DE2815478C2 - Technisches Ladungsträgerstrahlgerät zur Materialbearbeitung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein technisches Ladungsträgerstrahlgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei dem technischen Ladungsträgerstrahlgerät zur Materialbearbeitung, wie zum Schweißen, Bohren, Fräsen, Härten u. a. m. ist es meistens erwünscht, den Ladungsträgerstrahl, gewöhnlich ein Elektronenstrahl, möglichst scharf, d. h. auf einen möglichst kleinen Flächenbereich zu fokussieren.

Ein bekanntes technisches Ladungsträgersirahlgerät der eingangs genannten Art (DE-OS 26 27 632) enthält eine Ladungsträgerquelle, die aus einer Kathode, einem Wehnelt-Zylinder und einer Beschleunigungselektrodc besteht und einen Ladungsträgerstrahl liefert, der einen nahe den Elektroden der Ladungsträgerquelle gelegenen Bereich geringsten Strahlquerschnittes aufweist. Dieser erste Bereich geringsten Strahlquerschnittes wird durch eine erste Linse in einen zweiten Bereich geringsten Strahlquerschnittes (»Zwischenfokus«) abgebildet und das von diesem Zwischenfokus dann wieder divergierende Teilchenstrahlbündel wird durch eine zweite oder Hauptlinse in einen Hauptfokus in oder bei einer Bearbeitungszone einer Werkstückanordnung fokussiert. Dabei ist zwischen dem Zwischenfokus und der zweiten Linse eine Strahlblende angeordnet, die dort den Bündelquerschnitt begrenzt und die Abbildungsfehler verringert, so daß sich ein schärferer Hauptfokus ergibt. Bei einem solchen Abbildungssystem ist es auch bereits bekannt, am Ort des Zwischenfokus die Strahlblende anzuordnen. Aus der o. g. DE-OS ist i:s auch bekannt, zwischen einer den engsten Strahlquerschnitt in einen Zwischenfokus abbildenden Linse und dem Zwischenfokus eine Blende anzuordnen, die von einer in Strahlrichtung nachfolgenden Linse auf ein Werkstück abgebildet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abbildungseigenschaften eines Ladungsträgerstrahigeräts dieser Art weiter zu verbessern, so daß sich ein noch schärferer Hauptfokus ergibt, d. h. die Energie des Ladungsträgerstrahl soll in einen scharf begrenzten Bereich fokussiert werden, der kleiner ist als es mit den bekannten Ladungsträgerstrahlgeräten möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem technischen Ladungsträgerstrahlgerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen eines solchen Ladungsträgerstrahlgeräts.

Dadurch, daß die den Strahlquerschnitt begrenzende Blende zwischen dem Zwischenfokus und der von der Strahlquelle aus gesehen ersten Linse angeordnet wird, gibt sich überraschenderweise ein für viele Zwecke, insbesondere für das Ladungsträgerstrahlschweißen optimaler Fokus mit maximaler Spitzenstromdichte und kleinster Ausdehnung oder Apertur des das Stromdichtemaximum bildenden Strahlanteils.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Ladungsträgerstrahlgeräts gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. I eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels des Ladungsträgerstrahlgeräts gemäß der Erfindung und

F i g. 2 graphische Darstellungen der Stromverteilung in verschiedenen Strahlquerschnitten längs der Strahlachse.

Das in F i g. 1 als Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellte Elektror;enstrahlgerät enthält eine konventionelle Strahlquelle 10 mit einer Glühkathode 12, einem Wehnelt-Zylinder 14 und einer Anode 15. Die Bahnen der von der Strahlquelle emittierten Elektronen überkreuzen sich in der Nähe der Anode 15 und bilden dort einen ersten Bereich 12 kleinsten Strahlquerschnittes. Dieser erste Bereich 12 kleinsten Strahlqucrschnittes wird durch eine erste elektronenoptische Linse, z. B. eine magnetische Einzellinse 16, die nur schematisch angedeutet ist, in einen zweiten Bereich kleinsten Strahlquerschnittes fokussiert, der als Zwischenfokus 18 bezeichnet werden soll. Der Zwischenfokus 18 wird durch eine zweite elektronenoptische Linse, z. B. wieder eine magnetische Einzellinse 20 in einen Hauptfokus 22 fokussiert, der sich in üblicher Weise in einer Bearbeitungszone einer Werkstückanordnung 24 befindet. Das Elektronenstrahlgerät und der Elektronenstrahl sind im wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich einer Systemachse 26.

F i g. 2 zeigt die Stromdichteverteilung des Elektronenstrahls in verschiedenen senkrecht zur Systemachse 26 verlaufenden Strahlquerschnitten, deren Lage in F i g. 1 angegeben ist. Wie ersichtlich, hat die Stromdichteverteilung im Zwischenfokus 18 eine annähernd gaußförmige Gestalt und wird mit zunehmendem Abstand vom Zwischenfokus 18 in Richtung auf die Hilfslinse 16 immer spitzer. In einer Ebene 28 hat die Stromdichteverteilung (F i g. 2a) ein ausgeprägtes, spitzes Stromdichtemaximum 30 sowie einen relativ breiten

Fuß 32 relativ geringer Stromdichte. Beim weiteren Fortschreiten in Richtung auf die Hilfslinse 16 wird das Maximum 30 dann wieder niedriger, wobei die Breite des Fußes 32 kleiner wird.

