DE3711293C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein schnellschließendes Durchgangsven­ til eines Vakuum-Schutzsystems für Strahlführungssysteme an Teilchenbeschleunigern der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Strahlführungssysteme an Hochleistungsbeschleunigern benöti­ gen, falls Experimente unter spezieller Atmosphäre oder an Luft durchgeführt werden, häufig dünne Vakuumfenster, die den Ultrahochvakuum-(UHV-) bzw. Hochvakuum-(HV-)Teil der Be­ schleuniger von der Umgebungsatmosphäre trennen. Um zu hohen Photonenflüssen zu gelangen, werden diese Fenster relativ dünn von Stärken von nur wenigen µm ausgeführt. Dadurch muß mit der Möglichkeit eines Bruchs dieses Fensters und der daraus folgenden Belüftung des Strahlführungssystems bzw. des Beschleunigers gerechnet werden. Moderne Elektronen- und Photonenbeschleuniger benötigen allerdings extrem gutes UHV im Bereich von 10^-9 bis 10^-10 hPa, so daß eine Belüftung des Systems zu erheblichen Betriebsstörungen führen würde, da zum Erreichen der ursprünglichen Betriebsbedingungen Pumpzeiten von mehreren Tagen bis Wochen benötigt werden. Um diese Systeme wirkungsvoll zu schützen, wurden schnellschließende Durchgangsventile entwickelt, die sehr nahe am zu schützenden System angebracht sind.

Ein schnellschließendes Durchgangsventil der eingangs ge­ nannten Art ist aus der DE-OS 36 20 237 bekannt und weist einen Hochgeschwindigkeitsverschluß auf, dessen Verschluß­ organ in vertikaler Richtung nach unten beschleunigt wird, um den optisch freien Weg abzusperren, sobald der Drucksensor die Ausbildung einer Stoßwelle in der Strahlrohrkomponente ermittelt. Nachteilig an diesem bekannten Durchgangsventil ist die relative Trägheit des Hochgeschwindigkeitsver­ schlusses, welche die Vorschaltung einer Stoßwellen-Ver­ zögerungsleitung erforderlich macht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Hochgeschwindigkeitsverschluß mit dem in Sperrstellung überführten Verschlußorgan lediglich eine unzureichende Dichtfunktion ausübt.

Aus der DE-OS 34 25 146 ist ein Strahlrohr zum Auskoppeln von Röntgenlicht aus dem ersten Bereich einer Synchrotronstrah­ lungsquelle zu einem zweiten Bereich bekannt, der unter Fein­ vakuum betrieben wird. Die Trennung der beiden Bereiche er­ folgt dabei durch eine dünne, vakuumdichte, jedoch für Strah­ lung durchlässige Membran.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein schnell­ schließendes Durchgangsventil für Strahlführungssysteme an Teilchenbeschleunigern der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine kurze Verschlußzeit sowie eine einwand­ freie Dichtfunktion im Schließzustand gewährleistet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Eine extrem kurze Verschlußzeit wird einerseits durch Verwen­ dung eines Hubmagneten zum Antrieb des Verschlußorgans und andererseits dadurch erreicht, daß dieses als Schlitzblende ausgebildet ist. Eine einwandfreie Dichtfunktion der in Ver­ schlußstellung überführten Schlitzblende wird durch eine Andruckplatte gewährleistet, die nach optisch verschlossener Blendenöffnung die Blende gegen einen Dichtring anpreßt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Übersicht der Ventilanordnung in einem Strahlrohr;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ventils in ver­ größertem Maßstab;

Fig. 3 einen Vollschnitt durch eine Ventilkonstruktion;

Fig. 4 eine Teilansicht der Ventilblendenaufhängung in Fig. 3;

Fig. 5 eine Draufsicht auf das Andrucksystem, teilweise aufgeschnitten, entsprechend der Linie A-B in Fig. 3.

Das in Fig. 1 dargestellte Strahlrohr ist mit seinen Feinvakuum- und Ultrahochvakuum- Bereichen (FV, UHV) von der Atmosphäre durch ein Atmosphärenfenster bzw. Hauptvakuumfenster 1 am Strahlrohrende getrennt. Ein Drucksensor bzw. Fensterbruchdetektor 2 unmittelbar am Strahl­ rohrende bewirkt nach seiner Aktivierung die Entladung einer Kondensatorbatterie über einen Hochleistungsthyristor und die in Reihe geschaltete Spule des Hubmagneten 8. Hierbei fließen in der ersten Phase Ströme bis einige Kiloampere, die die Schlitzblende 9 über den Hubkolben in vertikaler Richtung so beschleunigen, daß binnen 3 ms der optisch freie Weg abgesperrt ist. Damit wird die vorderste Front einer Druckwelle, die sich im wesentlichen geradlinig ausbreitet und die höchste Geschwin­ digkeit besitzt, wirksam abgeschottet. Nach einem Hubweg von ca. 10 mm, also bei bereits optisch verschlossener Blendenöff­ nung, wird z. B. über eine Traverse ein Gestänge mitgezogen, das eine federvorgespannte Andruckplatte 25 freigibt und die Blende 9 gegen einen Dichtring 29 drückt, vgl. Fig. 2. Die auf den Anker wirkenden Reibungs- und Gewichtskräfte, der die Dichtung bewirkenden Mechanik zusammen mit Gummielementen auf der End­ anschlagsfläche des Ankers, führen zu einer ausreichenden Abbremsung der Schließbewegung, so daß mehrere Hundert Schlie­ ßungen ohne Beschädigung des Ventils möglich sind.

