DE4428508A1 - Elektronenkanone - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Elektronenkanone zur Erzeugung eines Elektronenstrahls
hoher Leistungsdichte zum Verdampfen von Materialien im Grobvakuum.
Elektronenkanonen zum Verdampfen der verschiedensten Materialien sind in unter
schiedlichen Ausführungen bekannt. Für Strahlleistungen im Bereich einiger kW bis
zu mehreren 10 kW finden häufig sogenannte Transverseguns Verwendung. Diese
Elektronenkanonen arbeiten mit Beschleunigungsspannungen von 5 bis 15 kV. Der
Elektronenstrahl wird bei dieser Kanonenart um 180° bis 270° aus der Emissions
richtung heraus auf das Verdampfungsgut gelenkt. Die erzielte Leistungsdichte am
Verdampfungsort ist mit Werten um einige 10³ Watt/cm² relativ gering. Transverse
guns sind zum Verdampfungsraum nicht oder nur schwach druckentkoppelt. Sie
können deshalb nur zur Verdampfung unter Hochvakuumbedingungen verwendet
werden (Schiller/Heisig, Bedampfungstechnik (1975), VEB Verlag Technik, S. 59 u.
60).
Für das Hochrate-Elektronenstrahlverdampfen kommen vorwiegend Axialkanonen
mit Strahlleistungen bis zu mehreren 100 kW zum Einsatz. Sie arbeiten mit einer
Beschleunigungsspannung bis zu etwa 50 kV. Der Elektronenstrahl wird seltener di
rekt, meist im Winkel bis 90° abgelenkt auf dem Verdampfungsgut zur Einwirkung
gebracht. Durch eine dynamische Strahlablenkung kann die Elektronenstrahlleistung
auf Verdampfungsflächen verteilt werden, die sehr groß gegen den Strahlquerschnitt
sind. Die typischen Leistungsdichten, mit denen der Elektronenstrahl auf dem Ver
dampfungsgut einwirkt, sind mit einigen 10⁴ W/cm² eine Größenordnung höher als
bei Transverseguns. Die Strahlerzeugung erlaubt eine gewisse Druckentkopplung
zwischen der auf Hochvakuum evakuierten Strahlquelle und dem Verdampfungs
raum, der sich auf einem Druckniveau bis etwa 1 Pa befinden kann. Diese Eigen
schaft von Axialkanonen, ihre relativ hohe Elektronenenergie und die hohe verfüg
bare Strahlleistung und -leistungsdichte macht sie als Elektronenstrahlquelle zur
Hochrateverdampfung für große Beschichtungsflächen und für die plasmagestützte
Elektronenstrahlbedampfung geeignet (DD 2 37 932 B1, DD 1 98 584, Schiller,
Heisig, Bedampfungstechnik (1975), VEB Verlag Technik, S. 55 bis 58).
Die vorstehend beschriebenen Elektronenkanonen zur Elektronenstrahlverdampfung
versagen jedoch, wenn der Verdampfungsprozeß im Grobvakuumbereich bis zu
mehreren 100 Pa und mit noch höherer Leistungsdichte erfolgen soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vom technischen Stand gesetzten
Grenzen bezüglich Arbeitsdruck und Leistungsdichte im Elektronenstrahl zu über
winden und eine Elektronenkanone zu schaffen, die es gestattet, einen Verdamp
fungsprozeß im Druckbereich bis zu mehreren 100 Pa mit einer Strahlleistung um
10 kW und höher bei einer Leistungsdichte bis < 10⁵ W/cm² durchzuführen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1
gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 6 be
schrieben.
Die erfindungswesentliche Strahlführungseinheit ist in ihrer Länge unter Berücksich
tigung der Strahlapertur der Elektronenstrahlquelle derart gewählt, daß der Elektro
nenstrahl in das Mundstück konvergent, aber mit geringer Strahlapertur eintritt. Der
Strahlfokus wird dabei in eine Ebene gelegt, die zwischen der Austrittsöffnung des
Mundstücks und dem Verdampferort liegt. Die Austrittsöffnung des Mundstücks be
steht aus einer kurzen zylindrischen Bohrung, die auf der dem entgegenkommenden
Elektronenstrahl zugewandten Seite in eine Rotationsfläche übergeht, deren Flä
chennormale mit zunehmendem Abstand vom zylindrischen Teil der Öffnung einen
progressiv abnehmenden Winkel zur Strahlachse bildet. Der Durchmesser des zy
lindrischen Teils der Öffnung wird größer als der Strahldurchmesser in diesem Be
reich gewählt.
Das auf Grund des Druckgefälles aus dem Arbeitsraum über die Öffnung des
Mundstücks in die Strahlführungseinheit einströmende Arbeitsgas wird über die
angeschlossene Evakuierungseinrichtung auf einem Druckniveau im Bereich 1 Pa
abgepumpt.
