DE4432982C2 - Vorrichtung zum Bestrahlen von Oberflächen mit Elektronen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen von Oberflächen mit Elektronen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Solche Vorrichtungen werden zur Elektronenstrahlhärtung fester und flexibler Materialien sowie im Druckbereich eingesetzt. In diesen Bereichen werden unterschiedliche Anforderungen an die Vorrichtungen bezüglich der Elek­ tronenenergien und Elektronenstrahlleistungen gestellt.

Es werden hierfür Vorrichtungen mit Elektronenenergien zwischen 150 und 280 keV und Strahlströmen zwischen 30 und 300 mA eingesetzt. In 'Nuclear Instruments & Methods in Physics Research', Section B 1992, Article "LEA electron accelerators for radiation processing" ist eine Vorrichtung mit einer drahtförmigen Linearkathode be­ schrieben. Die Linearkathode wird mit Stromdurchgang erhitzt, so daß sie thermische Elektronen emittiert. Diese Elektronen werden ohne Steuergitter über eine rohrförmige Elektrode formiert und durch ein Elektronen­ strahlfenster ausgeschleust. Unterhalb des Elektronen­ strahlfensters treffen die Elektronen auf die Ober­ fläche der Materialien, die über Einrichungen an dem Elektronenstrahlfenster vorbeigeführt werden.

Beim Erhitzen der drahtformigen Kathode entsteht eine große Wärmebelastung der unmittelbar oder mittelbar mit der Kathode verbundenen Teile bzw. Baugruppen, insbeson­ dere des Innenraumes der Formierelektrode. Zur Vermei­ dung einer thermischen und elektrischen Überbelastung ist die Hochspannungs- und Strahlstromzuführung der bekannten Vorrichtungen zum Erzeugen von Niederenergie- Elektronen über einen mit Isolieröl gefüllten Behälter auf die Kathode und Formierelektrode geschaltet. Der ölgefüllte Behälter, der zur Aufnahme des Steckers dient, hat eine hohe Isolationsfestigkeit. Die Wärme­ belastung wird durch eine Ölumlaufkühlung kompensiert. Es besteht die Gefahr, daß Luftblasen sich am Stecker oder dem Steckeraufnahmebehälter bilden, die die Isolationsfestigkeit beeinträchtigen.

Durch die Ölumlaufkühlung entsteht eine großbauende Baugruppe, die in erheblichem Maß die Kosten der Vor­ richtung erhöht und damit die Wirtschaftlichkeit für bestimmte Anwendungen, wie das Elektronenstrahlhärten, gegenüber kostengünstigeren, technologisch jedoch schlechter für das Härten der Materialien geeigneter Einrichtungen, bestimmt.

Es wäre bei derartigen Vorrichtungen daher wünschens­ wert, wenn die Hochspannungs- und Strahlstromzuführung vereinfacht und baulich kleiner ausgebildet werden könnte, ohne daß hierdurch die Gefahr einer thermischen Überbelastung der Isolierteile auftritt.

