DE2528032A1

DE2528032A1 - Elektronenkanone fuer heiz-, schmelz- und verdampfungszwecke

Info

Publication number: DE2528032A1
Application number: DE19752528032
Authority: DE
Inventors: Walter Ing Grad Heil; Peter Dipl Phys Dr Sommerkamp
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1975-06-24
Filing date: 1975-06-24
Publication date: 1977-01-20
Also published as: BE843275A; FR2315767B1; DD123979A1; FR2315767A1; JPS588104B2; DE2528032C2; GB1513690A; US4034256A; JPS523368A

Description

" Elektronenkanone für Heiz-, Schmelz- und Verdampfungszwecke "

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenkanone für Heiz-, Schmelz- und Verdampfungszwecke mit einem Hochspannungsteil, einer Elektronen emittierenden Katode,
mindestens einer der Katode zugeordneten, strahlformenden Elektrode, einer Beschleunigungsanode, einem in Richtung des Strahlweges verlaufenden Strahlführungsrohr, welches von einem Mantelrohr umgeben ist, wobei in dem zwischen Strahlführungs- und Mantelrohr gebildeten Raum eine
elektroiaagpetische Linse und mindestens ein Ablenksystem angeordnet sind.

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Durch die DT-PS 1 248 175 ist eine Elektronenkanone der eingangs beschriebenen Gattung vorbekannt, die zwar zu einer erheblichen Verbesserung der seinerzeit bestehenden Kanonensysteme geführt hat, dennoch verbesserungsbedürftig ist. Bei dein vorbekannten Gegenstand ist der Raum zwischen Mantel- und Strahlftihrungsrohr, in dem sich die elektromagnetische Linse und die Spulen des Ablenksystems befinden, zum Zwecke einer Vermeidung der thermischen Überlastung dieser Spulen von einem Kühlmedium (Wasser) durchströmt. Dies setzt eine entsprechende Kapselung der Spulen voraus, da das Kühlmedium ansonsten die Isolierung zerstörten und die Anschlüsse korrodieren würde. Mantel- und Strahlführungsrohr sind dabei untrennbar miteinander vereint, d.h. der Raum für die elektromagnetische Linse und das Ablenksystem ist hermetisch gekapselt. Dies ist vornehmlich deswegen erforderlich, weil eine Zwangsführung für das Kühlmedium durch konstruktive Maßnahmen herbeigeführt werden muß, die den

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inneren Aufbau der Anordnung zwingend vorschreibt. Eine nachträgliche Änderung des Systems durch teilweisen Austausch von elektronenoptischen Teilen ist nicht möglich.

Bei dem vorbekannten Gegenstand sind außerdem Mantel- und Strahlführungsrohr mit dem Hochspannungsisolator der Kanone über ein hülsenförmiges Teil verbunden, welches mit einem seitlichen Rohrstutzen zum Anschluß an ein Vakuumpumpsystem versehen ist. Zwar kann hierdurch auch im Bereich der Katode und der strahlformenden Elektrode ein für einen zuverlässigen Dauerbetrieb geeignetes Vakuum durch eine von der übrigen Anlage getrennte Evakuierung erzeugt werden, Jedoch ist es nicht mehr ohne weiteres

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möglich, eine derartige Kanone ohne einen besonderen Vakuumanschluß in eine Vakuumkammer einzubauen, da der relativ enge Anschlußstutzen eine zuverlässige Evakuierung des Katodenbereichs in diesem Falle beeinträchtigen würde. Bei Erzeugung entsprechend großer Durchbrüche in dem hülsenförmigen Teil würde andererseits die Festigkeit der bekannten Konstruktion in Frage gestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Elektronenkanone in der Weise zu verbessern, daß die Spulen der elektronenoptischen Bauteile in einem einwandfrei isolierenden Medium untergebracht sind und nicht mehr von einer Kühlflüssigkeit umspült werden und daß im Bedarfsfalle einzelne Elemente der elektronenoptischen Bauteile gegen solche mit geänderter Auslegung oder Wirkungsweise ausgetauscht werden können, ohne daß hierzu das gesamte Konstruktionsprinzip der Kanone geändert werden müßte.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch,daß Strahlführungsrohr, Mantelrohr, elektromagnetische Linse und Ablenksysteme zu einer auswechselbaren Baueinheit zusammengefaßt sind, die über mehrere, zur Kanonenachse parallele Hohlbolzen mit dem Hochspannungsteil der Kanone verbunden ist und daß der Baum für die elektromagnetische Linse und das Ablenksystem über mindestens einen der Hohlbolzen mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Die erfindungsgemäße Lösung bringt folgende Vorteile mit sich: Die Hohlbolzen, die auch als Distanzstücke be-

