WO2014009028A1 - Vorrichtung zur erzeugung eines elektronenstrahls - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a device for generating an electron beam according to the preamble of claim 1 and an arrangement of two such devices.
  • deflecting means are generally used in the transverse direction of the beam two opposite electrodes, which can cause an electrostatic deflection of the electron beam.
  • a disadvantage here it turns out that the maximum achievable deflection angle in such an electrostatic deflection in the range of about 7 °. Larger deflection angles would be desirable because it can reduce the size of a corresponding device.
  • the problem underlying the present invention is to provide a device of the type mentioned, which allows larger deflection angle and / or in the beam profile of the
  • Electron beam can be formed by simple means and / or works the low-maintenance and / or with a longer
  • deflection electrode on which the electron beam can be reflected and / or has an inclined to the propagation direction of the electron beam deflection. Due to the reflection on the deflection electrode, which is a reflection on a
  • Mirror corresponds to very large deflection angle, for example, between 0 ° and 180 ° possible.
  • Glow cathode and the opening in the anode electrode forms an angle between 0 ° and 90 °, preferably an angle between 20 ° and 70 °, in particular an angle between 30 ° and 60 °, for example an angle of 45 °. At an angle of 45 ° would result in a deflection angle of 90 °.
  • the deflection electrode is at the same potential as the cathode electrode, in particular connected to the same voltage source as the cathode electrode. By connecting to the same voltage source can be ensured that the electrons are largely completely decelerated by the deflection.
  • the device comprises a further electrode which has a positive potential with respect to the deflection electrode and can accelerate the electrons after the interaction with the deflection electrode.
  • the braked electrodes can be accelerated toward the additional electrode.
  • This additional electrode should therefore be positioned so that the acceleration occurs at the desired deflection angle.
  • the deflection means comprise two opposing electrodes, between which an alternating voltage is applied, through which the electron beam can be deflected so that thereby the beam profile of the electron beam can be designed specifically.
  • AC voltage can have a frequency greater than 10kHz
  • the two opposing electrodes can due to the relatively high frequency of the AC voltage the
  • the alternating voltage can be influenced in a targeted manner in order to make some areas of the surface of the workpiece longer with the
  • the effective beam profile of the electron beam on the workpiece corresponds to an averaged intensity distribution of the electron beam reciprocating at high speed on the workpiece. This is especially because heat processes usually proceed more slowly than the movement of the electron beam on the workpiece. It is therefore possible to selectively select or design an effective beam profile of the electron beam by means of the two electrodes and the drive AC voltage.
  • the device comprises heating means which can heat the at least one deflection electrode. This proves to be particularly useful when with the Electron beam workpieces are processed so that they are partially melted so that they emit particle fumes. These particle fumes can affect the
  • Heating device is the at least one, in particular the
  • Output-side deflection electrode heated in such a way that the deposited on the deflection electrode particles of the workpiece are promptly evaporated again or removed again from the deflection.
  • the heating means for example, a power source
  • Covering means arranged so that particle vapors from the workpiece to be machined not in the range of
  • Glow cathode, the cathode electrode, the anode electrode or the deflection electrode can pass.
  • the device is designed so that it can generate an electron beam, which divided into a single spaced apart strips
  • Devices are designed and arranged so that the strips of the first device relative to the strips of the second device so offset to each other, that in the work area a
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first
  • Fig. 2 is a schematic representation in which the intensity I in a working plane of an electron beam to
  • Fig. 3 is a schematic representation corresponding to Fig. 2, which represents the time averaging of the intensity of the electron beam
  • Fig. 5 is a partial side view of the embodiment according to
  • Fig. 6 is a perspective view of a third
  • Fig. 7 is a perspective view of a fourth
  • FIG. 8 is a side view of the embodiment of FIG .. 7
  • the device 20 shown in Fig. 1 comprises a hot cathode 1, a cathode electrode 2 and an anode electrode 3. With regard to these parts, the device 20 is substantially equivalent to a Pierce type electron gun. It can generate an electron beam 4.
  • the hot cathode 1 is formed as a wire and extends into the plane of the drawing in FIG. 1 or in one
  • Electron beam 4 is arranged.
  • a line-shaped cross section of the electron beam 4 is achieved, wherein the longitudinal direction of the line-shaped cross-section parallel to
  • the hot cathode 1 is acted upon by voltage means, not shown, in such a way that a current flows through the hot cathode 1, which leads to a heating of the hot cathode 1.
