DE2950897A1

DE2950897A1 - Einrichtung zur erzeugung von elektronenstrahlen

Info

Publication number: DE2950897A1
Application number: DE19792950897
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. Josef 8000 München Kohlmannsperger
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1979-12-18
Filing date: 1979-12-18
Publication date: 1981-06-25
Also published as: GB2067007A; FR2472264B1; DE2950897C2; SE8008545L; IT1134691B; FR2472264A1; IT8026591A0; GB2067007B

Description

wo/td

• MASCHIKENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG
Aktiengesellschaft

München, 13. Dez. 1979

.Einrichtung zur Erzeugung von

Elektronenstrahlen

^ 5 Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die dort genannte Härtung, d. h. Elektronen- oder Elektronenstrahlhärtung, stellt eine meist durch die Strahlung

20über Freiradikalkettenreaktionen herbeigeführte Polymerisation einer Flüssigkeit dar. Eine so zu härtende Flüssigkeit ist praktisch immer ein künstlicher Stoff, z. B. eine Akrylverbindung. Eine zu härtende Schicht kann auch z. B. eine Lack- oder Isolierschicht sein. Eine zu härtende

"Schicht, im allgemeinen eine Oberflächenschicht, aber auch eine Zwischenschicht, ist insbesondere relativ dünn. Das zu härtende Gut bzw. Material wird während des Einstrahlens im allgemeinen bewegt, und zwar quer zur Richtung der Elektronenstrahlen.

Eine anfangs genannte Einrichtung ist bekannt durch "Technical Paper FC75-311 of SME Society of Manufacturing Engineers", 20501 Ford Road, Dearborn, Michigan 48128, USA. Dort handelt es sich um die Härtung einer Ober-

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flächenschicht, die aus einer zähen Flüssigkeit, und zwar einem Monomer-Polymer-System, z. B. Urethan, besteht. Diese Schicht ist insbesondere durch Bedrucken einer Papierbahn hergestellt. Die Schicht wird dadurch gehärtet, daß es in ihr durch die Elektronenenergie zu freien Radikalen kommt, die die Polymerisationsreaktion des Systems auslösen oder einleiten und die Polymerisation ausbreiten.

Die bekannte Einrichtung ist eine zylindrische, evakuierte Hochspannungselektronenröhre, und die Kathode ist ein gerader, in der Längsachse dieser Röhre liegender Metalldraht. Der Elektronenstrom hat die Form eines Vorhangs, wird radial durch den Vakuumraum der Röhre hindurch zu einem die Elektronen durchlassenden Metallfenster der Röhre beschleunigt, durch das hindurch er in die Umgebungsluft eintritt, um dann durch diese hindurch schließlich in die genannte Oberflächenschicht einzudringen.

Die bekannte Einrichtung hat mehrere Nachteile: Die Preiset zung der Elektronen erfolgt durch Beheizung der Kathode. Dabei entstehen durch sehr hohe Temperaturen (bis 25OO K) Wärmestrahlungs- und -leitungsverluste, wodurch der Wirkungsgrad der Elektronenerzeugung beeinträchtigt wird. Die hohe Temperatur und Heizleistung wird wegen der hohen Austrittsarbeit des Drahtmetalls benötigt. Ferner können durch Inhomogenitäten des Drahtmetalls Probleme der Gleichmäßigkeit der Elektronenemission (bzw. -aussendung) auftreten. - Vorteile sind der sehr kompakte Aufbau, der geringe Abschirmaufwand und die Unabhänigkeit der Bauhöhe von der Breite des zu härtenden Guts.

