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Elektronkan@ne zur Erzeugun@@@ E erender Entladung
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sowie ei: Ka@c@enelement für eine derartige Elektronenkanone 26 Seiten
Beschreibung 2 Blatt Zeichnung lS Patentanspriiche
Die Erfindung
betrifft eine Elektronenkanone zur Erzeugung lamineszierender Entladung der im Oberbegriff
des Hauptpatentanspruchs angegebenen Gattung, sowie ein Katodenelement für eine
Elektronenkanone zur Erzeugung lumineszierender Entladung.
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Der Gebrauch von Mitteln zur Erzugu:g lumineszierender Entladung mit
kalten Elektronenquellen (Elektronenkanonen) ist bereits seit längerer Zeit bekannt.
Man weiß, daß bei diesen Mitteln die Elektronen durch eine kalte Katode erzeugt
werden, das heißt einer Katode, die eine Temperatur aufweist, welche niedriger liegt
als die fur eine nennenswerte Thermoionenemission erforderliche1 wobei die Katode
einem Ionenbescnj;3 ausgesetzt wird, woraus das Auftreten einer lumineszierenden
Entladung resultiert.
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Die Intensität des auf diese Weise erhaltenen Elektronenbündels steht
in Beziehung zu dem Sekundärelektronen-Emissionskoeffizienten nach TOWNSEND, der
mit y bezeichnet und als die Zahl der Elektronen, die pro eintreffendem Ion freigesetzt
wird, definiert ist. Wenn man Mittel zur Erzeugung einer lumineszierenden Entladung
mit einer Elektronenquelle benutzt, ist man daran interessiert, die Katode mit einem
Koeffizienten y zu wählen, der so groß wie möglich ist, um auf diese Weise für einen
gegebenen Gasdruck eine maximale Strahlintensität zu erhalten und so eine optimale
Elektronenausnutzung zu erzielen. Im Ergebnis ist bei einem mittleren Wcrt des Koeffizienten
y die Verteilung des Elektronen- und lonenentladungsstrom ungefähr 1:1 und die Elektronenausbeute
nur in der Größenordnung von 50 %. Da übrigens bei einer Elektronenkanone der Elektronenstrom
allein ausgenutzt wird, trägt der parasitSre Ionenstrom im wesentlichen nur zu einer
übermäßigen av*heizung der Katode bei.
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Der rekundäremissionskoeffizient y hängt von einer Anzahl von Faktoren
ab, von denen genannt werden sollen:
die Eigenschaft des Katodenmaterlals,
der physikalische Zustand der Oberfläche dieser Katode, der Druck des die Katode
umgebenden Gases wie auch dessen Molekulargewicht.
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Man weiß beispielsweise, daß der Koeffizient y bei den meisten Metallen
mit Helium größer ist als mit Argon, er Uberschreitet indessen in der Praxis bei
geeigneten Metalloberflächen niemals eins. Es ist ebenfalls bekannt, daß der Koeffizient
y im Gegensatz dazu groß (in einigen Fällen bis zu eins) bei kontaminierten" Metalloberflächen
ist und daß diese Kontamination beispielsweise daher resultiert, daß die Katode
vor kurzem der Luft ausgesetzt wurde, oder durch die Gegenwart von Sauerstoff in
dem die Katode umgebenden Gas erzeugt wird.
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Es ist daher von der Theorie her wünschenswert, wkontaminierte" Katoden
zu benutzen, um Elektronenkanonen mit einer groben Emissivität zu erhalten. Die
Benutzung von Katoden, die dadurch kontaminiert sind, daß sie der Luft ausgesetzt
wurden, ist aus industrieller Sicht nicht anzustreben, da die Katoden durch den
Ionenbeschuß, dem sie dauernd ausgesetzt sind, in zunehmender Weise abgetragen werden,
in der Art, daß sie sehr schnell einen reinen Zustand annehmen. So stellt man fest,
daß der Emissionsstrom urnittelbar nachdem die Katode der Luft ausgesetzt war bei
Betriebsbeginn relativ groß ist,aber sich in Abhängigkeit von der Art des benutzten
Gases daraufhin ziemlich schnell verringert. Dabei ist die Verminderung des Stromes
langsamer, wenn man Gas von geringerem Molekulargewicht benutzt (beispielsweise
Helium anstelle von Argon), wobei Ionen von geringerem Gewicht erzeugt werden. aber
diese Verminderung ist ebenso wenig zu verhindern. Beispielsweise benutzt man in
der Praxis gern Katoden aus Aluminium, welche, nachdem sie der Luft ausgesetzt waren,
eine EmissixtitAt aufweisen, die diejenige aller anderen Metalle übertrifft. Ein
derartiges Verhalten hat seine Ursache darin, daß auf der Oberfläche der
Katode
eine winzige Oxidhaut vorhanden ist, die durch den Kontakt mit dem Luftsaucrstoff
gebildet worden ist. Die Oxidhaut weist, wie -lie meis-en Dielektrika, einen sehr
großen Koeffizienten y auf (wesentlich größer als eins).
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Diese Haut wird jedoch während des Betriebs durch den Beschuß mit
Ionen des neutralen Ga.*.e wie Helium oder Argon mehr oder wenigcr schnell beseitig:,
so daß die Elektronenemission fortschreitend auf das Niveau abfällt, das durch den
Koeffizienten y des Aluminium (geringer a!s eins) bestinuiit ist.
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Es ist möglich, eine angehobene Elektronenemission dadurch aufrechtzuerhalten,
daß Katoden benutzt werden, die durch die Anwesenheit einer kleinen Menge von Sauerstoff
im Gas, das die Katode umgibt, in einer permanenten Weise kontaminiert sind. Es
gibt jedoch zahlreiche Anwendungen, bei denen erforderlich ist, daß auch die kleinste
Menge Sauerstoff beseitigt ist: Anwendungen beispielsweise, bei denen sehr reaktionsfähige
oder sehr leicht oxidierbare Elen:ent:e benutzt werden, wie Chrom oder Titan, Anwendungen
mit reaktiven lonenverschiebungen, bei denen eine Carburie-unq oder Nitrierung bewirkt
werden muß (in diesem Fall besteht bei der Gegenwart von Sauerstoff die Gefahr,
daß bei cn Carbiden und Nitriden auch bevorzugte Oxide gebildet werden) etc. Um
diesen wesentlichen Nachteil zu beseitigen, ist eine Lösung bekannt, die darin besteht,
daß der Katodenraum der Kanone von dem übrigen Gehäuse durch einen geraden Kanal
getrennt wird, um die beiden so begrenzten Räume getrennt zu evakuieren und ein
sauerstoffenthaltendes Gas (beispielsweise Luft) in den Katodenraum und ein neutrales
Gas in das übrige Gehäuse einzulasse, wobei darauf geachtet werden muß, daß der
Druck dc neutralen Gases über denljenitlen des sauerstoffenthaltf ien Gases bleibt,
um einen Sauerstofffluß aus dem Katodenraum in das übrige Gehäuse zu verhindern.