  • the hot cathode 1 may at least partially be at the same potential as the cathode electrode 2.
  • the cathode electrode comprises parts 5, which extend away from the hot cathode 1 and an angle between 70 ° and 110 °, For example, include an angle of about 90 ° with each other.
  • the two parts 5 extend into the plane of the drawing of FIG. 1, in particular without changing their cross section.
  • the anode electrode 3 has an opening 6, through which the electron beam 4 emanating from the hot cathode 1 can pass.
  • the opening 6 is in particular rectangular and can in its longitudinal direction, which in the drawing plane of FIG.
  • a voltage generated by a voltage source 7 schematically indicated in FIG. 1 is present between the cathode electrode 2 and the anode electrode 3
  • the voltage may be, for example, between 1 kV and 10 kV.
  • the cathode electrode 2 is connected to the negative pole and the anode electrode 3 to the positive pole of the voltage source 7
  • the anode electrode 3 is additionally connected to ground.
  • the device 20 furthermore comprises a deflection electrode 8 serving as deflection means, which is arranged behind the anode electrode 3 in the beam path of the electron beam 4.
  • the electron beam 4 facing side of the deflection 8 serves as a deflection 9.
  • This deflection surface 9 encloses an angle ⁇ with the direction of propagation of the electron beam 4, which is shown in FIG.
  • Embodiment is approximately equal to 45 °.
  • the angle of incidence ⁇ between the incidence solder and the electron beam is 45 °.
  • the deflection electrode 8 is likewise at a negative potential, in particular at the same negative potential as the cathode electrode 2. It is preferably connected to the negative pole of the same voltage source 7 as the cathode electrode 2
  • Electron beam at the deflection electrode 8 come to a standstill.
  • the device 20 further comprises in the propagation direction of the electron beam 4 behind the deflection electrode 8 another
  • Electrode 10 having an opening 11 for the passage of the
  • the further electrode 10 is connected to ground and therefore has a positive potential with respect to the deflection electrode 8. Therefore, the electrons of the electron beam 4 braked at the deflecting electrode are accelerated by the further electrode 10 toward the further electrode 10 and pass through the opening 11.
  • Deflection electrode 8 also aligned at an angle of 45 °. Overall, so that the further electrode 10 perpendicular to
  • the electron beam 4 is thus deflected at the deflection surface 9 by an angle of 90 °.
  • the deflection electrode 8 acts together with the further electrode 10 like a mirror for the electron beam 4, as in a Reflection on a mirror of the angle of incidence ⁇ is equal to the angle of divergence ⁇ .
  • the deflection surface 9 of the deflection electrode 8 may be oriented at angles other than the imaged 45 ° angle to the electron beam 4. Then, accordingly, the further electrode 10 must be aligned and positioned differently, so that the angle of incidence ⁇ corresponds to the angle of reflection ⁇ .
  • Direction of deflection can be selected.
  • stepper motors or piezoelectric elements can be used for this purpose.
  • the further electrode 10 would then have to be pivoted and moved.
  • the deflection surface 9 of the deflection electrode 8 is curved, in particular concavely curved, in order to focus the electron beam 4.
  • a further deflection electrode 12 is arranged behind the further electrode 10 by way of example, behind which an additional further electrode 13 having an opening 14 is provided.
  • the electron beam 4 is deflected once again by 90 °.
  • the further deflection electrode 12 and the additional additional electrode 13 can also be omitted.
  • more than two deflection units may also consist of one deflection electrode and another
  • Electrode be provided.
  • the anode electrode 3 and / or the deflection electrode 8, 12 and / or the further electrode 10, 13 have a corresponding structuring in the longitudinal direction of the forming the hot cathode 1 wire.
  • two electrodes 15, 16 acting as a plate capacitor are provided behind the two additional electrodes 12, 13, to which an alternating voltage is applied.
  • the alternating voltage may for example have a frequency greater than 10 kHz, preferably between 25 kHz and 75 kHz, in particular between 40 kHz and 60 kHz, for example a frequency of 50 kHz.
  • the two additional electrodes 12, 13 can also be omitted. They merely serve to shape the beam profile of the electron beam 4, as will be explained in more detail below.
