DE3538857A1 - Einrichtung fuer die eingabe eines sollwerts fuer den auftreffpunkt eines elektronenstrahls auf ein medium - Google Patents
Einrichtung fuer die eingabe eines sollwerts fuer den auftreffpunkt eines elektronenstrahls auf ein mediumInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Bei der Erwärmung, beim Schmelzen oder beim Verdampfen von
metallischen oder anderen Materialien werden oft energiereiche Elektronenstrahlen
eingesetzt, die auf das zu erwärmende, zu schmelzende oder zu
verdampfende Material auftreffen. Hierbei ist es meistens erforderlich, den
Elektronentrahl in vorgegebene Positionen zu bringen, um das angestrebte
Ziel zu erreichen.
Für die Positionierung eines Elektronenstrahls wird die Wirkung elektrischer
oder magnetischer Felder herangezogen, deren Änderung auch eine
Änderung der Lage des Elektronenstrahls zu Folge hat. Besonders vorteilhaft
und gebräuchlich ist die Positionierung mittels einstellbarer Ströme,
die ihrerseits ein ablenkendes Magnetfeld aufbauen. Die Einstellung wird
hierbei im allgemeinen mit der Hand durchgeführt, wobei eine Bedienungsperson
durch ein Fenster den Elektronenstrahl beobachtet und über zwei
Potentiometer die für die x- und die y-Position erforderlichen Ströme
einstellt.
Wenn innerhalb eines Tiegels nacheinander mehrere Punkte des Mediums
mit dem Elektronenstrahl beaufschlagt werden sollen, ist die manuelle
Einstellung sehr zersträubend. Dies gilt umso mehr, wenn der Elektronenstrahl
an den verschiedenen Stellen jeweils unterschiedliche Verweilzeiten haben
soll.
Solche unterschiedlichen Verweilzeiten sind für bestimmte Anwendungsfälle
erforderlich, z. B. wenn mehrere Dampfquellen auf der Oberfläche des
Inhalts eines einzigen Verdampfertiegels dadurch gebildet werden sollen, daß
ein Elektronenstrahl in bestimmten Flächenmuster auf die Oberfläche des
Tiegelinhalts geschossen wird (DE-OS 28 12 285). Um bei einer derartigen
Einrichtung die Leistungszufuhr durch den Elektronenstrahl auf einfache
Weise vorgeben zu können, ist es bereits bekannt, diese Leistungszufuhr in
Form eines Balkendiagramms auf einem Bildschirm darzustellen (DE-OS
33 30 092), wobei die Balken des Balkendiagrams mit Hilfe eines Lichtgriffels
verändert werden können.
Der Einsatz eines Bildschirms erfolgt hierbei jedoch nicht für die
Darstellung bestimmter Koordinaten in der Ebene oder im Raum.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, verschiedene Soll-
Positionen eines Elektronenstrahls auf der Oberfläche eines Mediums auf
einfache Weise vorzugeben und diese Soll-Position automatisch und
nacheinander mittels des Elektronenstrahls anzusteuern.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß mit
nur einem Elektronenstrahl verschiedene Punkte auf der Oberfläche eines
in einem Tiegel befindlichen Materials automatisch und exakt angesteuert
werden können, und zwar unter Berücksichtigung verschiedener Verweilzeiten
an den einzelnen Punkten. Die Umlaufzeit des Elektronenstrahls, d. h.
diejenige Zeit, die er benötigt, um dabei wieder an den Ausgangspunkt zu
gelangen, ist hierbei extrem kurz.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und
wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Tiegel mit einer über dem Tiegel angeordneten
Elektronenkanone;
Fig. 2 eine vergrößerte Draufsicht auf den Tiegel;
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung.
In der Fig. 1 ist eine Elektronenstrahlkanone 1 mit einem Ablenksystem 2
über einem Tiegel 3 dargestellt. In diesem Tiegel 3 befindet sich ein
Medium 4, das mittels eines Elektronenstrahls 5 erwärmt wird. Der
Elektronenstrahl 5 soll dabei nacheinander in die Punkte P 1,P 2, . . . . . . P 8 gesteuert
werden und den Zyklus P 1 . . . . . . P 8 mehrfach hintereinander durchlaufen.
Die Fig. 2 zeigt den Tiegel noch einmal in der Draufsicht, und zwar in
vergößertem Maßstab. Man erkennt hierbei wieder die Punkte P 1. . . . . . P 8,
die vom Elektronenstrahl nacheinander anzusteuern sind. Neben diesen
Punkten sind die zugehörigen x,y-Koordinaten, z. B. x 1,y 1 angegeben, um
auszudrücken, daß diese mittels dem x-y-Ablenksystem 2 angesteurt werden.