In oder in der Nähe der Ebene 28, in-der die Stromdichteverteilung das spitze, hohe Maximum 30 und den niedrigen Fuß 32 hat, wird eine Zwischenblende 34 angeordnet, die, wie durch gestrichelte Linien in F i g. 2a angedeu:et ist, die den flachen Fuß 32 bildenden Elektronenstrahlen abfängt und nur die das hohe, spitze id Maximum 30 bildenden Elektronen durchläßt. Durch entsprechende Einstellung der Hauptlinse 20 läßt sich dann ein sehr kleiner Hauptfokus 22 erzeugen, indem eine sehr hohe Stromdichte herrscht.

Die Zwischenblende 34 ist vorzugsweise wasserge- π kühlt. Sie wird im allgemeinen so bemessen werden, daß sie etwa 5 bis 10%, maximal 20% der Strahlleistung abfängt.

Der axiale Abstand zwischen dem Zwischenfokus 18 und der Ebene 28, in dem der Querschnitt des Eiekironeiiiltahibündeis durch die Blende 34 begrenzt wird, beträgt mindestens 10%, z. B. etwa 20% des Abstandes zwischen der (bildseitigen Hauptebene der) Linse 16 und dem Zwischenfokus 18. Ein Abstand von 50 mm zwischen dem Zwischenfokus 18 und der Ebene 28 bei einem Abstand von 250 mm zwischen der Linse 16 und dem Zwischenfokus 18 hat sich beispielsweise in der Praxis bewährt. Im übrigen kann das System gemäß F i g. 1 etwa folgende Abmessung haben:

Abstand zwischen Anode 15 und erster Linse 16: 200 mm

Abstand zwischen erster Linse 16 und zweiter Linse 20:400 mm

_: Abstand zwischen zweiter Linse 20 und Hauptfokus 22:500 mm.

Bei einem solchen System kann die im Abstand von etwa 50 mm vor dem Zwischenfokus 18 angeordnete Blende 34 einen Durchmesser von etwa 2 mm haben. Der Strahl muß gut bezüglich der Blende 34 fokussiert sein, um übermäßige Strahlverluste und eine zu starke Erhitzung sowie gegebenenfalls eine Zerstörcing der Blende 34 zu verhindern. Die Blende 34 kann zu diesem Zweck verstellbar angeordnet und mit einer Anordnung zum Messen des von ihr aufgenommenen Strahlstromes versehen sein. Anstelle einer Verstellvorrichtung für die Blende 34 kann auch vor der Blende 34 eine Strahlablenkanordnung vorgesehen sein.

Die Anordnung zum Messen des auf die Blende 34 fallenden Strahlstromes kann zwe¹ Paare einander diametral gegenüberliegender Elektroden enthalten, die jeweils mit einer z. B. einen Differenzverstärker enthaltenden Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Regelspannung gekoppelt sind. Die Strahlablenkanordnung kann durch diese Regelspannungen dann automatisch so gesteuert werden, daß der von der Blende 34 aufgenommene Strahlstrom ein Minimum annimmt.

Die Blende 34 kann auch in Richtung der Achse 26 verstellbar gehaltert sein.

Hierzu 1 BIaH Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Technisches Ladungsträgerstrahlgerät zur Materialbearbeitung mit einer L&dungsträgerqueile, einer ersten teilchenoptischen Linse, die die von der Ladungsträgerquelle ausgehenden Ladungsträger in einen Zwischenfokus, in dem der effektive Strahlquerschnitt ein Minimum hat, fokussiert, einer zweiten teilchenoptischen Linse, die den vom Zwischenfokus wieder divergierenden Ladungsträgerstrahl in eine Bearbeitungszone einer Werkstückanordnung fokussiert, bei dem eine den Strahlquerschnitt begrenzende Blende vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (34) zwischen der ersten Linse (16) und dem Zwischenfokus (18) angeordnet ist und daß der Abstand der Blende (34) vom Zwischenfokus (18) mindestens 10% des Abstandes zwischec dem Zwischeaiokus (18) und der ersten Linse (16) ist.

2. Lao-ingsträgerstrahlgerät nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand mindestens 20% beträgt.

3. Ladungsträgerstrahlgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (34) mit einer Kühlvorrichtung versehen ist.

4. Ladungsträgerstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstelleinrichtung zum Zentrieren der Blende (34) bezüglich des Ladungsträgerstrahls vorgesehen ist.

5. Ladungsträgerstrahlgerät nach Anspruch 4, dadurch -gekennZeiciinei, Guß die Verstellvorrichtung in Abhängigkeit von dem auf die Blende (34) fallenden Strom derart geregei. ist, daß dieser Strom einen möglichst geringen Wert annimmt. r,