  • the two acting as a plate capacitor electrodes 15, 16 can because of the relatively high frequency of the AC voltage, the electron beam 4 at high speed on a workpiece to be machined (not shown) back and forth.
  • the AC voltage can be influenced in a targeted manner in order to apply some time to the electron beam 4 to some areas of the surface of the workpiece than to other areas.
  • FIG. 2 shows by way of example a narrow electron beam which is moved in a position coordinate X on a workpiece which
  • Fig. 2 corresponds to the direction perpendicular to the longitudinal extent of the cross section of the electron beam line. It is in Fig. 2 applied to the top of the intensity of the electron beam 4.
  • FIG. 3 shows a schematic representation corresponding to FIG. 2, which reproduces the time-averaging of the intensity of the electron beam.
  • FIG. 3 shows a schematic representation corresponding to FIG. 2, which reproduces the time-averaging of the intensity of the electron beam.
  • Electron beam transmitted thermal energy caused corresponds to the exemplary averaged in Fig. 3 illustrated
  • Electron beam 4 on the workpiece This is particularly because heat processes usually proceed more slowly than the movement of the electron beam 4 on the workpiece.
  • Fig. 3 shows only an arbitrary example. Other beam profile shapes are possible.
  • the wire serving as the hot cathode 1 and / or the cathode electrode 2 and / or the anode electrode 3 and / or the deflection electrodes 8, 12 and / or the further electrode 10, 13 in FIG the longitudinal direction of the wire forming the hot cathode 1 is or are divided into segments.
  • a modular construction of the device can be made possible.
  • the embodiment of a device 21 depicted in FIGS. 4 and 5 differs from the first embodiment in that the second deflection electrode 12 is oriented so that the electron beam 4 is reflected from the xy plane upwards in the z direction out of the device.
  • the electron beam 4 is indicated here only schematically by a circle, but in particular should have a line-shaped cross section. The line extends before the reflection at the second
  • the only schematically indicated second deflection electrode 12 may be more extensive in the x-direction than in the y-direction. Furthermore, the second deflection electrode 12 may be a curved, in particular concavely curved electrode.
  • the first deflecting electrode 8, which is shown only schematically, may also be more extensive in the z direction than in the x direction because of the linear cross section of the electron beam 4. Furthermore, the first deflecting electrode 8 may also be a curved, in particular concavely curved electrode.
  • heating means continue to be used
  • the device 21 has a power source, not shown, which is connected to the second deflection electrode 12 in such a way that a current flows through the second deflection electrode 12.
  • This current should be sufficiently large to heat the second deflection electrode 12 to a sufficiently high temperature to prevent any build-up of particulate matter
  • Device 22 can produce an electron beam 4 with a linear cross-section.
  • Fig. 6 is a part of a Housing 18 shown, from which plate-shaped cover means 19 extend to the second deflection electrode 12.
  • plate-shaped covering means 19 prevent particle vapors from the workpiece to be machined in the region of the hot cathode 1, the cathode electrode 2, the anode electrode 3 or the
  • heating means for the second deflection electrode 12 are provided. Also in this third embodiment, the second deflection electrode 12 can be heated to a sufficiently high temperature to evaporate any deposits of particles of the workpiece to be machined.
  • FIG. 7 and Fig. 8 fourth embodiment of a device according to the invention substantially corresponds to the arrangement of two devices 22, 22 'in FIG.
  • the devices 22, 22 ' are designed so that in
  • Electron beams 4, 4 'each spaced-apart strips 23, 23' are arranged.
  • the intermediate space 24, 24 'between the strips 23, 23' is in each case as large as a strip 23, 23 '.
  • the strips 23 of the first device 22 relative to the strips 23 'of the second device 22' are offset from one another such that on the workpiece 25 results in a continuous line, in each case a strip 23 of the first device 22 alternates with a strip 23 'of the second device 22'.

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Abstract

Vorrichtung (20) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (4), umfassend eine Glühkathode (1), eine Kathodenelektrode (2), eine Anodenelektrode (3) mit einer Öffnung (6), durch die ein von der Vorrichtung erzeugter Elektronenstrahl (4) hindurchtreten kann, wobei im Betrieb der Vorrichtung (20) zwischen der Kathodenelektrode (2) und der Anodenelektrode (3) eine Spannung zur Beschleunigung der aus der Glühkathode (1) austretenden Elektronen anliegt, sowie Ablenkmittel, die den durch die Öffnung der Anodenelektrode (3) hindurch getretenen Elektronenstrahl (4) ablenken können, wobei die Ablenkmittel eine mindestens Ablenkelektrode (8, 12) umfassen, an der der Elektronenstrahl (4) reflektiert werden kann und/oder die eine zu der Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls (4) geneigte Ablenkfläche (9) aufweist.

