DE4443830C1

DE4443830C1 - Vorrichtung zur Elektronenstrahlerzeugung

Info

Publication number: DE4443830C1
Application number: DE4443830A
Authority: DE
Inventors: Bernd-Dieter Dipl Phys Wenzel; Wolfgang Dipl Ing Erbkamm; Olaf Dipl Ing Gawer
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2014-12-10
Also published as: JPH08222165A; US5623148A; JP4012262B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Elektronenstrahl erzeugung in einem Vakuumgehäuse, in dem eine Massivkatode mit einer darüber angeordneten Drahtkatode und unter der Massivka tode eine Lochanode angeordnet ist und bei der unter der Lo chanode fokussierende und/oder ablenkende Magnetanordnungen vorgesehen sind, die einen von der Massivkatode emittierten und von der Lochanode beschleunigten Elektronenstrahl auf einen Prozeßort lenken.

Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind als sogenannte Elektronenkanonen bekannt. Dabei handelt es sich um Elektro nenstrahlerzeuger mit hoher elektrischer Leistung und hoher Druckentkopplung zwischen einer Strahlerzeugungskammer und einer Prozeßkammer durch in der Elektronenkanone angeordnete Strömungswiderstände.

Bei derartigen Elektronenkanonen ist eine Massivkatode vor gesehen. Über dieser Massivkatode befindet sich eine Heizwen del, welche als Drahtkatode bezeichnet wird. Zwischen der Drahtkatode und der Massivkatode wird eine Hilfsspannung von zirka 1000 Volt (eine sogenannte Stoßspannung) angelegt. Damit gelangen die von der Drahtkatode emittierten Elektronen zur Massivkatode, treffen dort auf und erwärmen diese. Die Massiv katode emittiert daraufhin ihrerseits wieder Elektronen, die von einer unter der Massivkatode angeordneten Anode beschleu nigt werden und durch das Loch in der Lochanode als Elektro nenstrahl die Elektrodenanordnung verlassen. Dieser Elektro nenstrahl wird mit Hilfe von Magnetanordnungen fokussiert und kann mit weiteren Magnetanordnungen abgelenkt werden. Der Elektronenstrahl trifft auf ein Strahlgut und erwärmt dieses mit einer hohen Effizienz.

Derartige Elektronenkanonen werden in Vakuumanlagen zum Erwär men, Schmelzen und Verdampfen eingesetzt, wenn Leistungen von zirka 50 Kilowatt bis zu einigen Megawatt notwendig sind. Diese Vorrichtungen werden in verschiedenen Leistungsabstufun gen hergestellt, so daß die benötigte Leistung erreicht werden kann. Die individuelle Leistungsanpassung erfolgt durch die Steuerung der Leistung jeder Elektronenkanone. Im wesentlichen sind dazu drei Möglichkeiten bekannt:
In einer ersten Möglichkeit wird der Elektronenstrom durch eine Temperaturänderung der Katode verändert. Nachteilig ist hierbei, daß einerseits diese Veränderung infolge der großen Masse der Massivkatode relativ träge ist. Andererseits wird der Durchmesser des Strahles vergrößert, was zu einem Lei stungsverlust des Strahles zum Prozeßort hin infolge hoher Streuverluste führt. Außerdem wird hierdurch nur ein geringer Stellbereich der Leistung im Verhältnis von 3 : 1 erreicht.

Eine zweite Möglichkeit der Veränderung der Leistung besteht in einer Veränderung der Beschleunigungsspannung zwischen Lochanode und Massivkatode. Hierbei ist nachteilig, daß mit einer Verringerung der Beschleunigungsspannung die Energie der Teilchen geringer wird, was zu einem sogenannten weichen Strahl führt. Dieser Strahl ist mit hohen Verlusten verbunden. Weiterhin ist es ungünstig, daß bei derartigen Leistungsände rungen die magnetischen Felder der Fokussierungslinsen und die Strahlablenkung des Elektronenstrahles und gegebenenfalls auch die magnetischen Felder von zusätzlichen Umlenkfeldern im Prozeßraum nachgeführt werden müssen.

