DE202015101690U1

DE202015101690U1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls

Info

Publication number: DE202015101690U1
Application number: DE202015101690.5U
Authority: DE
Original assignee: PERNDORFER MASCHB KG; PERNDORFER MASCHINENBAU KG
Current assignee: PERNDORFER MASCHB KG; PERNDORFER MASCHINENBAU KG
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-04-04
Publication date: 2016-05-23
Anticipated expiration: 2025-04-05

Abstract

Vorrichtung (2) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (4), mit einem Grundkörper (8) mit einer durch Wandungen begrenzte Kavität (12), in die über einen mit der Kavität (12) strömungsverbundenen Zugang (14) Gas (16) eintritt, welches Plasmaerzeugungsmittel (18) zur Bildung eines Plasmas (20) anregen, wobei freie Elektronen (22) des Plasmas (20) über einen Ausgang (24) die Kavität (12) in Richtung einer der Kavität (12) nachgeordneten Anode (46) verlassen, und Strahlformungsmittel (26) für die Formierung freier Elektronen (22) zu einem Elektronenstrahl (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsmittel (26) wenigstens eine erste Blende (28) mit wenigstens einer Blendenöffnung (30) aufweisen, die derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass das im Betriebszustand der Vorrichtung (2) in der Kavität (12) gebildete Plasma (20) einen sich in Strömungsrichtung (6) verjüngenden Plasmaabschnitt (32) ausbildet, über dessen der Blendenöffnung (30) zugewandten Stirnfläche (34) freie Elektronen (22) emittieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls wie auch eine Werkzeugmaschine, die vorgenannte Vorrichtung zur Elektronenstrahlerzeugung zur Werkstückbearbeitung nutzt. Dazu wird mittels dieser Vorrichtung ein Gas in ein Plasma umgewandelt mit dem Ziel, freie Elektronen zu gewinnen, die wiederum gebündelt in einem Elektronenstrahl für unterschiedliche Anwendungen verwendbar sind.
Die Anregung eines Gases zur Bildung eines Plasmas kann durch unterschiedliche Arten mittels Energiezuführung erfolgen. Dabei kann beispielsweise eine thermische Anregung genutzt werden, um die kinetische Energie der Bestandteile des Plasmas bzw. für die gewünschte Stoßionisation mit den Ionen bzw. Atomen bzw. Molekülen des Gases zu nutzen. Zudem können u.a. chemische wie auch nukleare Reaktionen zur Plasmaerzeugung genutzt werden.
Ferner ist es möglich, die Anregung eines Gases zur Plasmabildung durch Bestrahlung des betreffenden Gases zu erzeugen. Überdies können elektrische Felder dazu zu verwenden, um einerseits ein Gas zur Bildung eines Plasmas anzuregen und darüber hinaus eine gesteigerte Erzeugung von Elektronen durch das elektrische Feld zu unterstützen, wie dies bevorzugt bei der Glimmentladung der Fall ist.
Dazu existieren wiederum weitere Möglichkeiten der Realisierung. Zudem ist es möglich, die vorgenannten Effekte auch in Kombination für die Plasmaerzeugung miteinander zu nutzen.
Vorrichtungen der betreffenden Art sind beispielsweise bekannt aus US 7009342 B2 , DE 3045468 C2 wie auch aus DE 10 2010 049 521 B3 . Die bekannten Vorrichtungen der betreffenden Art verfügen über einen Grundkörper mit einer durch Wandungen begrenzten Kavität, in die über einen mit der Kavität strömungsverbundenen Zugang Gas eintritt. Darüber hinaus sind Plasmaerzeugungsmittel vorgesehen, die das Gas zur Bildung eines Plasmas anregen, wobei freie Elektronen des Plasmas über einen Ausgang die Kavität in Richtung einer der Kavität nachgeordneten Anode (Beschleunigungsanode) verlassen.
Dazu sind bei den bekannten Vorrichtungen der betreffenden Art Strahlformungsmittel vorgesehen, die der Formierung der freien Elektronen zu einem Elektronenstrahl dienen.
Die vorgenannten Vorrichtungen verwenden ein Gas, das auch als Arbeitsgas bezeichnet wird, um dieses mittels einer zwischen wenigstens einer Kathode und wenigstens einer Anode hervorgerufenen Glimmentladung zur Plasmabildung anzuregen, wodurch freie Elektronen gewonnen werden, die über den Ausgang aus der Kavität austreten und daraufhin zu unterschiedlichen Zwecken genutzt werden können.
Bei der Glimmentladung, die allgemein bekannt ist, erfolgt die Freisetzung von Elektronen der Gasatome bzw. -moleküle grundsätzlich innerhalb der Kavität, der das entsprechende Gas über den Zugang [Arbeitsgas] zugeleitet wird. Die Glimmentladung sorgt auch für die Entstehung von Ionen, die in Richtung der Kathode beschleunigt werden. Die beim Auftreffen von Ionen auf die Kathode entstehenden Sekundärelektronen werden beim sogenannten Kathodenfall des Plasmas wiederum beschleunigt und tragen zur weiteren Ionisation des Gases bei.
Für den Ionisationsprozess weist die Kavität gegenüber dem Atmosphärendruck einen Unterdruck auf und wird daher vielfach auch als Vakuumkammer bezeichnet.
Die Entstehung freier Elektronen ist abhängig vom Druck innerhalb der Kavität wie auch von einer zwischen Kathode und Anode anliegenden elektrischen Spannung, mit der das Gas zum Wechsel in den Plasmazustand bzw. zum Bilden von Plasma angeregt wird.
Die bekannten und weit verbreiteten Vorrichtungen der betreffenden Art zur Erzeugung eines Elektronenstrahls gehören zur Gruppe die eine sogenannte Hochspannungs-Glimmentladung nutzen, bei denen eine elektrische Spannung zwischen Kathode und Anode zur Erzeugung einer Glimmentladung in einem Bereich, insbesondere mehrfach, größer als 10 Kilovolt liegt. Sie weisen u.a. ein homogenes Plasma und eine einfache Konstruktion auf, die u.a. in DE 10 2010 049 521 B3 beschrieben ist.
Zu den Nachteilen dieser Bauweise zählen jedoch eine geringe Elektronenstrahlqualität, die anhand des betreffenden Richtstrahlwerts ermittelt wird, eine träge Regelung zur Erzeugung eines gewünschten Elektronenstrahls und eine große thermische Belastung der Kathode[n], die weitere Probleme verursacht.
Vielfach ist es notwendig, die vorgenannten Vorrichtungen intensiv zu kühlen, um eine Überhitzung der entsprechenden Vorrichtung zu verhindern, die ggf. die Effizienz einer entsprechenden Vorrichtung deutlich herabsetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Konzentration von Elektronen auf die Strömungsachse bzw. die geometrische Achse der Kavität zu erhöhen und damit gleichfalls den Richtstrahlwert des Elektronenstrahls zu verbessern, der aus der Kavität über einen Ausgang austritt.
Der Richtstrahlwert ist eine in der Plasmatechnik allgemein bekannte Bezeichnung für eine Bemessungsgröße und bedarf daher keiner näheren Erläuterung.
Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die notwendigen Kühlmaßnahmen für den Betrieb einer entsprechenden Vorrichtung zu vermindern bzw. entbehrlich zu machen.
Der Erfindung liegt damit auch die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer betreffenden Vorrichtung zu erhöhen, um insbesondere die erforderliche Energie zur Anregung des Gases zur Bildung eines Plasmas zu reduzieren.
Zudem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Elektronenstrahl zu erzeugen, dessen Qualität für die Werkstückbearbeitung, insbesondere für die Vorgänge mit hoher Energiedichte, wie dem Schweißen oder Additive Manufacturing, geeignet ist.
Die Erfindung entfernt sich zur Lösung der ihr gestellten Aufgabe von dem Gedanken, die für eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls eingebrachte Energiemenge zur Gewinnung freier Elektronen zu erhöhen,
Des Weiteren löst sich die Erfindung von dem Gedanken, die Menge an Gas, die der Kavität zugeführt wird, zu erhöhen, um dadurch die gewünschten Effekte eines energetisch verbesserten Elektronenstrahls zu erreichen. Vielmehr wendet sich die Erfindung von vorgenannten Ansätzen ab.