Description

„Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zweier derartiger Vorrichtungen.
Derartige Vorrichtungen sind hinlänglich bekannt und können
beispielsweise als Pierce-Elektronenkanone ausgebildet sein. Als Ablenkmittel dienen in der Regel zwei in Querrichtung des Strahls einander gegenüberliegende Elektroden, die eine elektrostatische Ablenkung des Elektronenstrahls bewirken können. Als nachteilig hierbei erweist es sich, dass die maximal erreichbaren Ablenkwinkel bei einer derartigen elektrostatischen Ablenkung im Bereich von etwa 7° liegen. Größere Ablenkwinkel wären wünschenswert, weil dadurch der Aufbau einer entsprechenden Vorrichtung verkleinert werden kann.
Weiterhin ist es wünschenswert, das Strahlprofil des
Elektronenstrahls mit einfachen Mitteln formen zu können.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die größere Ablenkwinkel ermöglicht und/oder bei der das Strahlprofil des
Elektronenstrahls mit einfachen Mitteln geformt werden kann und/oder die wartungsarmer arbeitet und/oder mit der eine längere
beziehungsweise intensivere Linie erzeugt werden kann.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder des Anspruchs 12 und/oder des Anspruchs 14 und/oder des Anspruchs 17 und/oder des Anspruchs 18 erreicht. Die
Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung. Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Ablenkmittel eine
Ablenkelektrode umfassen, an der der Elektronenstrahl reflektiert werden kann und/oder die eine zu der Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls geneigte Ablenkfläche aufweist. Aufgrund der Reflexion an der Ablenkelektrode, die einer Reflexion an einem
Spiegel entspricht, sind sehr große Ablenkwinkel, beispielsweise zwischen 0° und 180° möglich.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Normale auf der Ablenkfläche der Ablenkelektrode mit der Verbindungslinie zwischen der
Glühkathode und der Öffnung in der Anodenelektrode einen Winkel zwischen 0° und 90 ° einschließt, vorzugsweise einen Winkel zwischen 20° und 70°, insbesondere einen Winkel zwischen 30° und 60°, beispielsweise einen Winkel von 45°. Bei einem Winkel von 45° ergäbe sich ein Ablenkwinkel von 90°.
Vorzugsweise ist die Ablenkelektrode auf dem gleichen Potential wie die Kathodenelektrode, insbesondere an die gleiche Spannungsquelle wie die Kathodenelektrode angeschlossen ist. Durch das Anschließen an die gleiche Spannungsquelle kann gewährleistet werden, dass die Elektronen von der Ablenkelektrode weitestgehend vollständig abgebremst werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine weitere Elektrode umfasst, die gegenüber der Ablenkelektrode ein positives Potenzial aufweist und die Elektronen nach der Wechselwirkung mit der Ablenkelektrode beschleunigen kann. Auf diese Weise können die abgebremsten Elektroden in Richtung auf die zusätzliche Elektrode beschleunigt werden. Diese zusätzliche Elektrode sollte daher so positioniert werden, dass die Beschleunigung unter dem gewünschten Ablenkwinkel erfolgt. Gemäß Anspruch 12 ist vorgesehen, dass die Ablenkmittel zwei einander gegenüberliegende Elektroden umfassen, zwischen denen eine Wechselspannung angelegt wird, durch die der Elektronenstrahl derart abgelenkt werden kann, dass dadurch das Strahlprofil des Elektronenstrahls gezielt gestaltet werden kann. Die
Wechselspannung kann eine Frequenz größer als 10kHz,
vorzugsweise zwischen 25 kHz und 75 kHz, insbesondere zwischen 40 kHz und 60 kHz, beispielsweise eine Frequenz von 50 kHz aufweisen.
