DE3022127A1 - Strahlendurchtrittsfenster mit einer in einen rahmen gefassten duennen metallfolie - Google Patents

Description

Hahn-Meitner-Institut für Kernforschung Berlin GmbH

Strahlendurchtrittsfenster mit einer in einen Rahmen gefaßten dünnen Metallfolie

Die Erfindung betrifft ein Strahlendurchtrittsfenster mit einer in einen Rahmen gefaßten dünnen Metallfolie. Derartige strahlendurchlässige Fenster werden bei Bestrahlungseinrichtungen, insbesondere bei hermetisch abgeschlossenen, evakuierten oder hochevakuierten Elektronen- oder Teilchenstrahlungsapparaten, elektrischen Entladungsgefäßen oder dergleichen verwendet. Ihr Aufbau und ihre konstruktive Ausbildung richtet sich in erster Linie nach den Einsatzbedingungen.

In den "Tabellen zur angewandten Physik", II. Band (Physik und Technik des Vakuums, Plasmaphysik),

2. Auflage, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1964, sind auf den Seiten 705 bis 710 bei den "Konstrüktionsbeispielen aus der Vakuumtechnik" einige Typen von Strahlenfenstern in einer Übersicht zusammengesteilt. Danach erfüllen Folien mit einer Massendichte von etwa 3 . 10 mg mm sehr gut die Forderungen nach Gasdichtheit und Strahlendurchlässigkeit unter anderem für Korpuskularstrahlen hoher Energie. Bei geringeren Teilchenenergien und besonders bei sehr hohen Strahlströmen werden Druckstufenfenster verwendet, die leistungsfähige Pumpanlagen zum Absaugen des durch das Fenster einströmenden Gases verlangen. Gasdichte Folienfenster lassen sich z.B. mit einer 1 bis 100 pm dünnen Aluminium-Folie aufbauen. Großflächige Fenster besitzen Abstützungen für die Folie, z.B. ein Gitter aus Stahlband mit einem Stegabstand von 10 mm oder ein Phosphorbronze-Drahtnetz. Bei Aluminium-Silizium-Fenstern wird

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eine 50 μΐη dicke Folie an Borsilikatglas angeschmolzen. Dabei ist eine Ausheizbarkeit bis 200° C gegeben. Beryllium-Fenster mit 100 bis 500 pm dicken Folien können auch als auswechselbare Fenster mit Gummidichtung aufgebaut sein. Glimmer-Fenster, bei denen die Foliendicke bis herab zu 10 pm. reichen kann, lassen eine Abdichtung der Fenster mit Glaslot zu, können auswechselbar und ausheizbar, bei einem Mikrowellenfenster z.B. bis 500° C ausheizbar sein. Glas-Folien mit einer Dicke bis unter 0,1 um werden durch Aufblasen von Glasrohr hergestellt und sind nur beschränkt ausheizbar. Bei Druckstufen-Fenstern durchläuft der Strahl zwei oder mehr durch Lochblenden voneinander getrennte Kammern, zwischen denen Druckunterschiede bestehen. Aus der letzten Kammer tritt der Strahl in die Atmosphäre aus.

Aus der DE-OS 23 64 017 ist ein infrarotdurchlässiges Germaniumfenster für Vakuumgefäße, insbesondere elektrische Entladungsgefäße bekannt, das bis zu 450° C ausheizbar ist. Das betreffende Germaniumteil kann dabei unmittelbar mit dem Entladungsgefäß selbst oder mit eineia Metall^Fensterrahinen "ültranOchväkuumdicht verbunden und mittelbar ans Entladungsgefäß angebracht sein, wozu das Germaniumteil und der Metallrahmen beispielsweise mit einer Fe-Ni-Legierung oder einem gleichartigen Material mit einer keramisierten (entglasten) Glas-Lot-Masse verlötet sind. Der Metallrahmen könnte bereits Teil eines elektrischen Entladungsgefäßes sein. Er kann aber auch an einem Metallflänsch vakuumdicht befestigt sein, der seinerseits

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in üblicher Weise, z.B. mit einer Kupferdichtung an einem Vakuumgefäß anzuflanschen ist, also ein selbständiges, auswechselbares Fenster-Bauteil bildet.