Außerdem weist jeder Punkt P 1 . . . . . . P 8 eine Angabe über die jeweilige
Verweilzeit des Elektronenstrahls 5 auf. Wird der Elektronenstrahl P 1 nach P 2
bewegt, so wird er allein aufgrund eines Ortsbefehls x 2,y 2 nach P 2 gesteuert,
d. h. auf das x-y-Ablenksystem 2 werden Ströme I x ,I y gegeben, die
den Elektronenstrahl 5 nahezu schlagartig nach P 2 steuern; die Zeit t s1,
die der Elektronenstrahl 5 für den Weg zwischen P 1 und P 2benötigt, wird
praktisch nur durch die Induktivitäten des Ablenksystems 2 begrenzt. Durch
die Vorgabe der Ströme I x ,I y wird der Elektronenstrahl 5 indessen nicht
ganz präzise in den Punkt P 2 gesteuert, sondern er wird beispielsweise bei
P 2′ ankommen. Hierdurch entsteht ein Fehler Δ S. Dieser Fehler Δ S wird
mit Hilfe einer Soll-Istwert-Regelung ausgeglichen, d. h. der Strahl 5 wird
exakt in den Punkt P 2 gefahren.
Es findet somit keine kontinuierliche Regelung der Strahlführung von P 1
nach P 2 statt, sondern der Stahl 5 wird zunächst direkt nach P 2 gesteuert
und dann erst bezüglich der kleinen Abweichung Δ S geregelt. Die
Regelungszeit ist hierdurch kürzer.
Derselbe Vorgang spielt sich nun auch bei der Bewegung des Strahls von
P 2 nach P 3, von P 3 nach P 4 usw. ab.
Während des ersten Umlaufs des Elektronenstrahls 5 von P 1 nach P 8
entsprechen die Verweilzeiten t v1, t v2 . . . . . . P 2, P 3 etc. noch nicht den
endgültigen Verweilzeiten, sondern sie betragen beispielsweise das 10000-
fache.
Während des zweiten Umlaufs des Elektronenstrahls 5 betragen die Verweilzeiten
t v1, t v2 . . . . . t v8 nur noch das 1000-fache des richtigen Sollwerts usw.,
bis schließlich die Elektronenstrahl-Sollposition mit den tatsächlichen
Verweilzeiten durchlaufen werden.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß bei jedem Durchlauf des
Elektronenstrahls 5 durch die Soll-Positionen P 1, P 1, P 2, P 3 . . . P 8 nur kleine
Korrekturen der zugehörigen Stromwerte notwendig sind.
In der Fig. 3 ist eine Prinzipdarstellung der Erfindung gezeigt, in der man
wieder die Elektronenstrahlkanone 1 mit dem Ablenksystem 2 erkennt.
Unterhalb der Elektronenstrahlkanone 1 ist der Tiegel 3 angeordnet, dessen
Inhalt 4 von dem Elektronenstrahl 5 getroffen wird. Neben dem Tiegel 3
ist ein Ist-Positionserkenner oder Detektor 6 vorgesehen, der den Auftreffpunkt
des Elektronenstrahls 5 erfaßt. Bei diesem Detektor 6 kann es sich
um einen Röntgenstrahldetektor handeln, wie der in der deutschen
Patentanmeldung P 34 42 207.2 beschrieben ist.
Von diesem Detektor 6 führt eine Verbindung zu einem Speicher 7 und zu
einem Mikrocomputer 8, der seinerseits mit einem Monitor 9 und einer x-
Ablenkung 10 sowie mit einer y-Ablenkung 11 in Verbindung steht. Diese
x/y-Ablenkungen 10, 11 sind mit dem Ablenksystem 2 verbunden.
Der Monitor 9 weist einen Bildschirm 12 auf, der den Tiegelrand 13 als
Kontur 13′ abbildet. Mit Hilfe eines Lichtgriffels 14, der über die Leitung
15 gespeist wird, können innerhalb der Kontur 13′ Sollwert-Positionen
eingegeben werden.
Dieser Lichtgriffel besitzt an seinem vorderen Ende einen Sensor, mit dem
das Auftreffen eines Elektronenstrahls des Monitors 9 erfaßt werden kann.
Soll der Elektronenstrahl 5 in eine bestimmte Soll-Position innerhalb des
Tiegelrands 13 gebracht werden, so ist es möglich, diese Soll-Position
innerhalb der Abbildung 13′ des Tiegelrands 13 mit der Spitze des
Lichtgriffels 14 zu bezeichnen.