Die Notwendigkeit ein zweifache Evakuationssystem zu benutzen, trägt dazu bei, daß
diese Lösung kompliziert und kostenaufwendig
ist. Die Leistungsfähigkeit
ist im übrigen relativ mitte.mßig, was daher rührt, daß der Elektronenstrahl wesentlich
geschwächt wird, wenn er den geraden Xanal durchquert, der den Katodenraum vom Rest
des Gehäuses abtrennt.
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Die Katoden aus Aluminium, die in Gegenwart von Sauerstoff betrieben
werden, weisen daneben einen anderen wesentlichen Nachteil auf, der darin besteht,
daß Oberschläge zwischen Katode und Anode auftreten können. Schließlich unterliegt
die Oberflächenoxidschicht, welche die Katoden bedeckt, einer dauernden Pulverisierung
von der Art, daß dar, Oxid sich in der unmittelbaren Umgebung der aktiven Zone der
Katode ablagert, d.h. in der Zone, die von den tonen beschossen wird und die Elektronen
emittiert, und aui diese Weise eine dicker werdende Schicht bildet und isolierend
wirkt. Der Abfall des Katodenpotentials, der gleichmäßig über den gesamten schwarzen
Katodenraum verteilt war, konzentriert sich nun auf diese isolierende Schicht, welche
örtlich zusammenbricht, da sie derartige Spannungen nicht aushalten kann. Durch
diese Zusamrenbrüche wird eine intensive lokale Emission hervorgerufen und das regelmäßige
Entstehen von kleinen Bögen an ner Oberfläche der inaktiven Zone, die sich in eine
ins;:abile @@kundäremission umsetzen und so mit der Gefahr des Entst@@@ns eines
allgemeinen Oberschlags zwischen Katode und dasse verbunden ist. Die Unterdrückung
der Gefahr des Entstehens eines Lichtbogens erfordert die Anwer.''ng einer speziellen
Hochspannungsversorgung, die besonrs gegen Oberschläge geschützt ist und auf diese
Weisc zur Verkomplizierung und Verteuerung der Vorrichtung beiträgt. Die einfachsten
Maßnahmen, um diese Gefahr zu unterdrücken, bestehen darin, einen hohen elektrischen
Widerstand in den Ilochspannungskreis zu legen, aber diese Maßnahme hat einen starken
Spannungsverlust zur Folge.
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Weiterhin sind SekundArelektronen-Vetvielfacher bekannt, bei denen
die verschiedenen Vervielfacherelemente mit einer dünnen "Cermet"-Schicht überzogen
sind, die aus metallischen Partikeln bestehen, die in eine metallische Matrix eingebettet
sind, wobei die Schicht dazu dient, die Aufnahmefäliigkeit für Sekundärelektronen
zu steigern, die durch den Primärbeschuß verursacht sind. Die für derartige Vervielfacher
anwendbare Lehre ltat sich jedoch nicht direkt auf Kanonen für lumineszierende Entladung
übertragen, da eine große Zahl von Unterschieden struktureller und funktionellpr
Art vorhanden sind, die zwischen den beiden Arten von Vorrichtungen bestehen, und
insbesondere wegen der Tatsache, daß Sekundäremission bei den Vervielfachern durch
einen Beschuß mit Primärelektronen (welche ein hochvakuum benötigen) erzeugt wird,
anstelle eines Beschusses mit Primärionen (welche ein schwaches Vakuum benötigen,
um eine Entladung zu ermöglichen) wie bei den Kanonen zur Entladung. Es ist bekannt,
daß die Gesetze, welche für die durch Ionenbeschuß erzeugte Sekundäremission gelten,
nicht notwendigerweise den Gesetzen der Sekundäremission gleichen, welche durch
Elektronenbeschuß erzeugt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile
zu beseitigen und eine Elektronenkanone zur Erzeugung lumineszierender Entladung
anzugeben, die eine verbesserte Emissionsfähigkeit selbst in sauerstofffreien Atmosphären
und eine verbesserte Resistenz gegen Oberschl&-ge aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß bei der Elektronenkanone
zur Erzeugung lumineszierender Entladung mit einem evakuierbaren dichten Gehäuse,
mit Mitteln zur Aufrechterhaltung einer verdünnten Athmosphäre eines bestimmten
Gases im Inneren des Gehäuses, mit mindestens einer Katode und einer Anode, die
zumindest teilweise im Inneren des Gehäuses angeordnet
sid dez
einen Teil desselben bilden, sowie mit Mitteln zum Anlegen einer zur Erzeugung der
lumineszierenden Entladung ausreichenden Potentialdifferenz zwischen Katode und
Anode vorgesehen: ein Mittelkörper aus einem elektrischen Leitermaterialmit zwei
Begrenzungsflächen, von denen die eine im wesentlichen seitlich von der Anode angeordnet
ist, wobei diese Fläche mindestens teilweise aus einem dielektrischen Material besteht,
so daß sie, wenn sie dem Ionenbeschuß aufgrund der lumineszierenden Entladung ausgesetzt
ist, einen intensiven Elektronenstrahl emittiert, Mittel zur Gewährleistung der
ständigen Erneuerung der e-lttierenden Fläche aus dielektrischem Material entsprechend
der Pulverisierung dieses Materials durch den Ionenbeschuß, so daß die Stabilität
des Elektronenstrahls, der während der gesamten Entladung ausgesandt wird, erhalten
bleibt, ein ringformiges Leiterelement, das um den Metallkörper angeordnet ist und
mit diesem in Berührung steht, um die pulverisierWen Teilchen des dielektrischen
Materials zu sammeln, wobei das Element allein durch den Ionenbeschuß so aufgeheizt
wird, daß ein Auftreten von Lichtbögen zwischen Katode und Anode unterbunden wird,
sowie an der anderen Fläche des Mittelkörpers angebrachte Kühlmittel zur Verhinderung
des Aufheizens des Mittelkörpers.