Ferner ist aus der EP 186 558 A1 eine Vorrichtung zum Bestrahlen von Oberflächen mit Elektronen bekannt, bei der in einer mit einem Elektronenstrahlaustrittsfenster versehenen Vakuumkammer ein Elektronenstrahlerzeugungs­ system angeordnet ist, das aus einer Kathode und einer Formierelektrode besteht, die von einem Rohr getragen werden, das über einen hohlen Isolator mit der Wand der Vakuumkammer verbunden ist und über das Hochspannung und Strahlstrom zur Formierelektrode und zur Kathode ölfrei zugeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zum Bestrahlen von Oberflächen mit Elektronen zu schaffen, mit der die Hochspannungs- und Strahlstrom­ zuführung über eine einfache Verbindung auf die Kathode und die Formierelektrode geschaltet werden kann.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 be­ rücksichtigten Stand der Technik, ist diese Aufgabe ge­ löst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Merkmale des Anspruches 1 wird eine einfache Steckverbindung zur Hochspannungs- und Strahlstromzu­ führung erreicht, weil ein ölfreier Stecker mit einer an der Formierelektrode befestigten ölfreien Steck­ aufnahme koppelbar ist. Durch die Erfindung können die Vorrichtungskosten für die Hochspannungs- und Strahl­ stromzuführung um bis zu 25% gesenkt werden. Hinzu kommt, daß die Handhabung für Wartungszwecke verein­ facht wird und gleichzeitig ein betriebssicherer Zu­ stand erreicht wird.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Steckverbindung.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung mit der erfindungsgemäßen ölfreien Steckverbindung 10. Die Vorrichtung besteht aus einer rohrförmigen Vakuumkammer 11 mit doppelwandigem, wassergekühltem Gehäuse 12. In einer Seite befindet sich eine Öffnung 13 für den Anschluß einer Vakuumpumpe. Die Vorrichtung besitzt ferner ein Elektronenstrahlfenster 14. Es besteht aus einer Metallfolie 15, vorzugsweise einer Titanfolie und einem Metallstützgitter 16, vor­ zugsweise aus Kupfer, das an einem rechteckigen Flansch 17 befestigt ist. In der Vakuumkammer 11 ist vorzugs­ weise konzentrisch ein Elektronenstrahlerzeugersystem angeordnet. Es besteht aus einem rohrförmigen, zum Elektronenstrahlfenster 14 hin geschlitzten Hohlkörper 18 mit innenliegendem Hohlraum-Längsteiler 19 (in Fig. 1 verdeckt), welche die Formierelektrode bilden und je einer drahtförmigen Kathode 20, 21 in jedem vom Hohl­ raum-Längsteiler abgeteilten Hohlraumsegment. Die Kathoden 20, 21 bestehen aus zwei Wolframdrähten, die mit Stromdurchgang erhitzt werden, so daß thermische Elektronen emittieren. Die Formierelektrode liegt zu­ sammen mit den Kathoden 20, 21 auf negativem Hochspan­ nungspotential. Hochspannung- und Strahlstrom werden über die ölfreie Steckverbindung 10 auf die Kathoden 20, 21 und die Formierelektrode geschaltet. Die Ver­ bindung zu dem Hochspannungs- und Strahlstromerzeuger wird über den ölfreien Stecker 23 und die ölfreie Steckaufnahme 24 hergestellt. Die Steckaufnahme 24 ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Sie besteht aus einem hohlen Isolierteil 26, dessen Innenraum den Stecker 23 aufnimmt. In das Isolierteil 26 sind Kontakte 27, 28 zusammen mit elektrischen Zuleitungen 29, 32, die mit Steckerstiften 30, 31 verbunden sind, eingegossen. Aus Übersichtsgründen ist der Steckerstift 30 und die mit ihm verbundenen Bauteile in Fig. 2 um 90° versetzt gezeichnet. Der Steckerstift 30 liegt hinter dem in Fig. 2 nicht eingezeichneten Hohlraum-Längsteiler auf der gleichen Ebene wie der Steckerstift 31 mit den daran befestigten Bauteilen. Das Isolierteil 26 ist mit einem rohrförmigen Fortsatz 33, der ein Außengewinde 34 auf­ weist vakuumdicht verklebt. Mit einer nur schematisch dargestellten Mutter 35, die auf den Fortsatz 33 ge­ schraubt wird, erfolgt die Verbindung des Steckers 23 mit der Steckeraufnahme 24. Der Stecker 23 besitzt ebenfalls in ein Isolierteil eingegossene Kontakte 36, 37, die über elektrische Leiter des Kabels 38 mit dem Erzeuger 25 verbunden sind. Der Stecker 23 und die Steckeraufnahme sind an ihrer Verbindungsstelle konisch ausgebildet. Auf dem Konus des Steckers 23 ist eine isolierende, elastische Materialschicht 39 aufgebracht, die sich beim Anschließen dehnt und einen guten mecha­ nischen luftfreien Kontakt zu der Verbindungsstelle zwischen Stecker 23 und Steckeraufnahme 24 bildet.

