DE4432984C2 - Vorrichtung zum Bestrahlen von Oberflächen mit Elektronen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen von Oberflächen mit Elektronen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Solche Vorrichtungen erzeugen Niederenergie-Elektronen­ strahlen, die aus miniaturisierten Vakuumkammern aus­ treten. Sie werden zur Elektronenstrahlhärtung fester und flexibler Materialien sowie im Druckbereich einge­ setzt. In diesen Bereichen werden unterschiedliche An­ forderungen an die Vorrichtungen bezüglich der Elek­ tronenenergien un-d Elektronenstrahlleistungen gestellt. Bei der Elektronenstrahlhärtung von Beschichtungen auf festen Substraten, hauptsächlich auf Möbelteilen, Türen, Schichtstoffplatten und Leisten, sind relativ hohe Elek­ tronenenergien bis 280 keV erforderlich. Hier sind zum Teil Schichten mit Flächendichten von 200 g/m² durch­ zuhärten. Da die Produktionsgeschwindigkeiten im Möbel­ bereich nicht durch die Härtung, sondern durch andere verfahrenstechnische Schritte, wie Ein- und Ausgabe, Schleifen usw. bestimmt werden, sind je nach Härtedosis kleine bis mittlere Elektronenstrahlleistungen erfor­ derlich.

Wenn dagegen eine geschlossene Oberfläche vorliegt, wie das zum Beispiel bei papier- oder folienbeschichteten Substraten der Fall ist, und die Schichtstärken unter 40 g/m² liegen, dann kann vorteilhaft auch mit ge­ ringeren Elektronenenergien gearbeitet werden. Bei der Elektronenstrahlhärtung von Beschichtungen auf flexiblen Materialien wird oft von Rolle zu Rolle gear­ beitet. Hier sind Produktionsgeschwindigkeiten zwischen 100 und 300 m/min üblich. Dabei liegen die Flächen­ dichten der Beschichtungen im Bereich von 1 bis 30 g/m². Erforderlich sind kleine Elektronenenergien und mittlere Elektronenstrahlleistungen.

Im Druckbereich, vor allem dem Rollen-Offset-Druck errei­ chen die Maschinengeschwindigkeiten 600 bis 1000 m/min. Die Druckgeschwindigkeiten liegen etwas niedriger. Trotz relativ geringer Härtedosen von Druckfarben sind extrem hohe Elektronenstrahlleistungen bei geringen Elektronenenergien erforderlich.

Es werden hierfür Vorrichtungen mit Elektronenenergien zwischen 150 und 250 keV und Strahlströmen zwischen 30 und 300 mA eingesetzt.

In "Nuclear Instruments & Methods in Physics Research", Section B 1992, Article "LEA electron accelerators for radiation processing" ist eine Vorrichtung mit einer drahtförmigen Linearkathode be­ schrieben, in der die Elektronen ohne Steuergitter über eine rohrförmige Elektrode formiert und durch ein Elek­ tronenstrahlfenster ausgeschleust werden. Keine Vor­ teile werden in der Verwendung von mehreren parallel zueinander angeordneten, jeweils aus drahtförmiger Ka­ thode und rohrförmiger Formierelektrode bestehenden Strahlerzeugungssystemen gesehen.

Ferner ist es aus der US-PS 3701915 bei einer Vorrich­ tung zum Erwärmen, Schmelzen und Verdampfen von Ma­ terialien mittels Elektronenstrahlen bekannt, für das Strahlerzeugungssystem zwei zueinander parallele draht­ förmige Kathoden vorzusehen, die von einer gemeinsamen Fokussierelektrode auf der dem zu erzeugenden Elek­ tronenstrahl abgewandten Seite umgeben sind.