Die zwei einander gegenüberliegende Elektroden können aufgrund der vergleichsweise hohen Frequenz der Wechselspannung den
Elektronenstrahl mit großer Geschwindigkeit auf einem zu
bearbeitenden Werkstück hin und her bewegen. Insbesondere kann dabei die Wechselspannung gezielt beeinflusst werden, um einige Bereiche der Oberfläche des Werkstücks länger mit dem
Elektronenstrahl zu beaufschlagen als andere Bereiche. Insbesondere wenn an dem Werkstück durch den Elektronenstrahl Veränderungen bewirkt werden sollen, die durch die von dem Elektronenstrahl übertragene Wärmeenergie verursacht werden, entspricht das wirksame Strahlprofil des Elektronenstrahls auf dem Werkstück einer gemittelten Intensitätsverteilung des mit großer Geschwindigkeit auf dem Werkstück hin und her bewegten Elektronenstrahls. Dies insbesondere deshalb, weil Wärmeprozesse in der Regel langsamer als die Bewegung des Elektronenstrahls auf dem Werkstück ablaufen. Es besteht also die Möglichkeit, mittels der beiden Elektroden und der Ansteuerwechselspannung gezielt ein wirksames Strahlprofil des Elektronenstrahls auszuwählen oder zu gestalten.
Gemäß Anspruch 14 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung Heizmittel umfasst, die die mindestens eine Ablenkelektrode erwärmen können. Dies erweist sich insbesondere dann als sinnvoll, wenn mit dem Elektronenstrahl Werkstücke derart bearbeitet werden, dass diese teilweise aufgeschmolzen werden, so dass sie Partikeldämpfe aussenden. Diese Partikeldämpfe können sich auf den
Ablenkelektroden, insbesondere auf der ausgangsseitigen
Ablenkelektrode der Vorrichtung niederschlagen. Durch die
Heizvorrichtung wird die mindestens eine, insbesondere die
ausgangsseitige Ablenkelektrode derart erwärmt, dass die auf der Ablenkelektrode abgelagerten Partikel des Werkstücks zeitnah wieder verdampft beziehungsweise wieder von der Ablenkelektrode entfernt werden.
Dabei können die Heizmittel beispielsweise eine Stromquelle
umfassen, die zur Aufheizung Strom durch die mindestens eine
Ablenkelektrode fließen lassen kann. Es besteht aber auch die
Möglichkeit, andere Heizmittel, wie beispielsweise eine benachbart zu der mindestens einen Ablenkelektrode angeordnete
Strahlungsheizung vorzusehen.
Gemäß Anspruch 17 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung
Abdeckmittel umfasst, die so angeordnet sind, dass Partikeldämpfe von dem zu bearbeitenden Werkstück nicht in den Bereich der
Glühkathode, der Kathodenelektrode, der Anodenelektrode oder der Ablenkelektrode gelangen können.
Gemäß Anspruch 18 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung so gestaltet ist, dass sie einen Elektronenstrahl erzeugen kann, der einen in einzelnen voneinander beabstandete Streifen unterteilten
linienförmigen Querschnitt aufweist. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn aus zwei derartigen Vorrichtungen eine Anordnung gemäß Anspruch 19 erstellt wird, bei der die
Vorrichtungen so gestaltet und angeordnet sind, dass die Streifen der ersten Vorrichtung gegenüber den Streifen der zweiten Vorrichtung so versetzt zueinander sind, dass sich im Arbeitsbereich eine
ununterbrochene Linie ergibt, in der jeweils ein Streifen der ersten Vorrichtung mit einem Streifen der zweiten Vorrichtung abwechselt. Auf diese Weise lassen sich längere beziehungsweise intensivere Linien erzeugen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung, bei der die Intensität I in einer Arbeitsebene eines Elektronenstrahls zu
verschiedenen Zeitintervallen ti bis tN gegen
Ortskoordinate X aufgetragen ist;
Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende schematische Darstellung, die die zeitliche Mittelung der Intensität des Elektronenstrahls wiedergibt
Fig.4 eine schematische Teildraufsicht auf ein zweites
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 5 eine Teilseitenansicht des Ausführungsbeispiels gemäß
Fig.4
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines dritten
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines vierten
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
Fig. 8 eine Seitenansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 7. ln den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile oder
Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. In den Fig.4 und 5 ist jeweils ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet.
Bei der beschriebenen Vorrichtung können einige oder insbesondere sämtliche Teile in einem Vakuum angeordnet sein. Das dazu
erforderliche Gehäuse ist in den Figuren nicht oder nicht vollständig abgebildet.
