DE4219562C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlaustrittsfenster
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Über solche Elektronenstrahlaustrittsfenster wird
der in einem evakuierten Elektronenstrahler erzeugte Elektro
nenstrahl in einen Raum höheren Druckes, vorzugsweise an Atmo
sphärendruck, herausgeführt. Derartige Strahlaustrittsfen
ster, auch Lenardfenster genannt, werden hauptsächlich in Elek
tronenstrahlanlagen verwendet, mit denen ein Elektronenstrahlpro
zeß, wie z. B. eine Elektronenstrahlpolymerisation, in einem auf
Atmosphärendruck befindlichen Raum erfolgt. Dabei kann der
Elektronenstrahl sowohl als Axialstrahl erzeugt und mittels
Scanner über das Strahlaustrittsfenster bewegt werden als auch
als band- oder flächenförmig erzeugter Elektronenstrahl durch das
Strahlaustrittsfenster geführt werden.
Es sind verschieden gestaltete Einrichtungen zum Austritt von
Elektronenstrahlen an freie Atmosphäre bekannt. Die einfachsten
Ausführungen bestehen aus einer dünnen, gasundurchlässigen Folie,
welche den Strahlerzeugungsraum vakuumdicht von der freien
Atmosphäre trennt. Diese Folien sind vorzugsweise aus Aluminium,
Titan oder Beryllium-Legierungen. Beim Durchtritt des Elektro
nenstrahles wird die Folie infolge unvermeidlicher Wechselwirkung
zwischen dem Elektronenstrahl und dem Folienwerkstoff erwärmt.
Die Folien müssen der Druckdifferenz standhalten, dürfen aber
nicht zu dick sein, um einerseits die Energieverluste des auszu
schleusenden Elektronenstrahls und andererseits die Höhe der
Verlustleistung, die aus der Folie abzuführen ist, zu begrenzen,
so daß die Folienerwärmung innerhalb einer vom Folienwerkstoff
tolerierbaren Temperatur verbleibt (US-PS 32 22 558). Zur
Wärmeführung dient im einfachsten Fall eine Gasströmung.
Es ist weiterhin bekannt, mehrere dünne Folien im Abstand in
Strahlrichtung hintereinander so anzuordnen, daß einzelne, gegen
den Strahlerzeugungsraum und die Atmosphäre abgedichtete Räume
entstehen. Durch diese Räume wird ein Kühlgas derart geleitet,
daß sich zwischen dem Strahlerzeugungsraum und der Atmosphäre die
Druckdifferenz auf die einzelnen Räume aufteilt, indem der
mittlere statische Druck von Raum zu Raum zunimmt. Die Summe der
Dicken der einzelnen Folien entspricht mindestens der Dicke einer
Folie eines Strahlaustrittsfensters mit nur einer Folie (DD-PS
1 02 511; US-PS 31 62 749). Da die minimal mögliche Foliendicke
durch die Herstellbarkeit vakuumdichter Folien begrenzt ist, und
sich die Absorption der Einzelfolien summiert, liegen hier die
Absorptionsverluste sehr hoch, vor allem, wenn mit relativ
geringer Beschleunigungsspannung gearbeitet wird. Hinzu kommt der
Nachteil, daß die notwendige große Wölbung der Folien, insbeson
dere im Fensterrandbereich, zu höheren Absorptionsraten aufgrund
des geneigten Strahleinfalls führt.
Weitere bekannte Lösungen bestehen darin, daß zur Begrenzung der
Zugspannungen in der Folie mechanische Stützkonstruktionen
verwendet werden. Die Aussparungen in diesen Stützkonstruktionen
sind eng aneinander und z. T. nach der Vakuumseite konisch so
verlaufend angeordnet, daß die die Folie stützenden Stege zwi
schen den Aussparungen vakuumseitig spitz auslaufen (DD-PS
2 07 521, DE-OS 18 00 663). Dadurch werden die Elektronen, die auf
die Flachen der Stützkonstruktion auftreffen, ohne vollständigen
Energieverlust reflektiert und treten danach zumindest teilweise
aus dem Fenster aus. Selbst eine derart gestaltete
Stützkonstruktion hat jedoch den Mangel, daß die Minderung der
effektiven Elektronendurchtrittsfläche und damit der zusätzliche,
durch die Stützkonstruktion bedingte Leistungsverlust des Elek
tronenstrahls 30% und mehr betragen kann. Hinzu kommt als
weiterer Nachteil, daß die thermische Belastung der
Stützkonstruktion sehr hoch ist und folglich hohe Anforderungen
an die Wärmeleitung und Wärmeabführung gestellt werden. Häufig
verwendet man kühlwasserdurchflossene Stützkonstruktionen, die
aber größere Stützlamellen erfordern, was sich durch den daraus
resultierenden Schattenwurf nachteilig auf die Homogenität des
hinter dem Fenster liegenden Bestrahlungsfeldes auswirken kann
(DE-OS 19 18 358).