Beim Ausschleusen der Elektronen aus der unter Vakuum stehenden Vorrichtung durch ein strahlungsdurchlässiges Fenster, beispielsweise aus dünner Titanfolie, treten Energieverluste auf. Der Energieverlust in einer 15 µm-Titanfolie beträgt für Elektronen mit Energien von 150 keV etwa 25%. Zusätzliche Verluste entstehen an den Rippen des Stützgitters und durch das schräge Auf­ treffen der Elektronen auf das Austrittsfenster. Elektronenstrahlfenster sind in der DE 26 06 169 C2 näher beschrieben.

Durch das Elektronenstrahlfenster wird die untere Grenze der Elektronenenergie festgelegt. Eine obere Grenze der Elektronenstrahlleistung erhält man durch die maximal mögliche Strombelastung/cm² Fensterfläche, die 0,2 mA/cm² nicht überschreiten soll.

Es wäre bei derartigen Vorrichtungen ohne Steuergitter wünschenswert, wenn der Energieverlust beim Ausschleusen aus dem Elektronenstrahlfenster verringert und gleiche oder größere Elektronenstrahlleistungen bei kleineren Elektronenenergien erreicht werden könnten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zum Bestrahlen von Oberflächen mit Elektronen zu schaffen, mit der eine Erhöhung der Elektronenstrahl­ leistung erreicht wird und die Energieverluste beim Aus­ schleusen aus dem Elektronenstrahlfenster verringert werden.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 be­ rücksichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe ge­ löst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Merkmale des Anspruches 1 ist bei gleichen Emissionsbedingungen der Kathoden eine Verdopplung der Strahlleistung gegeben, weil zwei parallel angeordnete Kathoden in den Hohlraumsektionen vorgesehen sind. Hin­ zukommt, daß durch die Aufteilung der emittierten Elektronen in zwei Bestrahlungsfelder die Aufweitung des Bestrahlungsfeldes halbiert wird, was zu einer Er­ höhung der durch das Elektronenstrahlfenster dringenden Elektronen führt, weil diese in wesentlich geringerer Anzahl auf das übliche Loch- oder Schlitz-Stützgitter auftreffen.

Unter rohrförmigem Hohlkörper werden hierbei sich alle längserstreckenden geometrischen Körper wie z. B. Vier­ kant-, Mehrkant-, Halbkreiskörper verstanden.

Der Hohlraum-Längsteiler ist ein Element, das den Hohl­ raum des Hohlkörpers in Sektionen unterteilt. Seine geometrische Form ist beliebig. Der Längsteiler kann einstückig mit dem Hohlkörper ausgebildet oder als separates Teil mit dem Hohlkörper verbunden sein. Beispielsweise kann der Längsteiler durch das Anein­ anderfügen von zwei sich über die Länge erstreckenden Halbkreishohlkörpern gebildet werden.

Der Längsschlitz in dem Hohlkörper zusammen mit dem Hohlraum-Längsteiler bildet einerseits elektrisch weit­ gehend entkoppelte Hohlraumsektionen der Formierelek­ trode und andererseits eine offene Anordnung zur Ver­ meidung von Raumladungseffekten.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 in Verbindung mit den azentrischen Positionen der Kathoden liegt eine stark reduzierte Symmetrie des Elektronenstrahlerzeuger­ systems vor. Dies führt im Austrittsbereich des Längs­ schlitzes zu einer Durchmischung der Elektronen­ trajektorien was zu einer Homogenisierung der zwei Be­ strahlungsfelder führt. Eine gleichmäßige Intensitäts­ verteilung des Bestrahlungsfeldes im Bereich des Elek­ tronenstrahlfensters verhindert somit eine frühzeitige Beschädigung der Folie durch Überstrahlung.

Durch die Merkmale der Ansprüche 3 und 4 werden Frei­ heitsgrade in der Ausbildung des Elektronenstrahler­ zeugersystems gebildet, die eine Ein- und Nachjustierung gestatten. Durch die Verschiebung des Längsteilers wird eine Kippung der Normalen der Äquipotentialfelder der beiden Hohlraumsektionen bewirkt. Die beiden Bestrah­ lungsfelder sind hierdurch zur vertikalen Achse hin- oder wegzukippen.