Auf überraschend einfache Art und Weise löst die Erfindung die ihre gestellte Aufgabe dadurch, dass die Strahlformungsmittel wenigstens eine erste Blende mit wenigstens einer Blendenöffnung aufweisen, die derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass das im Betriebszustand der Vorrichtung in der Kavität gebildete Plasma einen sich in Strömungsrichtung verjüngenden Plasmaabschnitt ausbildet, über dessen der Blendenöffnung zugewandten Stirnfläche freie Elektronen emittieren.
Die Blendenöffnung ist erfindungsgemäß als Durchgang zu verstehen, durch den die freien Elektronen des Plasmas über die Stirnfläche des Plasmaabschnittes in Strömungsrichtung aus der Kavität emittieren.
Im Rahmen der Erfindungsbeschreibung und Kennzeichnung wird davon ausgegangen, dass sich die betreffende erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Betriebszustand befindet, in dem diese dazu eingerichtet und ausgebildet ist, ein Gas [Arbeitsgas] zur Bildung eines Plasmas anzuregen. Abweichungen dazu ergeben sich durch explizite Angaben oder durch den betreffenden Sinnzusammenhang.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Strömungsrichtung die Richtung zu verstehen, in der die Elektronen [wie auch elektrisch neutrale Moleküle] aus der Kavität durch den Ausgang austreten. Die Strömungsrichtung ist daher vom Zugang der Kavität, in der das Gas der Kavität zugeführt wird, in Richtung des Ausgangs der Kavität, über den die Elektronen die Kavität verlassen, gerichtet.
Die Strömungsachse, entlang der sich die freien Elektronen des Plasmas zur Bildung eines Elektronendstrahls formieren, ergibt sich dabei durch die Strömungsrichtung und ist vom Ausgang der Kavität zu einer der Kavität nachgeordneten Anode (Beschleunigungsanode) gerichtet.
Eine erfindungsgemäß gebildete Vorrichtung ermöglicht es, das Plasma im Bereich des Ausgangs durch die Blendenöffnung der ersten Blende derart zu formen, dass eine Emissionsoberfläche an der Stirnseite der Plasmazunge entsteht, mittels der die freien Elektronen aus dem Plasma in Richtung einer dem Ausgang nachgeordneten Anode (Beschleunigungsanode) die Kavität unter Bildung des gewünschten Elektronenstrahls strömen.
Die Erfindung führt zu dem Vorteil, dass die Dichte der freien Elektronen in dem Elektronenstrahl gegenüber den bekannten Vorrichtungen bei gleichem Energieeinsatz erhöht ist.
Aufgrund der Erfindung ist es nunmehr möglich geworden, einen Elektronenstrahl zu erzeugen, der eine hohe Energiedichte und ein gegenüber den bekannten Vorrichtungen mit gleichem Energiebedarf erhöhten Richtstrahlwert aufweist.
Vor diesem Hintergrund kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mittels des durch sie erzeugten Elektronenstrahls Energie auf Werkstücke aufgebracht werden, wodurch Vorgänge wie das Schweißen, Schneiden, Glühen, Löten von Werkstücken, Additive Manufacturing, und weitere technologische Prozesse realisierbar sind.
Die Anwendungen eines durch eine erfindungsgemäß gebildete Vorrichtung erzeugten Elektronenstrahls sind sehr weitläufig, so dass die vorgenannten Beispiele keine abschließende Aufzählung darstellen.
Die Formgebung der Blende ist in einer vorteilhaften Weiterbildung dadurch bestimmt, dass die Blendenöffnung der ersten Blende wenigstens abschnittsweise in Strömungsrichtung sich verjüngend, insbesondere konisch, geformt ist.
Infolge dessen nimmt der Strömungsquerschnitt der Blendenöffnung, durch die der Elektronenstrahl strömt, allmählich in Strömungsrichtung ab.
Dabei ergibt sich der Strömungsquerschnitt der Blendenöffnung im Sinne der Erfindung als Fläche, die in radialer Richtung zur Strömungsachse ausgebildet ist.
Zur Bildung des gewünschten Elektronenstrahls werden erfindungsgemäß mittels eines auf die freien Elektronen des Plasmas wirkenden elektrischen Feldes im Bereich der ersten Blende über die vorgenannte Emissionsoberfläche Elektronen aus dem Plasma abgesondert, die durch die verjüngend geformte Blendenöffnung in Richtung einer der ersten Blende in Strömungsrichtung nachgeordneten Anode (Beschleunigungsanode) beschleunigt werden.
Die Verjüngung der ersten Blende bewirkt dabei, dass die Emissionsoberfläche des Plasmas wenigstens abschnittsweise gemäß der Verjüngung geformt ist, deren Emissionsoberfläche vorteilhafterweise insbesondere mittels eines elektrischen Feldes durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung einstellbar bzw. steuer-/regelbar ist.
Durch die vorgenannte Blendenöffnung kann vorteilhafterweise die Emissionsoberfläche automatisch im Wesentlichen konstant gehalten werden, indem ein zwischen erster Blende und einer der ersten Blende in Strömungsrichtung nachgeordneten Anode wirkendes elektrisches Feld auf die Plasmaelektronen wirkt und diese zur Ausformung eines in die Blendenöffnung der ersten Blende hineinragenden Plasmaabschnittes veranlasst. Die erste Blende ist dazu beispielsweise und insbesondere elektrisch als Kathode beschaltet.
Dabei ist die Bildung der Emissionsoberfläche bzw. die Größe der Stirnfläche unabhängig von dem Glimmentladungsstrom der zwischen wenigstens einer betreffenden Kathoden (beispielsweise der ersten Blende und/oder einer im Weiteren noch genannten Hohlkatode, die entsprechend elektrisch beschaltet sind) und wenigstens einer betreffenden Anode (z.B. Seitenwandung der Kavität, die entsprechend elektrisch beschaltet ist) fließt. Dieser Strom wird im Rahmen der Erfindung auch als Glimmentladungsstrom bezeichnet. Ferner wird der vorgenannte Plasmaabschnitt im Rahmen der Erfindung auch als Zunge des Plasmas bzw. verkürzt als Zunge bezeichnet.
Die Stirnfläche dieser Zunge bzw. des Plasmaabschnittes, der wenigstens abschnittsweise in die erste Blendenöffnung hineinragt, bildet dabei die Emissionsoberfläche für die freien Elektronen, die im Betriebszustand bzw. bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aus dem Plasma freigesetzt werden.
Ferner hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass je größer der Glimmentladungsstrom ist, desto kleiner wird die sich bildende Ionenschicht zwischen der die Blendenöffnung der ersten Blende begrenzenden Wandung und der die Zunge bzw. den Plasmaabschnitt begrenzende Umfangsfläche [wie sie sich in Umfangsrichtung zur Strömungsachse ergibt].
Die vorgenannte Ionenschicht verringert sich und wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung beeinflussbar, wodurch sie einstellbar bzw. steuer-/regelbar ist.
Beispielweise bewirkt ein zunehmender Glimmentladungsstrom zunächst eine Vergrößerung der Emissionsfläche, jedoch steigt gleichzeitig das elektrische Potential des Plasmas, das wiederum bewirkt, dass die Länge, mit der die Zunge des Plasmas in die Blendenöffnung der ersten Blende hineinragt, ansteigt.
Mit steigender Länge, mit der die Zunge des Plasmas in die Blendenöffnung der ersten Blende hineinragt, nimmt jedoch mittels der erfindungsgemäß gestalteten ersten Blende die Emissionsoberfläche aufgrund der geometrischen Vorgaben und der elektrischen Wechselwirkungen wieder ab. Insofern ist erreicht, dass die Emissionsoberfläche im Wesentlichen stabil konstant gehalten werden kann bzw. schnell stabilisierbar ist.
