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GEGENSTAND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Bogenverdampfer, das
heisst, eine Vorrichtung zur Verdampfung eines Materials, elektrischer
Leiter, so dass das besagte Material sich in Form von Dampf innerhalb
eines Vakuums fortbewegen kann, um sich auf der Oberfläche des
zu beschichtenden Stücks abzusetzen.
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Gegenstand
der Erfindung ist es, einen Bogenverdampfer zu erhalten, der eine
intensive Magnetführung
umfasst und es erlaubt, den Kathodenpunkt des Bogens auf unendlich
viele verschiedene Bahnen zu lenken, die einzen wählbar sind
und die ganze Oberfläche
des Targets abdecken mit dem Zweck, einen gleichmässigen Gebrauch
desselben zu erzielen. Gleichermassen erzeugt die intensive Magnetführung eine
Verengung oder Verjüngung
des Kathodenpunkts, wodurch die Temperatur und Ionisierung des abgegebenen
Materials erhöht
wird und das Erhalten von guten Beschichtungen ermöglicht.
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Andererseits
trägt die
Magnetführung
dazu bei, dass die Verlässlichkeit
des Bogenverdampfers erhöht
wird, da verhindert wird, dass der Bogen sich versehentlich an einen
anderen Punkt der Verdampfungsoberfläche bewegt.
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VORANGEGANGENE
TECHNIK
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Wie
schon in dem vorangegangenen Abschnitt angemerkt wurde, sind die
Bogenverdampfer Maschinen zum Verdampfen eines Materials, elektrischer
Leiter, und es in das Innere einer Vakuumglocke in Form von Dampf
abzugeben, der sich im Inneren der Glocke bewegen kann.
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Normalerweise
ist das zu verdampfende Material in Form einer Platte, deren eine
Seite durch Wasser gekühlt
wird und die andere zum Innere der Vakuumglocke gerichtet ist gegenüber des
Stücks auf
dem die Ablagerung der abgegebenen Dämpfe erwünscht ist, wobei die Verdampfung
des Materials ausgelöst
wird, indem ein elektrischer Bogen mit Gleichstrom, der etwa 22
Volt und 80 Ampere beträgt zwischen
einer gekühlten
Elektrode, die als Anode funktioniert und der Leiterplatte, die
verdampft werden soll und als Kathode funktioniert, überspringt
wobei normalerweise zusätzlich
eine kleine Menge Gas in die Vakuumkammer gegeben wird, um den Bogen beizubehalten.
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Konkreter
wirkt der elektrische Bogen auf die Oberfläche der Platte ein, die zu
verdampfen ist und zwar konzentriert auf einen einzigen Punkt, der
der Kathodenpunkt ist und sich willkürlich auf der äusseren
Oberfläche
der Platte bewegt, wodurch eine wenig gleichmässige Abnutzung der besagten
Platte entsteht oder anders ausgedrückt, es wird keine gute Nutzung
des Materials erzielt, das die Platte bildet und dessen Kosten gross
sind.
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Um
dieses Problem der fehlenden Gleichmässigkeit bei der Abnutzung
der Platte zu beheben, wird versucht, die Bewegung des elektrischen
Bogens zu kontrollieren und zu lenken, wofür Magnetführungen eingesetzt werden,
die Felder erzeugen, die kontrolliert den Verlauf des elektrischen
Bogens verändern
können.
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Es
gibt heute verschiedene Lösungen
für die besagten
Magnetführungen,
die alle darauf abzielen, die Bewegung des Bogens auf der Kathode
zu kontrollieren, um so die gleichmässige Abnutzung zu optimieren
und von denen die folgenden hervorzuheben sind:
- – Das USA-Patent
Nr. 4.673.477 beschreibt eine Magnetführung, die sich durch mechanische
Mittel auf der hinteren Seite der zu verdampfenden Platte bewegt,
so dass das veränderbare
Magnetfeld, dass dieser Magnet hervorruft eine Führung des elektrischen Bogens
auf der Kathode auslöst. Diese
Maschine kann auch über
eine magnetische Wicklung verfügen,
die die Kathodenplatte umläuft,
um die Kraft des magnetischen Feldes in senkrechter Richtung zu
der aktiven Oberfläche der
Kathode zu erhöhen
oder zu verringern und so die Führung
der Elektrode zu verbessern. Das Problem dieser Vorrichtung ist,
dass das Magnetsystem permanent mobiler Magnete mechanisch sehr
kompliziert und von daher störanfällig ist.
