingeigznschaften der Ladungen dieser Radio-

und nicht beschädigt wird. »° elektrete bekannt.

2. Verfahren nach /Anspruch 1, dadurch ge- Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren kennzeichnet, daß mit einer dielektrischen Platte zur Herstellung von Folien-Elektreten durch Bestrahgearbeitet wird, deren Masse pro Flächeneinheit len einer dünnen Folie aus polymerem Material mit größer als die Reichweite der auftreffenden Elek- einer monoenergetischen Elektronenstrahlung bereittronen der Elektronenstrahlung ist, und in wel- 35 zusteHen, mit welchem Folien-Elektrete mit gesteuercher die Elektronenbestrahlung zu einer Elektrc ter und reproduzierbarer Ladungsverteilung, verbesnenrückstreuung führt. serter Temperaturfestigkeit und Stabilität und langer

Lebensdauer erhalten werden können.

Diese Aufgabe gemäß der Erfindung wird dadurch

30 gelöst, daß an der dem Elektronenstrahl abgewandten

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Seite der Folie eine dielektrische Platte, die im weilerstellen von Folien-Elektreten durch Bestrahlen sentlichen die gleichen Abmessungen wie die Folie finer dünnen Folie aus polymerem Material mit einer besitzt, parallel zu den Folienflächen verlaufend antionoenergetischen Elektronenstrahlung. geordnet wird, und daß dann die andere Oberfläche

Dielektrische Materialien in Form dümier Folien 35 der Folie der monoenergetischen Elektronenstrahlung •us verschiedenen Polymeren, z. B. Polyester wie ausgesetzt wird, deren Energie so gewählt wird, daß Polyethylenterephthalat, Fluorcarbonen wie Poly- die Elektronen die Folie durchdringen und in die sich tetrafluorethylen, sowie Polycarbonatharzen u. dgl-, auf der dem Strahl abgewandten Seite der Folie beWerden verbreitet in verschiedenen elektroakustischen findende dielektrische Platte eindringen, und deren Wandlern für die Herstellung von Kondensatoren 40 Intensität so niedergehalten wird, daß die dielektri-U. dgl. benutzt. Bei typischen elektroakustischen sehe Platte nicht nennenswert erwärmt und nicht Wandlern, z. B. einem elektrostatischen Mikrophon beschädigt wird.

Oder Kopfhörer, wird eine dünne Folie aus poly- Man erreicht dadurch eine Emission von Sekun-

merem Material als Schwingmembran verwendet. Um därelektronen von der Platte aus. die dann in die

iußere Vorspannungen unnötig zu machen, wird die 45 Folie eintreten und wegen ihrer geringen Energie

Folie permanent polarisiert oder geladen. Dünne dort eingefangen und gehalten werden können.

Folien, typischei weise mit einer Dicke von 0,006 bis Bevorzugt wird mit einer dielektrischen Platte ge-

0,013 mm, zeigen die notwendigen dielektrischen arbeitet, deren Masse pro Flächeneinheit größer als

Eigenschaften, um die Polarisation für lange Zeit die Reichweite der auftreffenden Elektronen der

beizubehalten. Im Einzelfall kann die Folie auch ein 50 Elektronenstrahlung ist und in welcher die Elektro-

mehrschichtiges Gebilde sein, siehe z. B. die britische nenbestrahlung zu einer Elektronenrückstreuung

Patentschrift 1 135 737. führt. Auf diese Weise kann der Aufladungswir-

Es sind mehrere Verfahren zur Erzeugung perma- kungsgrad optimalisiert werden,

tienter elektrischer Ladungen auf dielektrischen Ma- Es sei bemerkt, daß es bekannt ist, bei der Be-

terialien bekannt. 55 strahlung von Gegenständen, insbesondere Nah-

Nach einem ersten bekannten Verfahren wird ein rungsmittel, mit Elektronenstrahlung die Gegenstände elektrisches Feld an ein Dielektrikum bei erhöhter mit Kunststoff zu umgeben und den Gegenstand Temperatur angelegt, das dann bei noch anstehen- mit einer Platte aus elektronenreflektierendem Madem Feld wieder abgekühlt wird. Die dabei ent- terial zu hinterlegen, um gleichmäßige Bestrahlung stehende Ladungsausrichtung, Ladungstrennung oder 60 des Körpers zu erhalten, siehe die britische Patent-Ladungsinjektion wird bei der Abkühlung eingefro- schrift 1 017 713. Dort ist aber das Problem grundren, und man erhält damit quasi-permanente Elek- sätzlich verschieden von dem bei der Herstellung von trete, die durch eine bipolare Ladung, eine mono- Folien-Elektreten, weil diese Folien normalerweise polare Ladung oder durch eine Kombination beider zu dünn sind, um überhaupt in größerem Umfang Ladungsarten gekennzeichnet sein können. Die Zeit- 63 Elektronen absorbieren zu können. Die beim Verkonstanten des Abklingens der Ladung auf solchen fahren nach der Erfindung verwendete dielektrische Thermoelektreten reicht von Bruchteilen eines Jahres Platte kann deshalb als »sekundäre Quelle« für weibis zu Tausenden von Jahren. ehe Elektronenstrahlung mit breitem Energiespektrum