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zeichnet werden können, bilden eine Art Käfig mit weiten Zwischenräumen, durch die eine einwandfreie Evakuierung des Katodenbereichs auch bei Verzicht auf einen besonderen Vakuumanschluß, d.h. im Falle des unmittelbaren Einbaus in eine Vakuumanlage erreicht werden kann. Es ist aber wahlweise auch möglich, die Hohlbolzen mit einer besonderen Absaugkammer zu umgeben, die über einen Saugstutzen an eine getrennte Evakuierungseinrichtung angeschlossen werden kann. Je nachdem, ob eine solche Absaugkammer vorhanden ist oder nicht, ändert sich lediglich die Lage des Befestigungsflansches der Kanone mit der Vakuumkammer.

Dadurch, daß der Raum für die elektromagnetische Linse und das Ablenksystem über mindestens einen der Hohlbolzen mit der Atmosphäre in Verbindung steht, wird erreicht, daß die Spulen selbst weder im Kühlmedium noch im Vakuum angeordnet sind. Vakuum im Spulenbereich würde zum Auftreten von Glimmentladungen und/oder Überschlägen

und kurzfristig zur Zerstörung der betroffenen Teile führen* Außerdem würde bei Erwärmung die Ausgasung der Spulen zu einem unerwünschten Druckanstieg führen. Eine aufwendige vakuumdichte Kapselung wäre erforderlich, z.B. Einschweißen der Spulen in ein Blechgehäuse. Luft von Atmosphärendruck, die ohnehin zur Verfügung steht, ist ein vergleichbar günstiges Medium, welches einen sicheren Betrieb der Spulen gewährleistet.

Die Unterbringung der elektronenoptischen Bauteile bzw. Spulen in einem lufterfüllten Raum schafft die Voraussetzung dafür, daß Einzeltelle leicht ausgetauscht bzw. ausgewechselt werden können. Dadurch ist es möglich, durch einfache Änderungen von elektronenoptischen Bauteilen die Strahlgeometrie optimal auf den Anwendungsfall auszurichten.

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Es ist dabei auch möglich,der anhand des Ausführungsbeispiels nachstehend näher beschriebenen Grundeinheit einen Ablenkkopf aufzusetzen, mit dem der Elektronenstrahl um einen Winkel von vorzugsweise 90° in einen·. Verdampfertiegel umgelenkt werden kann. Mit einem zusätzlichen, unabhängigen Spulensystem kann der Strahl außerdem senkrecht dazu umgelenkt werden, so daß zusammengesetzte, insbesondere kreisförmige Strahlbewegungen im Verdampfertiegel möglich sind. Bei rechteckförmi^en Ablenkströmen kann der Strahl periodisch zwischen zwei Tiegeln hin und her springen, wodurch beispielsweise die Aufdampfung von Legierungen möglich wird. Durch die breite Kombinationsmöglichkeit von unterschiedlichen Fokussierungslinsen und Ablenksystemen ergibt sich eine große Flexibilität hinsichtlich der Einstellung des Brennflecks und der Leistungsdichte des Elektronenstrahls.