Eine dritte Möglichkeit besteht in einer Veränderung der Feld stärke zwischen Katode und Anode mittels einer Lageverstellung der Lochanode. Hierzu ist eine sogenannte positionsgeregelte Anode bekannt. Diese ist zum Beispiel für Vorrichtung zur Elektrodenstrahlerzeugung der eingangs genannten Art in dem DD-Wirtschafts patent 1 34 168 beschrieben. Hierbei wird die Stellung der Lochanode bezüglich der feststehenden Massivkatode verändert. Dabei zeigt es sich als nachteilig, daß ebenfalls nur ein relativ geringer Stellbereich der Leistung im Verhältnis von 7 : 1 erreicht werden kann. In aller Regel ist jedoch ein weitaus größerer Stellbereich notwendig. Der Stellbereich wird durch die Verstellmittel beschränkt, die infolge des Loches in der Lochanode nicht mittig angreifen können. Für eine Vergrö ßerung des Stellbereiches wird aus diesem Grunde zusätzlich die Beschleunigungsspannung verändert, woraus sich die Nach teile der geschilderten zweiten Möglichkeit zeigen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Leistung von Vorrichtungen zur Elektrodenstrahlerzeugung der eingangs genannten Art in großen Bereichen mit einfachen mecha nischen Mitteln veränderlich zu gestalten.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Lochanode in dem Vakuumgehäuse fest sowie die Massivkatode und die Drahtkatode axial beweglich angeordnet sind. Dabei sind die Bewegungen der Massivkathode und der Drahtkathode nach vollziehende nach außerhalb des Vakuumgehäuses geführte Kon taktmittel vorgesehen. Weiterhin ist ein die axiale Bewegung der Massivkatode vollziehendes Bewegungsmittel vorgesehen, das mit der Massivkatode verbunden ist.

Durch diese Anordnung ist es möglich, die Massivkatode relativ zu der Lochanode in weiten Bereichen zu bewegen, und somit eine Leistungsveränderung zu erreichen, die weit über dem Verhältnis von 1 : 7 liegt.

Durch die axiale Bewegung der Massivkatode kann das Bewegungs mittel mechanisch relativ einfach aufgebaut sein und sich damit der Herstellungsaufwand verringern und die Handhabbar keit verbessern.

In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Bewegungsmittel in der Mittelachse der Massivkatode bewegbar ist und mit der Massivkatode mittig befestigt ist.

Durch eine derartige Ausgestaltung wird ein besonders einfa cher Aufbau erreicht.

Wenn es auch grundsätzlich möglich ist, das Bewegungsmittel im inneren des Vakuumgehäuses anzuordnen, ist in einer besonders günstigen Ausgestaltung vorgesehen, daß das Bewegungsmittel das Vakuumgehäuse nach außen gedichtet durchdringt.

Dies hat den Vorteil, daß zumindest die Antriebsorgane des Bewegungsmittels außerhalb des Vakuumgehäuses liegen und somit unproblematisch gewartet werden können und außerdem den Prozeß nicht kontaminieren können.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese hen, daß das Bewegungsmittel aus einem in axialer Richtung beweglichen Stab besteht, der isoliert ausgeführt ist. An der einen Seite trägt dieser Stab die Massivkatode. Auf der ande ren Seite ist er, das Vakuumgehäuse durchdringend, mit einem Linearantrieb verbunden.

Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, den Antrieb außer halb des Vakuumgehäuses anzuordnen und damit die Massivkatode in weiten Bereichen zu verschieben.

In einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung ist ein Iso lierkörper vorgesehen, der auf seiner Unterseite mit Haltestä ben versehen ist. An der Unterseite der Haltestäbe ist die Massivkatode angeordnet. Der Isolierkörper ist auf seiner Oberseite mit dem axial beweglichen Stab verbunden. An den Stellen, an denen der Stab das Vakuumgehäuse durchdringt, sind den Durchtritt des Stabes abdichtende Dichtungen vorgesehen. An seinem freien Ende greift der Stab an einen Linearantrieb an.

Durch diese Fortbildung ist es möglich, den Stab aus einem herkömmlichen Material zu fertigen, da die Isolierwirkung durch den Isolierkörper übernommen wird.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kurvenscheibe vorgesehen, die drehangetrieben ist. Der Stab ist dabei gegen die Kurvenbahn der Kurvenscheibe federbe lastet gedrückt.

Damit kann erreicht werden, daß durch eine einfache Drehbewe gung der Kurvenscheibe die Massivkatode axial verschoben wer den kann. Durch die Kurvenscheibe selbst ist eine recht genaue Einstellung des Abstandes der Massivkatode zur Lochanode mög lich. Somit wird eine sehr vorteilhafte Realisierung eines Linearantriebes geschaffen.

Hierbei ist es möglich, den Stab mit einem Bund zu versehen. Zwischen der Oberseite des Vakuumgehäuses und dem Bund wird sodann eine Druckfeder angeordnet, die sich zwischen der Ober seite und dem Bund abstützt und die den Stab gegen die Kurven bahn der Kurvenscheibe drückt.

