DE4208484A1 - Magnetisches ablenksystem fuer einen hochleistungs-elektronenstrahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In Elektronenstrahlschmelzanlagen und in Elektronenstrahlverdampferanlagen tritt das Problem auf, daß Elektronenstrahlen mit relativ großen Querschnittflächen über eine rela­ tiv große Distanz gebündelt bleiben müssen. Abbildungsfehler wirken sich hierbei wesent­ lich stärker aus als etwa bei Fernsehröhren, bei denen mit einem sehr dünnen Elektronen­ strahl relativ kurze Distanzen überwunden werden. Außerdem treten bei Schmelz- und Verdampferanlagen hohe Bedampfungsraten auf, wodurch sich die Innenwände von Ab­ lenkeinheiten sehr schnell mit einem meist metallischen Prozeßmaterial belegen. In den hierdurch aufwachsenden Metallschichten treten Wirbelströme auf, wenn sie von ei­ nem zeitlich veränderlichen magnetischen Ablenkfeld durchsetzt werden. Diese Wirbel­ stromverluste steigen mit der vom Feld durchsetzten Fläche, was ein möglichst kleines Ab­ lenksystem notwendig macht.

Es ist bereits eine Elektronenstrahlschmelzanlage bekannt, bei der ein zylindrischer Me­ tallblock über einem Bottich angeordnet ist und von zwei Elektronenstrahlen an seinem unteren Ende abgeschmolzen wird (US-A-49 88 844). Hierbei ist jedoch nicht gezeigt, wie die Ablenkung der Elektronenstrahlen im einzelnen durchgeführt wird.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung zum Erzeugen von Metallblöcken mittels Elek­ tronenstrahlen wird ein zylindrischer Metallblock von zwei schräg einfallenden Elektro­ nenstrahlen an seinem unteren Ende abgeschmolzen (US-A-32 19 435). Die Regelung der Elektronenstrahlen erfolgt durch eine Fokussierungseinrichtung, eine mechanische Blende und eine Ablenkspule. Hierbei ist die Ablenkspule kreisringförmig ausgebildet.

In der Fernsehtechnik werden für die Realisierung der 110°-Ablenkung von Elektronen­ strahlen Dickhalsröhren mit Sattelspulen eingesetzt (B. Morgenstein, Farbfernsehtechnik, 1977, S. 58 bis 60; P. Zastrow, Fernsehempfangstechnik, 1978, Seite 146). Die Fokussie­ rung erfolgt bei solchen Röhren meist rein elektrostatisch, während die Strahlzentrierung magnetisch erfolgt. Für die Vertikalablenkung werden im allgemeinen Toroidspulen ver­ wendet, während die Horizontalablenkspulen als Sattelspulen mit relativ großer Spulenlän­ ge ausgebildet sind.

Für Hochleistungs-Elektronenstrahlen sind derartige Ablenksysteme indessen nicht ge­ eignet, weil sie nur achsnahe und dünne Elektronenstrahlen genau ablenken können, nicht jedoch Elektronenstrahlen mit einer großen Querschnittsfläche.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Ablenkeinheit für Hochleistungs- Elektronenstrahlen mit relativ großer Querschnittsfläche zu schaffen, mit der es möglich ist, auch achsferne Strahlen mit demselben oder nahezu demselben Winkel abzulenken wie achsnahe Strahlen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß eine zu hohe thermi­ sche Belastung des Behälters, in dem sich abgeschmolzenes Material befindet, infolge von zu weit abgelenkten Rand-Elektronenstrahlen vermieden wird. Außerdem wird bei großen Ablenkwinkeln die Abschattung des Elektronenstrahls durch das Ablenksystem selbst weitgehend vermieden. Die an sich gegenläufigen Forderungen nach einem großen Ab­ lenksystem und geringen Wirbelstromverlusten durch aufgedampfte Schichten auf dem Ablenksystem werden ebenfalls durch die Erfindung erfüllt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im fol­ genden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Elektronen-Schmelzanlage mit Sattelspule;

Fig. 2 ein Joch in Hyperboloidform für eine Sattelspule;

Fig. 3 ein mit einer Sattelspule versehenes Joch;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Joch mit einer Sattelspule;

Fig. 5 eine Ansicht von oben auf das Joch mit einer Sattelspule;

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Wickelsystems für die Sattelspule.