Es ist weiterhin möglich, die Grundeinheit mit einem symmetrischen Ablenksystem auszustatten, welches Ablenkfrequenzen bis 5oo Hz zuläßt. Eine solche, insbesondere für Heizzwecke vorgesehene Elektronenkanone kann zur gleichmäßigen Aufheizung von Stahlbändern oder anderen breiten Substraten verwendet werden. Weiterhin ist es möglich, die im Detail beschriebene Grundeinheit mit zusätzlichen Ablenksystemen zu versehen, durch welche unter Verwendung eines Ablenksteuergeräts große Flächen mit bestimmten Energieverteilungen bestrichen werden können. Beispielsweise kann ein großes Verdampferbad aufgeheizt werden.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Hohlbolzen als Führungsrohre für ein Kühlmedium und die

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übrigen Hohlbolzen als Kanäle für elektrische Leitungen, mechanische _f pneumatische ader hydraulische Kraftübertrager dienen. Im allgemeinen wird man vier Hohlbolzen anordnen, so daß zwei Hohlbolzen für andere als Kühlzwecke zur Verfügung stehen. Das Kühlmedium wird dabei ausschließlich dem Strahlführungsrohr zugeführt, welches zu diesem Zwecke doppelwandig ausgebildet ist. Die elektrischen Leitungen in den übrigen Hohlbolzen sind beispielsweise Zuleitungen zur elektromagnetischen Linse und zu den einzelnen Ablenksystemen. Mechanische, pneumatische oder hydraulische Kraftübertrager können beispielsweise zu schwenkbaren Tiegeln, Tiegelantrieben, Blenden Anodenventilen für ein Auswechseln der Katode während des Betriebs etc. führen.

Aus Befestigungsgrtinden ist es besonders vorteilhaft, wenn die Hohlbolzen zwischen zwei Flanschringen angeordnet sind, von denen der eine mit der auswechselbaren Baueinheit und der andere mit dem Hochspannungsteil verbunden ist, und wenn in den Flanschringen Verteilkanäle für das Kühlmedium angeordnet sind. Durch entsprechende Ausbildung der anzuschliessenden Teile des elektronenoptischen Teils bzw. des Strahlführungsrohrs läßt sich ein flüssigkeitsdichter Anschluß erreichen, ohne daß hierfür besondere Zuleitungen benötigt werden«,

Die erfindungsgemäße Elektronenkanone kann durch eine die Abstandsbolzen umgebende, vakuumdicht mit der Kanonenoberfläche verbundene Absaugkammer, die über eine Anschlußleitung mit einer Vakuumpumpe verbindbar ist, weiter vervollständigt werden, wie dies bereits weiter oben angedeutet wurde. Das Innere der Kanone, d.h. die Umgebung der Katode kann dadurch besser und schneller auf eine für die zuverlässige Funktion der Kanone er-

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forderliches Vakuum gebracht werden. Dies ist insbesondere bei solchen Verfahren wie reaktives Aufdampfen oder Ion-Plat-ing von Bedeutung, bei denen durch Zwischenabsaugung eine Druckstufung zwischen dem Verdampfertiegel und dem Strahlerzeuger mit der Anode als Druckstufe aufrechterhalten wird. Beispielsweise können im Bereich des Verdampfertiegels Drücke in der Größenordnung von Io nbar und im Katodenbereich D_rücke in

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der Größenordnung von Io mbar beim Abpumpen mit Diffusionspumpen einer Saugleistung von 4oo 1/sec. ohne weiteres erreicht werden.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstand, seine Einzelheiten und Wirkungsweise seien nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine vollständige Elektronenkanone in der üblichen Arbeitslage, d.h. mit horizontal ausgerichteter Achse,

Figur 2 einen Teilausschnitt aus dem Gegenstand gemäß Figur 1 im Bereich der Hohlbolzen,

Figur 3 eine Draufsicht in Achsrichtung auf den Gegenstand gemäß Figur 2.

In Figur 1 ist mit Io eine Katode bezeichnet, die in Anschlußklemmen 11 befestigt ist. Die Anschlußklemmen 11 führen über in ihrem weiteren Verlauf nicht sichtbare Leitungen zu Schraubklemmen 12, die mit nicht dar-

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gestellten Hochspannungsanschlüssen für die Beschleunigungsspannung und den Heizstrom der Katode Io verbunden werden können. Die Katode ist von einer auf gleichem Potential liegenden, strahlformenden Elektrode

13 (Pierce-Elektrode) umgeben., Katode Io und strahlformende Elektrode 13 sind in herkömmlicher und daher nicht näher beschriebener Weise an einem Hochspannungsisolator 14 befestigt, der an seinem den Schraubilemmen 12 zugewandten Ende einen Kühlkörper 15 trägt. Die Schraubklemmen 12, der Kühlkörper 15 und ein wesentlicher Teil der Länge des.vHochspannungsisolators

14 sind von einer Abschirmhaube 16 umgeben.