- – Das
USA-Patent Nr. 4.724.058 bezieht sich auf eine magnetische Führung, die über Spulen
verfügt,
die sich auf der Rückseite
der Kathodenplatte befinden und den elektrischen Bogen in einer einzigen
Richtung parallel zu der Spulenrichtung führen. Um die Abnutzungswirkung
vorzugsweise in eine einzige Richtung herabzusetzen, werden Methoden
eingesetzt, die versuchen, die Wirkung der Führung des magnetischen Feldes
abzuschwächen,
so dass diese einer Zufallskomponente unterliegt. Es ist konkret
vorgesehen, dass das Magnetfeld, das durch die Spule entsteht an- und
ausgestellt wird, so dass sich der Bogen die meiste Zeit zufällig über die
Kathode bewegt und nur ein sehr geringer Teil durch das Magnetfeld geführt wird.
Das Problem dieser Maschine ist, dass letztlich die Führung nur
sehr kurze Zeit stattfindet und der Rest zufällig ist, weswegen keine genaue
und wirksame Kontrolle der Abnutzung der Kathodenplatte gewährleistet
ist.
- – Das
USA-Patent Nr. 5.861.088 beschreibt eine magnetische Führung, die
einen permanenten Magnet umfasst, der sich in der Mitte und auf
der Rückseite
des Targets befindet und eine Spule, die den besagten permanenten
Magneten umläuft,
wodurch die Anordnung einen Konzentrator des magnetischen Feldes
ausbildet. Das System wird durch eine zweite Spule vervollständigt, die sich
auf der Aussenseite des Verdampfers befindet. Das Problem dieser
Maschine ist, dass das erzeugte Magnetfeld schwach ist und somit
auch die Führung,
die es auf den elektrischen Bogen ausübt.
- – Das
US-Patent Nr. 5.298.136 beschreibt eine Magnetführung für dicke Targets in Kreisverdampfern,
die zwei Spulen und ein Magnetteil besonderer Gestaltung umfasst,
das sich an die Ränder des
zu verdampfenden Targets anpasst, so dass die Anordnung wie ein
einziges Magnetelement mit zwei Magnetpolen funktioniert. Obwohl
es diese Anordnung gestattet, den Verlauf des Bogens bis zu einem
gewissen Grad zu verschieben, ist sie nicht in der Lage den Verlauf
desselben bis zum äusseren
Rand des Targets oder bis kurz davor zu verschieben, weswegen für eine wirksame Ausnutzung
des Kathodenmaterials die Führung schwach
genug sein muss, um zu gestatten, dass eine Zufallskomponente über die
magnetisch hervorgerufene Bewegung gelegt wird.
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Zusammenfassend
weisen alle bekannten Systeme magnetischer Führungen die Problematik auf,
dass für
die gleichmässige
Abnutzung der gesamten Kathodenoberfläche der Bogen mit einer gewissen
Freiheit bewegt werden können
muss und aus dem Grunde schwache Führungen (mit geringer magnetischer
Intensität)
eingesetzt werden müssen, weswegen
es nicht möglich
ist, die Kontrolle über
den Bogenverlauf zu jedem Zeitpunkt zu behalten.
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Wenn
im Gegenteil sehr intensive magnetische Führungen verwendet werden, ist
es nicht möglich
eine gleichmässige
Abnutzung der gesamten Target- oder Kathodenoberfläche zu erzielen.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Bogenverdampfer, den die Erfindung vorschlägt, löst die vorgenannte Problematik
zur vollständigen
Zufriedenheit in jedem einzelnen der genannten Gesichtspunkte aufgrund
der Aufnahme einer intensiven Magnetführung, die allerdings durch ihre
besondere Gestaltung eine Führung
des Bogens auf unendlich vielen verschiedenen Verläufen erlaubt,
die individuell wählbar
sind und die gesamte Oberfläche
des Targets abdecken einschliesslich der Ränder und der Mitte desselben,
wodurch eine gleichmässige
Abnutzung des Targets oder der Kathode erzielt wird.
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Hierzu
und konkreter konzentriert der besagte Verdampfer seine Eigenschaften
auf der Tatsache, dass seine Magnetführung aus zwei von einander
unabhängigen
Magnetsystemen gebildet wird, das heisst aus vier Magnetpolen, was
es ermöglicht,
mit den Werten der magnetischen Intensität beider Systeme zu arbeiten
und zu erzielen, dass die entstehende zum Magnetfeld senkrechte
Komponente an dem gewünschten
Punkt der Targetoberfläche
Null ist, womit eine Führung
des Bogens auf jedem Verlauf ermöglicht
wird, vom Mittelpunkt des Targets bis hin zu dessen äusseren
Rändern.