Durch Stöße zwischen den Strahlelektronen und den Restgasatomen in der Strahl
führungseinheit wird ein kleiner Teil der Strahlelektronen aus ihrer ursprünglichen
Richtung um zumeist sehr kleine Winkel abgelenkt. Der Elektronenstrahl spaltet sich
dadurch in der Strahlführungseinheit, insbesondere im Bereich des Mundstücks, in
dem der Gasdruck auf kurzer Distanz stark ansteigt, in einen Kernstrahl und einen
Streustrahl auf. Der Kernstrahl entspricht dabei bezüglich Leistungsdichte und
Strahlapertur weitestgehend den Verhältnissen im Fokus des ursprünglichen Elek
tronenstrahls. Der Streustrahl umgibt den Kernstrahl konzentrisch. Der Druck in der
Strahlführungseinheit ist abgestimmt auf die Elektronenenergie so gewählt, daß nur
ein sehr kleiner Teil der Strahlelektronen im Streustrahl geführt wird. Die Leistungs
dichte im Streustrahl ist gegenüber dem Kernstrahl um Größenordnungen geringer.
Die Bohrung des Mundstücks wird in ihrem Durchmesser größer als der Durchmes
ser des Kernstrahls, jedoch kleiner als der Durchmesser des Streustrahls gewählt.
Bei zentrischem Verlauf zur Bohrung des Mundstückes passiert der Kernstrahl damit
verlustfrei die Bohrung. Der Streustrahl trifft dagegen zum Teil auf das Mundstück.
Die in diesem verbleibenden Elektronen fließen über den angeschlossenen Arbeits
widerstand nach Masse ab. Da die im Streustrahl geführte Stromdichte mit zuneh
mendem Abstand von der Strahlachse abfällt, nimmt der vom Mundstück abfließen
de Elektronenstrom und damit der Spannungsabfall am Arbeitswiderstand ein Mini
mum an, wenn die Bohrungsachse des Mundstücks und die Strahlachse zusammen
fallen. Die Höhe dieses Minimums ist abhängig vom Strahlstrom, der Art und dem
Druck des Arbeitsgases in der Strahlführungseinheit. Bei Ablage des Elektronen
strahls aus der Bohrungsmitte des Mundstücks wird das Mundstück von intensitäts
stärkeren Zonen des Streustrahls getroffen und der abfließende Strom steigt an. Der
Stromanstieg ist bereits bei Ablenkung des Strahles um Bruchteile des Kernstrahl
durchmessers nachweisbar. Abhängig vom auszuführenden Verdampfungsprozeß
wird der Elektronenstrahl über die magnetische Ablenkeinheit um kleine Beträge in
unterschiedlichen Richtungen abgelenkt und durch Auswertung der den jeweiligen
Ablenkrichtungen zuordenbaren Höhe des vom Mundstück abfließenden Stromes
der Elektronenstrahl durch entsprechende Ablenkung mittig zur Öffnung des Mund
stücks gehalten. Der dieser Art gestaltete Reglungsvorgang wird vorrangig bei
wesentlicher Veränderung des Strahlstroms ausgeführt.
Die durch Elektronenrückstreuung vom Prozeßort entstehende und anderen
Gesetzmäßigkeiten unterliegende Ladungsträgerbelastung des Mundstücks wird
durch eine unmittelbar nach dem Mundstück angeordnete, auf Massepotential
mit einer gegenüber dem Mundstück nur wenig größer gewählten
Öffnung hinreichend eliminiert.
Beim Eintritt des Elektronenstrahls in den Arbeitsraum höheren Druckes entsteht ein
Plasma. Im Bereich des Kernstrahls hoher Leistungsdichte wird dadurch eine positi
ve Raumladung gebildet. Unter der Einwirkung dieser Raumentladung wird der mit
geringer Apertur eingeschlossene Elektronenkernstrahl entgegen dem strahlengeo
metrisch zu erwartenden Verlauf über eine größere Distanz praktisch parallel ge
führt, so daß seine hohe Leistungsdichte weitgehend erhalten bleibt. Erst nach die
ser Distanz überwiegen die streubedingten Elektronenverluste im Kernstrahl und
führen zu zunehmendem Leistungsdichteverlust und schließlich zur vollständigen
Zerstreuung des Elektronenstrahls. Der Verdampfungsort wird vorzugsweise inner
halb einer Distanz gewählt, indem die Leistungsdichte des Kernstrahles hinreichend
groß ist. Die Strahlleistung liegt vorzugsweise im Bereich mehrerer kW bis zu eini
gen 10 kW.