Diese Spitze wird auf die bestimmte Soll-Position gesetzt und erhält
aufgrund der zeilenförmigen Abtastung des Bildschirms 12 durch einen nicht
dargestellten Elektronenstrahl des Monitors 9 in kurzen aufeinanderfolgenden
Abständen einen Impuls. Diesen Impuls gibt der Lichtgriffel 14 an den
Mikrocomputer 8. In dem Mikrocomputer kann nun die Position der Spitze
des Lichtgriffels 14 innerhalb des Rands 13′ genau erfaßt werden. Die von
dem Lichtgriffel 14 abgegebenen Impulse definieren den Zeitpunkt, zu dem
der Elektronenstrahl des Monitors 9 auf die Spitze des Lichtgriffels
auftrifft. Da diese Zeitinfomation herangezogen werden kann, um die Zustände
der zugehörigen Zeilen- und Spaltenablenkung des Monitor-Elektronenstrahls
abzufragen, ist es möglich, die x-/y-Koordinaten des Monitor-
Elektronenstrahl zu erkennen. Die von dem Mikrocomputer 8 ermittelten x-/y-
Koordinaten des Aufsetzpunkts des Monitor-Elektronenstrahls, die dem Soll-
Wert der Position des Elektronenstrahls 5 entsprechen, werden im Speicher
7 oder im Mikrocomputer 8 selbst abgespeichert.
Mit Hilfe des Lichtgriffels 14 können auf diese Weise nacheinander
mehrere Positionen eingegeben und abgespeichert werden, etwa gemäß dem in
der Fig. 2 angegebenen Muster. zusätzlich zu den Soll-Positionen P 1. . . . . . P 8,
die stellvertretend für weitaus mehr Soll-Positionen - z. B. vierundsechzig -
angegeben sind, können auch noch durch eine in der Fig. 3 nicht dargestellte
Vorrichtung die Verweilzeiten t v1 . . . . . . t v8 eingegeben werden, die
den jeweiligen Soll-Positionen zugeordnet sind.
Die Eingabe dieser Verweilzeiten geschieht beispielsweise dadurch, daß
mittels einer Tastatur am Mikrocomputer 8 die jeweilige Verweilzeit
eingestellt wird und dann, wenn die Spitze des Lichtgriffels 14 den Bildschirm
12 berührt, eine "Enter"-Taste gedrückt wird.
Wenn die Soll-Positionen P 1 . . . . . . P 8 mit den zugehörigen Verweilzeiten t v1 . . . . . .
t v8 abgespeichert sind, kann der Elektronenstrahl 5 über einen Mikrocomputer
8, über die x/y-Ablenkung 10, 11 und über das Ablenksystem 2 in die
vorgegebenen Positionen gesteuert werden. Um eine genaue Ansteuerung
der Soll-Positionen zu erreichen, wird die Ist-Position des Elektronenstrahls
5 durch den Detektor 6 erfaßt und in einen Speicher 7 oder direkt in den
Mikrocomputer 8 eingegeben. Mit Hilfe einer Regelschaltung wird der
Elektronenstrahl von seiner Ist-Position in die Soll-Position gebracht. Eine
solche Regelschaltung ist in der Fig. 4 gezeigt, und zwar nur für die x-
Positionsregelung. Die y-Positionsregelung geschieht auf entsprechende Weise.
In der Fig. 4 sind der Monitor 9 und der Speicher 7 weggelassen, da sie
zum Verständnis der Regelschaltung nicht erforderlich sind.
Man erkennt aus dieser Darstellung, daß der Detektor 6 den Positionsistwert
P ist des Auftreffpunkts des Elektronenstrahls 5 auf das Targetmaterial
4 auf eine Subtrahierstelle 16 gibt, wo dieser Istwert P ist von dem
Positionssollwert P soll , der vom Mikrocomputer 8 auf die Substrahierstelle 16
gegeben wird, abgezogen wird. Die Abweichung Δ P zwischen Positions-
Istwert und Positions-Sollwert wird auf eine Addierstelle 17 gegeben, deren
Ausgangssignal auf einen Stromregler 18 gelangt, der über eine Spule 19
und Widerstand 20 die x-Ablenkung 10 beeinflußt.
Der Istwert I ist des Stroms, der durch die Spule 19 fließt, wird auf eine
Subtrahierstelle 21 gegeben, wo er von dem Strom-Sollwert I soll , der vom
Mikrocomputer 8 vorgegeben wird, substrahiert wird. Abweichung Δ I wird
sodann auf die Addierstelle 17 gegeben und das Ausgangsmaterial dieser
Addierstelle dem Stromregler 18 zugeführt.