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So besteht eine wesentliche Eigenschaft der Elektronenkanone entsprechend
der vorliegenden Erfindung in der kombinierten Verwendung von Mitteln zur Sicherstellung
einer ständigen ErneusJru:lg der dielektrischen Bereiche, welche einer Pulverisie-lrg
aufgrund des Ionenbeschusses unterworfen sind, und eines ringförmigen Leiterelementes
(das um die Emissionsfläche
der Katode he.vlm angeordnet ist),
un die dielektrischen 7artikel entsprechend ihrem durch die P 1.erisierung beding@en
Abzug zu sammeln. Die Aufgabe der Mittel zur Erneuerung der stetig abgezogenen dielektrischen
Bereiche besteht darin, eine intensive elektronische Emissionsfähigkeit zu ermöglichen,
die im Verlauf der progressiven Abnutzung des Emissionsteils zeitlich stabil bleibt,
während die Aufgabe des ringförmigen Leiterelementes darin besteht, dank der ihm
belassenen Möglichkeit, sich während des Betriebs der Elektrode aufzuheizen, jedes
Auftreten von Lichtbögen zwischen Katode und Anode zu vermeiden (D c Aufheizung
des ringförmigen Elementes bewirkt: eine Her@@fsetzung der Leitfähigkeit der gesanmelten
dieser schen Pa@@@@@@@ so daß die Gefahr, daß sie Uberschläge ve.nrsachen, ver@ngert
ist.). Die Aufheizung des ringförmigen Eiementes wird im wesentlichen durch den
aus der lumineszierenden Entladung resultierenden Ionenbeschuß verursacht. Daneben
besteht aber auch die Möglichkeit, zusätzliche Heizelemente vorzusehen, die in der
Nähe des ringförmigen Elements angeordnet werden. s daß die durch Ionenbeschuß verursachte
Erhitzung zusätzlich se-stärkt wird, was soweit getrieben werden kann, daß auch
3 Ar die letztere selbst verzichtet werden kann.
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Die Mä'.> Sicherstellung der ständigen Erneuerung der Emiss@@@@@@che
der Katode für dielektrische Partikel können @@@@@ @@ @g auf diese Emissionsfläche
"äußeren" Mitteln beste @@@ zur aber auch aus in diese Fläche einbezogenen Mitteln
Wenn @sc w @ Verwendung eines Reaktionsgases im Inneren des Gehäuses ue Kanone möglich
ist (wie es beispielsweise der Fall ist bei einer Kanone zum Erhitzen von metallischen
Quellen in einem reaktiven Ionen-Ablagerungsverfahren) können diese Mittel einfacherweise
aus dem Reaktionsgas selbst bestehen, welches unter vermindertem Druck in das Gehäuse
eingeleitet wird: der emittierende Bereich der Katode besteht dann einfach aus einem
reinen Metall, wobei die Art des jeweiligen Reaktionsgases und des die Katode bildenden
Metalls so ausgewählt werden,
daß das Gas mit dem Metall reagieren
kann, um eine dielektrische Schicht an der Oberfläche des emittierenden Bereichs
zu bilden. Wenn dagegen die Verwendung eines Reaktionsgases unerwünscht oder aber
auch unmöglich ist, bestehen die Erneuerungsmittel vorzugsweise aus dem Material
des Emissionsteils selbst, wobei selbstverständlich die Voraussetzung zu beachten
ist, daß dieses Material eine geeignete Struktur und/ oder Zusammensetzung aufweist,
die es für eine derartige Anwendung geeignet machen. Dazu umfaßt die vorliegende
Erfindung weiterhin ein Katodenelement für eine Elektronenkanone zur Erzeugung lumineszierender
Entladung, das den Ernissionsteil der Katode bildet, wobei erfindungsgemäß vorgeschlagen
wird, daß die Katode aus einem massiven Teil aus zusammengesetztem Material besteht,
welches aus einer metallischen Matrix gebildet wird, in die eine Vielzahl von dielektrischen
Einschlüssen eingebracht ist.
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Beidiesem Katodenelement ist es die Anwesenheit von dielektrischen
Partikeln im Inneren des aus einem zusammengesetzten Material gebildeten Elements,
welches die Heraufsetzung der Emissivität der Katode bewirkt. Diese Emissivität
ist zeitlich stabil, da das dielektrische Material im gesamten Rauminhalt der Katode
verteilt und nicht nur an ihrer Oberfläche ange,rdnet ist, wie es beispielsweise
bei konventionellen Aluminiumkatoden
der Fall ist, die urz zuvor
der Luft ausgesetzt waren. Das hat seinen Grund darin, daß der Anteil des dielektrischen
Materials mit der fortschreitenden Abnutzung der Katode dauernd erneuert wird. Die
fortschreitende Abnutzung resultiert aus der fortgesetzten Pulverisierung, der die
Katode durch den dauernden Ionenbeschuß unterworfen ist. Die zusammengesetzte Natur
des Materials, das die Katode bildet - und so die Auswahl der das zusammengesetzte
Material bildenden Elemente - hat außer den bereits genannten Gründen zum Ziel,
eine Anzahl von weiteren Anforderungen zu erfüllen. So ist zum Beispiel das Vorhandensein
von Metall in dem zusammengesetzten Material darauf gerichtet, eine ausreichende
elektrische Lzitfähigkeit sicherzustellen, welche bei jeder Katode einer Elektronenröre
für eine gute Funktion unerläßlich ist.
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Das Erfordernis einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit impliziert
beispielsweise weiterhin, daß das Metall in eine quasi-kontinuierlichen Weise in
dem zusammengesetzten Material verteilt ist und daß gleichzeitig anwesendes dielektrisches
Material Einschlüsse in der metallischen Matrix bildet. Unter den infrage kommenden
Metallen sind in besonders vorteilhafter Weise diejenigen Metalle benutzbar, welche
einen geringen Grad der Pulverisierung aufweisen, wie Aluminium, cryllium, Magncsium,
Yttrium und Zirkonium, so daß die Abnutzungsgeschwindigkeit der Katode auf ein Minimum
reduziert ist.
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Wie bereits oben erwähnt wurde, hat die Anwesenheit von dielektrischen
Partikeln im zusammengesetzten Material der Katode zum Ziel, eine starke Emissivität
dieser Katode sicherzustellen. Unter den dielcktrischen Materialien, die dazu geeignet
sind, in Foim von Partikeln in das zusamnlenc3esetztc Material eingebracht zu werden,
wird man vorzugsweise Materialien wlc Oxide benutzen.