Zusätzlich ist zwischen dem Hauptvakuumfenster 1 und der Schlitz­ blende 9 ein Zugschieber-Durchgangsventil 5 vorgesehen, welches eine zusätzliche Sperre ermöglicht. Zwischen dem Strahlrohrende und dem Zugschieber-Durchgangsventil 5 befinden sich Verzöge­ rungslamellen 3. Ein Bypass-Eckventil 4 sowie ein Vakuumhaupt­ anschluß 7 a sind ebenfalls vorhanden. Ein Puffervolumen 6 a ist noch im FV-Bereich, aber vor dem UHV-Bereich vorgesehen.

Auf diese Weise wird der FV-Bereich hinter der Schlitzblende 9 bei Belüftung durch den entstehenden Differenzdruck schnell und wirksam verschlossen, so daß ein zwischen dem FV-Bereich und dem UHV-Bereich angeordnetes zusätzliches UHV-Fenster 10 nicht gefährdet ist.

Die Wirkungsweise des Schnellschlußventils 8 und der Blende 9 ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. Hier ist erkennbar, daß zwischen zwei Dichtungen im Strahlrohr eine Strahlrohrkompo­ nente angeordnet ist, die die Schlitzblende 9 in optischer Verschlußstellung, aber ohne endgültige Dichtung zeigt. Der Hubkolben 8 hat die Blende 9 hochgerissen, während eine feder­ vorgespannte Andruckplatte 25 noch nicht aktiviert wurde und deshalb die Blende 9 noch nicht fest gegen den Dichtring 29 angepreßt wurde. Dadurch, daß der eigentliche Schließvorgang zweiphasig durchgeführt wird, läßt sich die erwünschte, außer­ ordentlich hohe Schließgeschwindigkeit realisieren. Im ersten Schritt wird die schlitzförmige Blende 9 durch einen übererreg­ ten Elektromagneten 8 vertikal nach oben gezogen. Nachdem die Ventilöffnung optisch verschlossen ist, wird durch einen wei­ teren Federmechanismus oder auch durch einen zweiten Elektro­ magneten die Blende über eine Druckplatte 25 gegen den Ventil­ ring 29 gepreßt und damit die Dichtfunktion erreicht. Die Öff­ nung des Ventils kann als schlitzförmige Blende ausgeführt werden, weil die Synchrotronstrahlung in vertikaler Richtung stark kollimiert ist, d. h. die Abstrahlung streifenförmig geschieht.

Technische Einzelheiten einer praktischen Ventilkonstruktion sind in den Fig. 3, 4 und 5 dargestellt. Kernstück des neuen Durchgangsventils ist dabei eine spezielle Hubmagnetkonstruk­ tion, die aus einem Ankergehäuse 11, einem Gehäusemantel 12, einem Gegenankerstück 13, einem Hubanker 14, einer Magnetspule 15 und Gleitlagerbuchsen 16 besteht. Durch die Dichtung 17 ist eine Vakuumtrennung des Hubmagneten derart möglich, daß sich lediglich der Anker im Vakuum befindet, die krafterzeu­ gende Magnetspule 15 jedoch außerhalb. Dadurch erspart man sich auf sehr einfache Weise eine mechanische bzw. für die Spule elektrische Vakuumdurchführung. Ein oben angeflanschter Stößel 39 zur Ankerrückführung ist bei 38 vakuumabgedichtet, so daß das ganze Ventilsystem als Vakuumrohrkomponente in eine Strahlrohrkomponente 24 einge­ setzt und durch Dichtungen 30 und 36 abgedichtet werden kann. Diverse Freibohrungen und Öffnungsschlitze ermöglichen ein vollständiges Abpumpen auf Feinvakuumenddruck 10^-3 hPa.