Der Mikrocomputer 8 speichert somit u. a. zwei verschiedene Arten von
Sollwerten ab: zum einen eine bestimmte Anzahl von Punkten als Stromwerte
und zum anderen diesselbe Anzahl von Punkten als x/y-Ortskoordinaten-
Werte.
Zunächst ist für die Positionierung des Elektronenstrahls 5 der Sollwert
I soll maßgebend, da noch keine Positions-Istwerte bzw. -Sollwerte
vorliegen. Erst wenn diese gegeben sind, werden Δ I und Δ P zur Korrektur
herangezogen.
Claims (15)
1. Einrichtung für die Eingabe eines Positions-Sollwerts für den
Auftreffpunkt eines Elektronenstrahls auf ein Medium, das sich in einem Tiegel
befindet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bildschirm (12) vorgesehen ist,
auf dem die Konturen (13) des Tiegels (3) abgebildet sind und daß eine
Einrichtung (14) vorgesehen ist, welche die Festlegung einer oder mehrerer
Soll-Positionen (P 1 . . . . . . P 8) des Elektronenstrahls (5) innerhalb der
abgebildeten Tiegelkonturen (13) ermöglicht.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung
vorgesehen ist, welche die Festlegung der Verweildauer (t v1. . . . . . t v8)
des Elektronenstrahls an den jeweiligen Soll-Positionen (P 1. . . . . . P 8)
ermöglicht.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festlegung
der Soll-Positionen (P 1 . . . . . . P 8) mittels eines Lichtgriffels (14) erfolgt.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem
Bildschirm verbundener Speicher (7 oder 8) vorgesehen ist, in dem die
Konturen (13) des Tiegels (3) abgespeichert sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Einrichtung (6) für die Erfassung der Ist-Position des Auftreffpunkts des
Elektronenstrahls (5) vorgesehen ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Ablenkeinheit (2, 10, 11) vorgesehen ist, welche mit Hilfe magnetischer oder
elektrischer Felder den Auftreffpunkt des Elektronenstrahls (5) auf dem
Medium (4) einstellen kann.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige
Ist-Position des Elektronenstrahls (5) auf dem Bildschirm (12) dargestellt
ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturen
(13) des Tiegels (3) mittels des Teach-In-Verfahrens ermittelt werden.
9. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der
Erfassung der Konturen eines Rechtecktiegels der Elektronenstrahl (5)
manuell in die Tiegelecken gelenkt wird und eine Recheneinrichtung (8) durch
lineare Interpolation zwischen den einzelnen Eckpositionen die
Gesamtkontur ermittelt.
10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Elektronenstrahl (5) durch unmittelbare Vorgabe einer x,y-Soll-Position, die
durch entsprechende Ablenkströme des Ablenktsystems (2, 10, 11) dargestellt
wird, direkt und wenigstens angenähert in eine Soll-Position gesteuert
wird.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der
Elektronenstrahl (5), nachdem er auf direktem Weg in die x,y-Position
gebracht wurde, mit Hilfe einer Regeleinrichtung in die exakte x,y-Soll-
Position gebracht wird, wobei die von einem Ist-Wertgeber (6) gelieferten
Signale mit dem Soll-Wert verglichen werden und der Elektronenstrahl
(5) von der Position x′,y′ in die Position x,y geführt wird.
12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Auftreffpunkte (P 1 . . . . . . P 8) des Elektronenstrahls (5) als Soll-Werte
abgespeichert sind und daß diese Auftreffpunkte (P 1 . . . . . . P 8) nacheinander von
dem Elektronenstrahl angesteuert werden, wobei für die Ansteuerung aller
Punkte die Zeit T erforderlich ist.
13. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß nach der Eingabe der Sollpositionen (P 1. . . . . .
P 8) mit der jeweils zugeordneten Verweildauer (t v1. . . . . . t v8) die Sollpositionen
zunächst mit 104 t v1 . . . . . . t v8 durchlaufen werden, wobei die den
Ortskoordinaten (x,y) der Sollpositionen (P 1 . . . . . . P 8) zugeordneten Stromwerte
einer magnetischen Ablenkeinheit (2,10,11) korrigiert werden.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß nach
Beendigung des ersten Korrekturvorgangs der Positionsdurchlauf (16) mit der
Verweildauer 103 t v1 . . . . . . t v8 erfolgt.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach
Beendigung des zweiten Korrekturvorgangs der Positionsdurchlauf (16) mit der
jeweiligen Verweildauer 102 t v1 . . . . . . t v8 erfaßt.
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