EP0646283B1

EP0646283B1 - Elektronenstrahlaustrittsfenster

Info

Publication number: EP0646283B1
Application number: EP93911733A
Authority: EP
Inventors: Olaf Roeder; Ulf Seyfert; Siegfried Panzer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1992-06-15
Filing date: 1993-05-03
Publication date: 1997-01-22
Anticipated expiration: 2013-05-03
Also published as: WO1993026032A1; DE59305276D1; JPH08501651A; EP0646283A1; DE4219562C1; US5561342A

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

Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlaustrittsfenster, über das der in einem evakuierten Elektronenstrahler erzeugte Elektronenstrahl in einen Raum höheren Druckes, vorzugsweise an Atmospharendruck, herausgeführt wird. Derartige Strahlaustrittsfenster, auch Lenardfenster genannt, werden hauptsächlich in Elektronenstrahlanlagen verwendet, mit denen ein Elektronenstrahlprozeß, 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 Elektronenstrahles 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 auszuschleusenden 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-A-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-A-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, insbesondere 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 zwischen den Aussparungen vakuumseitig spitz auslaufen (DD-A-207 521, DE-A-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 Elektronendurchtrittsfläche und damit der zusätzliche, durch die Stützkonstruktion bedingte Leistungsverlust des Elektronenstrahls 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-A-19 18 358).
Es wurde weiterhin versucht, die genannten Mängel von Stützkonstruktionen dadurch zu mindern, daß neben einer besonderen geometrischen Gestaltung die strahlbeaufschlagten Flächen poliert und mit Elementen hoher Ordnungszahlen beschichtet werden (EP-A-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 Homogenität des Bestrahlungsfeldes zu verringern. Damit ergeben sich jedoch erhöhte Verluste in der Gasstrecke zwischen Austrittsfenster und Bestrahlungsgut, was sich besonders bei relativ niedrigen Beschleunigungsspannungen nachteilig auf die verfügbare Bestrahlungstiefe und Dosisleistungsdichte auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektronenstrahlaustrittsfenster der eingangs genannten Art zu schaffen, welches ohne eine massive wassergekühlte Stützkonstruktion auskommt, eine geringe Leistungsabsorption aufweist, besonders auch für Elektronenstrahlen relativ geringer Beschleunigungsspannung geeignet und einfach herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Anspruches 1 gelost. 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 Querschnittsminimierung der Stützgitterkonstruktion und damit eine wesentliche Reduzierung der Strahlverluste im Strahlaustrittsfenster. Die Verwendung von Kohlenstoffaserbundeln für das Stützgitter ist aufgrund der geringen elastischen Dehnung und des geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten 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 hochwarmfesten 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 zweckmaßig, die Metallfolie auf der Vakuumseite 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 Kontaktpartner 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 Gewährleistung 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 Elektronenstrahlerzeuger 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 absorbiert und in Wärme umgesetzt. Der Bildungsort der Wärme ist, abhängig von der Elektronenenergie, auf die strahlseitige Peripherie 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 Metallfolie 5 entsteht über dem Querschnitt ein hoher Temperaturgradient. Dadurch wird ein Großteil der in den Faserbündeln 4 absorbierten Leistung in der Gegenrichtung 11 zu den Elektronenstrahlen 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

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 gekennzeichnet, daß auf der Metallfolie (7) vakuumseitig aufliegend ein Stützgitter (3) aus Faserbündeln (4), die aus einem hochwarmfesten 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.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbündel (4) aus Kohlenstoff-Filamenten bestehen, die verdrillt sind.
Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbündel (4) mit Kohlenstoff gebunden sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbündel (4) stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit definiertem Durchhang mit dem Rahmen (1) verbunden sind.
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.
Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbundel (4) parallel zueinander verlaufend oder kreuzweise im Rahmen (1) angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbündel (4) in einem Winkel α ungleich 90° zur Kante des Rahmens (1) verlaufen.
Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff (CFC) hergestellt ist.
Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) aus Metall hergestellt ist.
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 gleichzeitig dichtendes Bauelement ist.
Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (7) aus Titan oder einer Titanlegierung hergestellt ist.
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.
Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Faserbündeln (4) aus Kohlenstoff und Metallfolie (7) aus Titan die Sperrschicht (12) aus Titanoxid ist.
Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (7) auf den Rahmen (1) vakuumdicht aufgeklebt ist.
Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebebereich durch eine Abdeckung vor dem Eintritt von Rückstreuelektronen geschützt ist.
Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Druckseite der Metallfolie (7) Mittel zur Erzeugung eines Kühlgasstromes angeordnet sind.