Der Hochspannungsisolator 14 besitzt einen Flansch 17, <ier unter Zwischenschaltung einer nicht näher bezeichneten Vakuumdichtung iait einem Flanschring 18 verbunden ist, an dem auch die Abschirmhaube 16 befestigt ist. Der Flanschring 18 steht über vier auf den Umfang -verteilteaHohlbolzen 19, von denen in der Zeichnung nur zwei sichtbar sind, mit einem weiteren Flanschring 2o in Verbindung, der zur Aufnahme der nachstehend snäher beschriebenen Baueinheit 21 dient. Der Flansch-Ting 2o befindet sich auf Erdpotential und trägt in ^seinem Inneren eine Beschleunigungsanode 22, die ^ebenfalls unter Zwischenschaltung von Dichtungen auswechselbar befestigt ist. Die bisher beschriebene Anordnung ist rotationssymmetrisch zur Längsachse **A^tf der Elektronenkanone ausgeführt.

Die Baueinheit 21 besteht aus einem Strahlführungsrohr 423, einer elektromagnetischen Linse 24, einem x-Ablenksystem 25 und einem y-Ablenksystem 26, von dem in der Darstellung jedoch nur der obere Polschuh sicht-

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— y —

bar ist. Das Strahlführungsrohr 23 ist von einem ko- -axialen Mantelrohr 27 umgeben, wobei in dem Ringraum .«wischen Strahlführungsrohr und Mantelrohr die elektromagnetische Linse 24 und die Ablenksysteme 25 und 26 ^angeordnet sind.

Das Strahlführungsrohr 23 und das Mantelrohr 27 sind an ihrem der Katode Io abgekehrten Ende vakuumdicht durch eine Abschlußplatte 28 verbunden. Das x-Ablenksystem 25 besteht aus einem Joch 25a, auf dem eine Ablenkspule 25b angeordnet ist. Das Joch 25a steht beidseitig mit Polschuhen 29 in Verbindung, von denen dn Figur 1 jedoch nur der hintere sichtbar ist.

Das Strahlführungsrohr 23 ist doppelwandig ausgebildet,

•wobei der Zwischenraum, von einem Kühlmedium, wie beispielsweise Wasser, durchströmt wird. Der Anschluß an -einen Kühlwasserkreislauf erfolgt über Verteilkanäle und Bohrungen 19a in den Hohlbolzen 19 sowie Anschiußleitungen 31, von denen in der Zeichnung ebenfalls nur eine dargestellt ist. Die elektrischen Anschlüsse der Ablenksysteme 25 und 26 sowie der elektromagnetischen Linse 24 erfolgen über eine Vielfachsteckverbindung und eine 3ohrung 19b in einem anderen der Hohlbolzen

Die Elektronenkanone ist im Bereich der Hohlbolzen 19 mindestens auf deren gesamter Länge unter Einhaltung eines Abstandes von einer hülsenförmigen Absaugkammer 54 umgeben, in die radial eine Anschlußleitung 55 einmündet. Die Anschlußleitung 55 ist mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbindbar. Die Absaugkammer 54 besitzt an beiden Enden Ringflansche 56 und 57. Mit dem Ringflansch 56 ist die Absaugkammer unter Zwischenschaltung

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einer Dichtung vakuumdicht mit dem Ringflansch 18 verbunden. Mit dem Ringflansch 57 ist die Vakuumkammer 54 und damit die gesamte Elektronenkanone vakuumdicht mit einem nicht dargestellten Vakuumbehälter verbindbar. Leidglich die Montageebene ist mit 58 bezeichnet. In dem in Figur 1 dargestellten Fall ist der Innenraum der Absaugkammer 54 getrennt evakuierbar, wobei die enge Strahldurchtrittsöffnung in der Mitte der Beschleunigungsanode 22 eine Druckstufung bewirkt. Hierdurch ist es möglich, in der Absaugkammer 54 und damit im Bereich der Katode Io ein um mehrere Zehnerpotenzen besseres Vakuum zu erzeugen als beispielsweise in der Vakuumkammer, in welche die Polschuhe 29 hineinragen.

