JPH1092358A

JPH1092358A - 電子線発生方法及び装置

Info

Publication number: JPH1092358A
Application number: JP9226440A
Authority: JP
Inventors: Gerald Dr Sermund; ゼルムントゲラルト
Original assignee: Mak System GmbH
Current assignee: Rheinmetall Landsysteme GmbH
Priority date: 1996-08-24
Filing date: 1997-08-22
Publication date: 1998-04-10
Also published as: EP0828280A3; EP0828280A2; DE19634304A1

Abstract

(57)【要約】【課題】カソードの耐用時間を著しく増大させ、電子線
発生装置の耐用時間を増大させる電子線発生方法及び装
置を提供する。【解決手段】アノード（３）から流れ出るアノード電流
を測定技術的に検出するため、測定装置がアノード
（３）に接続されている。調心コイル（９）に給電
し、調心コイル電流を最小にするため、調心コイル
（９）に調心制御装置が接続されている。アノード電流
に依存してウェーネルト電圧を変化させるため、ウェー
ネルト電極（２）にウェーネルト制御装置が接続されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、カソードから放出
される電子を、電子線を部分的に中空筒状に取り囲んで
いるアノードの方向へ電場により加速させ、調心コイル
を備えた電子線調心装置により電子線をアノードの領域
において調心させ、電圧を印加されたウェーネルト電極
が電子線を中空筒状に取り囲むように設けられている電
子線発生方法に関するものである。

【０００２】さらに本発明は、電子を放出するカソード
と、電子を電場に沿って誘導するアノードとを有し、ア
ノードが電子線を部分的に中空筒状に取り囲み、且つ電
子線をアノードの領域において調心する調心コイルを備
えた電子線調心器を有しており、カソードの領域にウェ
ーネルト電極が設けられ、ウェーネルト電極が、電子線
を中空筒状に取り囲み、且つウェーネルト電圧供給源に
接続されている電子線発生装置に関するものである。

【０００３】

【従来の技術】例えばドイツ特許公開第４０３２９１８
号公報またはドイツ特許公開第３０５３４．６号公報に
記載されているような従来公知の電子発生装置は、電子
を放出するカソードと、電子線の軸線に沿って電子線を
貫通させるためのアノード穴を備えたアノードとから成
る電子線発生装置に関わるものである。この場合、カソ
ードとアノードとウェーネルト電極は真空室内に配置さ
れる。

【０００４】この種の電子線発生装置は、例えば圧延機
において薄板を加工して品質向上させるためのテクスチ
ャーロールの表面構造に模様を刻設するための電子線刻
設装置のような、材料加工用電子線機器に使用される。

【０００５】このような電子線刻設装置は、大体におい
て、電子線発生装置と電子線用電子光学的制御システム
とが収納されている第１の真空室と、電子線で模様を刻
設するためのテクスチャーロールが設けられている第２
の真空室から構成されている。電子線発生装置は、大体
において、カソードと、アノード穴を備えたアノード
と、ウェーネルト電極から成る。電子線を生じさせる電
子は、高電圧ポテンシャルにあり加熱されるカソードに
よって放出され、アノード（例えばゼロポテンシャルに
ある）の方向へ加速される。電子線はアノード穴を通っ
て電子光学的制御システムに供給され、次に第１の真空
室に設けた開口部を通って第２の真空室に侵入し、テク
スチャーロールを加工する。

【０００６】例えば電子線刻設装置のような電子線機器
はｋＶ範囲の高電圧で且つ高真空内で作動されるが、イ
オンは電子線発生装置内で残留ガス分子がイオン化する
ことにより発生する。これらのイオンはカソードへ向け
て加速され、カソードの素材を削り取ることによりカソ
ードを破壊する。特に加速空間から来てカソード直前で
形成されるイオンはカソードの破壊に寄与する。

【０００７】イオン照射によりカソードが破壊される
と、電子線発生装置の保守作業を頻繁に行なう必要があ
り、破壊されたカソードを新しいカソードと交換しなけ
ればならない。保守作業は電子線機器を停止させるので
不具合である。さらにイオン照射によってカソードの素
材が剥ぎ取られることにより有効放出面が小さくなり、
電子線の電流密度プロフィールが変化するので不具合で
ある。