Durch die genannte Druckschrift ist zum selben Zweck auch eine evakuierte Beschleunigungsröhre bekannt, die eine

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punktförmige Kathode aufweist· Die Elektronenstrahlen von dieser Kathode werden über die Breite der Oberflächenschicht abegelenkt. Vorteilhaft sind hier u. a. der relativ niedrige Heizaufvand -und die relativ geringe Temperatur der Kathode. Hachteile der Einrichtung sind folgende: Sie hat ein großes abzuschirmendes Volumen und ist um ein Vielfaches höher als die erstgenannte "bekannte Einrichtung, ferner muß durch elektronische oder elektronenoptische Maßnahmen dafür gesorgt werden, daß die Elektronenstrahlen ständig auf das zu härtende Gut bzw. Material fokussiert werden. Durch die große Bauhöhe und zusätzliche Steuerungsmaßnahmen ist die Einrichtung teuer, unförmig und unhandlich. Die beschleunigende Spannung ist höher als im vorher "beschriebenen Fall und "beträgt mehrere Hundert Kilovolt.

Es gibt noch eine weitere Möglichkeit zur Auslösung von Elektronen aus Metallen. Es handelt sich um die Erzeugung

„β von Elektronen durch Feldemission. Die Erscheinung der Feldemission ist an hohe Feldstärken u/r (u » Spannung, r ■ Krümmungsradius) gebunden. Hohe Spannungen sind aus mehreren technischen Gründen unwirtschaftlich. Daher werden kleine Radien benutzt, um zu hohen Feldstärken zu kom-

nr men.

Dies ist auch bei den Dünnfilmfeldemissionskathoden der Fall, die bekannt sind durch "Journal of Applied Physics", Vol. 47, No. 12, Dez. 1976, Seiten 5248 bis 5263, Copy-

3Q right 1976 American Institute of Physics, USA. Die gesamte Kathodenfläche bedeckt z. B. ein Quadrat von 0,25 mm Seitenlänge. Die Kathode ist dreischichtig. Die untere Schicht (Substrat, Unterlage) besteht aus elektronisch hochleitfähigem Silizium, hat eine Dicke von mehreren Zehntelmillimetern und ist an ihrer Oberseite oxidiert,

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was die mittlere, aus Siliziumdioxid "bestehende Schicht ergibt. Diese ist isolierend, d. h. elektrisch nicht leitend. Ihre Dicke "beträgt ungefähr 1,5/tm (1/<.m » 0,001 mm), Die obere Schicht ist ungefähr 0,4-/cm dick, besteht aus einem geeigneten Metall, insbesonders Molybdän, ist also elektrisch leitend. In ihr sind durch Ätzen 100 Locher mit etwa gleichem Durchmesser gleichmäßig verteilt eingebracht. Dieser liegt bei verschiedenen Ausführungen zwischen 1 ^m und 3^m. Durch Ätzen der mittleren Schicht

mit einem anderen Mittel durch diese Löcher hindurch sind Unterhöhlungen geschaffen, die bis zur oberen Oberfläche der unteren Schicht reichen. Durch Elektronenstrahlverdampfung ist in jeder dieser Unterhöhlungen auf der eben genannten Oberfläche ein Kegel aus einem geeigneten Me-

^ tall, insbesonders Molybdän, aufgebracht, dessen Spitze sich im Gebiet des Lochs befindet. Die Kathode hat eine sehr große Dichte der Kegel bzw. Einzelkathoden. Es wurden drei solche Kathoden in einer Vakuumröhre, und zwar einer Lebensdauerprüf röhre, auf einem kleinen Kopfstück gegenüber einer Stirnseite einer stabförmigen, kupferförmigen Sammelelektrode vorgesehen.

Jeder Kegel hat an seiner Spitze einen sehr kleinen Krümmungsradius r von ungefähr 500 A. Dadurch und durch eine

Beschleunigungselektrode nahe dieser Spitze wird der Betrieb der Kathode bei niedriger Saugspannung möglich. Sie liegt bei Molybdän bei nur etwa 100 Volt (V) bis 200 Volt, Die Dauerströme der einzelnen Kegel sind groß und liegen zwischen 50/<A und 150/<A oder auf Stromdichten bezogen bei bis etwa 12 A/cm .

All das oben über die Elektronenerzeugung durch Feldemission und über die Dünnfilmfeldemissionskathoden Ausgeführte ist nicht im Zusammenhang mit Elektronenhärtung

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"bekannt.

Aufgabe gemäß der Erfindung ist es, die anfangs genannte Einrichtung so auszubilden, daß sowohl der Heizaufwand * und die Kathodentemperatur als auch die Bauhöhe möglichst gering sind und weitere genannte Nachteile der "beiden erstgenannten "bekannten Einrichtungen entfallen und außerdem eine Verbesserung der Härtung möglich ist.

" Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs Λ gelöst.

Es handelt sich also um die Anwendung von Dünnfilmfeldemissionskathoden für die Elektronenstrahlhärtung. Dabei sind die Kegel "bzw. Einzelkathoden über eine für diese Härtung passende Fläche oder Breite und Länge angeordnet. Die Erfindung stellt ein ausgezeichnetes Mittel zur Verbesserung der Einrichtung, der Emission und der Härtung dar: Die niedrige Saugspannung an der Beschleunigungselektrode und die große Kathodendichte ermöglichen eine sehr stabile Emission. Die niedrige Saugspannung ermöglicht auch eine sehr lange Lebensdauer der Kathode und eine geringe Empfindlichkeit gegen lonisationseffekte durch umgebendes Restgas. Es treten keine warmestrahlungs- und -leitungsverluste auf. Es gibt keine Heizung und daher keine Verluste durch Wärmeentwicklungj somit ist der Wirkungsgrad der Elektronenerzeugung größer. Es handelt sich um eine Kaltkathode. Die Einrichtung kann mit geringer und von der Breite des zu härtenden Guts bzw. Haterials unabhängiger Bauhohe und kompakt und ohne großen Abschirm- und Steuerungsaufwand ausgeführt werden. Inhomogenitäten eines Drahtmetalls gibt es hier nicht. Es ist eine große Gleichmäßigkeit der Elektronenerzeugung erziel- - bar, v/eil alle Kegel bzw. Einzelkathoden praktisch gleich

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hergestellt werden können. Durch die große Anzahl der Einzelkathoden ist die Ergiebigkeit der Elektronenerzeugung groß genug für die Härtung. Die Kathodendichte braucht nicht so groß zu sein wie im genannten Pall. Z. B. befinden sich auf einer Fläche von 1000 mm 700 bis 2000 Kegel. Es gibt ferner bei diesen vielen Einzelkathoden bei Ausfall einzelner Kegel keinen Ausfall der gesamten Elektronenerzeugung und keinen Stillstand der Härtungsanlage, z. B. während des Drückens. Die gewünschte Verbesserung der Härtung ist ebenfalls durch die vielen Einzelkathoden möglich, denn es kann die Elektronenverteilung auf dem zu härtenden Gut durch die Anordnung der Kathoden sehr genau an die Reaktionskinetik des Materials angepaßt werden. Es ist z. B. eine gleichmäßige, ungleichmäßige, symmetrische oder asymmetrische Einstrahlung erzielbar.

Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der Erfindung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.

Besonders zu empfehlen ist die längliche Dünnfilmfeldemissionskathode gemäß dem Anspruch 2 oder 3> die im allgemeinen horizontal liegt. Es wird damit ein Elektronenstrahlvorhang erzeugt, insbesondere zur Härtung eines Guts bzw. Materials, das etwa so breit ist wie dieser Vorhang. Im Fall des Anspruchs 3 kann der Steuerungsaufwand sehr klein sein. Das Vorgehen gemäß dem Anspruch J oder 4 macht die Herstellung der länglichen Kathode relativ einfach. Die länglichen, flachen Einheiten, wie Plättchen, Bänder oder dgl., sind im allgemeinen nahtlos bzw. dicht aneinandergereiht. Mit den Abmessungen gemäß dem Anspruch 5 ist diese Kathode in der Praxis insbesondere für die Härtung einer Schicht auf einer Papierbahn oder dgl. geeignet. Der Träger gemäß dem Anspruch 6 macht die Kathode stabil und strapazierfähig. Der Träger kann im Querschnitt hinterschnitten sein, und in eine solche Schiene

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sind dann die genannten Einheiten eingeschoben. Es kann sich auch um einen Eräger oder eine Stange aus keramischem Werkstoff und einer daran oder darauf festsitzenden, längs durchgehenden Siliziumschicht handeln, an oder auf der dann die beiden anderen genannten Schichten und die Kegel vorgesehen sind. Durch die unterschiedliche Kegel- "bzw. Kathodendichte gemäß dem Anspruch 7 ist für das Strahlenbündel bzw. den Strahlenvorhang eine ent-

,Q sprechend unterschiedliche Verteilung der Elektronen in Bewegungsrichtung des zu härtenden Guts vorgegeben. Somit ist also gezielt auf die Reaktionskinetik dieses Guts bzw. Materials eingegangen. Diese Verteilung der Elektronen kann z. B. eine symmetrische oder asymmetrische Gauß-

jc verteilung, eine Rechteckverteilung oder eine Dreieckverteilung sein. Die genannte Unterschiedlichkeit der Kegelbzw· Kathodendichte kann stark sein. Im Fall der länglichen Kathode verläuft die genannte Bewegungsrichtung quer zur Längsrichtung dieser Kathode. Mit den Mitteln des Kennzeichens des Anspruchs 8 wird entsprechend der in jener Bewegungs- bzw. Querrichtung gemessenen Breite des Elektronenaustrittsfensters der Elektronenstrahl auf die richtige Breite gebracht bzw. ein Auseinanderlaufen des Elektronenstrahlbündels vermindert oder vermieden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung vereinfacht und schematisch dargestellt .

Fig. 1 zeigt einen mittleren Teil der Einrichtung im Längsschnitt.

Fig. 2 zeigt die Einrichtung in einem Querschnitt H-II (siehe Fig. 1).

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Pig. 3 zeigt eine Einzelkathode im Querschnitt II-II in • stark vergrößertem Maßstab und in Bezug auf Fig. 2 - in der Zeichenebene um 180° gedreht.

Pig. 4 zeigt einen Teil der Kathode in Ansicht aus Richtung A.

Wie aus Pig. 1 und 2 hervorgeht, ist die Einrichtung eine zylindrische, horizontal angeordnete Elektronenstrahlröhre zur Erzeugung von Elektronenstrahlen für Elektronenhärtung. Im Innenraum 21 dieser Röhre bzw. ihres Gehäuses 22 herrscht Vakuum. Die Kathode ist eine gerade, parallel zur Längsachse 25 der Röhre etwas oberhalb der ,. Längsachse 25 verlaufende Dünnfilmfeldemissionskathode Sie ist im Querschnitt II-II rechteckig und weist ein Keramiksubstrat, d. h. einen geraden, langen, etwa 2,5 ran dicken Träger 11 aus keramischem Werkstoff auf, und unten an diesem sitzen fest mehrere längliche, flache, unter-

2Q einander gleich breite, stirnseitig dicht beieinanderliegende Plättchen 12 aus einer etwa 0,7 nun dicken Siliziumschicht 13» einer etwa 1,5/^® dicken Siliziumdioxidschicht 14, einem 0,4/<m dicken Molybdänfilm 15 und etwa 900 gleichen Kegeln 16, aus Molybdän, bzw. Einzelkathoden Je Plättchen 12 - siehe Fig. 3. Jedes Plättchen 12 ist 15 ran breit, wie auch der Träger 11, und 70 mm lang. Die Kathode 10 ist unten eben, d. h. die Molybdänkegel 16 sind in einer horizontalen Ebene 17 angeordnet und zeigen mit ihrer Spitze nach unten. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, befindet sich Jeder Molybdänkegel 16 in einer kreisrunden Höhlung oder Unterhöhlung (Kammer) 18 in der Siliziumdioxidschicht 14 mit seiner Grundfläche auf der Siliziumschicht 13 und mit seinem Ende in einer kreisrunden öffnung 19 im Molybdanfilm 15, v/obei die Kegelspitze 20 sich etwa in der Ebene 17 befindet. Die Länge der Kathode 10

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ist etwa so groß wie oder etwas kleiner als die Breite des zu härtenden Guts, die z. B. 1 Meter "betragen kann. Das Gehäuse 22 ist die Anode der Bohre. Die Röhre weist gegenüber der Unterseite der Kathode 10 parallel zur Kathode 10 verlaufend ein elektronendurchlässiges ELektronenaustrittsfenster 23 aus Metall (Lenardfenster) auf. Parallel zur Kathode 10 befinden sich zwischen ihr und dem Fenster

23 "bzw. der Anode seitliche, 'bandförmige Steuerelektroden

24 und 24'. Sie verlaufen parallel zur Längsachse 25, verlaufen und stehen parallel zueinander und stehen in Fig. 2 etwa senkrecht zur Ebene 17· Sie sind symmetrisch zur Längsachse 25 angeordnet, wobei ihr gegenseitiger Abstand etwas größer ist als die Breite der Kathode 10. Das Fenster 23 ist noch etwas breiter. An die Steuerelektroden 24

und 24' kann eine mehr oder weniger große negative Spannung (-U) angelegt werden. Die Pfeile 26 deuten die Elektronenstrahlen an, und der Pfeil 27 gibt die Bewegungsrichtung des zu härtenden Guts an. Fig. 3 deutet eine in „_n dieser Bewegungsrichtung zunehmende Kegel- bzw. Einzelkathodendichte an, was eine dreieckige Verteilung der Elektronen ergibt.

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Claims

v/o/td

' MASCJHINENPABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG
Aktiengesellschaft

München, 13. Dez. 1979

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Erzeugung von Elektronenstrahlen, mit einer Elektronen emittierenden Kathode, zur Härtung, im allgemeinen einer Oberfläche oder Oberflächenschicht, insbesondere zähflüssigen, vorzugsweise durch Bedrucken hergestellten Oberflächenschicht, z. B. einer Farbschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine Dünnfilmfeldemissionskathode mit zahlreichen, die Elektronen emittierenden Kegeln (16) ist,

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnfilmfeldemissionskathode (10) länglich ist.

5. Einrichtung zu Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegel (16) der länglichen Dünnfilmfeldemissionskathode (10) in einer Ebene (1?) angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß sich die längliche Dünnfilmfeldemissionskathode (10) aus längs aufeinanderfolgenden,

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länglichen, flachen Einheiten (12) zusammensetzt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die meisten dieser Einheiten (12) gleich lang, und zwar 60 mm bis 90 mm lang, und sämtliche Einheiten (12) gleich "breit, und zwar 5 mm "bis 20 mm breit,sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, 3» 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die längliche Dünn filmfeldemissionskathode (10) an oder auf einem zu ihr längs verlaufenden, keramischen Träger (11) vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegel- bzw. Kathodendichte in Bewegungsrichtung (Pfeil 27) des zu härtenden Guts in Abhängigkeit von dessen Reaktionskinetik unterschiedlich ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7» dadurch

gekennzeichnet, daß parallel zur länglichen Dünnfilmfeldemissionskathode (10) verlaufend zwischen dieser (10) und einem Elektronenaustrittsfenster (23) seitliche, bandförmige, sich einander flächig gegenüberstehende Steuerelektroden (24,24·) zur Verhinderung oder Verminderung einer Divergenz der Elektronenstrahlen (Pfeile 26) quer zur Bewegungsrichtung des zu härtenden Guts vorgesehen sind.

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