In der ersten Bewegungsphase bei stromdurchflossener Spule zieht der Anker nur die über ein Ausgleichsgelenk 20 verbun­ dene Blende 9 nach oben. Nachdem die Blende so weit bewegt worden ist, daß die Öffnung des Blendeneinsatzes 31 vollständig von dieser abgedeckt ist, wird über ein weiteres Dämpfungselement 23 die Traverse 21 mitgezogen. Die damit fest verbundenen Auslösestangen 22, deren untere Enden konisch verjüngt sind, werden aus den Eintauchbohrungen der beiden über Zugfedern 28 vorgespannten Kipphebel 26 entsprechend des verbleibenden Ankerhubs herausgezogen. Die Kipphebel sind am Führungsblock 32 befestigt, der die Auslösestangen in Führungsbohrungen hält und eine feste Verbindung mit dem Blendeneinsatzstück 31 hat. Durch die Auslösestangen 22 wird eine direkte Kraftübertragung der Federn über die Druckstifte 27 auf die Andruckplatte 25 freigegeben, die die Blende 9 gegen den Blendendichtring 29 preßt. Damit ist der Schließvorgang beendet und die Blende 9 vakuumdicht verschlossen (einseitige Dichtwirkung bei Diffe­ renzdruckkraft auf den Dichtring).

Gummielemente 18 auf der Ankerstirnfläche bewirken eine Anschlagdämpfung des Hubankers. Die auf den Anker in Anschlag­ position wirkende Restmagnetkraft sowie die über die Andruck­ platte 25 geklemmte Blende 9 bewirken eine stabile Endlage. Zum Öffnen des Ventils kann über den Stößel 39 der Anker bzw. die Blende wieder nach unten geschoben werden. Auf der Anker­ achse befindet sich eine Klemmscheibe 40, die bei Zurückschieben des Ankers auf die Traverse 21 drückt. Somit werden auch die beiden Auslösestangen 22 wieder in ihre Grundstellung gedrückt bzw. wird dadurch auch die Federkraftwirkung von der Andruck­ platte genommen. Die Andruckplatte wird nicht von der Blende zurückgezogen, befindet sich also nur im kraftfreien Zustand.

In der Praxis ist ein solches Strahlführungsrohr für die Röntgenlithographie beispielsweise 4 m lang. Der FV-Bereich erfordert dabei etwa 2,5 bis 3 m mit einem Puffervolumen 6 b und einem Vakuumhauptanschluß 7 b, während der hinter dem UHV-Fenster 10 verbleibende UHV-Bereich etwa 1 m bis 1,50 m beträgt.

Der in Fig. 2 angegebene Druck hinter dem Absperrventil 9 ist für eine bestimmte, sehr kleine Fenstergeometrie des UHV-Fensters 10, wie es in praxisorientierten, relativ kurzen Strahlführungsrohren in der Röntgenlithographie Anwendung findet, noch zulässig, ohne den Bruch des Fensters zu verur­ sachen. Bei typischen Strahlrohrlängen von ca. 4 m bleibt jedoch das Feinvakuum erhalten, da die Dichtwirkung des Absperrventils bei Druckbeaufschlagung zumindest feinvakuum­ gerecht ist.

Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern ganz allgemein in Vakuumsystemen anwendbar, bei denen eine schnelle Trennung zwischen zwei Vakuumbereichen erforderlich wird.

Claims (4)

1. Schnellschließendes Durchgangsventil eines Vakuum-Schutzsystems für Strahlführungs­ systeme an Teilchenbeschleunigern mit einem Hochgeschwin­ digkeitsverschluß, der in einer Strahlrohrkomponente an­ geordnet ist und ein vertikal verschiebbares Verschluß­ organ aufweist, das über einen den Druck in der Strahl­ rohrkomponente erfassenden Drucksensor in einer ersten Phase des Schließvorgangs in vertikaler Richtung so be­ schleunigt wird, daß der optisch freie Weg in der Strahlrohrkomponente abgesperrt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochgeschwindigkeitsver­ schluß im Feinvakuum-Bereich der Strahlrohrkomponente vor einem zusätzlichen Ultrahochvakuum-Fenster (10) angeordnet ist und einen vom Drucksensor (2) beaufschlagten Hubmagneten (8) umfaßt, der das als Blende (9) mit schlitzförmiger Öffnung ausgebildete Verschlußorgan antreibt, und daß vor der Blende (9) eine Andruckplatte (25) angeordnet ist, die in einer zweiten Phase des Schließvorgangs nach optisch ver­ schlossener Blendenöffnung die Blende (9) gegen einen Dichtring (29) anpreßt.

2. Durchgangsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Hubmagneten (8) durch Entladung einer Kondensatorbatterie über einen Hochleistungsthyristor erfolgt, wobei die Blende (9) in der ersten Phase des Schließvorgangs über den Hubanker (14) des Hubmagneten (8) in vertikaler Richtung nach oben beschleunigt wird.

3. Durchgangsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Betätigung der Andruckplatte (25) ein weiterer Elektromagnet oder ein Federmechanismus (26, 27, 28) vorgesehen ist.

4. Durchgangsventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Hubanker (14) oberhalb der Blende (9) eine Traverse (21) mit einem Gestänge (22) angebracht ist, das die federvorgespannte Andruckplatte (25) freigibt.