Dem aus der DE-OS 26 06 169 bekannten Elektronenaustrittsfenster, das über einen Fensterflansch mit einer ElektronenstrahlqueHe zu verbinden ist, liegt folgende Aufgabenstellung zugrunde: Stützgitter für ein solches Elektronenstrahlaustrittsfenster sollen sich maschinell ohne großen Aufwand in großen Stückzahlen herstellen lassen. Außerdem sollen die Fenster so konstruiert sein, daß zum Wechseln der dünnen elektronendurchlässigen Folie, die ein Verschleißteil darstellt, nicht der ganze Fensterflansch vom Gerät getrennt werden muß. Die elektronendurchlässige Folie kann in einen separaten Folienrahmen eingespannt sein, der sich mittels eines Schnellverschlusses, der den Fensterflansch und den Fensterrahmen durchdringt, mit dem Fensterrahmen verbinden läßt. Wenn auch ein Dichtring eine einwandfreie Abdichtung zum Hochvakuum hin gewährleistet, liegt hierin andererseits der Grund für mangelnde Ausheizbarkeit.

Aus der DE-PS 23 31 210 ist die Verwendung von Leichtmetallscheiben als Röntgenstrahlendurchgangsfenster bekannt. Derartige Scheiben sind am Rand mit verschweißbarem Schwermetall beschichtet und somit in einen Schwermetallrahmen einschweißbar. Der Schwermetallrahmen bildet den Übergang zu einem Glas- oder Schwermetallkolben und wird dort eingesetzt und verschweißt. Hierdurch ist die Naht absolut vakuumdicht verschließbar und das hermetisch abgeschlossene Gefäß ausheizbar, das Fenster aber nicht auswechselbar.

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In ähnlicher Weise ist das aus der DE-OS 21 51 079 bekannte Strahlendurchtrittsfenster aufgebaut. Die dort verwendete dünne Metallfolie ist in einen Rahmen gefaßt, der aus Metall besteht, indem der äußere Rand der Folie mit dem äußeren Rand des Rahmens verschweißt wird. Dabei kann der Rahmen beispielsweise aus zwei in ihren Außendurchmessern mit der Folie übereinstimmenden Ringen bestehen, zwischen welchen sich die Folie befindet. Die äußeren Ränder der Rahmenteile und der Folie sind zu verschweißen, wobei

eines der Rahmentsile einen Flansch aufweisen kann, I

der zur Anbringung des Fensters an den Vakuumkolben einer Röhre dient. Auch hierbei wäre das Auswechseln des Fensters nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich oder bei Verwendung von lösbaren Flanschverbindungen und dazugehörigen Dichtungselementen die Ausheizbarkeit nicht gewährleistet.

Der Erfindung liegt als Aufgabenstellung unter anderem · die Forderung zugrunde, ein für hohe Temperaturen und bei Ultrahochvakuum verwendbares, leicht auswechselbares, kostengünstig in Normgrößen herstellbares Strahlendurchtrittsfenster zu schaffen, das selbstverständlich auch bei weniger strengen Einsatzbedingungen, also z.B. bei Raumtemperatur oder bei Normaldruck eingesetzt werden kann. Hierbei wird von einem Strahlendurchtrittsfenster mit einer in einen Rahmen gefaßten dünnen Metallfolie ausgegangen und gemäß der Erfindung vorgeschlagen, aus Rahmen und Folie ein zwischen Flanschen einsetzbares Bauteil zu bilden und den Rahmen zudem als Dichtungsring für die Flanschverbindung auszubilden.

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Abgesehen davon, daß das aus Folie und Rahmen be- · stehende Bauteil jede gewünschte Kontur aufweisen

kann, sich also nicht nur als eine Art Kreisscheibe, ^:]

sondern z.B. auch als eckiges oder ovales Bauteil f

ausbilden läßt, liegt der besondere Vorteil darin, ■

ein Verschleißteil in kurzer Zeit und damit mit »

nur kurzer Unterbrechung des Betriebes einer unter i

Hochvakuum und bei hohen Temperaturen arbeitenden , -];

'Anlage auswechseln zu können. Dazu ist lediglich ein _x ' ·, Γ:

Flanschteil zu lösen, das mit integriertem Dichtring " , · *-

als komplettes Bauteil ausgebildete Folienfenster ' *'

auszuwechseln und der Flanschteil wieder zu befestigen. f

Aufwendiges und häufig umständliches Heraustrennen des ' }*

zerstörten Fensters, Anfertigen und Einsetzen, d.h. *" ■ J^

Verschweißen oder Verlöten neuer Teile entfallen also, '- 1}

ganz zu schweigen von damit verbundenen Transporten ' ' |.

