DE2528032C2 - Elektronenstrahlerzeuger für Heiz-, Schmelz- und Verdampfungszwecke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektronenstrahlerzeuger für Heiz-, Schmelz- und Verdampfungszwecke mit einem Hochspannungsisolator, einer Elektronen emittierenden Katode, mindestens einer der Katode zugeordneten, strahlformenden Elektrode, einer Beschleunigungsanode, einem in Richtung des Strahlweges verlaufenden Strahlfuhrungsrohr, welches von einem Mantelrohr umgeben ist, bei dem in dem zwischen Slrahlführungs- und Mantelrohr gebildeten Raum eine elektromagnetische Linse und mindestens ein Ablenksystem angeordnet sind und bei dem die aus Strahlführungsrohr, Mantelrohr, elektromagnetischer Linse und Ablenksyslem(en) gebildete Baueinheit mit dem Hochspannungsisolator verbunden ist.

Durch die DE-PS 12 48 175 ist ein Elektronenstrahlerzeuger der eingangs beschriebenen Gattung vorbekannt, der zwar zu einer erheblichen Verbesserung der seinerzeit bestehenden Strahlerzeugersysteme gerührt hat, dennoch verbesserungsbedürftig ist. Bei dem vorbekannten Gegenstand ist der Raum zwischen Mantel- und Strahlfuhrungsrohr, 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 zerstören und die Anschlüsse korrodieren würde. Mantel- und Strahlfuhrungsrohr 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 inneren Aufbau der Anordnung zwingend vorschreibt. Eine

Μ nachträgliche Änderung des Systems durch teilweisen Austausch von elektronenoptischen Teilen ist nicht möglich.

Bei dem vorbekannten Gegenstand sind außerdem Mantel- und Strahlfuhrungsrohr mit dem Hochspannungsisolator des Strahlerzeugers über ein hülsenformiges 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 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 hülsenförml· gen Teil würde andererseits die Festigkeit der bekannten Konstruktion in Frage gestellt.

Der Erfindung liegt die- Aufgabe zugrungde, den eingangs beschriebenen Elektronenstrahlerzeuger 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

so hierzu das gesamte Konstruktionsprinzip des Strahlerzeugers geändert werden müßte.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Elektronenstrahlerzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch, daß die aus Strahlfuhrungsrohr, Mantelrohr, elektromagnetischer Linse und Ablenksystem(en) gebildete Baueinheit für sich auswechselbar ausgebildet ist und über mehrere, zur Strahlerzeugerachse parallele Hohlbolzen mit dem Hochspannungsisolator verbunden ist und daß der Raum für die elektromagnetische Linse und das (die) Ablenksystem(e) über mindestens einen der Hohlbolzen mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Die erfindungsgerrtäße Lösung bringt folgende Vorteile mit sich: Die Hohibolzen bilden eine Art Käfig mit weilen 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 Hühlbouen mit einer besonderen Absaugkamnier 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 des Strahlerzeugers mit der Vakuumkammer.

Dadurch, daß der Raum für die elektromagnetische Linse und das Ablenksystem über mindestens einen der Hohlbolzen mit dar 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 Überschlagen 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 in einem lufterfüllten Raum schafft die Voraussetzung dafür, daß Einzelteile leicht ausgetauscht bzw. ausgewechselt werden können. Dadurch ist es möglich, durch einfache Änderungen von elektronenoptischen Bauteilen die Strahlgeometrie optimal auf den Anwendungsfall auszurichten.

Es ist dabei auch möglich, der anhand des Ausfuhrungsbeispiels 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 rechteckförmigen Ablenkströmen kann der Stra'.il periodisch zwischen zwei Tiegeln hin und her springen, wodurch beispielsweise die Aufdampfung von Legierungen möglich wird. Durch die breite Kombinationsmöglichkeit von unterschiedlichen *5 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 500 Hz zuläßt. Ein solcher, insbesondere für Heizzwecke vorgesehener Elektronenstrahlerzeuger kann zur gleichmäßigen Aufheizung von Stahlbändern oder anderen breiten Substraten verwendet werden. Weiterhin ist es möglich, die 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 Tür ein Kühlmedium und die übrigen Hohlbolzen als Kanäle fur elektrische Leitungen, mechanische, pneumatische oder hydraulische K'aftüberliager dienen. Im allgemeinen wird man vier Hohlbolzen anordnen, so daß zwei Hohlbolzen für andere als Kühlzwecke zur Verfugung stehen. Das Kühlmedium wird dabei ausschließlich dem Slrahlluhrungsrohr 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 Befestigungsgründen ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes vorgesehen, die Hohlbolzen zwischen zwei Flanschringen anzuordnen, von denen der eine mit der auswechselbaren Baueinheit und der andere mit dem Hochspannungsisolator verbunden ist, und in den Flanschringen Verteilkanäle für das Kühlmedium anzuordnen. 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.

Eine weitere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger ist durch eine die Abstandsbolzen umgebende, vakuumdicht mit der Strahlerzeugeroberfläche verbundene Absaugkammer, die über eine An^chlußleitung mit einer Vakuumpumpe verbindbar ist, gekennzeichnet. Das Innere des Strahlerzeugers, d. h. die Umgebung der Katode kann dadurch besser und schneller auf eine für die zuverlässige Funktion des Strahlerzeugers erforderliches Vakuum gebracht werden. Dies ist insbesondere bei solchen Verfahren wie reaktives Aufdampfen 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 10-' mbar und im Katodenbereich Drücke in der Größenordnung von 10~⁴ mbar beim Abpumpen mit Diffusionspumpen einer Saugleistung von 400 l/sec. ohne weiteres erreicht werden.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes sei nachfolgend anhand der Fi g. 1 bis 3 nähererläutert.

Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen vollständigen Elektronenstrahlerzeuger in der üblichen Arbeitslage, d. h. mit horizontal ausgerichteter Achse,

Fig. 2 einen Teilausschnitt aus dem Gegenstand gemäß F i g. 1 im Bereich der Hohlbolzen,

F i g. 3 eine Draufsicht in Achsrichtung auf den Gegenstand gemäß F i g. 2.

In F i g. 1 ist mit 10 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 dargestellten Hochspannungsanschlüssen für die Beschleunigungsspannung und den Heizstrom der Katode 10 verbunden werden können. Die Katode ist von einer auf gleichem Potential liegenden, strahlformender. Elektrode 13 (Piercc-Eleklröde) Umgeben. Katode 10 und strahlformende Elektrode 1?/ si>id in herkömmlicher und daher nicht näher beschriebener Weise an einem Hochspannungsisolator 14 befestigt, der an seinem den Sjhniubklemnien 12 zugewandten Ende einen Kühlkörper 15 trägt. Die Schraubklemmen

12, der Kühlkörper 15 und ein wesentlicher Teil der Länge des Hochspannungsisolators 14 sind von einer Abschirmhaube 16 umgeben.

Der Hochspannungsisolator 14 besitzt einen flansch 17. der unter Zwischenschaltung einer nicht näher ^r> bezeichneten Vakuumdichtung mit einem Flanschring

18 verbunden ist, an dem auch die Abschirmhaube 16 befestigt ist. Der Flanschring 18 steht über vier auf den Umfang verteilte Hohlbolzen 19, von denen in der Zeichnung nur zwei sichtbar sind, mit einem weiteren Flanschring 20 in Verbindung, der zur Aufnahme der nachstehend näher beschriebenen Baueinheit 21 dient. Der Flanschring 20 befindet sich auf Erdpotential und trägt in seinem Inneren eine Beschleunigungsanode 22. die ebenfalls unter Zwischenschaltung von Dichtungen r> auswechselbar befestigt ist. Die bisher beschriebene Anordnung ist rotationssymmetrisch zur Längsachse »A« des F.lektmnenstrahlerzeugers ausgeführt.

Die Baueinheit 21 besteht aus einem Strahlführungsrohr 23. einer elektromagnetischen Linse 24. einem Jo v-.Vnienksysiem 25 und einem r-Ahienksysiem 26. von dem in der Darstellung jedoch nur der obere Polschuh achtbar ist. Das Strahllührungsrohr 23 ist von einem koaxialen Mantelrohr 27 umgeben, wobei in dem Ringrau m 53 zwischen Strahlführungsrohr und Mantelrohr ■>'> die elektromagnetische Linse 24 und die Ablenk- \vsteme 25 und 26 angeordnet sind.

Das Strahllührungsrohr 23 und das Mantelrohr 27 sind an ihrem der Katode 10 abgekehrten Ende vakuumdicht durch eine Abschlußplatte 28 verbunden. Das M v-Ablenksysteni25 besteht aus einem Joch 25<j. aul'dem eine Ablenkspule 25Λ angeordnet ist. Das Joch 25<7steht beidseitig mit Polschuhen 29 in Verbindung, von denen in F i g. 1 jedoch nur der hintere sichtbar ist.

Das Strahllührungsrohr 23 ist doppelwandig ausgebildet. wobei der Zwischenraum von einem Kühlmedium, wie beispielsweise Wasser, durchströmt wird. Der Anschluß an einen Kühlwasserkreislauf erfolgt über Verteilkanäle 30 und Bohrungen 19<7Ϊη den Hohlbolzen

19 sowie Anschlußleitungen 31. von denen inderZeichnung ebenfalls nur eine dargestellt ist. Die elektrischen Anschlüsse der Ablenksysteme 25 und 26 sowie der elektromagnetischen Linse 24 erfolgen über eine Viell;i<_h>ieckverbindung 32 und eine Bohrung 196 in einem anderen der Hohlbolzen 19.

Der Elektronenstrahlerzeuger ist im Bereich der Hohlbolzen 19 mindestens auf deren gesamter Länge unter Einhaltung eines Abstandes von einer hülsenformigen Absaugkammer 54 umgeben, in die radial eine Anschlußleitung 55 einmündet. Die Anschlußleitung 55 ist mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbindbar. Die Ahsaugkanimer 54 besitzt an beiden Enden Ringflansche 56 und 57. Mit dem Ringllansch 56 ist die Absaugkammer unter Zwischenschaltung einer Dichtung vakuumdicht mit dem Ringllansch 18 verbunden. Mit dem Ringllansch 57 ist die \ akikimkammer 54 und damit der gesamte Elektronenstrahlerzeuger vakuumdicht mil einem nicht dargestellten Vakuumbehälter verbindbar. Lediglich die Montageebene ist mit 58 bezeichnet. In dem in F i g. I dargestellten Full ist der Innenraum der Absaugkammer 54 getrennt evakuierbar, wobei die enge Strahldurchtrittsöffnunginder Mitte der Beschleunigungsanode 22 eine Druckstufe bewirkt. Hierdurch ist es möglich, in der Absiiupkammer 54 und .' unit im Bereich der Katode 10 ein um mehrere Zehnerpotenzen besseres Vakuum zu erzeugen als beispielsweise in der Vakuumk,immer, in welche die Polschuhe 29 hineinragen.

Es ii"i natürlich auch möglich, bei dem Gegenstand nach F i g. I die Absaugkammer 54 wegzulassen. In diesem Fall wird der Elektronenstrahlerzeuger mittel-.

lies Kiiigiiiirisci'ic> io .ii'i uC'i /"üjZCiiC/rijiCn * «iriülinv kammer befestigt. Die belrelfende Montageehene ist mit 59 bezeichnet. Es versteht sich, daß im Bereich der Katode 10 in einem solchen Fall im wesentlichen das gleiche Vakuum erzielt «erden kann, wie im Bereich der Polschuhe 29. Es ist .iher jedenfalls ersichtlich, dall die llohlbolzen 19 eine praktisch unbehinderte Evakuierung des von ihnen umschriebenen Bereichs zulassen.

In F : g. 2 sind gleiche Teile wie in F i g. I mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es ist zu erkennen, daß am Ringllansch 20 eine unterschiedlich dimensionierte elektromagnetische Linse 24 befestigt ist. Auf die Darstellung des Strahlführungsrohres und des Mantelrohres wurde der Einfachheit halber verzichtet. An die elektromagnetische Linse 24 können sich Ablenksysteme verschiedener Art anschließe:,.

Die Beibehaltung der Bezugszeichen erstreckt sich auch auf F i g. 3. Dort ist zu erkennen, daß rotationssymmetrisch um die Achse »A« verteilt, vier Hohlbolzen 19 angeordnet sind, die zusammen mit den Ringflanschen 18 und 20 (F i g. 2) eine Art ..äfig bilden, der eine große mechanische Festigkeit bei geringer Behinderung des Evakuierungsvorganges aufweist.

Der Raum i3 zwischen dem Strahlführungsrohr 23 und dem Mantelrohr 27 steht, wie aus F i g. I ersichtlich, über die Bohrung \9b in einem der Hohlbolzen 19 mit der Atmosphäre in Verbindung, so daß die Umgebung der elektromagnetischen Linse 24 und der Ablenksysteme 25 und 26 unter Atmosphärendruck steht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche;

   !.Elektronenstrahlerzeuger für Heiz-, Schmelz- und Verdampfungszwecke mit einem Hochspannungsisolator, einer elektronenemittierenden Katode, mindestens einer der Katode zugeordneten, strahlformenden Elektrode, einer Beschleunigungsanode, einem in Richtung des Strahlweges verlaufenden Strahlfuhrungsrohr, welches von einem Mantelrohr umgeben ist, bei dem in dem zwischen Strahlführungsrohr und Mantelrohr gebildeten Raum eine elektromagnetische Linse und mindestens ein Ablenksystem angeordnet sind, und bei dem die aus Strahlführungsrohr, Mantelrohr, elektromagnetischer Linse und Ablenksystem(en) gebildete Baueinheit mit dem Hochspannungsisolator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Strahlfuhrungsrohr (23), Mantelrohr (27), elektromagnetischer Linse (24) und Ablenksystem/ρπ) (25,26) gebildete Baueinheit (21) für sich auswechselbar ausgebildet ist und über mehrere, zur Strahlerzeugerachse parallele Hohlbolzen (19) mit dem Hochspannungsisolator (14) verbunden ist und daß der Raum (53) für die elektromagnetische Linse (24) und das (die) Ablenksystem(e) (25, 26) über mindestens einen der Hohlbolzen (19) mit der Atmosphäre in Verbindung steht.
2. 2. Elektronenstrahlerzeuger 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 Kraftübertreger dit--,en.
3. 3. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, d'3 die Hohlbolzen (19) zwischen zwei Flanschringen (18, 20) angeordnet sind, von denen der eine (20) mit der auswechselbaren Baueinheit (21) und der andere (18) mit dem Hochspannungsisolator (14) verbunden ist, und daß in den Flanschringen Verteilkanäle (30) für das Kühlmedium angeordnet sind.
4. 4. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine die Hohlbolzen (19) umgebende, vakuumdicht mit der Strahlerzeugeroberfläche verbundene Absaugkammer (54), die über eine Anschlußleitung (55) mit einer Vakuumpumpe verbindbar ist.