DE1955846B2

DE1955846B2 - Elektronenkanone fuer die erhitzung von materialien in einem vakuumbehaelter

Info

Publication number: DE1955846B2
Application number: DE19691955846
Authority: DE
Inventors: Walter Anton Dr rer nat 6450 Hanau Dellen Helmut Georg Michael Valentin 6454 Großauheim Dietrich
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1969-11-06
Filing date: 1969-11-06
Publication date: 1973-04-12
Also published as: JPS5022280B1; GB1236891A; DE1955846C3; US3652821A; DE1955846A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Elektronenkanone für die Erhitzung von Materialien in einem Vakuumbehälter, bestehend aus einer Elektronenstrahlquelle, mindestens einer Elektronenlinse und mindestens einer im wesentlichen symmetrisch zum Strahl angeordneten aus Magnetjoch mit Wicklung und Schenkeln bestehenden Ablenkeinheit zur Ablenkung des Strahls im Innern des Behälters, wobei zwischen der Strahlachse einerseits und der Elektronenlinse sowie der Wicklung und dem Joch der Ablenkeinheit andererseits ein vakuumdichtes, mit dem Behälter verbindbarcs Strahlführungsrohr angeordnet ist, das an seinem freien Ende durch die Elektronenstrahlquelle verschlossen ist.

Eine Elektronenkanone der vorstehenden Art ist beispielsweise durch die deutsche Auslegeschrift 248 175 bekannt. Die bekannte Kanone ragt in eingebautem Zustand mit ihrer Elektronenlinse und der Ablenkeinheit in das Innere eines Vakuumbehälters hinein, in dem ein Erhitzungsvorgang bewirkt werden soll. Es kann sich dabei um Schmelz-, Schweiß- und Verdampfungsvorgänge von Materialien aller Art handeln. Zum Zwecke des Schutzes der wärmeempfindlichen Spulen von Elektronenlinse und Ablenkeinheit ist die Kanone an ihrem in den Behälter hineinragenden Teil mit einem Kühlmantel versehen. Die bekannte Kanone ist jedoch nur bedingt einsetzbar hei Behältern, in denen ein Höchstvakuum erzeugt und während des Betriebes der Kanone aufrechterhalten werden soll. Höchslvakua werden insbesondere für viele Vakuumaufdampfprozesse benötigt. Um die geforderten, niedrigen Drücke erreichen zu können, ist es bekanntlich erforderlich, die gesamte innere Oberfläche des Vakuumbehälters »auszuheizen«, d. h., auf eine solche Temperatur zu bringen, bei der sich die ansonsten im Behälter verbleibenden Gasmoleküle von den Wandungsteilen lösen und nachfolgend abgepumpt werden können. Die erforderlichen Ausheiztemperaturen liegen häufig im Bereich bis zu 400⁰C und teilweise auch darüber. Für derartig hohe Tftmperaturen sind jedoch die bekannten Kanonen aus folgenden Gründen nicht geeignet:

Bei Anwendung einer Wasserkühlung läßt sich die in den Behälter hineinragende Oberfläche der Kanone nicht ausheizen, beim Verzicht auf eine Wasserkühlung würde die elektrische Isolation der Magneispulen zerstört. Ein Ausbau der Kanone verbietet sich, da hierbei das Vakuum im Behälter zusammenbrechen würde.

Es ist zwar von Kathodenstrahl-Röhren her bekannt, Ablenkspulen abziehbar zu gestalten (deutsche Patentschrift 767 800), jedoch liegt bei einer solchen Konstruktion der die Ablenkung des Elektronenstrahls bewirkende Teil der Ablenkeinheit nicht im Innern der evakuierten Röhre; außerdem liegen von der Betriebsweise her völlig unterschiedliche Aufgaben vor: Die Elektronenstrahlröhre wird nicht zum Zwecke einer Beschickung geöffnet, so daß eine wiederholbare Ausheizung erforderlich würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kanone der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die ein Ausheizen der dem Innern des Vakuumbehalters zugekehrten Wandungsteile gestattet ohne daß hierbei die wärmeempfindlichen Bauteile gefährdet würden. AuBerdem soll die schnelle Betriebsbereitschaft der in den Behälter eingebauten Elektronenkanone trotz des Ausheizvorganges erhalten bleiben.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Schenkel und das Joch mit der Wicklung der Ablenkeinheit als getrennte Bauteile ausgeführt sind, wobei die Schenkel fest mit dem Vakuumbehälter verbindbar und das Joch mit der Wicklung ebenso wie die Elektronenlinse ohne Aufhebung des Vakuums im Behälter von dem Strahlzuführungsrohr abziehbar sind.