Der sich durch die Breite des Quersteges und die Breite des Längsschlitzes des Hohlkörpers einstellende effek­ tive Restspalt ist für den elektrischen Durchgriff des Potentialfeldes in den Kathodenraum verantwortlich und somit für die Brechkraft des statischen Beschleunigungs­ feldes in der Nähe des Längsschlitzes. Durch Variation der Breite des Quersteges und/oder durch Änderung der geometrischen Form läßt sich daher die axiale Breite der zwei Bestrahlungsfelder einstellen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher be­ schrieben.

Es zeigen

Fig. 1 Eine Seitenansicht in schematischer Dar­ stellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 Die von dem Elektronenstrahlerzeugersystem ausgehenden Elektronentrajektorien eines Bestrahlungsfeldes.

Fig. 3 Die Mittel zum Verstellen der Kathoden.

Fig. 4 Die Mittel zum Verstellen des Hohlraum-Längs­ teilers.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung mit dem erfindungsge­ mäßen Elektronenstrahlerzeugersystem. Sie besteht aus einer rohrförmigen Vakuumkammer 11 mit doppelwandigem, wassergekühlten Gehäuse 12. In einer Seite 13 befindet sich die Öffnung 14 für den Anschluß der Vakuumpumpe 15. Die Vakuumkammer 11 besitzt ferner ein Elektronen­ strahlfenster 16. Es besteht aus einer Metallfolie 17, vorzugsweise einer Titanfolie, und einem Metallstütz­ gitter 18, vorzugsweise aus Kupfer, das an einem recht­ eckigen Flansch 19 befestigt ist. Vorzugsweise konzen­ trisch in der Vakuumkammer 11 ist das Elektronenstrahl­ erzeugersystem angeordnet. Es besteht aus einem rohr­ förmigen Hohlkörper 20 mit innenliegendem Hohlraum-Längs­ teiler 21, welche die Formierelektrode bilden, und je einer drahtförmigen Kathode 22, 23 in jedem vom Hohl­ raum-Längsteiler 21 abgeteilten Hohlraumsegment 24, 25. Die Kathoden 22, 23 bestehen aus zwei Wolframdrähten, die mit Stromdurchgang erhitzt werden, so daß sie thermische Elektronen emittieren. Die Formierelektrode liegt zusammen mit den Kathoden 22, 23 auf negativem Hochspannungspotential und ist deshalb isoliert in der Vakuumkammer 11 befestigt. Hohlraumsegment 24 und Kathode 23 sind in Fig. 2 vergrößert dargestellt und weiter unten näher beschrieben. Der Hohlkörper 20 weist einen zum Elektronenstrahlfenster 16 offenen Längs­ schlitz 26 auf. Der Längsschlitz 26 in der Formier­ elektrode hat eine Öffnungsbreite in der Größenordnung des Hohlkörperradius. Er bildet zusammen mit einem senk­ recht zum Längsteiler 21 verlaufenden Quersteg 27, der zum offenen Bereich des Längsschlitzes 21 weist, einen Restspalt 28 (Fig. 2), der für den elektrischen Durch­ griff des Potentialfeldes in die, die Kathoden 22, 23 enthaltenden Hohlraumsegmente 24, 25 verantwortlich ist. Durch Variation der Breite und/oder geometrischer Form des Quersteges 27 wird die Brechkraft des statischen Beschleunigungsfeldes verändert und die axiale Breite B (Fig. 1) der von den Kathoden 22, 23 emittierten Be­ strahlungsfelder 29, 30 der Elektronen eingestellt.

Längsschlitz 26 und Längsteiler 21 mit Quersteg 27 ent­ koppeln dabei die Hohlraumsektionen 24, 25 elektrisch, bilden jedoch eine offene Anordnung zur Vermeidung von Raumladungseffekten.