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Von den möglichen Oxiden sind in vorteilhafter Weise diejenigen Oxide
brauchbar, die zum einen sehr widerstandsfähig
sind und auch bei
hohen Temperaturen gute dielektrische Eigenschaften aufweisen, wie das Oxid des
Aluminiums Al203, das Oxid des Berylliums BeO, das Oxid des Magnesiums MgO, das
Oxid des Yttriums Y203 und das Oxid des Zirkoniums ZrO2 in der Weise, daß gleichermaßen
eine schnelle Abnutzung der Katode vermieden und eine gute Emissionsfähigkeit der
Katode bei relativ hohen Temperaturen erreicht werden.
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Schließlich wird man, mit Rücksicht darauf, daß die Emissionsfähigkeit
der dielektrischen Oxide gröaer ist als diejenige der Oxide von gleitenden Materialien,
diejenigen dielektrischen Oxide auswählen, deren Widerstand mit steigenden Temperaturen
am wenigsten abnimmt (alle dielektrischen Oxide zeigen nämlich die Eigenschaft,
daß sich der Widerstand mit der Temperatur vermindert, aber diese Verminderung ist
je nach Art des betrachteten Oxids mehr oder weniger groß). Unter den anderen dielektrischen
Materialien, welche geeignet sind, Partikel in der metallischen Matrix zu bilden,
kommt gleichermaßen die Anwendung solcher Materialien wie das Nitrid des Siliziums,
des Bors oder des Aluminiums oder auch von Diamantpartikeln in Betracht.
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Vorzugsweise sollte der Gewichtsanteil der dielektrischen Partikel
in der metallischen Matrix zwischen 1 und 30 z liegen, wobei das Granulat zwischen
50 und 1 000 A messen sollte. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
kommt als zusammengesettes Material in Betracht, ein Material, bei dem das metallische
Oxid (oder Nitrid) der dielektrischen Partikel genau das Oxid (oder Nitrid) desjenigen
Metalls ist, welches die Matrix des Materials bildet, also beispielsweise das zusamniengesetzte
Material Aluminium-Tonerde oder Beryllium-Berylliumoxid usw.
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Auf diese Weise wird die llerstellung des zusammengesetzten Materials
sehr vereinfacht. So kann beispielsweise ein Material, das aus Aluminium und Tonerde
zusanunengesetzt ist, aus einem feinen Aluminiumpuder in der Weise hergestellt
werden,
daß zunächst die Oberfläche entsprechend den gewünschten Abmessungen oxidiert, das
Material anschlie-Bend stark komprimiert und dann heiß extruiert wird. Das so erhaltene
zusammengesetzte Material ist wie ein Metall zu bearbeiten und kann entsprechen
den Bedürfnissen zu ebenen oder konkaven Katoden weiterverarbeitet werden.
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Weitere Einzelheiten, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
schematisch und beispielhaft in Bezug auf verschiedene Ausführungsformen und Abwandlungen
der erfindungsgemßen Elektronenkanone anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung,
Fig. 2a eine vergrößerte Darstellung eines Details aus Fig. 1, Fig. 2b eine vergrößerte
Darstellung eines Details gemäß Fig. 2a, Fig. 3 eine Darstellung entsprechend der
von Fig. 2a, die eine Variante wiedergibt, Fig. 4 eine Ansicht entsprechend derjenigen
von Fig.
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2a für eine zweite Ausführungsform, Fig. 5 eine schematische Schnittansicht
entsprechend derjenigen gemäß Fig. 1 für eine dritte Ausführungsform, Fig. 6 eine
Ansicht einer Einzelheit gemäß Fig. 5 in
vergrößertem Maßstab,
Fig. 7 eine Ansicht entsprechend Fig. 6 für eine erste Variante und Fig. 8 eine
Ansicht entsprechend Fig. 6 für eine zweite Variante.
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Die in den Fign. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung umfaßt ein dichtes
Metallgehäuse 1, versehen mit jeweils einer Evakuierungsöffnung 2, das über eirenAbsperrschieber
3 mit geeigneten, nicht dargestellten Pumpmitteln verbunden, und einer Zufuhröffnung
4, die über einen kalibrierten Absperrschieber 5 mit einer ebenfalls nicht dargestellten
Quelle für neutrales oder reaktionsfähiges Gas verbunden ist. Oben an dem Gehäuse
1 ist eine röhrenförmige Metalleitung 6 angebracht, an derem freien Ende die Elektronenkanone
für lumineszierende Entladung 8 angebracht ist. Die Elektronenkanone 8 enthält einen
zylindrischen Kupferblock 9, der durch ein internes Zirkulationssystem 10 mit kaltem
Wasser gekühlt
wird, und dessen runder Flansch 9a vermittels eines
Isolierrings 11 auf der Kante der Röhre 6 ruht. An der inneren Stirnfläche des Kupferblocks
9 ist, beispielsweise durch Verschraubung, ein scheibenförmiges massives Element
12 angebracht, das aus dem genannten, oben definierten zusammengesetzten Material
gemacht ist, welches aus einer metallischen Matrix 26 besteht, in die eine Vielzahl
von dielektrischen Einschlüssen 27 eingebettet ist (beispielsweise eine Matrix aus
Aluminium, in die Einschlüsse aus Tonerde eingebettet sind). Die freie Stirnfläche
12a des Elementes 12 ist von einem Scheibenring 13 aus rostfreiem Stahl umgeben,
dessen Dicke kleiner ist als die des Elementes 12 und welcher beispielsweise in
der Weise angebracht ist, daß er auf einem kreisrunden Flasch 12b des Elementes
12 ruht. Die Funktion dieses Scheibenrings 13 soll weiter unten erläutert werden.
Die Verbindung des Scheibenrings 13 und des Elementes 12 wird in einer solciien
Weise vorgenommen, daß sie zwar einen hervorragenden elektrischen Kontakt haben,
der thermische Kontakt jedoch mittelmäßig ist. Unterhalb des Scheibenrings 13 und
teilweise in Deckung damit befindet sich eine runde Metalimembran 14, die an der
röhrenförmigen Leistung 6 befestigt ist.
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Das Metallgehäuse 1 liegt an Masse während der Kupferblock 9 elektrisch
mit dem negativen Pol einer Hochspannungsquelle 15 verbunden ist, deren anderer
Pol ebenfalls an Masse liegt.