Es entsteht damit der Vorteil, dass die Emissionsoberfläche durch die Erfindung nun selbsttätig stabilisierend ist und damit durch die Erfindung die Voraussetzungen geschaffen ist, einen Elektronenstrahl mit hoher Elektronenenergie um die Strahlachse sowie mit einer hohen energetischen Energie formen zu können.
Für eine einfache Instandhaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wie auch zur Realisierung der Möglichkeit, unterschiedliche Blenden verwenden zu können, ist zunächst in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die erste Blende der Kavität in Strömungsrichtung, insbesondere unmittelbar, nachgeordnet ist, wobei die erste Blende vorzugsweise in bzw. an einer die Kavität begrenzende Wandung, insbesondere im/am Boden der Kavität, der die Kavität in Strömungsrichtung begrenzt, gebildet ist.
Erfindungsgemäß wird unter dem Begriff „unmittelbar“ die Eigenschaft gefasst, dass beispielsweise und insbesondere zwischen Blende und Kavität kein weiteres Elektronenstrahl beeinflussendes Element angeordnet ist.
Zur Bildung einer für die Glimmentladung notwenigen Kathode ist in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die erste Blende wenigstens abschnittsweise elektrisch als Kathode beschaltet ist. Dadurch sind keine zusätzlichen Bestandteile zur Bildung einer entsprechenden Kathode notwendig.
Des Weiteren hat sich im Rahmen der Erfindung überraschenderweise gezeigt, dass eine zweite Blende ausreichend ist, die der ersten Blende in Strömungsrichtung nachgeordnet ist und die vorzugsweise mit der ersten Blende elektrisch, insbesondere galvanisch, verbunden ist, um die Elektronen besser um die Strömungsachse konzentrieren und damit die Elektronendichte entsprechend um die Strömungsachse erhöhen zu können. Dazu weicht die Formgebung der Blendenöffnung der zweiten Blende von der Formgebung der Blendenöffnung der ersten Blende ab. Dadurch gelingt vorteilhafter eine ausreichende Abschirmung gegen ein magnetisches äußeres Feld, um die Elektronen zur Strömungsachse zu führen und sie dort zu konzentrieren.
In diesem Zusammenhang ist in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Strahlformungsmittel wenigstens eine der ersten Blende in Strömungsrichtung nachgeordnete zweite Blende mit wenigstens einer Blendenöffnung aufweisen, wobei die Blendenöffnung der zweiten Blende in Strömungsrichtung wenigstens abschnittsweise zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, erstreckt ist.
Dazu ist in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Blendenöffnung der zweiten Blende derart geformt ist, dass die lichte Weite bzw. der Blendenquerschnitt ihrer Blendenöffnung, der der der Kavität zugewandt ist, ein geometrisches Verhältnis zwischen 1:2 und 1:3 der lichten Weite bzw. des Blendenquerschnitts der Blendenöffnung der ersten Blende aufweist. Der letztgenannte Blendenquerschnitt der ersten Blende ist erfindungsgemäß insbesondere der, welche der Kavität abgewandt ist.
Im Rahmen der Erfindung ergibt sich ein Blendenquerschnitt als Fläche, die radial zur Strömungsachse bzw. Strömungsrichtung gerichtet ist. Ein Querschnitt in Richtung der Strömungsrichtung wird demgegenüber erfindungsgemäß als Längsquerschnitt bezeichnet.
Dabei ist die im Rahmen der Erfindung die Erkenntnis gereift, dass aufgrund der vorgenannten Blendenverhältnisse die Formierung des Elektronenstrahls verbessert wie auch eine Energiedichte erreicht werden kann, die bei gleichem Energieeinsatz gegenüber den bekannten Vorrichtungen deutlich erhöht ist.
Bei der Materialauswahl zur Bildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kommen verschiedene Materialien in Betracht. Bevorzugte Materialien zur Bildung einer ersten bzw. zweiten Blende sind beispielsweise Kupfer oder Tantal, so dass eine erste bzw. zweite Blende wenigstens abschnittsweise aus einem solchen Werkstoff besteht oder einen solchen aufweist bzw. wenigstens abschnittsweise aus einer Kombination entsprechender Werkstoffe gebildet sein kann oder derartige Kombinationen aufweist. Demgemäß ist es u.a. auch möglich, verschiedene Werkstoffe miteinander zu kombinieren, so dass wenigstens eine der vorgenannten Blenden wenigstens abschnittsweise bestehend ist z.B. aus Kupfer, Tantal und dergleichen, wie auch mittels einer geeigneten Legierung gebildet sein kann.
Der Vorteil, der sich durch vorgenannte Materialien ergibt, liegt u.a. darin, eine bessere Wärmeabfuhr der während der Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entstehenden Wärme zu realisieren. Des Weiteren kommen auch Kunststoffe in Betracht, die eine entsprechende Eignung und damit vorgenannte Eigenschaften aufweisen.
Zur weiteren Verbesserung der Elektronenstrahlqualität hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass ein magnetisches Feld die Formierung des Elektronenstrahls positiv beeinflusst. Dazu hat es sich im Rahmen der Erfindung als vorteilhaft erwiesen, für eine zweite Blende möglichst unmagnetisches bzw. unmagnetisierbares Material zu nutzen, um zu erreichen, dass die Elektronen besser zur Strömungsachse, die sich in Strömungsrichtung erstreckt, konzentriert werden können.
Bevorzugte Materialien für die Erstellung einer ersten bzw. zweiten Blende sind unmagnetisch bzw. unmagnetisierbar [nicht oder in einem tolerierbaren Umfang magnetisierbar]. Dazu ist in einer weiter vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass die erste Blende bzw. die zweite Blende wenigstens abschnittsweise aus unmagnetischem bzw. unmagnetisierbarem Material gebildet ist oder unmagnetisches bzw. unmagnetisierbares Material aufweist, das insbesondere elektrisch leitfähig ist, wobei die zweite Blende vorzugsweise elektrisch, insbesondere galvanisch, mit der ersten Blende verbunden ist.
Vorgenannte Weiterbildung hat sich bei der Untersuchung der Erfindung als vorteilhaft für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer damit verbundenen Elektronenstrahlbildung wie auch -formung erwiesen.
Dadurch ist es ebenfalls möglich, eine erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere die vorgenannten Blenden, thermisch höher zu belasten, ohne dass es weiterer Kühlungsmaßnahmen für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bedarf. Dadurch sind wiederum die Aufwendungen für die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung begünstigt.
Zur weiteren Stabilisierung und Formung des Elektronenstrahls ist in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der zweiten Blende in Strömungsrichtung wenigstens ein elektrisch als Anode beschalteter Strahlführungskörper nachgeordnet ist, der wenigstens eine, insbesondere zylinderförmige, vorzugsweise kreiszylinderförmige, Durchführung für den Elektronenstrahl aufweist. Dadurch ist es möglich, die kinetische Energie der Elektronen des Elektronenstrahls zu erhöhen, wodurch dieser für ein breites Anwendungsfeld nutzbar ist.
Um die Konzentration von freien Ladungsträger als Plasmabestandteile entsprechend erhöhen zu können, ist in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Plasmaerzeugungsmittel innerhalb der Kammer das Gas durch Glimmentladung zur Plasmabildung anregen, wobei ein elektrisches Feld und ein magnetischen Feld derart überlagernd die Kavität durchdringen, dass sich die Elektronen an der Strömungsachse konzentrieren.
Dabei wird auch eine Zwangsführung von wenigstens einem Teil der freien Ladungsträger des Plasmas, vorzugsweise von freien Elektronen, erreicht. Die freien Ladungsträger werden quasi entlang einer, insbesondere spiralförmigen bzw. spiralformartigen, Bewegungsbahn bewegt.
Dies dient dazu, die sogenannte Stoßionisation zwischen Elektronen und Atomen bzw. Molekülen des Gases und den freien Elektronen zu begünstigen und dadurch die Konzentration freier Elektronen in der Kavität um die Strömungsachse zu erhöhen.