Die besondere Schwierigkeit, die durch eine solche Lösung zu überwinden war, besteht dabei darin, daß der Elektronenstahl im Innern des Behälters abgelenkt werden soll, so daß sich der die eigentliche Strahlablenkung bewirkende Teil der Ablenkeinheit im Innern des Behälters befinden muß. Diese Bedingung hat bisher ein Ausheizen des Vakuumsbehälters und der mit ihm verbundenen Kanone verhindert.

Um eine solche besonders einfache Entfernung der Ablenkspule zu ermöglichen, wird gemäß der weiteren Erfindung vorgeschlagen, daß das Joch der Ablenkeinheit im wesentlichen ringförmig ausgebildet und mit zwei diametral gegenüberliegenden, parallelen Schenkelansätzcn versehen ist, auf denen die Wicklung angeordnet ist, und daß das Joch das Strahlführungsrohr umschließt. Eine solche Ausführung erfüllt sämtliche eingangs gestellten Forderungen und zeichnet sich außerdem durch einen einfachen und betriebssicheren Aufbau aus.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung sei nachstehend an Hand der F i g. 1 bis 3 näher beschrieben.

Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine an einen Vakuumbehälter angebaute Kanone,

Fig.2 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fi g. 1, bei der die wesentlichen Baugruppen auseinandergezogen dargestellt sind und

F i g. 3 eine perspektivische Darstellung der Ablenkeinheit mit ihren wesentlichsten Teilen.

In F i g. 1 ist mit 1 die vollständige Elektronenkanone bezeichnet, bestehend aus einer Elektronenstrahlquelle 2, einer Elektronenlinse 3 und einer Ablenkeinheit 4, die den Elektronenstrahl 5 im Innern des Behälters 6 um einen Winkel zur ursprünglichen Strahlachse ablenkt. Die Elektronenquelle besteht ihrerseits aus einer Glühkathode? und einer auf Erdpotential befindlichen Bcschlcunigungsanode 18, zwischen denen beim Betrieb eine hohe Potentialdifferenz vorhanden ist. Die Elektronenstrahlquelle ist über die beiden Steckkontakte 9 und 10. welche mit Gegenkontakten zusammenwirken, die — nicht sichtbar — in der Flanschplatte 11 aus Isoliermaterial angeordnet sind, an nicht gezeichnete Hochspannungszuleitungen angeschlossen. Über die Kontakte 9 und 10 fließt gleichzeitig der Heizstrom für die Glühkathode 7. Mit 12 ist ein Gegenflansch bezeichnet, der mit einem keramischen Hochspannungsisolator 13 vakuumdicht verbunden ist. Der Isolator ist am gegenüberliegenden Ende mit einem weiteren Flansch 14 verbunden, der mit einem Gegenflansch 15 verschraubt ist. 16 und 17 sind Distanzringe, die ebenfalls absolute Vakuumdichtheit gewährleisten und die hohlkegelförmig ausgebildete Beschleunigungsanode 18 umschließen. Der Gegenflansch 15 ist mit einem Strahlführungsrohr 19 verbunden, welches das vakuumdichte Zwischenglied zwischen der Elektronenquelle 2 und dem Vakuumbehälter 6 darstellt. Zu diesem Zwecke ist das Strahlführungsrohr 19 an dem der Elektronenquelle abgewandten Ende mit einer Flanschplalte 20 versehen, die unter Zwischenschaltung eines Dichtungsringes 21 auf dem Behälterflansch 22 ruht.