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Das zusammengesetzte Element 12 und der Scheibenring 13, die elektrisch
durch den Kupferblock 9 mit dem negativen Pol der Hochspannungsquelle 15 verbunden
sind, bilden so die Katode der Elektronenkanone 8, während die Leitung 6 und die
Membran 14, welche an Masse liegen, die Anode bilden. Auf dem Boden des Gehäuses
1 und senkrecht unter der Kanone 8 befindet sich ein Objekt 16, das der Wirkung
eines Elektronenstrahlenbündels 17 ausgesetzt ist, welches von der Kanone 8 erzeugt
wird. Um die röhrenförmige Leitung
6 ist weiterhin eine Fokussierwicklung
18 angebracht, die dazu dient, die Bündelung des Strahls 17 auf dem Objekt 16 bei
der Bestrahlung sicherzustellen.
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Im Folgenden soll die Funktion der Vorrichtung beschrieben werden:
In das evakuierte Gehäuse 1 wird, entsprechend der beabsichtigten Benutzung, eine
neutrale (beispielsweise 1!helium oder Argon) oder reaktive (beispielsweise Stickstoff)
Gasatmosphäre mit einem Druck in der Größenordnung von 10' bis 10' Torr geschaffen
und bei diesem Druck durch Pumpen und die Betätigung des kalibrierten Absperrschiebers
5 gehalten. Das Anlegen einer hohen negativen Spannung an die Katode der Kanone
8 erzeugt im Inneren des Gehäuses 1 eine lumineszierende Entladung, welche die Ionisation
des Gases bewirkt. Ein Teil der gebildeten Ionen beschießt so die Stirnfläche 12a
des zusammengesetzten Elementes 12, welche daraufhin unter dem Einfluß dieses lonenbeschusses
das Sekundärelektronenstrahlbündel 17 aussendet, das ansc'.llieBend auf das zu behandelnde
Objekt 16 fokussiert wird. Der Ionenbeschuß hätte jedoch die Tendenz - wenn keine
besonderen Maßnahmen getroffen wären - die Emissionsfähigkeit des Elements 12 stark
herabzusetzen und damit seine Erschöpfung herbeizuführen. Es ist daran zu erinnern,
welche Auswirkungen die Emissionsfähigkeit des zusammengesetzten Elementes 12 auf
einen großen Teil der Isolationseigenschaften des Oxids hat, wobei dazu konunt,
daß die Qualität der Isolation mit der Temperatur abnimmt. Das Vorhandenscin des
Kuj>feiblocks 9 mit dem Wasserzirkulationssystem 10 sorgt für die Aufrechterhaltung
der guten Emissionsfähigkeit des zusammengesetzten Elementes 12 dadurch, daß es
die gleichbleibende Kühlung sicherstellt. Vorzugsweise ist die Verjüngung des Kupferblocks
und der Durchsatz der Wasserzirkulation 10 so gewählt, daß die TemperaLur des zusammengesetzten
Elementes 12 die umgebende Temperatur um nicht mehr als einige zehn Grad überschreitet.
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Infolge des dauernden Ionenbeschusses ist die emittierende Stirnfläche
12a des zusammengesetzten Elementes 12 im übrigen einem stetigen Prozeß der Pulverisierung
unterworfen, wobei die Tonerdeeinschlüsse, die in dem Element 12 enthalten sind,
in zunehmendem Maße abgetragen werden. Die so abgetragenen Aluminiumeinschlüsse
lagern sich auf Teilen ab, die an die emittierende Fläche 12a angrenzen, d.h.
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auf dem Ring 13, wo sie eine Schicht bilden, die stetig dicker wird.
Es ist oben bereits dargelegt worden, daß diese starke dielektrische Tonerdeschicht
der Grund für das Auftreten von Oberschlägen sein kann, weil der katodische Spannungsabfall,
der gleichmäßig über den schwarzen Katodenraum verteilt war, sich jetzt in der Aluminiumschicht
konzentriert. Es soll dabei darauf hingewiesen werden, daß der Abstand zwischen
Katode und Anode, genauer gesagt zwischen dem Ring 13 und der Membran 14, anfangs
so gewählt ist, daß er kleiner ist als der schwarze Katodenraum. Um das Risiko der
Oberschlagsbildung zu vermeiden, ist es günstig, diese weniger isolierende Aluminiumschicht
dadurch zu beseitigen, daß der Ring 13 aufgeheizt wird, wobei die Kühlung des zusammengesetzten
Elementes 12 auf keinen Fall beeinträchtigt werden darf, da letztere sonst ihre
Emissionsqualität verlieren wUrde. Gemäß dem in Fig. 2a dargestellten Ausführungsbeispiel
wird diese Aufheizung dadurch erreicht, daß der aktive Teil der Katode, d.h. die
das Elektronenstrahlenbündel 17 aussendende Oberfläche, nicht ausschließlich von
der Oberfläche 12a des Elementes 12 begrenzt ist, sondern geringfügig von dem Ring
13 überdeckt wird. Derjenige Anteil der lonenstrahlung, welche den Ring 13 trifft,
welcher sich in schlechtem thermischen Kontakt mit dem Element 12 befindet, trägt
dazu bei, die Aufheizung des Ringes 13 sicherzustellen. Der Durchmesser des aktiven
Bereichs einer Kanone zum Erzeugen lumineszierender Entladungen hängt bekanntlich
unter anderem von der Geometrie der Elektroden, der angelegten Spannung und dem
im Inneren des Gehäuses herrschenden Druck ab. Der gewünschte
aktive
Teil läßt sich daher durch Einstellung der Spannung und/oder des Druckes erreichen.
Vorzugsweise wird der Durchmesser des aktiven Bereiches des Bündels so gewählt,
daß die Temperatur des Ringes 13 zwischen 2000 und 400"C liegt.
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Die in Fig. 3 dargestellte Variante einer Kanone stimmt im wesentlichen
mit derjenigen gemäß Fig. 2 überein. Es unterscheidet sich nur die Art der Heizung
des Ringes 13, welche hier durch elektrische Widerstände 20 bewirkt wird, die oberhalb
des Ringes 13 angeordnet sind, wobei der verbleibende aktive Bereich der Katode
jetzt durch das zusammengesetzte Element 12 begrenzt ist.
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Eine derartige Abwandlung ist dann besonders vorteilhaft, wenn die
Kanone intermittierend - anstatt kontinuierlich -arbeiten soll. Derartige Impulse
kurzer Dauer werden beispielsweise bei Schweißanwendungen verwendet. Die Heizelemente
20 können dann ständig angeschlossen bleiben, so daß eine dauernde Erwärmung des
Ringes 12 gewährleistet ist, obgleich die Kanone intermittierend arbeitet.