Es wurde weiterhin versucht, die genannten Mängel von
Stützkonstruktionen dadurch zu mindern, daß neben einer besonde
ren geometrischen Gestaltung die strahlbeaufschlagten Flächen
poliert und mit Elementen hoher Ordnungszahlen beschichtet werden
(EP 01 95 153). Auch diese Maßnahmen können jedoch besagte Mängel
nicht grundsätzlich vermeiden. Hinzu kommt, daß eine solche
Ausführung der Stützkonstruktion sehr aufwendig ist.
Alle genannten Lösungen, die eine Stützkonstruktion enthalten,
haben gemeinsam den Nachteil, daß die Abstände zwischen dem
Strahlaustrittsfenster und dem Bestrahlungsgut vergrößert werden
müssen, um den Einfluß des Lamellenquerschnitts auf die Homoge
nität des Bestrahlungsfeldes zu verringern. Damit ergeben sich
jedoch erhöhte Verluste in der Gasstrecke zwischen Austrittsfen
ster und Bestrahlungsgut, was sich besonders bei relativ niedri
gen Beschleunigungsspannungen nachteilig auf die verfügbare
Bestrahlungstiefe und Dosisleistungsdichte auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektro
strahlaustrittsfenster der eingangs genannten Art zu schaffen,
welches ohne eine massive
wassergekühlte Stützkonstruktion auskommt, eine geringe Lei
stungsabsorption aufweist, besonders auch für Elektronenstrahlen
relativ geringer Beschleunigungsspannung geeignet und einfach
herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Elektronenstrahlaustrittsfenster nach dem Oberbegriff des Anspru
ches 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den
Unteransprüchen beschrieben.
Die Abstützung der Metallfolie durch das aus hochwarmfesten
Faserbündeln gebildete Stützgitter sowie die Belastung der
Faserbündel auf Zugspannung gestatten eine Querschnittsminimie
rung der Stützgitterkonstruktion und damit eine wesentliche
Reduzierung der Strahlverluste im Strahlaustrittsfenster. Die
Verwendung von Kohlenstoffaserbündeln für das Stützgitter ist
aufgrund der geringen elastischen Dehnung und des geringen
Temperaturausdehnungskoeffizienten besonders vorteilhaft. Die
Gewährleistung eines auch bunter Belastung etwa kreisförmigen
Querschnitts der Faserbündel erfolgt z. B. durch Verdrillen der
Filamente. Die Verwendung von Faserbündeln aus einem hochwarmfe
sten Werkstoff ermöglicht die Aufrechterhaltung eines hohen
Temperaturgradienten über dem Stützgitter in Strahlrichtung sowie
die Abführung eines wesentlichen Teiles der im Stützgitter
absorbierten Strahlleistung durch Wärmestrahlung. Bei Verwendung
einer Metallfolie aus Titan und Kohlenstoffaserbündeln als
Stützgitter ist es zweckmäßig, die Metallfolie auf der Vakuum
seite mit einer Sperrschicht, vorzugsweise aus Titanoxid, zu
versehen, um chemische Reaktionen zwischen dem Werkstoff des
Stützgitters und der Metallfolie zu vermeiden. Eine ähnliche
Sperrschicht kann auch auf der Druckseite der Folie zweckmäßig
sein, um die unerwünschte Eindiffusion der gasförmigen Kontakt
partner der Metallfolie zu vermeiden.
Die Faserbündel bilden mit dem Befestigungsrahmen einen Winkel
ungleich 90°. Durch eine geeignete Anpassung dieses Winkels an
die Fensterbreite, den Abstand der Faserbündel untereinander und
die Leistungsdichteverteilung des Elektronenstrahles wird auf dem
bewegten Bestrahlungsgut die Bestrahlungshomogenität verbessert.
Die Metallfolie kann auch auf der Druckseite in bekannter Weise
durch eine Gasströmung, vorzugsweise in Richtung der Faserbündel,
gekühlt werden.
Das erfindungsgemäße Strahlenaustrittsfenster ist besonders für
relativ niederenergetische Elektronenstrahlen und geringe Distanz
zwischen Strahlaustrittsfenster und Bestrahlungsgut geeignet.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1: eine Draufsicht auf einen Rahmen mit Stützgitter eines
Elektronenstrahlaustrittsfensters,
Fig. 2: einen Schnitt durch ein Elektronenstrahlfenster,
Fig. 3: einen Teilschnitt (stark vergrößert) durch ein
Faserbündel mit der Metallfolie.
Das Elektronenstrahlaustrittsfenster gemäß Fig. 1 und 2 besteht
aus dem Rahmen 1 mit der Öffnung 2 für den Strahlaustritt, deren
Bereich durch ein Stützgitter 3, bestehend aus Faserbündeln 4 aus
Kohlenstoff, abgedeckt ist. Die Faserbündel 4 sind in Nuten 5
stoffschlüssig durch Auffüllen von Gießharz 6 verankert. Auf dem
Rahmen 1 ist eine auf dem Stützgitter 3 aufliegende Metallfolie 7
aus Titan aufgeklebt. Die Faserbündel 4 des Stützgitters 3 sind
zur Verbesserung der Homogenität der Bestrahlung in einem Winkel
α < 90° zum Schenkel des Rahmens 1 angeordnet.