Dazu nutzt die Erfindung einen Aufbau, der auch unter dem Begriff Penning-Falle bekannt ist und erfindungsgemäß dazu verwendet wird, die Wegstrecke der freien Ladungsträger innerhalb der Kavität zu verlängern. Aufbau und Betrieb der notwendigen Komponenten können dabei erfindungsgemäß anlehnenden an die bekannten Penning-Fallen bestimmt werden.
Vor diesem Hintergrund kann die Kavität beispielsweise und insbesondere von einem die Kavität wenigstens abschnittsweise in Umfangsrichtung zur Strömungsachse bzw. Strömungsrichtung von einem Magneten, insbesondere einem Permanentmagneten umgeben sein, welches ein homogenes Magnetfeld in axialer Richtung zur Strömungsachse bildet. Aufgrund des innerhalb der Kavität durch das zwischen Anode und Kathode gebildete elektrische Feld kreuzen sich das vorgenannte magnetische mit dem vorgenannten elektrischen Feld innerhalb der Kavität, so dass infolge der Wechselwirkung mit den Elektronen die gewünschte vorgenannte Zwangsführung der Elektronen innerhalb der Kavität erreicht ist.
Die Ausbildung einer Kathode kann beispielsweise und insbesondere am Boden, der die Kavität in Strömungsrichtung begrenzt bzw. an der Decke, die die Kavität in entgegengesetzter Richtung zur Strömungsrichtung begrenzt, gebildet sein. Beispielsweise und insbesondere ist dabei die Ausbildung einer betreffenden Kathode wenigstens abschnittsweise am/im Boden bzw. an/in der Decke der Kavität gebildet.
Für eine günstige Anregung des Gases [Arbeitsgas] zur Bildung eines Plasmas ist die Stoßwahrscheinlichkeit zwischen den Elektronen und den weiteren Bestandteilen des Gases/Plasmas zu erhöhen. Dazu ist erfindungsgemäß wiederum vorgesehen, die Bewegungsfreiheit der Plasmabestandteile einzuschränken, um eine Bewegungsführung der Elektronen und Ionen innerhalb der Kavität zu erreichen. Dies wird zunächst durch die vorgenannte Bewegungsführung bewirkt.
Um eine solche auf einfache Art und Weise zu erreichen, ist in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bestimmt, dass wenigstens die Seitenwandung der Kavität, die diese in Umfangsrichtung zur Strömungsachse begrenzt, wenigstens abschnittsweise elektrisch als Anode beschaltet ist.
Aufgrund dieser elektrischen Beschaltung können die Plasmabestandteile in radialer Richtung zur Strömungsachse geführt werden. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, indem die Beschaltung eine elektrische Regelung (die im Rahmen der Erfindung auch eine Steuerung umfasst) aufweist, durch die die angelegte Spannung bzw. der Strom variabel gehalten werden dann. Insofern kann durch eine entsprechende Regelungseinrichtung zur Regelung der Spannung bzw. des Stroms eine Prozessführung vorgenommen werden, die mittels der Erfindung besser beeinflussbar ist (wie zuvor beschrieben), wodurch sie steuerbar bzw. regelbar und damit auch einstellbar ist.
Dabei hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass eine rotationssymmetrische Gestaltung der die Kavität in Umfangsrichtung zur Strömungsachse begrenzenden Seitenwandung positive Wirkung auf die Bewegungsführung der Plasmabestandteile, insbesondere der freien Ladungsträger, hat. Dazu sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Kavität rotationssymmetrisch, insbesondere zylindrisch, zur Strömungsachse geformt ist.
Bei der Auslegung der Kavität können verschiedene Abmessungen verwendet werden. Dazu hat sich erfindungsgemäß gezeigt, dass eine hohe Effektivität bzw. ein hoher Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden kann, wenn bei einer rotationssymmetrischen Formung der Kavität der geringste Radius, der sich radial zur Rotationsachse für die Formung der Kavität ergibt, wenigstens einen Wert von 6 mm hat. Dazu ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung berücksichtigt, dass die lichte Weite der Kavität wenigstens 12 mm beträgt.
In diesem Zusammenhang hat sich erfindungsgemäß eine zylinderförmige Gestaltung der Kavität mit einem Durchmesser von wenigstens 12 mm als geeignet erwiesen, um eine stabile Glimmentladung zu erreichen und aufrechtzuerhalten.
Bei der Abstimmung der Größenverhältnisse der einzelnen Bestandteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass sich eine hohe Teilchen- bzw. Ladungsträgerdichte im Plasma einstellt, wenn die geometrische Erstreckung der Kavität in Strömungsrichtung ein geometrischen Verhältnis von kleiner/gleich 3:4 zur lichten Weite der Kavität aufweist, wie dies in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist.
Zur Steigerung der Entstehung von freien Ladungsträgern hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Gas der Kavität nicht direkt, sondern vom Zugang zur Kavität über einen Kanal der Kavität zugeführt wird, wobei die lichte Weite [radial zur Strömungsachse bemessen] des Kanals kleiner ist als die lichte Weite [radial zur Strömungsachse bzw. Rotationsachse bemessen] der Kavität.
Dabei hat es sich als ebenso vorteilhaft erwiesen, dass der Kanal strömungstechnisch in die Kavität, insbesondere im Wesentlichen ohne strömungstechnische Barrieren [barrierefrei] übergeht. Dazu ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Zugang zur Kavität in einen Kanal mündet, der das Gas vom Zugang zur Kavität leitet, wobei der Kanal einen gegenüber der Kavität geringeren Querschnitt bzw. eine geringere lichte Weite aufweist und wobei insbesondere die den Kanal begrenzenden Kanalwandung wenigstens abschnittsweise elektrisch als Kathode beschaltet ist.
Erfindungsgemäß ist dabei der Querschnitt des Kanals bzw. der Querschnitt der Kavität jeweils eine Fläche, die sich radial zur Strömungsachse bzw. quer zur Strömungsrichtung ergibt und im Fall des Kanals durch die Wandung des Kanals und im Fall der Kavität durch die Seitenwandung begrenzt ist.
Der vorgenannte Kanal bildet im Rahmen der Erfindung eine Hohlkathode, die vorteilhafterweise dazu dient, den Anteil an freien Ladungsträgern in der Kavität zu erhöhen. Dadurch ist es wiederum möglich, die Anzahl von freien Elektronen zu erhöhen, die die Kavität über den Ausgang verlassen.
Die Formung der Kavität einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auf vielfache Art und Weise erfolgen. Es hat sich allerdings als vorteilhaft erwiesen, die Kavität zylinderförmig zu gestalten, um eine optimale Erzeugung von freien Ladungsträgern zu begünstigen. Desgleichen hat sich gezeigt, dass auch eine zylindrische bzw. zylinderformartige Formung des Kanals, der strömungstechnisch den Zugang zur Kavität mit der Kavität verbindet, ebenfalls vorteilhafte Auswirkungen auf die Erzeugung bzw. Entstehung freier Ladungsträger nimmt.
Dazu ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Kavität bzw. der Kanal zylinderförmig geformt ist.
Die Ausrichtung des vorgenannten Kanals zur Kavität kann in vielfältiger Hinsicht erfolgen. So kann beispielsweise die geometrische Achse des Kanals zur geometrischen Achse der Kavität versetzt angeordnet sein.
Im Rahmen der Erfindung hat es sich zur weiteren Begünstigung der Erzeugung freier Ladungsträger als vorteilhaft erwiesen, die geometrische Achse des Kanals zur geometrischen Achse der Kavität parallel, insbesondere jedoch deckungsgleich, anzuordnen.
Dazu ist in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die geometrische Achse des Kanals zur geometrischen Achse der Kavität parallel, insbesondere koaxial, angeordnet ist.
Die jeweilige geometrische Achse, um die die Kavität bzw. der Kanal geformt ist, wie sie zuvor genannt sind, ergibt sich dabei in Strömungsrichtung.
Die Anregung des Gases in der Kavität bzw. dem Kanal zur Bildung freier Ladungsträger ist von vielen Faktoren abhängig. Im Rahmen der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass bestimmte geometrische Proportionen bei der Gestaltung der Bestandteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine günstige Konstellation zu wählen sind, die Einfluss auf Bildung freier Ladungsträger haben.