Die hohe Leistungsdichte des Elektronenstrahls kann am Verdampfungsort zur
Ausbildung einer dampferfüllten Kapillare führen. Dadurch ergibt sich eine gegen
über der üblichen Verdampfung von einer ebenen Oberfläche abweichende Richt
charakteristik der Dampfstromdichteverteilung mit neuen anwendungstechnischen
Möglichkeiten.
Es kann ferner zweckmäßig sein, im oder nach dem Bereich des Mundstückes oder
im Bereich des Verdampfungsortes eine weitere Ablenkeinheit anzuordnen. Dadurch
kann der Elektronenstrahl auf dem Verdampfungsgut über eine größere Fläche zur
Einwirkung gebracht werden. Um bei geringen Abständen dieser Ablenkeinheit zur
Strahlaustrittsöffnung der Elektronenkanone die empfindliche Strahlführung durch
das Mundstück nicht zu stören, ist es im allgemeinen notwendig, die Ablenkwirkung
eines in die Strahlführungseinheit eingreifenden magnetischen Streufeldes zu elimi
nieren. Dazu wird ein der Ablenkfunktion dieser Ablenkeinheit proportionaler Strom
der magnetischen Ablenkeinheit der Elektronenkanone zugeführt. Der infolge von
Wirbelstromverlusten in der Strahlführungseinheit gegebenenfalls frequenzabhän
gige Proportionalitätsfaktor wird derart gewählt, daß die erzeugte Strahlablenkung in
der Ebene des Mundstücks die Störablenkung gerade kompensiert. Bei Anordnung
der magnetischen Ablenkeinheit in der Elektronenkanone in Strahlrichtung vor der
magnetischen Linse ist natürlich die von der Linsenerregung abhängige Rotation der
Ablenkrichtung durch das Linsenfeld geeignet zu berücksichtigen.
Es kann auch vorteilhaft sein, die Wirkung des magnetischen Streufeldes im Bereich
des Mundstücks dadurch zu eliminieren, daß das Streufeld durch Einsatz geeigneter
Materialien für das Mundstück und andere umgebende Teile derart abgeschirmt
wird, daß keine unzulässige Ablenkwirkung auf den Elektronenstrahl im Bereich des
Mundstücks erfolgt.
Eine andere zweckdienliche Lösung, den Elektronenstrahl auf dem Verdampfungs
gut über einer größeren Fläche zur Einwirkung zu bringen, besteht darin, den Elek
tronenstrahl durch Einsatz einer Doppelablenkeinheit im Strahlführungsteil der Elek
tronenkanone derart zweidimensional abzulenken, daß der Drehpunkt des abgelenk
ten Elektronenstrahls in der Ebene des Mundstücks liegt.
In Ausführungsbeispielen ist die Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen
Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine Strahlführungseinheit der Elektronenkanone
Fig. 2 den Verlauf des Elektronenstrahls in der Umgebung des Mundstücks
Fig. 3 eine Anordnung einer speziellen Ablenkeinheit im Bereich des Mundstücks.
Der in Fig. 1 nicht näher dargestellte, bekannte Teil einer Elektronenkanone besteht
aus einer separat evakuierbaren Elektronenstrahlquelle mit einer elektronenstoßge
heizten Wolframbolzenkatode, einer Steuerelektrode und einer auf Massepotential
befindlichen Anode unterhalb der eine magnetische Ablenkeinheit zur zweidimen
sionalen Strahlablenkung und eine magnetische Fokussierungslinse angeordnet
sind. Der Aufbau dieses Teiles der Elektronenkanone entspricht der bekannten
Ausführung, wie sie etwa zum Elektronenstrahlschweißen eingesetzt wird. Daran
angeschlossen ist erfindungsgemäß eine Strahlführungseinheit 1, die über den
Stutzen 2 mit einer Evakuierungseinrichtung verbunden ist, die es gestattet, die
Strahlführungseinheit 1 auf ein Vakuum von etwa 1 Pa zu evakuieren. Über den
Flansch 3 ist die Elektronenkanone an der Verdampfungskammer angeordnet. Die
Strahlführungseinheit 1 ist in Strahlrichtung mit einem über die Isolatoren 4 und 5
elektrisch isolierten Mundstück 6 und einer auf Massepotential liegenden Blende
7 gegen den Verdampfungsraum 8 abgeschlossen. Das Mundstück 6 ist über seine
metallische Halterung 9 und einen elektrischen Arbeitswiderstand 10 mit Massepo
tential verbunden. Der auf das Mundstück 6 treffende Ladungsträgerstrom erzeugt
am Arbeitswiderstand 10 eine proportionale Spannung, die am Punkt 11 abgenom
men und über eine nicht näher dargestellte elektrische Durchführung aus der Elek
tronenkanone herausgeführt ist. Zwischen dem Mundstück 6 und seiner Halterung 9
befindet sich ein wasserdurchströmter Kühlkanal 12, über den die durch auftreffende
Elektronen erzeugte Wärme abgeführt wird. Die zentrale Öffnung 13 des Mund
stücks 6 ist als zylindrische Bohrung 14, die in einer Rotationsfläche 15 ausläuft,
ausgeführt. Der Durchmesser der Bohrung 14 ist größer als der Kernstrahldurch
messer in diesem Bereich.