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Auf
diese Weise und mit einem System, dass es erlaubt, die Führung des
Bogens in allen Punkten des Targets zu gewährleisten, ist es möglich stärkere magnetische
Systeme einzusetzen, die es somit erlauben, hohe magnetische Intensitäten auf
jeden der Verläufe
anzuwenden, wodurch eine starke Verjüngung des Kathodenpunktes erreicht
wird, die zu einem bedeutenden Temperatur- und Ionisierungsgradanstieg
des abgegebenen Materials fühlt,
was in hohem Masse zur Erzielung guter Beschichtungen beiträgt. Ausserdem
wird die Verlässlichkeit
des Verdampfers erhöht,
da die intensiven Magnetfelder einen Punkt fest halten, auf den
der Bogen bei dem gewählten
Lauf angewendet wird, womit vermieden wird, dass er versehentlich
auf einen nicht vorgesehenen Bereich fällt.
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Konkret
können
die beiden Magnetsysteme, die die Führung bilden, ein System aus
sehr starken, permanenten Magneten sein und ein System aus auch
sehr starken Elektromagneten, die eine hohe magnetische Intensität gewährleisten
und somit eine gute Kontrolle über
den elektrischen Bogen, aber gleichtzeitig ist es möglich auf
die Elektromagnete einzuwirken, indem ihre Intensität verändert wird,
wodurch der Verlauf des Bogens auf dem Target verändert wird.
Somit erzielen wir mit diesem System eine starke magnetische Führung, die
es ausserdem gestattet, den Verlauf des Bogens auf dem Target zu verändern und
somit zu kontrollieren, wodurch eine gleichmässige Abnutzung der gesamten
Fläche
desselben erzielt wird.
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Das
System der permanenten Magnete könnte
auch durch ein zweites System aus Elektromagneten ersetzt werden,
da die Arbeitsweise der Anordnung ähnlich wäre.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Um
die Beschreibung, die hier durchgeführt wird, zu vervollständigen und
mit dem Ziel, das bessere Verständnis
der Eigenschaften der Erfindung zu unterstützen, wird als Teil dieser
Beschreibung ein Satz Zeichnungen gemäss der bevorzugten praktischen
Umsetzung dieser Erfindung beigefügt, in dem anschaulich, wenn
auch nicht beschränkend,
Folgendes dargestellt ist:
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Die 1 – Zeigt
eine schematische Darstellung des Querschnitts durch den rechteckigen
Bogenverdampfer mit intensiver Magnetführung gemäss dem Gegenstand der vorliegenden
Erfindung.
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Die 2 – Zeigt
auch gemäss
einer schematischen Darstellung einen Aufriss des Verdampfers der
vorherigen Figur.
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Die 3, 4 und 5 geben
den Querschnitt der 1 wieder, wobei in der 3 eine
Graphik der senkrechten Komponente des Magnetfeldes hinzugefügt wurde,
das durch die permanenten Magnete ausserhalb gebildet wird, in der 4 eine ähnliche
Graphik, die aber den Magnetfeldern entspricht, die von dem Elektromagneten
erzeugt werden, der sich auf der Rückseite des Targets befindet,
wenn verschiedene elektrische Intensitäten auf den Elektromagneten
angewendet werden und in der 5 die Magnetfelder,
die von den permanenten Magneten erzeugt werden, die sich ausserhalb des
Verdampfers befinden und der Elektromagnet, der sich auf der Rückseite
des Targets befindet, gleichermassen bei Anwendung verschiedener
elektrischer Intensitäten
auf den Elektromagnet.
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Die 6 – Zeigt
einen ähnlichen
Querschnitt wie in der 1, gemäss einer Ausführungsvariante,
bei der die Form des durchlässigen
Materials des Elektromagneten verändert wurde.