【０００８】上記公知のシステムは、以下の二点で耐用
期間を制限させる。ａ）カソードが高温であるので、高真空内でカソードの
素材が蒸発する。これにより、カソードは使用時間中に
次第に薄くなる。この作用によって制約される典型的な
耐用時間は約２５時間である。ｂ）電子線発生装置で形成されるイオンは、電場により
カソードとアノードの間で加速され、主にカソードの放
出面へ誘導される。ここでイオンはカソードの素材から
原子を奪い取る。このようにして放出面が平坦でなくな
り、電子線はその所望の均一な電流密度分布を喪失す
る。この作用により制約される耐用時間は約２時間であ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、電子
線発生システムを改良することにより、カソードの耐用
時間を著しく増大させ、即ち電子密度が均一であるよう
な均質な電子線をカソードが発生させることのできる時
間を増大させること、及び電子線発生装置の耐用時間を
増大させることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、方法においては、ウェーネルト調整器を遮
断して、アノードから流れ出るアノード電流を測定技術
的に検出すること、調心制御により調心コイル電流を変
化させることによりアノード電流を最小にさせること、
調心電流を、カソードの領域に配置されるカソードソレ
ノイドによって電流を変化させることにより最小にさせ
ること、次に、アノード電流に依存してウェーネルト電
圧を変化させることによりアノード電流目標値に接近さ
せることを特徴とするものである。

【００１１】また装置においては、アノードから流れ出
るアノード電流を測定技術的に検出するため、測定装置
がアノードに接続されていること、調心コイルに給電
し、調心コイル電流を最小にするため、調心コイルに調
心制御装置が接続されていること、アノード電流に依存
してウェーネルト電圧を変化させるため、ウェーネルト
電極にウェーネルト制御装置が接続されていることを特
徴とするものである。

【００１２】

【発明の有利な構成、作用及び効果】ウェーネルト電圧
と電子線の調心とを同調させることにより、形成される
イオンの数が著しく減少し、場合によっては、存在する
イオンを逃がすことができ、或いは低速でカソードに衝
突させることができる。これにより、カソードの領域か
ら素材が剥ぎ取られるのを著しく抑えることができる。
同様に、残っているイオンをカソードの中央領域ではな
くエッジ領域だけに衝突させることもできる。

【００１３】電子線の幾何学的形状を更に改善するた
め、アノード電流をアノード電流目標値に接近させた
後、電子線を新たに調心し、次にウェーネルト電圧を適
応させる。

【００１４】電子放出を最適にするため、カソードを通
過する放出電流を加熱電流の調整により検出して、目標
値と比較し、比較結果に基づいて加熱電流の設定を行な
う。コイルシステムが故障した場合にアノードに電子線
が衝突するのを阻止するため、カソードはアノードに対
して相対的に位置決め可能であり、カソードを放射ヘッ
ドとともにシフトさせる。

【００１５】測定技術による簡単な検出は、測定抵抗器
を介してアノード電流の検出を行なうことによって補助
される。ウェーネルト調整に対する実際値を提供するた
め、ウェーネルト調整を行なうための入力値を、電子線
の調心状態を制御するための測定抵抗器と同じ測定抵抗
器を介して検出する。

【００１６】アノードの位置に対して放射ヘッドをカソ
ードとともに一定にシフトさせる本発明の装置は、コイ
ルシステムが故障した場合に電子線がアノードに衝突し
てこれを破壊することを阻止する。完全自動システムと
しての調整器の構成により、熱的ドリフトまたは磁気的
ドリフトのような長時間作用を常時繰り返し補償するこ
とができる。

【００１７】本発明による装置では、高電圧発生器は電
子線発生器に必要とする高電圧、有利には２５ないし５
０ｋＶの高電圧を供給する。加熱電流調整器は、放出電
流のための測定抵抗器を介して電圧を測定し、測定値を
加熱電流目標値設定器の目標値電圧と比較し、必要な場
合には加熱電流を加熱電流源を介して再調整することに
より、放出電流が最適な値を持つようにする。調心電流
調整・最小値設定器は、アノード電流のための測定抵抗
器を介して電圧を測定し、アノードのアノード電流セン
サの中にマスキングされている放出電流（ｅビーム）の
マスキング成分を最小にさせる。即ち、有効な電子線と
してアノードセンサ穴を介してアノードを貫通しないア
ノード電流を最小にさせる。これは、磁気的なアノード
調心器に調心電流を供給する調心電源の調整により行な
う。最小・調心過程の間ウェーネルト調整器は作動しな
い。