Die Ablenkeinheit 4 besteht aus einem im wesentlichen U-förmigen Magnetkern aus Weicheisen, der sich wiederum aus den Schenkeln 23 mit den Polschuhen 24 und dem Joch 25 zusammensetzt. Die Schenkel 23 und das Joch 25 sind 3teilig ausgeführt, berühren sich jedoch im Zustand der Betriebsbereitschaft der Kanone zur Leitung des magnetischen Flusses an den Trennfugen 26. Die Schenkel 23 sind vakuumdicht und unlösbar mit der aus nicht ferromagnetischem Werkstoff bestehenden Flanschplatte 20 verbunden. Das Joch 25 ist senkrecht zur Schnittebene ringförmig ausgebildet und konzentrisch zum Strahlführungsrohr 10 angeordnet. Es besitzt 2 diametral gegenüberliegende, parallel verlaufende Schenkelansätze 27, auf denen die 2teilig ausgeführte Wicklung 28 befestigt ist Bei Erregung der Wicklung 28 wird zwischen den Polschuhen 24 ein Magnetfeld erzeugt, dessen Kraftlinien im wesentlichen senkrecht zur Achse des Elektronenstrahles 5 verlaufen und infolgedessen eine Ablenkung bewirken, deren Größe unter anderem von der Höhe des Erregungstromes abhängig ist.

Das Joch 25 mit der Wicklung 28 ist ebenso wie die Elektronenlinse 3 im Innern einer als Hohlzylinder ausgebildeten Kapsel 29 befestigt. Als Distanzstück 38 dient ein Ring, der ebenso wie das Strahlfühmngsrohr 19 aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff besteht, um die Magnetfelder nicht störend zu beeinflussen. Die Kapsel 29 ist mit ihren Einbauten von dem Slrahlfuhrungsrohr in dessen Achsrichtung abziehbar und stützt sich auf der Anschlaghülse 30 ab. Die Kapsel 29 besitzt ferner 2 entsprechend geformte Ausnehmungen für den Durch- tritt der Schenkel 23 der Ablenkeinheit 4. Die Elektronenlinse 3 ist von einem Weicheisenmantel 32 umgeben, dessen Innendurchmesser ebenso wie der des Jochs 25 so bemessen ist, daß ein Abnehmen der Kapsel 29 über die Umhüllung der Elektronen quelle 2 möglich ist.

Die Kapsel 29 ist durch eine Flanschplatte 33 verschlossen, die gleichzeitig Träger für die Schutzkappe 34 ist, die zum Zwecke des Berührungsschutzes einen metallischen, geerdeten Überzug trägt. Die Flanschplatte 33 besitzt ebenfalls eine Bohrung 35. die ein Abnehmen über die UmhüliuriL der Elektronenquelle 2 gestattet. Die Flanschplaue 33 ist mit dem Gegenflansch 15 verbunden, was beispielsweise über einen nicht dargestellten Bajonettverschluß erfolgen kann. Hierdurch wird die Kapsel 29 gegen die Anschlaghülse 30 gepreßt und unverrückbar festgehalten. Ein Vorsprung 36 an der Flanschplalte 33 sorgt für die radiale Festlegung der Kapsel 29. F i g. 2 zeigt die Elektronenstrahlkanone in einem Zustand, der ein Ausheizen der gesamten Vorrichtung erlaubt. Ia^ heißt, ohne Elektronenlinse und Wicklung des Magnetjochs 25. An dem Vakuumbehälter ist noch die Flanschplatte 20 mit dem Strahlführungsrohr 19 und dem Hochspannungsisolator 13 befestigt, in dessen Innerem sich die Elektronenquelle 2 befindet. Die entsprechenden Einzelteile sowie die zwischengeschalteten Dichtungsmittel sind absolut beständig bei den auftretenden Ausheiztemperaturen. Aus der Flanschplatte 20 ragen die beiden Enden der Schen-