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Die 7 – Zeigt
letztlich einen weiteren ähnlichen
Querschnitt wie in der 1, aber entsprechend einer anderen
Ausführungsvariante
der Erfindung, bei der die permanenten Magneten ausserhalb des Verdampfers
jeweils durch Elektromagneten ersetzt wurden.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Bei
Betrachtung der genannten Zeichnungen und besonders der 1 und 2 ist
ersichtlich, wie an dem Bogenverdampfer, den die Erfindung vorschlägt, eine
Anode (1) teilnimmt und eine Kathode oder Target (2),
sowie eine Magnetführung,
so dass sich der elektrische Bogen aus Gleichstrom logischerweise
zwischen der Anode (1) und dem Target (2) bildet,
das die Kathode des besagten elektrischen Bogens darstellt und so
Material von seiner Oberfläche
abgibt.
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Um
zu gewährleisten,
dass sich der Punkt des Targets (2) auf den der Bogen einwirkt
(Punkt, an dem die senkrechte Komponente des Magnetfeldes Null ist)
gleichmässig über die
gesamte Oberfläche des
besagten Targets (2) bewegt, wird eine magnetische Führung eingesetzt,
die aus zwei unabhängigen magnetischen
Systemen besteht, wobei das erste magnetische System aus einer Anordnung
von permanenten Magneten (3) besteht, die sich in der Peripherie
des Verdampfers so angeordnet sind, dass ihre Magnetisierung senkrecht
zur Oberfläche
des Targets verläuft
und ein zweites Magnetsystem, das aus einem einzigen Elektromagneten
(4–5)
besteht, der sich auf der Rückseite
des Targets etwas von diesem entfernt befindet, wobei der dem Target
(2) nächste
Pol parallel zur Oberfläche
des besagten Targets verläuft.
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Der
Elektromagnet (4–5)
auf der Rückseite des
Targets (2) verfügt über einen
Kern (4) aus einem Material, das über eine hohe magnetische Durchlässigkeit
und eine geringe Koerzitivkraft verfügt, wie Weicheisen umhüllt von
einer elektrischen Spule (5), die dazu dient, den notwendigen
elektrischen Fluss zu erzeugen, um das Weicheisen zu magnetisieren, wobei
der besagte Kern (4) einen rechteckigen Querschnitt aufweist,
die in der 1 dargestellt ist, mit beiden
Polen parallel zur Oberfläche
des Targets (2).
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Konkreter
befindet sich der Elektromagnet (4–5) perfekt eingepasst
in dem Inneren des Körpers (6)
des Verdampfers, der eine Art Kappe ausbildet, an deren Öffnung die
Kathode oder das Target (2) angepasst wird, das mit Hilfe
von nicht dargestellten Schrauben befestigt wird, wobei der Elektromagnet (4–5)
unterhalb des Target ist und in einem gewissen Abstand zu diesem,
um zu gewährleisten,
dass das Magnetfeld ausreichend gleichmässig auf der Oberfläche des
Targets ist, wobei so zwischen dem Target (2) und dem Elektromagneten
(4–5)
eine Kammer (11) ausgebildet wird, die verwendet werden
kann, um die notwendigen Systeme aufzunehmen, um die angemessene
Kühlung
des Targets (2) sowie der restlichen Verdampferkomponenten
zu gewährleisten.
Wie angegeben wurde, ist die Höhe
dieser Kühlkammer
dadurch bestimmt, dass eine Notwendigkeit besteht, einen gewissen
Abstand zwischen der Oberseite des eisenmagnetischen Kerns und der
Verdampferoberfläche
zu erzielen, damit das Magnetfeld auf dieser ausreichend gleichmässig ist.
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Die
Anordnung wird durch ein äusseres
Auflager (9), seitliche und äussere Holme (8) und
eine Leistenbarriere (13) vervollständigt, die einen Rahmen bilden,
der zum einen die Schrauben schützt, die
das Target (2) an dem Körper
(6) befestigen und zum anderen den Bogen innerhalb des
Targets (2) einfassen, womit die Verdampfungsoberfläche begrenzt
wird. Gleichermassen sind die Isolierleisten (13) mit Schrauben
(7') befestigt,
die entsprechend elektrisch isoliert sind. Alle diese Elemente,
Leisten (13), Holme (8) und Auflager (9)
bestehen aus bei hohen Temperaturen elektrisch isolierenden Materialien wie
Aluminiumoxyd, Glaskeramik, Bornitrid oder PTFE, die erschweren,
dass der Bogen nicht erwünschte
Oberflächen
erreicht. Diese Teile müssen einer
regelmässigen
Wartung unterliegen, da sie im Verlauf des Funktionierens des Bogens
mit elektrisch leitendem Material belegt werden, wodurch ihre Wirksamkeit
verringert wird, den Bogen einzugrenzen.