【００１８】ウェーネルト調整器も、アノード電流セン
サの中にマスキングされている調心された放出電流のた
めの測定抵抗器を介して電圧を測定し、測定値をウェー
ネルト電圧目標値設定器の目標値電圧と比較し、必要な
場合にはウェーネルト電源を介してウェーネルト電圧を
再調整することにより、マスキングされた放出電流、即
ちアノード電流が最適な値を持つようにする。

【００１９】カソードコイル電流目標値設定器は、カソ
ードコイル電流源にカソードコイル電流の値を設定し、
調心電流調整・最小値設定器をして前述のような電子線
（ｅビーム）の調心を行なわせる。種々のカソードコイ
ル電流値に対してこの過程を何度も反復することによ
り、調心コイルに最小の電流を流させるようなカソード
調心電流値が検出される。調心電流の変化によりカソー
ドコイル電流と最小値設定・調心過程が変化している
間、ウェーネルト調整器は作動しない。

【００２０】

【発明の実施形態】次に、本発明の実施形態を添付の図
面を用いて説明する。図１には、本発明による装置全体
の構成が図示されている。カソード１は高電圧発生器１
０に接続されており、リング状のアノード３（破断され
ている）とともに、電子線（ｅビーム）６を加速するた
めの中央の電子加速器を形成している。アノード３はア
ノードセンサ穴４を備えている。カソード１には加熱電
源１１も接続されている。加熱電源１１は加熱電流Ｉ_H
によりカソードを加熱し、これにより、加速されるべき
自由電子がカソード１に発生する。加熱電流目標値設定
器１２は、加熱電流調整器１３に加熱電流目標値電圧Ｕ
ｅＳを設定する。加熱電流調整器１３は、放出電流Ｉｅ
を測定するための測定抵抗器１４を介して放出電流Ｉｅ
を測定し、所望の放出電流に応じて加熱電源１１を制御
する。

【００２１】カソード１には、前方右側及び左側にカソ
ードソレノイド７が配置され、カソードソレノイド７に
接続するようにしてリング状の（ここでは破断されてい
る）ウェーネルト電極２が設けられ、ウェーネルト電極
２はカソード１を取り囲んでいる。カソードソレノイド
７はソレノイド電源１５に接続されている。ウェーネル
ト電極２は、ソレノイド電源１５にもウェーネルト電源
１６にも接続されている。

【００２２】リング状のアノード３内には調心コイル９
が収納されている。調心コイル９には調心電源１７から
電流Ｉｚが供給される。調心電源１７はその設定値を調
心電流調整・最小値設定器１８から得る。調心電流調整・
最小値設定器１８は、目標値を予めソレノイド電源１５
に与えるソレノイド目標値設定器１９をも制御し、同時
に調整量である電圧Ｕ_Aを、アノードセンサ電流Ｉ_Aの測
定抵抗器２０を介して測定する。測定電圧Ｕ_Aは、ウェ
ーネルト調整器２１によっても利用される。ウェーネル
ト調整器２１は目標値電圧Ｕ_AＳをウェーネルト目標値
設定器２２から得て、ウェーネルト電圧源１６を制御す
る。

【００２３】図２は本発明による装置の平面図で、図３
はその側面図である。この装置は放射軸線５のまわりに
回転対称に構成されている。放射軸線５は、カソード１
と棒状に図示した電子線６とを貫通するように延びてい
る。図は上から見た図で、図の面をＸ−Ｙで示した。

【００２４】破断されたアノード３は、調心コイル９
と、電子線６が貫通するアノードセンサ穴４とを有して
いる。カソード１の左側及び右側にはカソードソレノイ
ド７が配置され、その右側には、破断された同心のウェ
ーネルト電極２が図示されている。