kel 23 der Ablenkeinheit heraus. Das mit ihnen im Betriebszustand der Kanone in Verbindung stehende Joch mit der Ablenkwicklung befindet sich zusammen mit der Elektronenlinse im Innern der abgezogenen Kapsel 29. Die Schutzkappe 34, in der sich

auch die Steckkontakte 9 und 10 befinden, ist ebenfalls in abgezogenem Zustande dargestellt. Nach Beendigung des Ausheizvorganges und genügendem Abkühlen der ausgeheizten Teile ist es lediglich erforderlich, die Kapsel 29 wieder auf das Strahlfüh-

rungsrohr 19 aufzuschieben und durch Aufsetzen und Verriegeln der Schutzkappe 34 in ihrer Lage zu arretieren.

Die Details der F i g. 2 sind aus Platzgründen in einem kleineren Maßstab dargestellt als in F i g. 1.

In F i g. 1 ist eine Ablenkeinheit 4 dargestellt, die eine Strahlablenkung im wesentlichen nur in einer hbene zuläßt. Es ist jedoch ebensogut denkbar, eine weitere Ablenkeinheit vorzusehen, die beispielsweise unter einem Winkel von 90° zur dargestellten Ablenkeinheit stehen kann. Mit einer solchen Anordnung ist es dann möglich, mit dem Elektronenstrahl eine praktisch beliebige Fläche zu bestreichen, wobei auch sich periodisch ändernde Ströme den Ablenkspulen zugeführt werden können, um bestimmte Lei-

stungsdichteverteilungen im Elektronenstrahl zu erzeugen. Die geometrische Form der Ablenkeinheit 4 ist aus der persepektiven Darstellung in F i g. 3 ersichtlich. Die Bezifferung der dargestellten Teile ist

mit der in Fig. ] identisch. Es ist zu erkennen, daß das ringförmige Joch 25 und die beiden Schenkel 23 getrennt ausgeführt sind und an den Trennfugen 26 aneinanderstoßen. Zwischen der Trennfuge und dem Joch 25 befinden sich auf diametral entgegengesetzten Seiten die Schenkelansätze 27, auf die die Wicklung 28, bestehend aus zwei Einzelspulen aufgeschoben werden kann. Die öffnung 37 wird von dem hier nicht dargestellten Strahlführungsrohr 19 durchsetzt. Die beiden Schenkel 23 sind vakuumdicht in det Weise mit der Flanschplatte 20 verbunden, daß die Schenkelenden mit den Polschuhen 24 bei eingebauter Kanone symmetrische zum Elektronenstrahls ir das Innere des Vakuumbehälters 6 hineinragen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronenkanone für die Erhitzung von Materialien in einem Vakuumbehälter, bestehend aus einer Elektronenstrahlquelle, mindestens einer Elektronenlinse und mindestens einer im wesentlichen symmetrisch zum Strahl angeordneten, aus Magnetjoch mit Wicklung und Schenkeln bestehenden Ablenkeinheit zur Ablenkung des Strahls im Innern des Behälters, wobei zwischen der Strahlachse einerseits und der Elektronenlinse sowie der Wicklung und dem Joch der Ablenkeinheit andererseits ein vakuumdichtes, mit dem Behälter verbindbares Strahlzuführungsrohr angeordnet ist, das an seinem freien Ende durch die Elektronenstrahlquelle verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (23) und das Joch (25) mil der Wicklung (28) der Ablenkeinheit (4) als getrennte Bauteile ausgeführt sind, wobei die Schenkel (23) fest mit dem Vakuumbehälter (6) verbindbar und das Joch (25) mit der Wicklung (28) ebenso wie die Elektronenlinse (3) ohne Aufhebung des Vakuums im Behälter (6) von dem Strahlführungsrohr (19) abziehbar sind.

2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (25) der Ablenkeinheit (4) im wesentlichen ringförmig ausgebildet und mit zwei diametral gegenüberliegenden, parallelen Schenkelansätzen (27) versehen ist, auf denen die Wicklung (28) angeordnet ist, und daß das Joch (25) das Strahlführungsrohi (19) umschließt.

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