Das Isolierteil 26 der Steckeraufnahme 24 ist mit der Formierelektrode und gasdicht mit dem Gehäuse 12 der Vakuumkammer 11 verbunden. In der Stirnseite des Ge­ häuses 12 ist eine Öffnung 61 für das Einführen des Steckers 23 in die Steckeraufnahme 24 vorgesehen. Das Isolierteil 26 trägt zusammen mit einem an der gegen­ überliegenden Wand befestigten Stützisolator 40 das Elektronenstrahlerzeugersystem. Die rohrförmige Formierelektrode ist an der zum Stützisolator 40 weisenden Seite in einem Koronaring 42 befestigt. Auf der gegenüberliegenden Seite steckt die Formierelektrode in einer zylinderförmig fortgesetzten Aufnahme 43 eines Koronaringes 44.

Die thermische Belastung beim Betrieb der Vorrichtung ist mit einer Längenausdehnung des rohrförmigen Hohl­ körpers 18 verbunden. Zur Vermeidung einer Stauchung des Hohlkörpers 18 kann sich dieser auf der zylinder­ förmigen Aufnahme 43 des Koronaringes 44 ausdehnen. Eine Reduzierung des Wärmeflusses wird durch eine punkt­ förmige Auflage des Hohlkörpers 18 auf der zylinder­ förmigen Aufnahme 43 erreicht. Zu diesem Zweck ist am Umfang der Aufnahme 43 eine schneidenartige Fase 45 ausgebildet, die zudem kleiner im Außendurchmesser als die Formierelektrode im Innendurchmesser ist. Der Hohl­ körper 18 liegt punktförmig auf der Fase 45 auf. Zur weiteren Reduzierung des Wärmeflusses vom Hohlkörper 18 zum Isolierteil 26 hin ist der Hohlkörper 18 in dem vor der Steckverbindung 10 liegenden Bereich 46 zur Redu­ zierung des leitenden Querschnitts stark perforiert, das gleiche gilt für den Bereich 47 vor dem Stütz­ isolator 40.

Eine weitere Absenkung der Wärmebelastung des Isolier­ teils 26 und des Stützisolators 40 wird durch die Wärme­ abstrahlringe 48 und 49 auf dem Hohlkörper 18 erreicht. Die Wärmeabstrahlringe 48, 49 besitzen in dem Hohlkörper 18 angeordnete Befestigungsflansche 62, 63, an denen die Kathodenhalterungen befestigt sind. Zur weiteren Reduzierung der Wärmeableitung sind die Wärmeabstrahl­ ringe 48, 49 hohlförmig ausgebildet. Die Wirkung der Wärmeabstrahlringe 48, 49 wird durch die Wärmeableit­ ringe 50 und 51 verstärkt. Koronaringe 42, 44 und Wärme­ abstrahlringe 48, 49 strahlen die in dem Elektronen­ strahlerzeugersystem entstehende Wärme ab. Über das was­ sergekühlte Gehäuse 12 der Vakuumkammer 11 in Verbin­ dung mit den am Gehäuse 12 befestigten Wärmeableitringe 50, 51 wird die Wärme abgeführt. Diese Wärmeableit- und -abstrahlringe 48 bis 51, ebenso wie die Koronaringe 42 und 44 haben möglichst große Radien, die alleine durch die Spannungsfestigkeit des Elektronenstrahlerzeuger­ systems begrenzt sind.