【００２５】図３の側面図は、カソード軸線に対するア
ノード軸線のシフトを図面の面Ｘ−Ｚ内で図示したもの
である。電子線６の中心軌道と、イオン運動の軌道８も
図示されている。電子線６はその電荷に応じてカソード
１からアノード３へ飛ぶ。イオンは逆方向の電荷に応じ
てイオン軌道８上をアノード３からカソード１へ運動す
る。カソード１とアノード３とは図の面Ｘ−Ｚ内で軸線
がずれているので、イオンはカソード１の中心部分には
衝突せずに、カソード１の上方において側方から衝突す
る。本発明による装置においては、できるだけ多くのイ
オン、またはすべてのイオンがカソード１の中心部分に
衝突せずに、カソード１に側方から衝突するように、す
べての作動パラメータが設定され調整される。

【００２６】図４は、本発明の特徴を理解しやすいよう
に示したもので、図示の装置においては、電子線を形成
させるための構成要素を停止させた後、ソレノイド７に
よる電子線制御もパラメータの調整も行なわれず、すべ
てのイオンはイオン経路８に沿ってカソード１の中央部
分に衝突するので損傷を来す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置の全体構成図である。

【図２】電子線発生システムを上から見た図である。

【図３】電子線発生システムを側方から見た図である。

【図４】電子線発生システムの基本的な構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１カソード２ウェーネルト電極３アノード４アノードセンサ穴５放射軸線６電子線７カソードソレノイド８イオン運動の軌道９調心コイル１０高電圧発生器１１加熱電源１２加熱電流目標値設
定器１３加熱電流調整器１４測定抵抗器１５ソレノイド電源１６ウェーネルト電源１７調心電源１８調心電流調整・最小値設定器１９ソレノイド目標値設定器２０測定抵抗器２１ウェーネルト調整器２２ウェーネルト目標値設定器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カソードから放出される電子を、電子線を
部分的に中空筒状に取り囲んでいるアノードの方向へ電
場により加速させ、調心コイルを備えた電子線調心装置
により電子線をアノードの領域において調心させ、電圧
を印加されたウェーネルト電極が電子線を中空筒状に取
り囲むように設けられている電子線発生方法において、ウェーネルト調整器（２１）を遮断して、アノード
（３）から流れ出るアノード電流を測定技術的に検出す
ること、調心制御により調心コイル電流を変化させることにより
アノード電流を最小にさせること、調心電流を、カソードの領域に配置されるカソードソレ
ノイド（７）によって電流を変化させることにより最小
にさせること、次に、アノード電流に依存してウェーネルト電圧を変化
させることによりアノード電流目標値に接近させるこ
と、を特徴とする電子線発生方法。
【請求項２】アノード電流をアノード電流目標値に接近
させた後、電子線を新たに調心し、次にウェーネルト電
圧を適応させることを特徴とする、請求項１に記載の電
子線発生方法。
【請求項３】カソード（１）を通過する放出電流を加熱
電流の調整により検出して、目標値と比較し、比較結果
に基づいて加熱電流の設定を行なうことを特徴とする、
請求項１または２に記載の電子線発生方法。
【請求項４】カソードがアノードに対して相対的に位置
決め可能であり、カソードを放射ヘッドとともにシフト
させることを特徴とする、請求項１から３までのいずれ
か一つに記載の電子線発生方法。
【請求項５】測定抵抗器を介してアノード電流の検出を
行なうことを特徴とする、請求項１から４までのいずれ
か一つに記載の電子線発生方法。
【請求項６】ウェーネルト調整を行なうための入力値
を、電子線の調心状態を制御するための測定抵抗器と同
じ測定抵抗器を介して検出することを特徴とする、請求
項１から５までのいずれか一つに記載の電子線発生方
法。
【請求項７】電子を放出するカソードと、電子を電場に
沿って誘導するアノードとを有し、アノードが電子線を
部分的に中空筒状に取り囲み、且つ電子線をアノードの
領域において調心する調心コイルを備えた電子線調心器
を有しており、カソードの領域にウェーネルト電極が設
けられ、ウェーネルト電極が、電子線を中空筒状に取り
囲み、且つウェーネルト電圧供給源に接続されている電
子線発生装置において、アノード（３）から流れ出るアノード電流を測定技術的
に検出するため、測定装置がアノード（３）に接続され
ていること、調心コイル（９）に給電し、調心コイル電流を最小にす
るため、調心コイル（９）に調心制御装置が接続されて
いること、アノード電流に依存してウェーネルト電圧を変化させる
ため、ウェーネルト電極（２）にウェーネルト制御装置
が接続されていること、を特徴とする電子線発生装置。