Der Rahmen 1 hat auf der Gegenseite des Stützgitters 3 eine
Dichtfläche 8, die an dem Elektronenstrahlerzeuger (nicht
gezeichnet) vakuumdicht anliegt.
Zur Begrenzung der Zugspannung in den Faserbündeln 4 haben diese
einen Durchhang h. Unter Wirkung der anliegenden Druckdifferenz
legt sich die Metallfolie 7 an das Stützgitter 3 an. Zur Gewähr
leistung einer annähernden Kreisform der Faserbündel 4 auch unter
der Belastung durch die Metallfolie 7 sind die Faserbündel 4
verdrillt.
Im Ausschnitt Fig. 3 ist dargestellt, daß die aus dem Elektro
nenstrahlerzeuger austretenden Elektronenstrahlen 9 sowohl auf
die Metallfolie 7 als auch auf die Faserbündel 4 des Stützgitters
3 auftreffen. Während die Elektronenstrahlen 9 die Metallfolie 7
unter Energieverlust durchdringen, wird die auf das Faserbündel 4
auftreffende Strahlleistung nahezu vollständig von diesem absor
biert und in Wärme umgesetzt. Der Bildungsort der Wärme ist,
abhängig von der Elektronenenergie, auf die strahlseitige Peri
pherie 10 des Faserbündels 4 begrenzt. Bedingt durch die
schlechte Wärmeleitung über dem Querschnitt des Faserbündels 4
und der auf der Druckseite durch einen Gasstrom gekühlten Metall
folie 5 entsteht über dem Querschnitt ein hoher Temperaturgradi
ent. Dadurch wird ein Großteil der in den Faserbündeln 4 absor
bierten Leistung in der Gegenrichtung 11 zu den Elektronenstrah
len 9 abgestrahlt. Die vergleichsweise gute Wärmeleitung der
Metallfolie 7 hat zur Folge, daß die an den einzelnen Fasern des
Faserbündels 4 anliegende Metallfolie 7 über ihrem Querschnitt
eine etwa konstante Temperatur besitzt.
Auf der Metallfolie 7 ist beidseitig eine Sperrschicht 12 aus
Titanoxid aufgebracht, um chemische Reaktionen zwischen dem
Stützgittermaterial sowie den gasförmigen Reaktionspartnern und
der Metallfolie zu reduzieren.
Claims (16)
1. Elektronenstrahlaustrittsfenster, bestehend aus einem Rahmen
zum vakuumdichten Anschluß an den Elektronenstrahlerzeuger, einer
vakuumdichten, für den Elektronenstrahl durchlässigen Metallfolie
und einer Stützkonstruktion für die Metallfolie, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf der Metallfolie (7) vakuumseitig aufliegend ein
Stützgitter (3) aus Faserbündeln (4), die aus einem hochwarmfe
sten Werkstoff bestehen, angeordnet ist, daß das Stützgitter (3)
in den Rahmen (1) gespannt ist und daß die Metallfolie (7) auf
dem Rahmen (1) vakuumdicht angeordnet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Faserbündel (4) aus Kohlenstoff-Filamenten bestehen, die ver
drillt sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Faserbündel (4) mit Kohlenstoff gebunden sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Faserbündel (4) stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit defi
niertem Durchhang mit dem Rahmen (1) verbunden sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Faserbündel (4) in im Rahmen (1) eingebrachte Nuten (5) eingelegt
sind, die danach vorzugsweise mit Gießharz (6) verschlossen sind.
6. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbündel (4) parallel zueinan
der verlaufend oder kreuzweise im Rahmen (1) angeordnet sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Faserbündel (4) in einem Winkel α ungleich 90° zur Kante des
Rahmens (1) verlaufen.
8. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) aus kohlenstoffaser
verstärktem Kohlenstoff (CFC) hergestellt ist.
9. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) aus Metall hergestellt
ist.
10. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) so ausgebildet und mit
Dichtflächen oder Dichtelementen verbunden ist, daß er gleichzei
tig dichtendes Bauelement ist.
11. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (7) aus Titan oder
einer Titanlegierung hergestellt ist.
12. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß auf den Oberflächen der Metallfolie
(7) als Diffusionssperre wirkende Sperrschichten (12) aufgebracht
sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei
Faserbündeln (4,) aus Kohlenstoff und Metallfolie (7) aus Titan
die Sperrschicht (12) aus Titanoxid ist.
14. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (7) auf den Rahmen
(1) vakuumdicht aufgeklebt ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der
Klebebereich durch eine Abdeckung vor dem Eintritt von
Rückstreuelektronen geschützt ist.
16. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Druckseite der Metall
folie (7) Mittel zur Erzeugung eines Kühlgasstromes angeordnet
sind.
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