Durch eine derartige Ausgestaltung kann erreicht werden, daß stets ein Kraftschluß zwischen der Kurvenbahn und dem Stab vorhanden ist und somit eine spiel freie Längsverschiebung möglich wird.

Eine andere Möglichkeit der Realisierung eines Linearantriebes besteht darin, daß außerhalb des Vakuumgehäuses ein Spindel- Mutter-Antrieb als Linearantrieb angeordnet ist, wobei das linear bewegliche Teil dieses Antriebes verdrehsicher mit dem Haltestab verbunden ist. Dabei ist es unerheblich, ob die Mutter, bei einer drehangetriebenen Spindel oder die Spindel bei einer drehangetriebenen Mutter die Längsverschiebung rea lisiert.

Spindel-Mutter-Antriebe sind die gebräuchlichste Form von Linearantrieben und können bei dieser erfindungsgemäßen Ver wendung insbesondere dann eingesetzt werden, wenn es darum geht, große Verschiebebewegungen zwischen der Massivkatode und der Lochanode zu realisieren.

In einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß federbelastet längsverschiebliche Kontakte zumindest mit telbar mit der Massivkatode verbunden sind. Diese Kontakte greifen an Kontaktgleitbahnen an, die fest mit dem Vakuumge häuse verbunden sind.

Durch eine derartige Kontaktanordnung wird erreicht, daß die Massivkatode über die gesamte Bewegungsbahn mit Katodenspan nung beaufschlagt werden kann.

Eine weitere Möglichkeit der Spannungsversorgung der Massivka tode besteht darin, in dem Vakuumgehäuse feste Verbindungs elemente anzuordnen, die über flexible Leitungen zumindest mittelbar mit der Massivkatode verbunden sind.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spieles näher erläutert werden.

Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

An der Oberseite eines Vakuumgehäuses 1 ist ein Durchbruch 2 eingebracht. Diesen Durchbruch 2 durchdringt bin Stab 3. Um den Durchbruch 2 herum ist eine Dichtung 4 vorgesehen, die das Vakuumgehäuse 1 gegen den Stab 3 abdichtet. An der Oberseite ist der Stab 3 mit einem Bund 5 versehen, der nach oben hin als Wölbung ausgearbeitet ist.

Oberhalb der Wölbung des Bundes 5 befindet sich eine drehbare Kurvenscheibe 6, die mit der Wölbung des Bundes 5 in Berührung steht. Zwischen der Oberseite des Vakuumgehäuses 1 und dem Bund 5 ist eine Druckfeder 7 angeordnet, die die Wölbung des Bundes 5 gegen die Kurvenbahn der Kurvenscheibe 6 drückt. Durch eine Drehung der Kurvenscheibe 6 ist somit der Stab 3 längsbeweglich.

An seinem unteren Ende ist der Stab 3 mit einem Isolator 8 verbunden. Dieser Isolator 8 weist an seiner Unterseite Halte stäbe 9 auf. Diese Haltestäbe 9 dienen ihrerseits der Aufnahme der Massivkatode 10. Die Haltestäbe 9 sind mit der Massivkatho de 10 elektrisch leitend verbunden. Sie sind mit federbelastet längsbeweglichen Schleifkontakten 11 versehen. In der Wandung des Vakuumgehäuses 1 sind Kontaktgleitbahnen 12 fest einge bracht. Zur elektrischen Isolation der Kontaktgleitbahnen 12 gegenüber dem Vakuumgehäuse 1 sind diese in Isolatoren 13 eingebettet.

Oberhalb der Massivkatode 10 ist eine Drahtkatode 14 vorgese hen. Diese Drahtkatode 14 ist mit der Massivkatode 10 beweg lich. Die Drahtkatode 14 ist zum Zwecke der Herstellung einer Beweglichkeit mit festen Anschlußkontakten 15, die ebenfalls in einem Isolator 13 eingebettet sind, über eine flexible Leitung 16 verbunden.

Unterhalb der Massivkatode 10 ist eine Lochanode 17 fest mit dem Vakuumgehäuse 1 verbunden. Durch diese Lochanode 17, die auf Massepotential gelegt ist, wird die Strahlerzeugungskammer 18 von der Prozeßkammer 19 getrennt. Zwischen der Strahlerzeu gungskammer 18 und der Prozeßkammer 19 ist ein Strömungswider stand erforderlich, der durch Magnetanordnungen 20 realisiert wird. Über diese Magnetanordnungen 20 kann der Strahl fokus siert und über Magnetanordnungen 21 abgelenkt werden. Durch die Ablenkung wird erreicht, daß am Prozeßort 22 durch den Elektronenstrahl 23 ein zu bestrahlendes Gut erhitzt wird.