Längsteiler 21 mit Quersteg 27 sind über Mittel 31 vertikal in den Pfeilrichtungen 32, 33 verstellbar und/oder um seine Längsachse in den Pfeilrichtungen 34, 35 schwenkbar. Wie Fig. 4 zeigt, sind an mindestens zwei Stellen des Längsteilers 21 Halteelemente 42 an der dem Quersteg 27 gegenüberliegenden Seite befestigt. In jedem Halteelement 42 sind links und rechts von dem Längs­ teiler 21 Gewindebohrungen 40, 41 vorgesehen, in denen sich Gewindeschrauben 43, 44 befinden. In der Mitte der Halteelemente 42 ist eine weitere Gewindebohrung 45 an­ geordnet. Eine durch die Wand 46 des Hohlkörpers 20 ge­ führte Senkschraube 47 fixiert den Längsteiler 21 zum Hohlkörper 20. Oberhalb der Gewindeschrauben 43, 44 weist die Wand 46 des Hohlkörpers 20 Öffnungen 48, 49 auf. Die Gewindeschrauben 43, 44 liegen mit ihrer Ein­ schraubseite an der Innenkontur der Wand 46 an. Sie stellen Anschläge für die vertikale Höhe des Längs­ teilers 21 dar. Durch unterschiedlich tiefes Einschrau­ ben der Gewindeschrauben 43, 44 wird die Position des Längsteilers 21 in vertikaler Richtung 32, 33 einge­ stellt. Die Einstellung erfolgt durch die Öffnungen 48, 49 nach Lösen der Senkschraube 47. Im Rahmen der Ge­ windetoleranzen der Senkschraube 47 kann der Längs­ teiler 21 in Richtung 34, 35 gekippt werden. Ebenso sind die Kathoden 22, 23 in vertikaler und horizontaler Richtung über Mittel 50 mechanisch einstellbar. In Fig. 3 sind die Mittel 50 schematisch dargestellt. Sie bestehen aus einem T-förmigen Halter der mit seinen Armen 51, 52 mit dem Hohlkörper 20 verbunden ist. In der Mitte des Stegs 53 ist ein in der Vertikalen 54 (Fig. 1) verlaufendes Langloch 55 vorgesehen. Vor dem Halter ist eine sich über den Steg 53 erstreckende Platte 56, die mittels Schrauben 57, 58, welche durch das Langloch geführt sind, an dem Halter befestigt ist. Seitlich von dem Steg 53 sind die Kathoden 22, 23 in der Platte 56 angeordnet. Durch Anschrauben der Platte 56 an unterschiedlichen Stellen im Langloch 55 lassen sich die Kathoden in der Vertikalen 54 verschieben, wodurch sich die Position der Kathode 22, 23 zu der Formierelektrode verändert. Eine Kippung der Kathoden 22, 23 und eine Verstellung in der Horizontalen ist innerhalb des Spiels der Schrauben 57, 58 im Langloch 55 möglich.

Selbstverständlich sind andere Ausführungen der Mittel 31 und 50 zum Verstellen des Längsteilers 21 und der Kathoden 22, 23 möglich.

Durch die Verstellung der Kathoden 22, 23 und des Längs­ teilers 21 wird eine Einstellbarkeit und Nachjustierung des Elektronenstrahlerzeugersystems erzielt. Eine Ver­ stellung des Längsteilers 21 mit Quersteg 27 bewirkt eine Kippung der Normalen der Äquipotentialfelder 37 der beiden Hohlraumsektionen 24, 25. Die beiden Be­ strahlungsfelder B können so zur vertikalen Achse 54 hin- und weggekippt werden.