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Die
Magnete (3), die das erste Magnetsystem in der Peripherie
des Körpers
(6) des Verdampfers bilden, sind im Bereich des Targets
(2) als äussere
permanente Magnete (3) ausgeführt, die über wenig Höhe verfügen dürfen und so angeordnet sein müssen, dass
ihre Mittellinie mit der mittleren Ebene übereinstimmt, die zwischen
der Ausgangsoberfläche
des Targets (2) und der Oberfläche definiert ist, die es am
Ende seiner Einsatzzeit aufweist, wobei die Magnete ausserdem so
stark wie möglich
sein müssen,
weswegen sie so Breit wie möglich
sind und sie aus Materialien mit hoher Koerzitivkraft bestehen wie zum
Beispiel SmCo, NdFeB oder Hartferrit.
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Der
beschriebene Mechanismus wird durch eine Vakuumkammer oder -glocke
vervollständigt, die
nicht in den Zeichnungen dargestellt ist, in deren Inneren das Stück (10)
angeordnet ist, das mit dem vom Target (2) verdampfenden
Material zu beschichten ist.
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In
der 3 ist eine Graphik (12) dargestellt, die
mit der senkrechten Komponente des Magnetfelds übereinstimmt, das von den permanenten
Magnete (3) erzeugt wird, die sich ausserhalb des Körpers (6)
des Verdampfers befinden und auf Höhe der Oberfläche des
Targets (2).
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In
der 4 entsprechen die dargestellten Graphiken (13)
(14) und (15) den senkrechten Komponenten der
Magnetfelder, die durch den Elektromagneten (4–5)
hergestellt werden, der sich hinter der Oberfläche des Targets (2)
im Inneren des Körpers
(6) des Verdampfers befindet, wenn verschiedene elektrische
Intensitäten
auf den besagten Elektromagneten (4–5) angewendet werden.
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Letztlich
werden in der 5 die Graphiken (16)
(17) und (18) dargestellt, die den senkrechten Komponenten
der Magnetfelder auf der Oberfläche des
Targets (2) entsprechen, sowohl von den permanenten Magneten
ausserhalb des Verdampfers über der
Oberfläche
des Targets (2), als auch von dem Elektromagneten (4–5)
auf der Rückseite
des Targets (2), wenn verschiedene elektrische Intensitäten auf den
besagten Elektromagneten (4–5) angewendet werden.
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Wie
ersichtlich ist, ist diese Graphik das Ergebnis des Aufsummierens
des Magnetfeldes, das von dem Elektromagneten (4–5)
erzeugt wird und des Magnetfeldes, das von den permanenten Magneten
(3) erzeugt wird und das Ergebnis ist eine senkrechte Verschiebung
der den permanenten Magneten entsprechenden Graphik, so dass jetzt
ein Teil dieser Graphik im positiven Bereich der senkrechten Achse
liegt. Der Kathodenpunkt folgt eben einem Verlauf auf der Oberfläche des
Targets, der aus den Punkten besteht, bei denen der Wert der senkrechten
Komponenten des Magnetfeldes Null ist und so verliefe, wenn zum
Beispiel die auf den Elektromagneten angewendete Stärke so angepasst
wird, dass die entsprechende Graphik die mit der Nummer 16 dargestellte
wäre, der
Verlauf des Kathodenpunkts auf dem Target durch die Punkte 19 und 20,
während er
bei Anpassung der Intensität
entsprechend der Graphik 18 durch die Punkte 23 und 24 auf
der Oberfläche
des Targets wäre,
in einem mittleren Verlauf (17) wären die Kathodenpunkte 21 und 22.
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Wie
aus der 6 ersichtlich, kann der Magnetkern
(4) in einer anderen praktischen Ausführung einen "T"-Querschnitt aufweisen mit einem seiner
Pole parallel zum Target (2) und dem anderen senkrecht
zum Target, wobei diese Anordnung eine höhere Intensität des Magnetfeldes
auf der Oberfläche
des Verdampfers erlaubt sowie eine grössere horizontale Ausdehnung
des Magnetfeldes, wodurch die Entfernung zwischen der Oberseite
des eisenmagnetischen Kerns (4) und dem Target (2)
verringert werden kann.
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Zuletzt
wird hervorgehoben, dass die permanenten Magnete (3) durch
Elektromagnete (3')
ersetzt werden könnten
mit einer ähnlichen
Struktur wie die Elektromagneten (4–5), wie aus der in
der 7 dargestellten Ausführung ersichtlich.