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Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kanone,
bei der die Mittel zur Sicherstellung der Erneuerung bzw. Regeneration der dielektrischen
Bereiche der Emissionsfläche durch bezüglich der Katode "äußere" Mittel gewährleistet
werden. In der in dieser Figur dargestellten Kanone besteht die Katode aus einem
Mittelkörper 22 aus reinem Metall, wie beispielsweise Aluminium, wobei das Gehäuse
dazu dient, eine verdünnte Sauerstoffatmosphäre aufzunehmen.
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Eine derartige Kanone kann beispielsweise bei der bei einem reaktiven
Ionenablagerungsverfahren verwendet werden, um im hinblick auf die Erzeugung von
Oxidablagerungen Metall zu verdampfen. Die anfänglich auf der Oberfläche des Körpers
22 aus Aluminium vorhandene Aluminiumschicht wird entsprechend
der
Abnutzung dieses Körpers 22 wegen des Vorhandenseins der Sauerstoffatmosphäre ständig
erneuert. Der Körper 22 hat im übrigen eine konkave Form und er ist von einer ringförmigen
Platte 23 umgeben, die ebenfalls konkav ist.
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Diese konkave Form ermöglicht es, unmittelbar und ohne Fokussierungsspule
einen gebündelten Strahl 24 zu erhaiten.
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Die Fign. 5 und 6 zeigen eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Kanone, bei der dem ringförmigen "Antidurchschlags"-Element der vorangehenden Ausführungsformen
die zusätzliche Aufgabe einer "Vorfokussierungs-Elektrode" übertragen wurde, so
daß sich bei der endgültigen Fokussierung ein sehr viel konzentrierteres Strahlenbündel
ergibt.
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Eine derartige Ausführungsform ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen,
welche Vakuumschweißungen betreffen, bei denen energiereiche Strahlenbündel hoher
Konzentration notwendig sind.
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Es ist bekannt, derartige Strahlenbündel mittels Elektronenkanonen
mit Glühkatoden zu erzeugen, bei denen die besondere hohe Leistungsfähigkeit des
Strahlenbündels wegen der großen Emissivität von Glühkatoden (die 1 A/cm2 überschreitet)
erhalten wird. Derartige Kanonen erlauben typischerweise die Konzentration eines
Strahlenbündels hoher Leistungsfähigkeit (von einigen kW bis zu einigen zehn kW)
und kleinem Konvergenzwinkcl (einige Grad) auf einen Punkt kleinen Durchmessers
(typischerweise 0,5 mm) in der Weise, daß sich tiefe Schweißnähte realisieren lassen.
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Kanonen mit Glühkatoden haben jedoch den schwerwiegenden Nachteil,
daß sie ein erhöhtes Vakuum (< 10 4 Torr) benötigen, so daß sie im Betrieb bezüglich
der Entgasung der schweißenden Teile empfindlich sind, es sei denn man greift auf
eine Differentialpumpen-Technik zurück, welche nicht nur kompliziert und teuer ist,
sondern auch die Lebensdauer der Katoden
herabsetzt. Da sie auch
sehr empftndlich gegen durch das Phänomen der Raumladung entstehende Divergenzkräfte
sind, müssen sie bei sehr hohen Spannungen (30 bis 60 kV) arbeiten, was eine aufwendige
Technologie (Isolierung, Schutz vor Röntgenstrahlung, Entkopplung der Heizung, Stabilität
der Katode) bedingt.
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Die Verwendung von Kanonen mit Kaltkatoden und lumineszierender Entladung
anstelle der üblichen Glühkatoden bildet besonders für Schweißanwendungen eine vielversprechende
Alternative, welche insbesondere bezüglich der Einfachheit der Konstruktion und
Anwendung große Vorteile bietet. Das geringe benötigte Vakuum (in der Größenordnung
von 10 2 Torr) läßt praktisch alle Entgasungsprobleme bei den zu verschweißenden
Teilen entfallen, während die benötigten Spannungen relativ niedrig bleiben (15
bis 25 kV), da die Raumladung auf dem größten Teil des mit diesen Kanonen erhaltenen
Entladungsweges neutralisiert ist.
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Die Kanonen zur Erzeugung lumineszierender Entladung haben jedoch
trotz der zuvor erwähnten Vorteile den Nachteil geringer Emissivität, die im allgemeinen
zwischen 10 3 und 10'2 A/cm2 liegt. Die Mittel zur Erneuerung des dielektrischen
Materials auf der emittierenden Fläche der Katode, wie sie anhan-l der obigen Ausführungsformen
dargestellt wurden, gestatten cs, die Leistungsfähigkeit beträchtlich heraufzusetzen.
Eine weitere Möglichkeit die Leistung zu steigern, besteht in der Benutzung hoher
Spannungen, da eine gewisse Proportionalität zwischen der Dichte der Elektonenemission
und dem Spannungsabfall an der Katode oberhalb der Zündschwelle besteht. Eine dritte
Möglichkeit die Leistungsfähigkeit heraufzusetzen, um mit denjenigen.der Glühkatoden-Kanonen
vergleichbare Leistungen zu erzielen, besteht schließlich darin, Entladungen in
einem Bereich zu nutzen, bei dem ein wesentlicher Bereich der Katodenoberfläche
betroffen ist,
wozu der Druck im Inneren des Gehäuses entsprechend
verändert wird. Dabei macht man sich die Tatsache zunutze, daß die aktive Oberfläche
der Katode mit dem Druck zunimmt.
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Das Erzeugen einer Entladung mit großem Durchmesser hat jedoch den
Nachteil zur Folge, daß eine Schwierigkeit darin liegt, das Elektronenstrahlbündel
genau mit einem geringen Konvergenzwinkel zu fokussieren. Diese Schwierigkeit beruht
im wesentlichen auf Parallelabweichungen, welche durch die Kante der Katode hervorgerufen
werden und daneben wesentlich auch auf Fokussierungsabweichungen der Magnetspule
(die um so größer werden, je größer der Durchmesser des Bündels und die Brennweite
der Spule sind). Es handelt sich dabei im wesentlichen um eine sphärische Aberration.