Die azentrische, parallele Anordnung der Kathoden 22, 23 und die vorstehend beschriebene Ausbildung der For­ mierelektrode bewirken eine Potentialverteilung, die eine Formierung der von den Kathoden emittierten Elek­ tronen in die zwei Bestrahlungsfelder 29 und 30 bewirkt. Durch die Aufteilung der Bestrahlung in zwei Bestrah­ lungsfelder 29 und 30 ist die Divergenz jedes Bestrah­ lungsfeldes halbiert gegenüber Anwendungen mit nur einer Kathode. Die Bestrahlungsfelder 29, 30 treffen auf das Elektronenstrahlfenster 16 und werden durch dieses mit einem hohen Wirkungsgrad transmittiert, weil die Elek­ tronen nahezu vertikal auf die Folie auftreffen und die Streuung an dem üblichen Loch- oder Schlitz-Stützgitter verkleinert ist. Unterhalb des Elektronenstrahlfensters 16 treffen die Elektronen auf das zu bearbeitende Werk­ stück, das mittels anderer, hier nicht näher beschrie­ bener Vorrichtungen vorbeigeführt wird.

Bei gleichen Emissionsbedingungen der Kathoden ist eine Verdoppelung der Elektronenstrahlleistung bei dem er­ findungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugersystem durch die Anordnung von zwei Kathoden 22, 23 und deren relative elektrische Entkopplung gegeben. Elektronen­ strahlerzeuger mit mehr als zwei Kathoden, die jeweils in einem Hohlraumsegment angeordnet sind, sind vorteil­ haft möglich.

Durch den Längsteiler 21 mit Quersteg 27 und die azen­ trischen Positionen der Kathoden 22, 23 liegt eine stark reduzierte Symmetrie des Elektronenstrahlerzeuger­ systems vor. Dies führt im Bereich 38 zu einer Durch­ mischung der Elektronentrajektorien, wodurch sich kein scharfer Crossover ausbildet. Das bewirkt eine Homo­ genisierung der Bestrahlungsfelder 29 und 30 mit der gleichen Elektronenstrahlleistung. Eine gleichmäßige Intensitätsverteilung der Bestrahlungsfelder im Bereich des Elektronenstrahlfensters 16 verhindert somit eine Beschädigung der Folie 17 durch Überstrahlung.

Werden die Kathoden 22, 23 parallel geschaltet, dann ergibt sich beim Bruch einer Kathode, z. B. infolge von Verschleiß, der Vorteil, daß der Belastungssprung und die damit verbundene Spannungsüberhöhung in der Hoch­ spannungsanlage gegenüber bei der Verwendung von nur einer Kathode reduziert ist, wodurch eine Beschädigung des Elektronenstrahlfensters 16 vermieden wird. Der steuerungs- und schaltungstechnische Aufwand zum Schutz des Systems kann dadurch wesentlich reduziert werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Bestrahlen von Oberflächen mit Elektronen, insbesondere zum Härten von Oberflächen­ schichten,

• - mit einer Vakuumkammer (11), die ein Elektronen­ strahlfenster (16) aufweist;
• - mit einer elektronenstrahldurchlässigen Folie (17), die die Vakuumkammer (11) im Bereich des Elektronenstrahlfensters (16) gegenüber dem Um­ gebungsmedium abschließt;
• - mit einem Elektronenstrahlerzeugersystem, beste­ hend aus drahtförmiger Kathode (22, 23) und For­ mierelektrode, die an eine Hochspannungs- und Strahlstromzuleitung angeschlossen sind, bei der die Formierelektrode als rohrförmiger Hohlkörper (20) mit einem zum Elektronenstrahlfenster (16) of­ fenen Längsschlitz (26) ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Hohlkörper (20) der Formier­ elektrode einen innenliegenden Hohlraum-Längs­ teiler (21) aufweist und daß eine drahtförmige Kathode (22, 23) in jedem der vom Längsteiler (21) abgeteilten Hohlraumsegmente (24, 25) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsteiler (21) mit einem Quersteg (27) verbunden ist, der zum offenen Bereich des Längs­ schlitzes (26) weist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsteiler (21) über Mittel (31) vertikal verstellbar und/oder um seine Längsachse schwenkbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (22, 23) in der Horizontalen und/oder Vertikalen (54) verstellbar sind.