Zur Reduzierung des Wärmeflusses aus den Kathoden 20, 21 in die elektrischen Kontaktstifte 30 und 31 des Isolationsteils 26 der Steckeraufnahme befinden sich in den Kathodenhalterungen gefederte Kontaktstife 52 und 53 aus schlecht wärmeleitendem Edelstahl. Die Federn 54 und 55 der Kontaktstifte gleichen die Längenausdehnung der Kathoden 20, 21 und der Formierelektrode aus. Die Kontaktstifte 52, 53 sind in Führungsbuchsen 56 und 57 geführt und besitzen konische Enden um den elektrischen Kontakt in den Kontaktbüchsen 58 und 59 zu gewähr­ leisten. Die Führungsbüchsen 56 und 57 selbst sind auf die Steckerstifte 30 und 31 des Isolierteils 26 aufge­ schraubt. Der Steckerstift 31 ist durch ein Isolations­ stück 60 getrennt, um einen Kurzschluß zum Koronaring 44 zu vermeiden, während der andere Steckerstift 30 in elektrischem Kontakt mit dem Koronaring 44 steht.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Bestrahlen von Oberflächen mit Elektronen, insbesondere zum Härten von Oberflächen­ schichten,

• 1. - mit einer Vakuumkammer, die ein Elektronenstrahl­ austrittsfenster aufweist, und
• 2. - mit einem Elektronenstrahlerzeugersystem, be­ stehend aus mindestens einer drahtförmigen Ka­ thode und einer Formierelektrode, die an eine Hochspannungs- und Strahlstromzuleitung ange­ schlossen sind,

dadurch gekennzeichnet, daß an der Formierelektrode (18, 19) eine ölfreie Steckeraufnahme (24) für die Hochspannungs- und Strahlstromzuleitung befestigt ist, die aus einem hohlen, mit seinem von der Formierelektrode (18, 19) entfernten Ende an der Vakuumkammer (11) gasdicht befestigten Isolierteil (26) besteht, in dem elek­ trische Kontakte (27, 28) angeordnet sind, daß die Kontakte (27, 28) über Mittel (29, 32, 30, 31, 56, 57, 52, 53, 58, 59) mit der Formierelektrode (18, 19) und der Kathode (20, 21) elektrisch verbunden sind und daß die Vakuumkammer (11) eine Öffnung (61) für das Einführen eines ölfreien Steckers (23) in die Steckeraufnahme (24) aufweist, der über Mittel (38) mit einem Hochspannungs- und Strahlstromer­ zeuger (25) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stecker (23) über ein koaxial ausgebildetes Kabel (38) mit dem Hochspannungs- und Strahlstrom­ erzeuger (25) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß an dem Isolierteil (26) Steckerstifte (30, 31) befestigt und mit elastisch gelagerten Kontakt­ stiften (52, 53) verbunden sind,
daß die Kontaktstifte (52, 53) unter Spannung in Kontaktbuchsen (58, 59) anliegen, die innerhalb der Formierelektrode (18, 19) an Mitteln (62, 63) befestigt sind, und daß die Kontaktbuchsen (58, 59) mit den Kathoden (20, 21) verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kontaktstifte (52, 53) in Führungsbuchsen (56, 57) gelagert sind, welche mit den Stecker­ stiften (30, 31) verbunden sind, und
daß zwischen den Führungsbuchsen (56, 57) und dem vorzugsweise konisch geformten Kopf der Kontakt­ stifte (52, 53) Federn (54, 55) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung der Kontaktbuchsen (58, 59) innerhalb der Formierelektrode (18, 19) an Befestigungsflanschen (62, 63) erfolgt, die als Wärmeabstrahlringe (48, 49) ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabstrahlringe (48, 49) hohlförmig aus­ gebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Steckeraufnahme (24) und Formier­ elektrode (18, 19) ein Koronaring (44) angeordnet ist, der eine zylinderförmige Aufnahme (43) auf­ weist, auf dem die Formierelektrode (18, 19) längen­ ausdehnbar aufliegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (43) eine schneidenförmige Fase (45) aufweist, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Formierelektrode (18, 19) und die Formierelektrode (18, 19) punktförmig auf der Fase (45) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Endbereiche (46, 47) der Formierelektrode (18, 19) perforiert sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (11) ein doppelwandiges Gehäuse (12) aufweist, das mit einer Wasserkühlung verbun­ den ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (12) Wärmeableitringe (50, 51) angeordnet sind, die an der wassergekühlten Innen­ wand des Gehäuses (12) befestigt sind.