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Die in Fig. 5 und 6 dargestellte Ausführungsform hat zum Ziel eine
Vorfokussierung zu erreichen mittels einer Strukturkorrektur der Feldlinien durch
Randeffekt, in der Weise, daß in die Fokussierungsspule (Spule zur Feinkonzentration)
ein Strahlenbündel mit verringertem Durchmesser eintritt, wodurch es möglich wird,
die Brennweite der Spule und den ein- und austretenden Konvergenzwinkel zu verringern,
so daß die oben erwähnten Fehler durch die gleichzeitige Verringerung des Durchmessers
des Strahlenbündels und der Brennweite der Spule herabgesetzt werden. In besonders
vorteilhafter Weise kann diese Struktur durch das ringförmige "Antidurchschlags"-Element
selbst gebildet werden, wobei die Voraussetzung besteht, daß das letztere eine geeignete
Form aufweist, wie sie dem zuvor beschriebenen entspricht. Die in den Fign. 5 und
6 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 1 nur darin,
was die Ausbildung des emittierenden Bereichs der Katode 28 anbetrifft, wohingegen
die übrigen Elemente im wesentlichen gleichbleiben (übereinstimmende Elemente sind
mit identischen Bezugszeichen versehen). In den Fign. 5 und 6 ist so das mit einer
Evakuierungsöffnung 2 und
mit einer Zufuhröffnung4 xtersehene Gehäuse
1 wiederzuerkennen.
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Die röhrenförmige Metalleitung 6 verbindet den oberen Teil mit dem
Gehäuse 1. Das Gehäuse 1 und die Leitung 6 sind mit Masse verbunden und bilden die
Anode der Kanone. Die Fokussierwicklung 18 ist um die Leitung 6 herum angeordnet.
Der Kühlblock 9 der Katode 28 ist mit dem Ende der Leitung 6 über einen Isolierring
11 verbunden. Die Katode 28 ist an die Hochspannungsquelle 15 angeschlossen. Der
emittierende Bereich der Katode 28 wird durch einen zylindrischen Mittelkörper gebildet,
welcher unter dem Kühlblock 9 angeordnet ist, wobei der zylindrische Mittelkörper
32 aus dem oben beschriebenen zusammengesetzten Material besteht, welches eine metallische
Matrix aufweist, in die eine Vielzahl von dielektrischen Einschlüssen eingebracht
ist. Um die freie Fläche des Mittelkörpers 32 ist ein zylindrisches Hülsenteil 33
aus Metall, das eine kleine Dicke aufweist, angeordnet und erstreckt sich in axialer
Richtung von der freien Fläche um eine Länge e in die Leitung 6 hinein, wobei es
konzentrisch zur Entladungszone verlauft.
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Die äußere Abmessungen des Mittelkörpers 32 und des Hülsenteils 33
sind so gewählt, daß der Abstand d, welcher das Hülsenteil 33 von der Leitung 6
(Anode) trennt, klein ist gegenüber dem Radius R der Katode, in der Weise, daß direkte
"Paschen"-UberschlAge zwischen Hülsenteil und Anode verhindert werden. Die Dicke
des Hülsenteils 33 ist im übrigen ausreichend dünn, um die Wärmeleitung zum Mittelkörper
32 so klein zu machen, daß das Hülsenteil sich unter dem Einfluß des Ionenbombardements
trotz der Abkühlung des Mittelkörpers 32 ausreichend aufheizen kann. Typischerweise
liegt der Radius R des Mittelkörpers 32 zwischen 30 und 100 mm, der Abstand d, der
das Hülsenteil 32 von der Anode trennt, zwischen 2 und 6 mm und die axiale Erstreckung
e des Hülsenteils zwischen 4 und 40 mm. Die Dicke des Hülsenteils kann im übrigen
in der Größenordnung von 1 bis 2 mm liegen.
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Die Ausbiidung der lumineszierenden Entladung in der Vorrichtung,
wic sie beschrieben wurde, findet statt mit der Erzeugung eines Elektronenstrahls
34 mit großer Leistung, der auf dem zu behandelnden Objekt 16 zu einem Punkt großer
Konzentration gebündelt wird. Der Durchmesser d des Punktes liegt dabei in der Größenordnung
von 0,5 mm. Die starke Konzentration des Elektronenstrahls 34 wird durch das Vorhandensein
des Hülsenteils 33 möglich, welches eine Vorbündelung im Anfangsbereich des Strahls
dadurch erzeugt, daß die Fcldlinien im Bereich des emittierenden Teils der Katode
28 in geeigneter Weise verändert werden. (Der grundsätzliche Verlauf der Feldlinien
35 geht aus der Zeichnung hervor.) Die Vorbündelung ermöglicht es, die Brennweite
der durch die Wicklung 18 gebildeten Spule zu vermindern. Zum Vergleich ist in der
Zeichnung (Fig. 5) der Verlauf eines Elektronenstrahlenbündels 36 dargestellt, welches
von der Katode 28 erzeugt würde, wenn das Hülsenteil 33 zur Vorbündelung nicht vorhanden
wäre. (Die Verhältnisse entsprechen dann im wesentlichen denjenigen, wie sie in
Fig. 1 dargestellt sind, wo die Konzentration des Elektronenstrahlenbündels lediglich
aus Vereinfachungsgründen punktförmig dargestellt ist.) Es ist ersichtlich, daß
die erhaltene Konzentration bei gleichen Konvergenzwinkel wesentlich geringer ist
(der Durchmesser d2 nimmt eine Größenordnung von 5 mm an). Dazu kommt auch noch,
daß die Brennweite zugenommen hat. Das Hülsenteil 33 zur Vorbündelung bildet während
der Funktionsdauer der Kanone auch noch ein "Antidurchschlags"-Element, weil es
notwendigerweise die durch das Ionenbombardement pulverisierten dielektrischen Partikel
sammelt, wobei es aufgrund seiner geringen Dicke unter dem Einfluß des Ionenbombardements
so aufgeheizt wird, daß das Entstehen von elektrischen Uberschlägen ausgeschlossen
ist.
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Die beschriebene der Vorbündelung dienende Anordnung (Hülsente . 33)
ist ersichtlicherweise nicht die einzig mögliche.
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Es sind andere Ausführungsformen denkbar, welche ebenfalls eine Korrektur
des Feldlinienverlaufs aufgrund des Kanteneffekts ermöglichen. Das wesentliche Merkmal
dieser Anordnungen besteht darin, daß sie sich mindestens teilweise, ausgehend von
der emittierenden Fläche der Katode, in axialer Richtung erstrecken.