aus der Betriebs- bzw. Versuchsanlage in geeignete ' '""' '£

Werkstätten, dem Ab- und Ankoppeln meßtechnischer Auf- ^ ' -£

bauten und dem Zeitverlust von mindestens einigen ' . |;

Stunden, wenn nicht mehreren Tagen. , , :'* M

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung _r ν

■ können so gestaltet werden, daß der Rahmen zweiteilig, _{r >r} 'f

nämlich aus einem Ring mit einem einseitigen Außenkranz /, ",JJ-

und aus einem in den Außenkranz einsetzbaren Innenring * .-/;

ausgebildet ist. Die dünne Metallfolie befindet sich ', , _t', ^

dabei zwischen den beiden Rahmenteilen, wobei ihr ' ' >'/

Rand zwischen den aufeinander zuweisenden Kreisring- \

flächen der beiden Rahmenteile eingespannt wird. Wird -|

dieses Bauteil dann so in einen Flansch eingesetzt, " f

daß der Ring mit dem einseitigen Außenkranz auf eine _v' , -£

Dichtlippe zu liegen kommt, die sich in einem der ' °'_Ϋ
Flanschteile befindet, und der andere Flansch im

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wesentlichen auf den Innenring des Folienrahmens drückt, ist ein absolut hochvakuumdichter Verschluß gewährleistet.

Ebenfalls bezüglich der Dichtheit des Folienfenster-Dichtring-Bauteiles ist es vorteilhaft, den Inneriring mit einer einseitigen Fase zu versehen, die beim Zusammensetzen der Rahmenteile beim Einfassen der . . Folie einen Hohlraum mit der Kreisringflache/Zylinder- ;~ fläche des Außenkranzes für die Aufnahme einer Dichtungs- _ und Befestigungsmasse bildet. Diese Masse wird sich um den äußeren Rand der Folie herum ausbreiten, alle Fugen ausfüllen und nicht nur für die Befestigung der Folie und die Abdichtung zwischen Folie und be-' treffendem Rahmenteil, sondern auch zwischen beiden , Rahmenteilen sorgen.

'.Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung be-/ stehen die Rahmenteile aus Kupfer. Auf diese Weise V besitzt eine Flanschverbindung hinsichtlich der

Eigenschaften üblicher Flanschverbindungen mit Kupfer- *- dichtungen dieselben bekannten Eigenschaften, so daß

.für Strahlendurchtrittsfenster auch sonst für An- - ^ Schlüsse und Verschlüsse von Bestrahlungseinrichtungen übliche Flansche verwendet werden können.

Als Material für die dünne Metallfolie kommen die an sich bekannten und sich nach den Einsatzbedingungen zu wählenden Metalle in Betracht. Sofern diese Einsatztbedingungen es ermöglichen oder keine besonderen Anforderungen z.B. an die Strahlendurchlässigkeit gestellt 'werden, beispielsweise bei Berstscheiben, die eine SoIl-

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bruchstelle bilden, hat es sich als besonders günstig herausgestellt, für die Metallfolie etwa 25 pm dicke Nickel-Chrom-.Legierung· zu verwenden.

Im Hinblick auf die Ausheizbarkeit - teilweise wird eine Temperaturbeständigkeit bis 500° C gefordert ist es für Ausführungsformen der Erfindung günstig, Hochvakuum-Hartlot als Dichtungs- und Befestigungsmasse zu verwenden.

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i Schließlich ist es im Hinblick auf kostengünstige Massenproduktion und Lagerhaltung von besonderer Bedeutung, daß Aus führungs formen der Erfindung als ;, Dichtungsring ausgebildete Rahmen des Folienfensters - mit den für Normflansche entsprechenden Abmessungen

aufweisen können. Dies wirkt sich auch günstig auf > die Konstruktion der Bestrahlungseinrichtungen und

dergleichen ,insofern aus, als dort, wo Strahlendurch-' , .trittsfenster vorzusehen sind, keine besonderen Bau- ,' ' teile, sondern handelsübliche Normflansche erforderlich sind.

In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Dabei zeigen:

Fig. 1: eine Ansicht eines Flansches mit einem

eingesetzten Folienfenster-Dichtungsring-Bauteil;

Fig. 2: eine Flanschverbindung gemäß Fig. 1 im "30 Querschnitt und als Explosionsdarstellung

und
Fig. 3: eine Einzelheit "C" gemäß Fig. 2.