In der Fig. 1 ist eine Elektronenstrahlkanone 1 dargestellt, die einen Elektronenstrahl 2 mit relativ großem Querschnitt liefert. Die Beschleunigungsspannung dieser Kanone beträgt beispielsweise 30 bis 40 kV. Der Elektronenstrahl 2 verbreitert sich mit wachsendem Ab­ stand von der Elektronenstrahlkanone 1, so daß er mit Hilfe einer magnetischen Linse, die aus einer kreisringförmigen und geschnitten dargestellten Magnetspule 3 besteht, gebün­ delt wird. Nach der Bündelung an Punkt 4 verbreitert sich der Elektronenstrahl erneut, worauf er durch eine weitere aus einer kreisringförmigen und nicht geschnitten dargestell­ ten Magnetspule 5 bestehenden magnetischen Linse gebündelt und dem Inneren einer Sat­ telspule 6 zugeführt wird. Statt zweier Spulen 3, 5 genügt oft auch eine Spule für die Bün­ delung. In der Sattelspule 6 wird der Elektronenstrahl 2 durch die auftretenden magneti­ schen Kräfte zusammengehalten, so daß er im wesentlichen die Form einer zylindrischen Säule annimmt. Nachdem der Elektronenstrahl 2 die Sattelspule 6 durchlaufen hat, trifft er auf die Oberfläche eines zu verdampfenden oder zu schmelzenden Materials 7, das sich in einem Behälter 8 befindet. Die Aufgabe der Sattelspule 6 besteht nicht nur darin, den Elek­ tronenstrahl 2 zu bündeln oder gebündelt zu halten, sondern auch darin, diesen abzulenken, was durch einen Doppelpfeil 9 angedeutet ist. Die Ablenkung kann hierbei entlang zweier Koordinaten erfolgen.

Eine hochgenaue Ablenkung bzw. Bewegung des Elektronenstrahls auf der Oberfläche ist z. B. erforderlich, um eine präzise Energieverteilung über diese Oberfläche zu erzielen, die wiederum beim Schmelzen von Superlegierungen und dergleichen von großer Bedeutung ist. Nur durch eine genaue Energieverteilung und damit eine hohe Fokussierungsqualität, verbunden mit einer schnellen Bewegung des Elektronenstrahls, läßt sich eine hohe Erstar­ rungsqualität der Schmelz erzielen.

Werden breite Folien mittels Elektronenstrahlverdampfung beschichtet, ist der Behälter 8 ein langer und schmaler Tiegel, der in seiner ganzen Länge mit dem Elektronenstrahl 2 ab­ getastet werden muß, d. h. es ist ein großer Ablenkwinkel erforderlich, wobei gleichzeitig der Durchmesser des Elektronenstrahls über seine ganze Länge konstant gehalten werden muß. Hohe Beschichtungsgeschwindigkeiten erfordern darüber hinaus sehr große Ablenk­ frequenzen.

In der Fig. 2 ist ein Joch 10 dargestellt, das als Trager für eine Sattelspule dienen kann. Dieses Joch 10 besteht z. B. aus Weicheisen, Ferrit oder einem anderen geeigneten Mate­ rial und hat angenähert die Form eines Hyperboloids. Der untere Umfang 11 ist hierbei größer als der obere Umfang 12. Der innere Durchmesser d des Jochs 10 in Abhängigkeit von der z-Achse berechnet sich nach der Formel

Hierin sind y₀, m, z₀ und z_w Parameter, die variiert werden können. Diese Parameter hän­ gen von der Strahlleistung - und somit dem minimalen Durchmesser -, dem maximal erfor­ derlichen Ablenkwinkel und der angestrebten Fokusqualität ab. Zum Beispiel sind
y₀: Maß für die Eintrittsöffnung (0 cm <y₀ <20 cm)
m: Maß für den maximalen Austrittswinkel α; m = tan α (0° <α <90°)
z_w Maß für die Stärke der Krümmung (0 cm <z_w <50 cm)
z₀: Lage des Krümmungsmittelpunktes (-40 cm <z₀ <40 cm).

In der Fig. 3 ist das Joch 10 der Fig. 2 noch einmal dargestellt, allerdings zusammen mit sich überlappenden Sattelspulen, die aus mehreren Strängen bestehen, von denen die Stränge 13 bis 18 dargestellt sind. Die Stromversorgung 24, an welche die Sattelspule an­ geschlossen ist, liefert eine Wechselspannung U von etwa 100 Hz bis 10 kHz, der eine Gleichspannung überlagert ist. Die Gleichspannung dient dabei zur Erzeugung einer kon­ stanten Ablenkung des Elektronenstrahls 2, um z. B. die Oberfläche eines Schmelzguts in einem Tiegel zu treffen. Da der Elektronenstrahl 2 jedoch zusätzlich auch noch auf der Tiegeloberfläche hin- und herbewegt werden soll, ist ein Wechselstromanteil erforderlich.