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Fig. 7 gibt ein Ausführungsbeispiel wieder, das eine erste mögliche
Variante darstellt. Hierbei weist ein Hülsenteil 37 mit einer Höhe e2 eine Reihe
lateraler Öffnungen 38 mit einer Höhe e1 auf, welche als Durchlaß für einen Teil
der Feldlinien in der Weise dienen, daß ein durch ein nicht durchlässiges Hülsenteil
eingeführter Fokussierungsfehler mindestens teilweise ausgeglichen wird (Der Verlauf
39 der Feldlinien ist aus der Zeichnung ersichtlich.). In vorteilhafter Weise ist
die Höhe e1 der lateralen oeffnungen 38 so gewählt, daß er zwischen den Werten e2/3
und 2 e2/3 liegt. Das Hülsenteil 37 kann beispielsweise mit einer ringförmigen Kerbe
40 versehen sein, wodurch die Wärmeleitung zum Mittelkörper 32 weiter herabgesetzt
wird, so daß eine Aufheizung begünstigt ist.
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Fig. 8 zeigt eine zweite mögliche Variante, bei der ein Hülsenteil
42 von konischer Form vorgesehen ist, wobei die Leitung 6 einen konischen Bereich
aufweist, welcher demjenigen des Hülsenteils 52 so angepaßt ist, daß zwischen beiden
ein geringer Abstand verbleibt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Vof blung kann entweder mit der
Katode verbunden oder aber auch ein integrierter Bestandteil derselben sein.
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Es sind vielfältige Anwendungen möglich, welche durch eine Elektronenkanone
zur Erzeugung lumineszierender Entladung gemäß der Erfindung verwirklicht werden
können: Benutzung als Evaporationsquelle für die Ablagerung von Ionen (ion plating),
ausgenommen
Atmosphären von reaktivem oder nicht reaktivem Sauerstoff; Anwendungen bei Oberflächenbehandlungen
oder thermischen Behandlungen; Anwendungen beim Löten, Bohren usw.
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Beispiel 1, Ablagerung von Ionen Es wird eine Kanone zur Erzeugung
von lumineszierenden Entladungen gemäß den Fign. 1 und 2 benutzt mit einer Katode,
die aus einem Element von 40 mm Durchmesser gebildet wird.
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Das Element besteht aus reinem Aluminium und ungefähr 10 % Al203,
das in Form von Partikeln der Größenordnung 100 A fein verteilt ist. Das zusammengesetzte
Element ist von einem dünnen Ring aus rostfreiem Stahl umgeben, der einen Außendurchmesser
von 90 mm aufweist, und die Anordnung ist an dem freien Ende einer röhrenförmigen
Leitung von 100 mm Durchmesser angebracht, die als Anode dient, und deren anderes
Ende an das Evakuierungsgehäuse angebracht ist.
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In das evakuierte Gehäuse wird eine ileliumatmosphäre mit einem Druck
von 2 10'' Torr eingebracht und die Katode - das zusammengesetzte Element umgeben
von dem Ring - an ein negatives Potential von 10 kV gelegt. Es zugibt sich ein zylindrisches
Elektronenstrahlenbündel mit einer Wirkleistung von 2 kW (Wirkungsgrad 85 8). Nach
einer Stabilisationszeit von 5 bis 10 min beträgt die Leistung 1,7 kW, bei einem
Wirkungsgrad von 80 .
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Auf dem Boden des Gehäuses und in der Aclxse der Kanone ist ein Graphittiegel
angeordnet, der eine Titanbeladung enthält. Ungefähr 15 cm oberhalb des Tiegels
ist ein Substrat aus Stahl angeordnet, an das eine negative Spannung von 2 kV aXsJelegt
ist. Nachdem das Stahlsubstrat eine Abtragung durch lieliumionenbeschuX von einer
Dauer von ca. 10 min ausgesetzt wal, wird das so erhaltene Strahlenbündel mittels
der Fokussierwicklung auf die Titanbeladung gebündelt. Das Titan schmilzt und ve@@ampft
mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 0,5 g/min. es schlägt sich auf dem Stahlsubstrat
mit einer Niederschla<jsyeschwindigkeit in der Größenordnung von 0,7 nm/min nieder,
wobei es eine sehr haftfähige und dichte Ablagerung bildet.
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Beispiel 2 Es wird eine Ablagerung von Titan unter Bedingungen hergestellt,
die diejenigen des Beispiels 1 (reduzierte Heliumatmosphäre) entspricht, mit dem
Unterschied, daß eine Katode aus reinem Aluminium benutzt wird. Die Anfangsleistung
des erhaltenen ElektronenstrahlenbUndels ist die selbe, aber diese Leistung fällt
nach 15 Minuten auf 0,4 kW.
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Beispiel 3, Schweißen Es wird eine Kanone zur Erzeugung lumineszierender
Entladung gemäß Fig. 7 benutzt, welche eine zusammengesetzte Katode von 110 mm Durchmesser
aufweist. Diese Katode ist von einem zylindrischen, durchbrochenen Hülsenteil geringer
Dicke (ungefähr 2 mm) umgeben, welches sich über eine Länge von 16 mm von der emittierenden
Fläche der Katode aus erstreckt (die Höhe e1 der lateralen öffnungen beträgt genau
8 mm). Der Abstand d zwischen dem Hülsenteil und der Anode beträgt ungefähr
4
mm. Die zu verschweißenden Teile befinden sich in einem Abstand von ungefähr 55
cm von der Katode entfernt. Die Fokussierungsspule hat zu diesen Stücken einen Abstand
von ungefähr 6 cm. In das evakuierte Gehäuse wird eine Heliumatmosphäre von niedrigem
Druck eingelassen und die Katode auf ein negatives Spannungspotential von ungefähr
20 kV gebracht.
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Der Druck der Heliumatmosphäre wird entsprechend der Art der auszuführenden
Verschweißung eingestellt.
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Um auf diese Weise übliche Verschweißungen zu erzeugen (Bleche von
5 bis 10 mm), wird der Druck (ungefähr 4 10 4 Torr) so eingestellt, daß sich ein
Entladungsstrom von 400 mA ergibt. Auf diese Weise ergibt sich ein Strahl mit einer
Leistung von 8 kW, welcher sich auf den zu verschweißenden Werkstücken auf einem
punktförmigen Bereich von ungefähr 1 mm Durchmesser konzentriert, was einer Intensität
von 12 kW/mm2 entspricht.
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Um in entsprechender Weise feinere Verschweißungen (Bleche von 0,1
mm Dicke) zu erzeugen, wird der Druck der Heliumatmosphäre (2 bis 3.102 Torr) so
eingestellt, daß sich ein Entladungsstrom von 40 mA ergibt. Auf diese Weise erhält
man einen Strahl mit einer Leistung von 800 W, welcher sich im Bereich der zu verschweißenden
Werkstücke auf einen Punkt von ungefähr 0,3 mm Durchmesser konzentriert, was einer
Strahlungsintensität von 10 kW/mm' entspricht.
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Patentansprüche: