EP0646283A1 - Elektronenstrahlaustrittsfenster. - Google Patents

Elektronenstrahlaustrittsfenster.

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EP0646283A1
EP0646283A1 EP93911733A EP93911733A EP0646283A1 EP 0646283 A1 EP0646283 A1 EP 0646283A1 EP 93911733 A EP93911733 A EP 93911733A EP 93911733 A EP93911733 A EP 93911733A EP 0646283 A1 EP0646283 A1 EP 0646283A1
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EP
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frame
metal foil
fiber bundles
electron beam
vacuum
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Ulf Seyfert
Siegfried Panzer
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J33/00—Discharge tubes with provision for emergence of electrons or ions from the vessel; Lenard tubes
    • H01J33/02—Details
    • H01J33/04—Windows
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J5/00—Details relating to vessels or to leading-in conductors common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J5/02—Vessels; Containers; Shields associated therewith; Vacuum locks
    • H01J5/18—Windows permeable to X-rays, gamma-rays, or particles

Definitions

  • the invention relates to an electron beam exit window, via which the electron beam generated in an evacuated electron beam is led out into a room of higher pressure, preferably at atmospheric pressure.
  • beam exit windows also called Lenard windows, are mainly used in electron beam systems with which an electron beam process, such as. B. an electron beam polymerization takes place in a room at atmospheric pressure.
  • the electron beam can be generated both as an axial beam and moved over the beam exit window by means of a scanner, and can also be guided through the beam exit window as a band-shaped or flat-shaped electron beam.
  • the simplest versions consist of a thin, gas-impermeable film, which separates the jet generation chamber from the free atmosphere in a vacuum-tight manner.
  • These foils are preferably made of aluminum, titanium or beryllium alloys. When the electron beam passes through, the film is heated due to the inevitable interaction between the electron beam and the film material.
  • the foils have to withstand the pressure difference, but must not be too thick, on the one hand to limit the energy losses of the electron beam to be discharged and on the other hand to limit the amount of power loss that has to be dissipated from the foil, so that the foil heating within a tolerance of the foil material Temperature remains (U.S. Patent 3,222,558).
  • a gas flow is used for heat dissipation.
  • the invention has for its object to provide an electron beam exit window of the type mentioned, which does not need a massive water-cooled support structure, has a low power absorption, is particularly suitable for electron beams of relatively low acceleration voltage and is easy to produce.
  • the support of the metal foil by the support grid formed from high-temperature fiber bundles and the loading of the fiber bundle on tensile stress allow a cross-sectional minimization of the support grid construction and thus a substantial reduction of the beam losses in the beam exit window.
  • the use of carbon fiber bundles for the support grid is particularly advantageous due to the low elastic expansion and the low temperature expansion coefficient. Ensuring an approximately circular cross-section of the fiber bundle under load takes place, for. B. by twisting the filaments.
  • the use of fiber bundles made of a highly heat-resistant material enables a high temperature gradient to be maintained over the support grid in the beam direction and the dissipation of a substantial part of the beam power absorbed in the support grid by heat radiation.
  • a metal foil made of titanium and carbon fiber bundles as a support grid
  • a similar barrier layer can also be expedient on the pressure side of the foil in order to avoid the undesired diffusion of the gaseous contact partners of the metal foil.
  • the fiber bundles form an angle not equal to 90 ° with the fastening frame. Appropriate adaptation of this angle to the window width, the spacing of the fiber bundles from one another and the power density distribution of the electron beam improve the irradiation homogeneity on the moving material to be irradiated.
  • the metal foil can also be cooled on the pressure side in a known manner by a gas flow, preferably in the direction of the fiber bundle.
  • the radiation exit window according to the invention is particularly suitable for relatively low-energy electron beams and a short distance between the beam exit window and the material to be irradiated.
  • FIG. 1 a plan view of a frame with a support grid of an electron beam exit window
  • FIG. 2 a section through an electron beam window
  • FIG. 3 a partial section (greatly enlarged) through a fiber bundle with the metal foil.
  • the frame 1 and 2 consists of the frame 1 with the opening 2 for the beam exit, the area of which is covered by a support grid 3 consisting of fiber bundles 4 made of carbon.
  • the fiber bundles 4 are firmly anchored in grooves 5 by filling in casting resin 6.
  • On the Frame 1 is glued to the support grid 3 of metal foil 7 made of titanium.
  • the fiber bundles 4 of the support grid 3 are for. Improvement of the homogeneity of the radiation arranged at an angle ⁇ ⁇ 90 ° to the leg of the frame 1.
  • the frame 1 has, on the opposite side of the support grid 3, a sealing surface 8 which bears against the electron beam generator (not shown) in a vacuum-tight manner.
  • the electron beams 9 emerging from the electron beam generator strike both the metal foil 7 and the fiber bundles 4 of the support grid 3. While the electron beams 9 penetrate the metal foil 7 with loss of energy, the beam power impinging on the fiber bundle 4 is almost completely absorbed by the latter and converted into heat. Depending on the electron energy, the place of formation of the heat is limited to the beam-side periphery 10 of the fiber bundle 4. Due to the poor heat conduction over the cross-section of the fiber bundle 4 and the metal foil 5 cooled on the pressure side by a gas stream, a high temperature gradient occurs over the cross-section 11 radiated to the electron beams 9. The comparatively good heat conduction of the metal foil 7 has the consequence that the metal foil 7 lying against the individual fibers of the fiber bundle 4 has an approximately constant temperature over its cross section.
  • a barrier layer 12 made of titanium oxide is applied to the metal foil 7 on both sides in order to prevent chemical reactions between the

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Die bekannten Elektronenstrahlaustrittsfenster (Lenardfenster) haben durch die erforderliche Dicke der Folien eine hohe Absorption oder benutzen Kühleinrichtungen und aufwendige Stützkonstruktionen. Unter Vermeidumg dieser Nachteile soll ein einfach herstellbares Fenster mit geringer Absorption geschaffen werden. Die Strahlaustrittsöffnung ist in bekannter Weise mit einer Metallfolie vakuumdicht verschlossen und auf ihr aufliegend ist vakuumseitig ein Stützgitter aus hochwarmfesten Faserbündeln, die in einem Rahmen befestigt sind, angeordnet. Das Elektronenstrahlaustrittsfenster ist besonders für relativ geringe Elektronenenergien bei hoher Leistungsdichte des Elektronenstrahls geeignet.

Description

ELEKTRONENSTRAHLAOSTRITTSFENSTER
Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlaustrittsfenster, über das der in einem evakuierten Elektronenstrahler erzeugte Elektro- nenstrahl in einen Raum höheren Druckes, vorzugsweise an Atmo¬ sphärendruck, herausgeführt wird. 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- egierungen. 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 3.222.558). Zur Wärmeabführung 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 102 511; US-PS 3.162.749) . 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 207 521, DE-OS 18 00 663) . Dadurch werden die Elektronen, die auf die Flächen 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 Elektronendurchtrittsflache 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 Mangel von
Stützkonstruktionen dadurch zu mindern, daß neben einer besonde¬ ren geometrischen Gestaltung die strahlbeaufschlagten Flächen poliert und mit Elementen hoher Ordnungszahlen beschichtet werden (EP 0 195 153) . 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 Elektronenstrahl- austrittsfenster der eingangs genannten Art zu schaffen, welches ohne eine massive wassergekühlte Stützkonstruktion auskommt, eine geringe Leistungsabsorption aufweist, besonders auch für Elektro¬ nenstrahlen relativ geringer Beschleunigungsspannung geeignet und einfach herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Anspru¬ ches 1 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 Terrperaturausdehnungskoeffizienten besonders vorteilhaft. Die Gewährleistung eines auch unter 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

PATENTANSPRÜCHE
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.
2 Blatt Zeichnungen
EP93911733A 1992-06-15 1993-05-03 Elektronenstrahlaustrittsfenster Expired - Lifetime EP0646283B1 (de)

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