Zur Veränderung der Leistung ist es bei dieser Anordnung nun mehr lediglich erforderlich, die Kurvenscheibe 6 zu drehen. Infolge der Kurvenbahn auf der Kurvenscheibe 6 wird sich der Abstand der Massivelektrode 10 zur Lochanode 17 verändern. Infolge dieser Feldveränderung wird die Leistung dieser Elek tronenkanone den individuellen Bedürfnissen angepaßt.

Bezugszeichenliste

1 Vakuumgehäuse
2 Durchbruch
3 Stab
4 Dichtung
5 Bund
6 Kurvenscheibe
7 Druckfeder
8 Isolator
9 Haltestab
10 Massivkatode
11 Schleifkontakt
12 Kontaktgleitbahn
13 Isolator
14 Drahtkatode
15 Anschlußkontakt
16 Flexible Leitung
17 Lochanode
18 Strahlerzeugungskammer
19 Prozeßkammer
20; 21 Magnetanordnung
22 Prozeßort
23 Elektronenstrahl

Claims

1. Vorrichtung zur Elektronenstrahlerzeugung mit einem Vaku umgehäuse, indem eine Massivkatode mit einer darüber an geordneten Drahtkatode und unter der Massivkatode eine Lochanode angeordnet ist und bei der unter der Lochanode fokussierende und/oder ablenkende Magnetanordnungen vor gesehen sind, die einen von der Massivkatode emittierten und von der Lochanode beschleunigten Elektronenstrahl auf einen Prozeßort lenken, dadurch gekenn zeichnet, daß
die Lochanode (17) in dem Vakuumgehäuse (1) fest sowie die Massivkatode (10) und die Drahtkatode (14) axial beweglich angeordnet sind,
daß die Bewegungen der Massivkatode (10) und der Drahtkatode (14) nachvollziehende nach außerhalb des Vaku umgehäuses (1) geführte Kontaktmittel (11; 12) vorgesehen sind und
daß ein die axiale Bewegung der Massivkatode (10) voll ziehendes Bewegungsmittel (3) vorgesehen ist, das mit der Massivkatode (10) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Bewegungsmittel (3) in der Mit telachse der Massivkatode (10) bewegbar ist und mit der Massivkatode (10) mittig befestigt ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß das Bewe gungsmittel (3) das Vakuumgehäuse (1) nach außen gedichtet durchdringt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß das Bewe gungsmittel (3) aus einem in axialer Richtung beweglichen Stab (3) besteht, der isoliert ausgeführt ist und der an der einen Seite die Massivkatode (10) trägt und auf der anderen Seite, das Vakuumgehäuse (1) durchdringend, mit einem Linearantrieb (6) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet,
daß ein Isolierkörper (8) vorgesehen ist, der auf seiner Unterseite mit Haltestäben (9) versehen ist, an deren Unterseite die Massivkatode (10) angeordnet ist und der auf seiner Oberseite mit dem axial beweglichen Stab (3) verbunden ist,
daß der Stab (3) das Vakuumgehäuse (1) nach außen durch dringt,
daß den Durchtritt des Stabes (3) abdichtende Dichtungen (4) vorgesehen sind und
daß der Stab (3) an seinem freien Ende an einem Linear antrieb (6) angreift.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Haltestäbe (9) mit Kontaktanord nungen (11; 12) zur Beaufschlagung der Massivkatode (10) mit Katodenspannung versehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Kurvenscheibe (6) vor gesehen ist, die drehangetrieben ist und daß der Stab (3) gegen die Kurvenbahn der Kurvenscheibe (6) federbelastet gedrückt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Stab (3) einen Bund (5) aufweist und daß eine Druckfeder (7) vorgesehen ist, die sich zwi schen der Oberseite des Vakuumgehäuses (1) und dem Bund (5) abstützt und den Stab (3) gegen die Kurvenbahn der Kurvenscheibe (6) drückt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, daß außerhalb des Vakuumgehäuses (1) ein Spindel-Mutter-Antrieb als Linearantrieb angeord net ist, wobei das linearbewegliche Teil des Antriebes verdrehsicher mit dem Stab (3) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß federbela stet längsverschiebliche Kontakte (11) zumindest mittelbar mit der Massivkatode (10) verbunden sind, die an fest mit dem Vakuumgehäuse (1) verbundenen Kontaktleitbahnen (12) angreifen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß in dem Vaku umgehäuse (1) feste Verbindungselemente (15) angeordnet sind, die über flexible Leitungen (16) zumindest mittelbar mit der Massivkatode (10; 14) verbunden sind.