In den einzelnen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versahen.

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Da die Fig. 2 alle Teile des Flanschsystems A mit den Befestigungselementen zur Aufnahme des Folienfenster-Dichtungsring-Bauteiles B enthält, wird zunächst diese Figur 2 erläutert. Mit 1 ist ein Elektronenstrahlrohr, eine Elektronenbestrahlungskammer oder dergleichen bezeichnet. Wesentlich ist dabei, daß dort ein Vakuum von weniger als 1Ίθ"⁶ mbar herrschen kann. In üblicher ,und bekannter Weise ist daran, ein Aufnahmeflansch 2 befestigt, der mit einer Dichtlippe 12 versehen ist. Ebenfalls zur Flanschverbindung gehört der Flanschdeckel 3. Beide Flanschteile bestehen vorzugsv/eise / aus Edelstahl. Tellerfedern 4 sollten aus hochwarmfestem Material bestehen, das einen Einsatz bis 500° C -zuläßt. Innensechskantschrauben 5, vorzugsweise auch 5 _ aus Edelstahl, vervollständigen die für die Flansch- \ verbindung benötigten Befestigungselemente.

. Zwischen Aufnahmeflansch 2 und Flanschdeckel 3 '' - der Flanschdeckel 3 ist ein Ring - ist das Folien-"fenster-Dichtungsring-Bauteil B einzusetzen. Das Bau-"', teil B (siehe auch Fig. 3, Einzelheit "C") besteht aus drei Teilen, nämlich dem Ring 7 mit einseitigem Außenkranz, dem Innenring 8 und der Metallfolie 6 und stellt somit das eigentliche Strahlendurchtrittsfenster mit einer in einen Rahmen gefaßten dünnen Metallfolie dar. Die Rahmenteile 7 und 8 bestehen vorzugsweise aus OFHC-Kupfer, die Folie 6 aus einer Nickel-Chrom-Legierung mit einer Dicke'von beispielsweise 20 bis 30 jum.

Der Innenring 8 weist eine einseitige äußere Fase 9

auf. Beim Zusammensetzen der Rahmenteile 7 und 8 ent- ^: ',steht dadurch ein Hohlraum 10, der beim fertigen

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Bauteil B von einer Dichtungs- und Befestigungsmasse 11, z.B. Hochvakuum-Hartlot ausgefüllt ist.

Die Fig. 1 zeigt in Draufsicht vom Flanschsystem A. den ringförmigen Flanschdeckel 3 mit regelmäßig am Umfang verteilten Schrauben 5 sowie die Metallfolie des Strahlendurchtrittsfensters, das dort leicht auswechselbar und hochvakuumdicht in einer ausheizbaren und temperaturbeständigen Konstruktion angebracht ist.

HIERZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN

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Claims (1)

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   Hahn-Meitner-Institut für Kernforschung Berlin GmbH

   Patent- Ansprüche

   Strahlendurchtrittsfenster mit einer in einen Rahmen gefaßten dünnen Metallfolie, dadurch gekennzeichnet, daß Rahmen und Folie ein zwischen Flanschen einsetzbares Bauteil bilden und der Rahmen zudem als Dichtungsring für die Flanschverbindung ausgebildet ist.

   ■2. Strahlendurchtrittsfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnat, daß der Rahmen zweiteilig, nämlich aus einem Ring mit einem einseitigen Außenkranz und aus einem in den Außenkranz einsetzbaren Innenring ausgebildet ist.

   3. Strahlendurchtrittsfenster nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, ο daß der Innenring mit einer einseitigen äußeren Fase versehen ist, die beim Zusammensetzen der Rahmenteile zum Einfassen der Folie einen Hohlraum für die Aufnahme einer Dichtungs- und Befestigungsmasse bildet.

   4. Strahlendurchtrittsfenster nach einem der Ansprüche;'

   1 bis 3, dadurch gekennzeichnet), daß die Rahmenteile aus Kupfer bestehen.

   5. Strahlendurchtrittsfenster nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie aus etv/a 25 pm dicker Nickel- \. Chrom-Legierung besteht.

   '6i Strahlendurchtrittsfenster nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet,

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   daß es sich bei der Dichtungs- und Befestigungsmasse um Hochvakuum-Hartlot handelt.

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   7. Strahlendurchtrittsfenster nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß der als Dichtungsring ausgebildete Rahmen des Polienfensters die für Normflansche entsprechenden Abmessungen aufweist.

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