So hat es sich u.a. als vorteilhaft erwiesen, dass die lichte Weite der Kavität ein geometrisches Verhältnis von 3:1 zur geringsten lichten Weite des Kanals aufweist, wie dies in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung berücksichtigt ist.
Im Zusammenhang mit der Gestaltung der verschiedenen Bestandteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hat es sich im Hinblick auf die Länge des Kanals, also dessen geometrische Erstreckung in Strömungsrichtung bzw. entlang der Strömungsachse, als vorteilhaft für die Erzeugung freier Ladungsträger erwiesen, diese in Abhängigkeit von der lichten Weite des Kanals, also dessen Breite bzw. Durchmesser, zu setzen.
Dabei hat es sich gezeigt, dass günstige Verhältnisse für die Erzeugung freier Ladungsträger dann eintreten, wenn die geometrische Erstreckung des Kanals entlang der Strömungsachse ein geometrisches Verhältnis von 7:1 zur geringsten lichten Weite des Kanals aufweist. Dieses Verhältnis von Breite zur Länge des Kanals ist in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung berücksichtigt.
Ferner kann die Entstehung freier Ladungsträger während der Verwendung einer erfindungsgemäß gebildeten Vorrichtung dadurch begünstigt werden, dass die geringste lichte Weite des Kanals bzw. der Hohlkathode ein Verhältnis von kleiner/gleich 1:3 zur geringsten lichten Weite der Kavität aufweist.
Die in der Kavität bzw. in dem Kanal, welcher der Zuführung des für die Plasmabildung dienenden Gas [Arbeitsgas] zur Kavität dient, erzeugten Ladungsträger sollen möglichst nicht durch die Eintrittsöffnung austreten können. Um eine Durchgangsbarriere für die freien Ladungsträger, also die im Plasmazustand des Gases entstehenden Ionen und freien Elektronen, zu realisieren, existieren unterschiedliche Lösungsmöglichkeiten.
Die Erfindung realisiert die Durchgangsbarriere, durch die die freien Ladungsträger an einem Verlassen der durch die Kavität und den Kanal der Hohlkathode gebildeten Kammer hindert, u.a. dadurch, indem die lichte Weite einer Zuführöffnung des Zugangs für das Gas kleiner oder gleich dem Debye-Radius des Gases ist, das der Bildung eines Plasmas dient.
Dadurch ist auf überraschend einfache Art und Weise eine Möglichkeit realisiert, die freien Ladungsträger an einem Verlassen einer durch die Kavität und den Kanal gebildeten Kammer durch die Eingangsöffnung zu hindern.
Für ein Plasma gilt dabei für die Bestimmung des Debye-Radius λ_D näherungsweise folgende Gleichung [Gleichung 1]:
Darin ist:

λ_D: der Debye-Radius,
ε₀: die Elektrische Feldkonstante,
k_B: die Boltzmannkonstante,
T_e: die Temperatur der Elektronen,
n_e: die Elektronendichte,
e: die sogenannte Elementarladung, die der Ladung eines Elektrons entspricht.

Die Bestimmung des Debye-Radius mittels vorstehender Gleichung [Gleichung 1] setzt voraus, dass der Debye-Radius durch die mittlere Energie der Elektronen, also der Temperatur der Elektronen T_e, und die Teilchendichte bzw. Elektronendichte n_i bestimmt wird.
Die einzelnen Größen wie auch die Bestimmung des Debye-Radius sind dem betreffenden Fachmann aus seinem Fachwissen bzw. aus der Fachliteratur jedoch bekannt, so dass die Anwendung der vorgenannten Gleichung zur Bestimmung des Debye-Radius dem Fachmann keine Schwierigkeiten aufgibt und daher keiner weiteren Erläuterung bedarf.
Das in der Kavität wie auch in dem Kanal der Hohlkathode befindliche Plasma ist kontrolliert an einem Austritt zu hindern. Dazu existieren wiederum verschiedene Möglichkeiten. Im Hinblick auf den Zugang zur Kavität bzw. dem mit der Kavität strömungsverbundenen Kanal [die auch als Hohlkathode bezeichnenbar ist] ist im Rahmen der Erfindung in vorteilhafter Weise die Verwendung eines Sperrfilters, der wenigstens abschnittsweise aus einem porösem Material bestehend ist oder poröses Material aufweist, vorgesehen.
Dazu ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass der Zugang für das Gas einen Sperrfilter aufweist, der wenigstens abschnittsweise aus porösem Material bestehend ist oder poröses Material aufweist, wobei der Durchmesser der Poren des porösen Materials kleiner als der zweifache Debye-Radius für das in der Kavität im Betriebszustand einer erfindungsgemäß gebildeten Vorrichtung entstehende bzw. entstandene Plasma ist, wie dies in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung berücksichtigt ist.
Der Sperrfilter bewirkt dabei, dass zwar das für die Plasmabildung verwendete Gas von außerhalb der Kavität in die Kavität zuführbar ist, allerdings ein ungewünschter Austritt von Ladungsträgen vorteilhafterweise verhindert ist. Dadurch ist eine kostengünstige Lösung entstanden, einen mögliche Entladung [Überschlag] über die gas(zu)führenden Leitung(en) zu verhindern.
Des Weiteren ist zur Begünstigung eines Elektronenstrahls mit hoher Energie- bzw. Elektronendichte im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass die geometrische Achse des Ausgangs bzw. die geometrische Achse des Zugangs der Kavität, entlang der diese längserstreckt sind, parallel, insbesondere koaxial, zur Strömungsachse, angeordnet ist.
Aufgrund einer erfindungsgemäß erreichbaren hohen Elektronendichte um die Strömungsachse und einer damit verbundenen erhöhten Emissionsstromdichte bzw. eines erhöhten Richtstrahlwerts des Elektronenstrahls, der während der Verwendung bzw. des Betriebs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt wird, ist nunmehr eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für Vorgänge, die eine hohen Energiedichte erfordern, prädestiniert.
Dazu ist im Rahmen der Erfindung die Verwendung eines durch eine erfindungsgemäß gebildete Vorrichtung erzeugten Elektronenstrahls für die Werkstückbearbeitung vorgesehen. Vor diesem Hintergrund umfasst die Erfindung auch eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Elektronenstrahls, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Mittel zur Erzeugung eines Elektronenstrahls eine erfindungsgemäß gebildete Vorrichtung, wie sie zuvor beschrieben ist, aufweisen.
Im Sinne der Erfindung wird unter einer Bearbeitung eines Werkstückes, wie sie u.a. das Umformen, Trennen, Schweißen, Materialabtragen wie auch Verbinden mit einem weiteren Werkstück umfasst, auch das sogenannte Additive Manufacturing und die Erstellung von Werkstücken im Rahmen des Prototyping verstanden. Des Weiteren ist im Sinne der Erfindung eine Bearbeitung eines Werkstückes nicht zwingend ausschließlich auf eine Veränderung des Werkstückes gerichtet, sondern kann auch auf ein Prüfen des Werkstückes gerichtet sein. Weitere Beispiele für Bearbeitungsvorgänge, wie sie unter Anwendung eines erfindungsgemäß erzeugten Elektronenstrahls erfolgen können, sind ebenfalls bereits im Vorhergehenden genannt worden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, in der stellvertretend für eine Vielzahl erfindungsgemäß gebildeter Vorrichtungen zur Erzeugung eines Elektronenstrahls zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls gezeigt sind.
Dabei bilden alle beanspruchten, beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbezügen sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung.
Die Figuren der Zeichnung zeigen die Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in jeweils einer schematischen Darstellung. Die Darstellungen sind daher insbesondere nicht maßstabsgetreu und zur besseren Übersicht auf die das Verständnis unterstützenden Elemente/Bauteile/Bestandteile reduziert.
In den Figuren sind gleiche oder sich entsprechende Bauteile/Bestandteile bzw. Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ferner wird bei gleichem oder ähnlichem Aufbau zur besseren Übersicht die Beschreibung auf die Unterschiede zwischen den Darstellungen bzw. Figuren konzentriert.