Es ist natürlich auch möglich,bei dem Gegenstand nach Figur 1 die Absaugkammer 54 wegzulassen. In diesem Fall wird die Elektronenkanone mittels des Ringflansches 18 an der zugehörigen Vakuumkammer befestigt. Die betreffende Montageebene ist mit 59 bezeichnet. Es versteht sich, daß im Bereich der Katode Io in einem solchen Fall im wesentlichen das gleiche Vakuum erzielt werden kann, wie im Bereich der Polschuhe 29. Es ist aber jedenfalls ersichtlich, daß die Hohlbolzen 19 eine praktisch unbehinderte Evakuierung deso von ihnen umschriebenen Bereichs zu lassen·

In Figur 2 sind gleiche Teile.wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es ist zu erkennen, daß am Ringflansch 2o eine unterschiedlich dimensionierte elektromagnetische Linse 24 befestigt ist. Auf die Darstellung des Strahlführungsrohres und des Mantelrohres

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wurde der Einfachheit halber verzichtet. An die elektromagnetische Linse 24 können sich unterschiedliche elektronenoptische Einrichtungen wie Ablenksysteme verschiedener Art anschliessen.

Die Beibehaltung der Bezugszeichen erstreckt sich auch auf Figur 3. Dort ist zu erkennen, daß rotationssymmetrisch um die Achse ¹¹A" verteilt, vier Hohlbolzen 19 angeordnet sind, die zusammen mit den Ringflanschen 18 und 2o (Figur 2) eine Art Käfig bilden, der eine große mechanische Festigkeit bei geringer Behinderung des Evakuierungsvorganges aufweist.

Der Raum 53 zwischen dem Strahlführungsrohr 23 und dem Mantelrohr 27 steht, wie aus Figur 1 ersichtlich, über die Bohrung 19b in einem der Hohlbolzen 19 mit der Atmesphäre in Verbindung, so daß die Umgebung der elektromagnetischen Linse 24 und der Ablenksysteme 25 und 26 unter Atmosphärendruck steht.

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Claims

Ansprüche:

( 1,JElektronenkanone für Heiz-, Schmelz- und Verdampfungszwecke mit einem Hochspannungsteil, einer Elektronen emittierenden Katode, mindestens einer der Katode zugeordnete^ strahlformenden Elektrode, einer Beschleunigsanode, einem in Richtung des Strahlweges verlaufenden Strahlführungsrohr, welches von einem Mantelrohr umgeben ist, wobei in dem zwischen Strahlführungsrohr und Mantelrohr gebildeten Raum eine elektromagnetische Linse und mindestens ein Ablenksystem angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlführungsrohr (23), Mantelrohr (27), elektromagnetische Linse (24) und Ablenksysteme (25, 26) zu einer auswechselbaren Baueinheit (21) zusammengefaßt sind, die über mehrere, zur Kanonenachse parallele Hohlbolzen (19) mit dem Hochspannungsteil (16a) der Kanone verbunden ist, und daß der Raum (53) für die elektromagnetische Linse (24) und das Ablenksystem (25 bzw. 26) über mindestens einen der Hohlbolzen (19) mit der Atmosphäre in Verbindung steht.
2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Hohlbolzen (19) als Führungsrohre für ein Kühlmedium und die übrigen Hohlbolzen als Kanäle für elektrische Leitungen, mechanische, pneumatische oder hydraulische Kraftübertrager dienen.
3. Elektronenkanone nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet . daß die Hohlbolzen (19) zwischen zwei Flanschringen (18, 2o) angeordnet sind, von denen der eine (2o) mit der auswechselbaren Baueinheit (21) und der andere mit dem Hochspannungsteil (16a) ver-

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bunden ist, und daß in den Flanschringen Verteilkanäle (3o) für das Kühlmedium angeordnet sind.
4. Elektronenkanone nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch eine die Hohlbolzen (19) umgebende, vakuumdicht mit der Kanonenoberfläche verbundene Absaugkammer (54), die über eine Anschlußlextung (55) mit einer Vakuumpumpe verbindbar ist.

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