Wie in Fig. 2 dargestellt, spaltet sich durch Streuung des Elektronenstrahls 16 am
Restgas 17 in der Strahlführungseinheit der Elektronenstrahl 16 in einen Kernstrahl
18 und einen diesen umschließenden Streustrahl 19 auf. Der Streustrahl 19 trifft
zum Teil auf dem Mundstück 6 auf und erzeugt am Arbeitswiderstand 10 einen
Spannungsabfall. Bei exakt zentrischem Verlauf des Kernstrahls 18 zum Mundstück
6 nimmt der Spannungsabfall am Arbeitswiderstand ein Minimum an. Dieser Um
stand wird in Verbindung mit willkürlichen geringfügigen Strahlablenkungen in ver
schiedenen Richtungen über die magnetische Ablenkeinheit und eine entspre
chende Auswerteeinheit genutzt, um den Elektronenstrahl 16 stets mittig zum
Mundstück 6 zu führen.
In Fig. 3 ist die Anordnung einer zusätzlichen speziellen Ablenkeinheit im Bereich
des Mundstücks 6 dargestellt. Ein magnetisch weicher Ringkern 20, vorzugsweise
aus Ferrit, ist mit paarweisen, den Koordinaten der Ablenkrichtung des Elektronen
strahls 16 zugeordneten, Rahmenspulen 21 belegt. Der Strom durch die Rahmen
spulen 21 erzeugt im Verdampfungsraum 8 ein Magnetfeld 22, welches sich kuppel
förmig im Bereich des aus dem Mundstück 6 austretenden Elektronenstrahles 16
ausbildet und die gewünschte Strahlablenkung bewirkt. Der magnetische Rück
schluß des Magnetfeldes 22 erfolgt innerhalb des Ringkerns 20.
Claims (6)
1. Elektronenkanone zur Materialverdampfung im Grobvakuum, bestehend aus
einer separat evakuierbaren Elektronenstrahlquelle hoher Emissionsdichte und
einem an diese angeschlossenen mindestens eine magnetische Fokussie
rungslinse und eine magnetische Ablenkeinheit enthaltenden Strahlführungs
teil, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung an die magnetische Fo
kussierungslinse eine getrennt evakuierbare Strahlführungseinheit (1) ange
ordnet ist, die durch ein elektrisch isoliert angeordnetes und mit einem Ar
beitswiderstand (1) an Massepotential geführtes Mundstück (6) mit zentraler
Öffnung (13) gegen den Verdampfungsraum (8) mit höherem Arbeitsdruck ab
geschlossen ist.
2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar
nach dem Mundstück (6) eine auf Massepotential gehaltene Blende (7) mit
geringfügig größerer Öffnung als der des Mundstücks (6) angeordnet ist.
3. Elektronenkanone nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strahlführungseinheit (1) auf ein Druckniveau in der Größenordnung 1 Pa
evakuiert ist.
4. Elektronenkanone nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
zentrale Öffnung (13) des Mundstücks (6) durch eine kurze zylindrische Boh
rung (14), die in eine Rotationsfläche übergeht, gebildet ist.
5. Elektronenkanone nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Be
reich des Mundstücks (6) eine weitere magnetische Ablenkeinheit zur Führung
des Elektronenstrahls (16) auf dem Verdampfungsmaterial angeordnet ist.
6. Elektronenkanone nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Be
reich der Strahlführungseinheit (1) eine Doppelablenkeinheit derart angeordnet
ist, daß der Drehpunkt des abgelenkten Elektronenstrahls (16) in der Ebene
des Mundstücks (6) liegt.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102020213174A1 (de) | 2020-10-19 | 2022-04-21 | THEVA DüNNSCHICHTTECHNIK GMBH | Aktiv gekühlte elektronenkanone zur materialverdampfung im vakuum |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DD237932B1 (de) * | 1985-05-31 | 1988-06-22 | Ardenne Forschungsinst | Elektronenkanone fuer hohe strahlleistungen |
-
1994
- 1994-08-11 DE DE19944428508 patent/DE4428508C2/de not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102020213174A1 (de) | 2020-10-19 | 2022-04-21 | THEVA DüNNSCHICHTTECHNIK GMBH | Aktiv gekühlte elektronenkanone zur materialverdampfung im vakuum |
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DE4428508C2 (de) | 1999-07-29 |
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