Es zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls in einer Längsschnittdarstellung in schematischer Darstellungsweise,
2 das erste Ausführungsbeispiel aus 1 ebenfalls in schematischer Darstellungsweise, wobei gegenüber 1 die Darstellung auf den Bereich des Ausgangs der Kavität beschränkt ist,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls in einer Längsschnittdarstellung in schematischer Darstellungsweise gemäß 1.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 4 in einem Längsquerschnitt, der in Strömungsrichtung 6 des Elektronenstrahls 4 verläuft.
Im Weiteren wird zur Vereinfachung das in 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 4 auch verkürzt als Vorrichtung 2 bezeichnet.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 2 weist zunächst einen Grundkörper 8 mit einer durch Wandungen 10 begrenzten Kavität 12 auf, in die über einen mit der Kavität 12 strömungsgebundenen Zugang 14 im Betriebszustand der Vorrichtung 2 Gas 16 [Arbeitsgas] zur Befüllung der Kavität 12 eintritt, welches Plasmaerzeugungsmittel 18 zur Bildung eines Plasmas 20 anregen, wobei freie Elektronen 22 des Plasmas 20 über einen Ausgang 24 die Kavität 12 verlassen. Des Weiteren weist die Vorrichtung 2 Strahlformungsmittel 26 für die Formierung der freien Elektronen zu einem Elektronenstrahl 4 auf.
Die Strahlformungsmittel 26 der Vorrichtung 2 weisen eine erste Blende 28 mit einer Blendenöffnung 30 auf, die derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass das in einem Betriebszustand der Vorrichtung 2 in der Kavität 12 gebildete Plasma 20 einen sich in Strömungsrichtung 6 verjüngenden Plasmaabschnitt 32 ausbildet, über dessen der Blendenöffnung 30 zugewandten Stirnfläche 34 freie Elektronen 22 aus dem Plasma 20 emittieren.
Dazu ist die Blendenöffnung 30 der ersten Blende 28 abschnittsweise in Strömungsrichtung 6 sich verjüngend und in diesem gezeigten Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2 konisch geformt.
Wie 1 zu entnehmen ist, ist die erste Blende 28 der Kavität 12 in Strömungsrichtung 6 unmittelbar nachgeordnet und an einer die Kavität 12 begrenzende Wandung 10 gebildet.
Des Weiteren ist – u.a. für die Erzeugung einer Glimmentladung in dem Gas 16 – die erste Blende 28 wenigstens abschnittsweise elektrisch als Kathode 60 beschaltet.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Strahlformungsmittel 26 eine der ersten Blende 28 in Strömungsrichtung 6 nachgeordnete zweite Blende 36 mit einer Blendenöffnung 38 aufweisen, wobei die Blendenöffnung 38 der zweiten Blende 36 zylindrisch und bei diesem Ausführungsbeispiel kreiszylindrisch geformt ist und daher in Strömungsrichtung 6 entsprechend erstreckt ist.
Bei der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 ist die Blendenöffnung 38 der zweiten Blende 36 derart geformt, dass der Blendenquerschnitt 40 der Blendenöffnung 38, der der Kavität 12 zugewandt ist, ein geometrisches Verhältnis von ungefähr 1:2 zum Blendenquerschnitt 42 der Blendenöffnung 30 der ersten Blende 28 aufweist, der der Kavität 12 abgewandt ist.
Dabei ist die erste Blende 28 aus einem magnetischem Material und die zweite Blende 36 aus einem unmagnetischem Material gebildet, das jedoch elektrisch leitfähig ist und mit der erste Blende 28 elektrisch verbunden ist, indem sich die beiden Blenden 28, 36 kontaktieren.
Zur Energieerhöhung der Elektronen, die von der Stirnfläche 34 emittiert werden, ist der Kavität 12 wie auch der ersten Blende 28 und der zweiten Blende 36 in Strömungsrichtung 6 ein elektrisch als Anode 46 beschalteter Strahlführungskörper 48 nachgeordnet, der eine zylinderförmige Durchführung 50 für den Elektronenstrahl 4 aufweist. Die Durchführung ist dabei auf einfache Art und Weise mittels eines Durchgangslochs 50‘ erstellt worden, dessen Innenwandung 52 die Durchführung 50 radial zur Strömungsrichtung 6 bzw. Strömungsachse 6‘ begrenzt. Der Strahlführungskörper bildet damit eine als Ring 46‘ geformte Anode 46 (Beschleunigungsanode), die die freien Elektronen 12 des Elektronenstrahls 18 in Strahlungsrichtung 6 beschleunigt.
Der Elektronenstrahl 4 wird daher nach Austritt aus der Kavität 12 entsprechend mittels der Durchführung 50 des Strahlungsführungskörpers 48 geführt.
Zur Führung der freien Ladungsträger 22‘ des Plasmas 20 in der Kavität 12 bzw. dem Zugang 14 zur Kavität 12, ist bei der gezeigten Vorrichtung 2 vorgesehen, dass die Plasmaerzeugungsmittel 18 innerhalb einer durch einen Kanal 54 und Kavität 12 gebildeten Kammer 56 das Gas 16 durch Glimmentladung zur Bildung des Plasmas 20 anregen, wobei ein zwischen Anode 58 und Kathoden 60, 76 gebildetes elektrisches Feld und mittels eines Magneten 64 erzeugtes magnetischen Feld derart überlagernd die Kavität 12 durchdringen, dass eine Zwangsführung von wenigstens einem Teil der freien Ladungsträger 22‘ des Plasmas 20 quasi entlang einer, insbesondere spiralformartigen, Bewegungsbahn erfolgt, anlehnend den als Penning-Falle bekannten Kammern 56, um die sogenannte Stoßionisation zwischen freien Elektronen 22 und Atomen bzw. Molekülen des Gases 16 zu begünstigen und dadurch die Konzentration freier Elektronen in der Kavität 12 um die Strömungsachse 6 zu erhöhen bzw. zu maximieren.
Der Magnet 64 ist in diesem Ausführungsbespiel einer erfindungsgemäß gebildeten Vorrichtung 2 derart angeordnet, dass dessen magnetischer Nordpol (72) dem Zugang (14) und dessen magnetischer Südpol (74) dem Ausgang (24) der Kavität (12) zugewandt ist.
Bei der Vorrichtung 2 ist die Kavität 12 zunächst von einem die Kavität 12 wenigstens abschnittsweise in Umfangsrichtung 70 zur Strömungsachse 6‘ bzw. Strömungsrichtung 6 angeordneten Magneten 64, der als Permanentmagnet ausgebildet ist, umgeben.
Ferner ist eine Kathode 60‘ bei der Kavität 12 am Boden 76, der die Kavität 12 in Strömungsrichtung 6 begrenzt, und eine weitere Kathode 60‘‘ an einer Decke 78, die die Kavität 12 in entgegengesetzter Richtung zur Strömungsrichtung 6 begrenzt, gebildet. Dazu sind die Kathoden 60‘, 60‘‘ bzw. die Anode 58 jeweils innerhalb der Wandung 10 von Decke 78 bzw. Boden 76 der Kavität 12 gebildet.
Für eine Anregung des Gases 16 in der Kavität 12 zur Erzeugung einer Glimmentladung ist vorgesehen, dass die Seitenwandung 10‘ der Kavität 12, die diese in Umfangsrichtung 70 zur Strömungsachse 6‘ begrenzt, elektrisch als Anode 58 und Decke 78 bzw. Boden 76 der Kavität 12 bzw. der Kammer 56 elektrisch als Kathode beschaltet sind.
Dies wird bei der Vorrichtung 2 dadurch erreicht, indem zur Beschaltung des jeweiligen Bestandteiles als Anode 46, 58 oder Kathode 60 eine Regelungseinrichtung 80 zur Regelung bzw. Steuerung von elektrischen Ströme bzw. Spannungen vorgesehen, durch die die angelegte Spannung bzw. der Strom zum Betreiben der bestreffenden Bestandteile der Vorrichtung 2 variabel gehalten werden dann.