Die Amplituden der an den Sattelspulen 13 bis 18 anliegenden Spannung U wird durch eine aktive Feldregelung beeinflußt. Hierbei wird mittels eines in die Ablenkeinheit einge­ brachten Magnetfeldsensors 25 ein Regler 26 mit einem Signal beaufschlagt, das der je­ weils aktuellen Magnetfeldstärke entspricht. Der Regler vergleicht diesen gemessenen Wert mit einem voreinstellbaren Sollwert und regelt die Stromversorgung 24 entsprechend hoch oder herunter.

Um das in der Fig. 3 gezeigte Ablenksystem vor thermischer Überlastung zu schützen, sind in das Joch 10 Kühlrohre eingelassen, von denen nur drei Kühlrohre 27 bis 30 exemplarisch dargestellt sind. Die Fig. 3 zeigt nur die Spulenkonfiguration für eine Ablenkrichtung. Für die um 90° versetzte Ablenkung ist eine entsprechende Spulenkon­ figuration, die räumlich um 90° versetzt ist, am selben Joch 10 vorhanden. Mit 40 ist die Innenfläche des Jochs bezeichnet, während seine Außenfläche mit 41 bezeichnet ist.

In der Fig. 4 ist ein Schnitt durch das Joch 10 mit den Sattelspulen dargestellt. Die Sattel­ spulen, von denen die Wicklung 13 näher bezeichnet ist, sind hierbei in eine Masse 32 ein­ gelassen, die sich um das Joch 10 herum befindet. Man erkennt wieder die inneren und äu­ ßeren Oberflächen 40, 41 sowie den Elektronenstrahl 2.

Die Fig. 5 zeigt eine Ansicht von oben auf das Joch 10 mit den Sattelspulen, d. h. sie ist eine Draufsicht auf Fig. 4. Man erkennt hierbei die verschiedenen Wicklungen der Sattel­ spulen, von denen nur fünf mit Bezugszahlen 18 bis 22 versehen sind. Diese Wicklungen sind zwischen Zähnen geführt, von denen nur zwei Zähne mit den Bezugszahlen 50 und 51 bezeichnet sind.

In der Fig. 6 ist das Wickelschema der Sattelspulen 13 bis 18 dargestellt. Die hier eingetra­ genen Zahlen bezeichnen die Windungszahlen der Spulen oder Wicklungen. Der innere Kreisring 60 enthält z. B. die Spulen für die x-Ablenkung, während der äußere Kreisring 61 die Spulen für die y-Ablenkung enthält.

Claims (9)

1. Magnetisches Ablenksystem für einen Hochleistungs-Elektronenstrahl mit einer ausge­ dehnten Querschnittsfläche, der zum Schmelzen oder Verdampfen von vorzugsweise metallischen Materialien verwendet wird, gekennzeichnet durch

• a) ein rotationssymmetrisches Joch (10) mit einem inneren Mantel (40) und einem äußeren Mantel (41), wobei der Abstand des inneren Mantels (40) zur Symmetrieachse (42) des Jochs (10) von oben nach unten zunimmt;
• b) eine Sattelspule (13 bis 18), welche an die Form des rotationssymmetrischen Jochs (10) angepaßt ist.

2. Magnetisches Ablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Abstand d des inneren Mantels (40) von der Symmetrieachse (42) in Abhängigkeit von der Längskoordinaten z dieser Symmetrieachse (42) nach folgender Gleichung bestimmt: wobei y₀, m, z₀ und z_w variierbare Parameter sind.

3. Magnetisches Ablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (10) mit der Sattelspule (13) über einem mittels Elektronenstrahlen (2) zu bearbeitenden Material (7) angeordnet ist.

4. Magnetisches Ablenksystem nach Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß für die Erzeugung des Elektronenstrahls (2) eine Elektronenstrahlkanone (1) vor­ gesehen ist und daß zwischen der Elektronenstrahlkanone (1) und dem Joch (10) mit der Sattelspule (13) zwei magnetische Linsen (3, 5) angeordnet sind.

5. Magnetisches Ablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Umfang des Jochs (10) paarweise Spulen (18 bis 23) mit unterschiedlichen Windungs­ zahlen aufgebracht sind.

6. Magnetisches Ablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sattelspule (13) an einer Stromversorgung (24) liegt, die von einem Regler (26) geregelt wird, der einen Magnetfeld-Istwert von einem Magnetfeldsensor (25) erhält, der die Magnetfeldstärke im Joch (10) erfaßt.

7. Magnetisches Ablenksystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung eine mit einer Wechselspannung überlagerte Gleichspannung liefert.

8. Magnetisches Ablenksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Wechselstroms zwischen 100 Hz und 10 kHz liegt.

9. Magnetisches Ablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch aus Weicheisen besteht.