Insofern kann durch eine entsprechende Regelungseinrichtung 80 eine Prozessführung vorgenommen werden, wodurch der Strom bzw. die Spannung zur
Beschaltung der entsprechenden Bestandteile der Vorrichtung 2 einstellbar bzw. steuer-/regelbar und damit beeinflussbar sind. Die Beschaltung der einzelnen Bestandteile wie auch die Prozessführung sind für den betreffenden Fachmann aus dem Stand der Technik, wie dieser u.a. auszugsweise eingangs genannt ist, wie auch aus dessen Fachwissen ableitbar.
Der Aufbau der Vorrichtung 2 sieht eine rotationssymmetrische Gestaltung der die Kavität 12 in Umfangsrichtung 70 zur Strömungsachse 6‘ begrenzenden Seitenwandung 10‘ vor, um die Bewegungsführung der der freien Ladungsträger 22‘ des Plasmas 20 in der Kavität 12 zu begünstigen. Insofern ist die Kavität 12 ebenfalls rotationssymmetrisch und zylindrisch zur Strömungsachse 6‘ geformt.
Bei der Auslegung der Kavität 12 ist der geringste Radius der Kavität zur Ausbildung einer rotationssymmetrischen Formung um eine geometrische Achse 82 der Kavität 12 mit 6 mm bestimmt, wodurch dessen lichte Weite aufgrund der zylinderförmigen Formgebung der Kavität 12 einen Wert von 12 mm aufweist.
Zur Erzielung einer möglichst hohen Teilchendichte in der Kavität 12 wurde bei der gezeigten Vorrichtung 2 die geometrische Erstreckung 84 der Kavität 12 in Strömungsrichtung 6 in einem geometrischen Verhältnis von kleiner 3:4 zur lichten Weite 86 der Kavität 12 gewählt. Die lichte Weite 86 der Kavität 12 wird dabei radial zur Strömungsrichtung 6 bzw. zur geometrischen Achse der Kavität 12 mittels der Seitenwandung 10‘ bestimmt.
Des Weiteren wird zur Begünstigung der Entstehung freier Ladungsträger 22‘ das Gas 16 [Arbeitsgas] bei der dargestellten Vorrichtung 2 der Kavität 12 nicht direkt, sondern über den bereits zuvor genannten Kanal 54 zugeleitet, dessen lichte Weite 88 kleiner als die lichte Weite 86 der Kavität 12 ist.
Der Übergang 90 vom Kanal in die Kavität 12 leitet das Gas ohne strömungstechnische Barrieren in die Kavität 12 ein. Dazu mündet der Zugang 14 zur Kavität 12 im Kanal 54, der das Gas 16 vom Zugang 14 zur Kavität 12 leitet, wobei der Kanal 54 aufgrund der gewählten geometrischen Verhältnisse einen gegenüber der Kavität 12 einen geringeren Strömungsquerschnitt aufweist und wobei insbesondere die den Kanal 54 begrenzenden Kanalwandung 92 wenigstens abschnittsweise elektrisch als Kathode 60‘‘‘ beschaltet ist.
Der Kanal 54 bildet durch dessen elektrische Beschaltung eine Hohlkathode, wodurch der Anteil an freien Ladungsträgern 22‘ im Plasma 20 wie auch die Dichte an freien Elektronen 22 in dem die Kavität 12 über den Ausgang 24 verlassenden Elektronenstrahl 4 erhöht wird.
Die Formung der Kavität 12 ist derart gewählt worden, dass die Kavität 12 zylindrisch geformt ist, wodurch sie einen im Wesentlichen kreisförmigen Strömungsquerschnitt aufweist.
Die Ausrichtung des Kanals 54 ist bei der gezeigten Vorrichtung 2 derart, dass die geometrische Achse 94 des Kanals 54 zur geometrischen Achse 82 der Kavität 12 koaxial ist.
Des Weiteren sind bei der gezeigten Vorrichtung 2 die Proportionen von Kavität 12 und Kanal 54 derart, dass die lichte Weite 86 der Kavität 12 ein geometrisches Verhältnis von kleiner/gleich 3:1 zur geringsten lichten Weite 88 des Kanals 54 hat, wodurch bei der gewählten rotationssymmetrischen Gestaltung von Kavität 12 und Kanal 54 zu ihrer jeweiligen geometrischen Achse 94, 82 bzw. zur Strömungsachse 6‘ die betreffenden Strömungsquerschnitte das gleiche Verhältnis zueinander aufweisen.
Ferner weist die geometrische Erstreckung 96 des Kanals 54 entlang der Strömungsachse 6‘ ein geometrisches Verhältnis von 7:1 zur geringsten lichten Weite 88 des Kanals 54 auf.
Die Durchgangsbarriere 98, die die freien Ladungsträger 22‘ an einem unbeabsichtigten Verlassen über den Zugang 12 zur Kavität 12 hindert, ist bei der Vorrichtung 2 gestalterisch dadurch realisiert, indem die lichte Weite 100 einer Zuführöffnung 102 des Zugangs 14 für das Gas 16 kleiner als der Debye-Radius des Gases 16 ist, das bei der Vorrichtung 2 der Bildung eines Plasmas 20 dient.
Dadurch sind die freien Ladungsträger 22‘ an einem ungewünschten Verlassen der durch die Kavität 12 und dem Kanal 54 gebildeten Kammer 56 durch die Zugangsöffnung 102 des Zugangs 14 wirksam gehindert.
Des Weiteren ist die geometrische Achse 106 des Ausgangs 24 bzw. die geometrische Achse 108 des Zugangs 14 der Kavität 12, entlang der diese längserstreckt sind, koaxial zur Strömungsachse 6‘ angeordnet, wobei die Kavität 12 rotationssymmetrisch zur Strömungsachse 6‘ geformt ist.
Insofern bildet die Strömungsachse 6‘ die gemeinsame geometrische Achse der Kavität 12, des Kanals 54, des Ausgangs 24 wie auch des Zugangs 14.
Für die elektrische Beschaltung der einzelnen Bestandteile zur Ausbildung einer jeweiligen Kathode 60, 60‘, 66‘‘, 66‘‘‘ und die Anode 58 für die Aufrechterhaltung der Glimmentladung und zur Ausbildung einer Anode (Beschleunigungsanode) 46 ist eine Stromquelle 110 vorgesehen, die u. a. über die vorgenannte Regelungseinrichtung 80 für die gewünschte Prozessführung geregelt bzw. gesteuert wird.
Die vorgenannte Anode 46 (Beschleunigungsanode) ist dabei an eine Hochspannungsquelle 110‘ angeschlossen und durch diese mit der notwendigen elektrischen Energie versorgt. In 1 sind zwei Stromquellen 110, 110‘ für die elektrische Energieversorgung gezeigt.
Für die Weiterleitung der elektrischen Energie von der Stromquellen 110 zur Regelungseinrichtung 80 bzw. den Kathoden 60, 60‘, 66‘‘, 66‘‘‘ bzw. Anoden 46, 58 sind entsprechende elektrische Leiter 112 vorgesehen, die neben der Leitung elektrischer Energie auch der Signalübertragung dienen.
Des Weiteren ist der zweiten Blende 36 in Strömungsrichtung 6 eine Fokussierspule 114 nachgeordnet, die der Elektronenstrahl 4 mittels einer Durchgangsöffnung 116 der Fokussierspule 114 durchströmt, wobei der Elektronenstrahl 4 fokussiert wird. Für den Betrieb der vorgenannten Fokussierspule 114 ist ebenfalls Energie notwendig, jedoch ist die Realisierung einer erforderlichen Energieversorgung dem Fachmann bekannt und findet daher an dieser Stelle keine weitere Erwähnung bzw. ist in der Zeichnung nicht berücksichtigt. Gleiches gilt für eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung der Fokussierspule 114.
Für die elektrische Beschaltung der Wandungen der Kavität 12 bzw. des Kanals 54 als Anode oder als Kathode sind diese durch Isoliermittel 118 elektrisch voneinander isoliert.
2 zeigt das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 2 aus 1 in gleicher Darstellungsart wie in 1, wobei die Darstellung auf den Bereich des Ausgangs 24 der Kavität 12 konzentriert ist. Darin ersichtlich ist, wie das in der Kavität 12 entstehende Plasma 20 aufgrund der während der Verwendung bzw. in einem Betriebszustand der Vorrichtung 2 zur Elektronenstrahlerzeugung wirkenden elektrischen Kräfte in den Ausgang 24 gezogen wird. Dabei bildet sich beim Plasma 20 der beschriebene Plasmaabschnitt (Zunge) 32 aus, der in die erste Blende 28 hineinragt.
Damit die Vorrichtung 2 wunschgemäß betrieben werden kann, besteht eine Abhängigkeit zwischen der Ausbildung des Plasmaabschnittes 32 und der Größe bzw. Durchmesserausbildung der sich verjüngenden Blendenöffnung 30 der ersten Blende 28 am Ausgang 24 der Kavität 12. Insofern tritt eine selbsttätige Stabilisierung der Stirnfläche 34, an der die Elektronen aus dem Plasma emittieren, mit der sich im Strömungsrichtung 6 verjüngenden Blendenöffnung 30 der erste Blende 28 ein.
In 3 zeigt in schematischer Darstellungsweise ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2, die nachfolgend wiederum verkürzt als Vorrichtung 2 bezeichnet wird. Die Darstellung ist dabei auf den Bereich des Zugangs 14 zur Kavität 12 beschränkt, an dem die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 verdeutlicht werden sollen.
Des Weiteren wird im Folgenden zum einfacheren Verständnis lediglich auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 eingegangen.
Als eine Alternative zur Ausführung des Zugangs 14, wie dieser am ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 2 gezeigt ist, sieht das zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 vor, dass die Zuführöffnung 102 des Zugangs 14 der Kavität 12 für das Gas 16 einen Sperrfilter 120 aufweist, der den Zugang 14 wenigstens für ein Durchströmen freier Ladungsträger des Plasmas 20 sperrt und aus porösem Material 122 bestehend ist, wobei der Durchmesser der Poren des porösen Materials 122 für die Durchlässigkeit nicht größer als der zweifache Debye-Radius für das in der Kavität 12 im Betriebszustand einer erfindungsgemäß gebildeten Vorrichtung 2 entstandene Plasma 20 ist.
Der weitere Aufbau folgt dem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7009342 B2 [0005]
DE 3045468 C2 [0005]
DE 102010049521 B3 [0005, 0011]

Claims

Vorrichtung (2) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (4), mit einem Grundkörper (8) mit einer durch Wandungen begrenzte Kavität (12), in die über einen mit der Kavität (12) strömungsverbundenen Zugang (14) Gas (16) eintritt, welches Plasmaerzeugungsmittel (18) zur Bildung eines Plasmas (20) anregen, wobei freie Elektronen (22) des Plasmas (20) über einen Ausgang (24) die Kavität (12) in Richtung einer der Kavität (12) nachgeordneten Anode (46) verlassen, und Strahlformungsmittel (26) für die Formierung freier Elektronen (22) zu einem Elektronenstrahl (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsmittel (26) wenigstens eine erste Blende (28) mit wenigstens einer Blendenöffnung (30) aufweisen, die derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass das im Betriebszustand der Vorrichtung (2) in der Kavität (12) gebildete Plasma (20) einen sich in Strömungsrichtung (6) verjüngenden Plasmaabschnitt (32) ausbildet, über dessen der Blendenöffnung (30) zugewandten Stirnfläche (34) freie Elektronen (22) emittieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung (30) der ersten Blende (28) wenigstens abschnittsweise in Strömungsrichtung (6) sich verjüngend, insbesondere konisch, geformt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Blende (28) der Kavität (12) in Strömungsrichtung (6), insbesondere unmittelbar, nachgeordnet ist, wobei die erste Blende (28) vorzugsweise in einer die Kavität (12) begrenzende Wandung (10) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Blende (28) wenigstens abschnittsweise elektrisch als Kathode (60) beschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsmittel (26) wenigstens eine der ersten Blende (28) in Strömungsrichtung (6) nachgeordnete zweite Blende (36) mit wenigstens einer Blendenöffnung (38) aufweisen, wobei die Blendenöffnung (38) der zweiten Blende (36) in Strömungsrichtung (6) wenigstens abschnittsweise zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, erstreckt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung (38) der zweiten Blende (36) derart geformt ist, dass der Blendenquerschnitt (40) der Blendenöffnung (38), der der Kavität (12) zugewandt ist, ein geometrisches Verhältnis zwischen 1:2 und 1:3 zum Blendenquerschnitt (42) der Blendenöffnung (30) der ersten Blende (28) aufweist, der der Kavität (12) abgewandt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Blende (28) bzw. die zweite Blende (36) wenigstens abschnittsweise aus unmagnetischem/ unmagnetisierbarem Material gebildet ist oder unmagnetisches/ unmagnetisierbares Material aufweist, das insbesondere elektrisch leitfähig ist, wobei die zweite Blende (36) vorzugsweise elektrisch, insbesondere galvanisch, mit der ersten Blende (28) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Blende (36) in Strömungsrichtung (6) wenigstens ein elektrisch als Anode (46) beschalteter Strahlführungskörper (48) nachgeordnet ist, der wenigstens eine, insbesondere zylinderförmige, Durchführung (50) für den Elektronenstrahl (4) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaerzeugungsmittel (18) das Gas (16) durch Glimmentladung zur Bildung eines Plasma (20) anregt, wobei ein elektrisches Feld und ein magnetischen Feld derart überlagernd die Kavität (12) durchdringen, dass sich die Elektronen an der Strömungsachse (6) konzentrieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Seitenwandung (10‘) der Kavität (12), die diese radial zur Strömungsachse (6‘) begrenz, wenigstens abschnittsweise elektrisch als Anode (58) beschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (12) rotationssymmetrisch, insbesondere zylindrisch, zur Strömungsachse (6‘) geformt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite (86) der Kavität (12) wenigstens 12 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Erstreckung (84) der Kavität (12) in Strömungsrichtung (6) ein geometrisches Verhältnis von kleiner/gleich 3:4 zur lichten Weite (86) der Kavität (12) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugang (14) zur Kavität (12) in einen Kanal (54) mündet, der das Gas (16) vom Zugang (14) zur Kavität (12) leitet, wobei der Kanal (54) eine gegenüber der Kavität (12) geringere lichte Weite (88) aufweist und wobei insbesondere die den Kanal (54) begrenzenden Kanalwandung (92) wenigstens abschnittsweise elektrisch als Kathode (60‘‘‘) beschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (12) bzw. der Kanal (54) zylinderförmig geformt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Achse (94) des Kanals (54) zur geometrischen Achse (82) der Kavität (12) parallel, insbesondere koaxial angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der die lichte Weite (86) der Kavität (12) ein geometrisches Verhältnis von 3:1 zur geringsten lichten Weite (88) des Kanals (54) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Erstreckung des Kanals (54) entlang der Strömungsrichtung (6) ein geometrisches Verhältnis von 7:1 zur geringsten lichten Weite (88) des Kanals (54) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite (88) des Kanals (54) ein geometrisches Verhältnis von kleiner/gleich 1:3 zur lichten Weite (86) der Kavität (12) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite (100) einer Zuführöffnung (102) des Zugangs (14) für das Gas (16) im Betriebszustand geringer oder gleich dem Debye-Radius des Gases (16) für die Bildung eines Plasmas (20) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugang (14) für das Gas (16) einen Sperrfilter (120) aufweist, der wenigstens abschnittsweise aus porösem Material (122) bestehend ist oder poröses Material (122) aufweist, wobei der Durchmesser der Poren des porösen Materials (122) kleiner als der zweifache Debye-Radius für das in der Kavität (12) im Betriebszustand einer erfindungsgemäß gebildeten Vorrichtung (2) entstehende bzw. entstandene Plasma (20) ist.
Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Elektronenstrahls eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 aufweisen.