Die in Fig. 1 abgebildete Vorrichtung 20 umfasst eine Glühkathode 1, eine Kathodenelektrode 2 und eine Anodenelektrode 3. Hinsichtlich dieser Teile entspricht die Vorrichtung 20 im Wesentlichen einer Elektronenkanone vom Pierce-Typ. Sie kann einen Elektronenstrahl 4 erzeugen.
Die Glühkathode 1 ist als Draht ausgebildet und erstreckt sich in die Zeichenebene der Fig. 1 hinein beziehungsweise in einer
Längsrichtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des
Elektronenstrahls 4 angeordnet ist. Durch diese Gestaltung wird ein linienförmiger Querschnitt des Elektronenstrahls 4 erzielt, wobei die Längsrichtung des linienförmigen Querschnitts parallel zur
Längsrichtung des die Glühkathode 1 bildenden Drahtes ausgerichtet ist.
Die Glühkathode 1 wird von nicht abgebildeten Spannungsmitteln derart mit einer Spannung beaufschlagt, dass ein Strom durch die Glühkathode 1 fließt, der zu einer Erwärmung der Glühkathode 1 führt. Dabei kann die Glühkathode 1 zumindest teilweise auf dem gleichen Potential wie die Kathodenelektrode 2 liegen.
Die Kathodenelektrode umfasst Teile 5, die sich von der Glühkathode 1 weg erstrecken und einen Winkel zwischen 70° und 110°, beispielsweise einen Winkel von etwa 90° miteinander einschließen. Die beiden Teile 5 erstrecken sich in die Zeichenebene der Fig. 1 hinein, insbesondere ohne Veränderung ihres Querschnitts.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Kathodenelektrode 2 beziehungsweise die Teile 5 der Kathodenelektrode 2 in der
Längsrichtung des die Glühkathode 1 bildenden Drahtes eine
Strukturierung aufweisen, die eine Modulation des Elektronenstrahls 4 in Längsrichtung des linienförmigen Querschnitts bewirken kann.
Die Anodenelektrode 3 weist eine Öffnung 6 auf, durch die der von der Glühkathode 1 ausgehende Elektronenstrahl 4 hindurchtreten kann. Die Öffnung 6 ist insbesondere rechteckig und kann in ihrer Längsrichtung, die sich in die Zeichenebene der Fig. 1 hinein
erstreckt, eine wesentlich größere Abmessung aufweisen als in ihrer Querrichtung, um den linienförmigen Elektronenstrahl passieren zu lassen.
Im Betrieb der Vorrichtung 20 liegt zwischen der Kathodenelektrode 2 und der Anodenelektrode 3 eine von einer in Fig. 1 schematisch angedeuteten Spannungsquelle 7 erzeugte Spannung zur
Beschleunigung der aus der Glühkathode 1 austretenden Elektronen an. Die Spannung kann beispielsweise zwischen 1 kV und 10 kV betragen. Dabei ist die Kathodenelektrode 2 mit dem Minuspol und die Anodenelektrode 3 mit dem Pluspol der Spannungsquelle 7
verbunden, wobei insbesondere die Anodenelektrode 3 zusätzlich mit Masse verbunden ist.
Die Vorrichtung 20 umfasst weiterhin eine als Ablenkmittel dienende Ablenkelektrode 8, die im Strahlengang des Elektronenstrahls 4 hinter der Anodenelektrode 3 angeordnet ist. Die dem Elektronenstrahl 4 zugewandte Seite der Ablenkelektrode 8 dient dabei als Ablenkfläche 9. Diese Ablenkfläche 9 schließt mit der Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 4 einen Winkel ß ein, der im abgebildeten
Ausführungsbeispiel etwa gleich 45° ist. Dadurch beträgt auch der Einfallswinkel γ zwischen dem Einfallslot und dem Elektronenstrahl 45°.
Die Ablenkelektrode 8 befindet sich ebenfalls auf einem negativen Potenzial, insbesondere auf dem gleichen negativen Potenzial wie die Kathodenelektrode 2. Vorzugsweise ist sie mit dem negativen Pol der gleichen Spannungsquelle 7 verbunden wie die Kathodenelektrode 2. Dadurch kann erreicht werden, dass die Elektronen des
Elektronenstrahls an der Ablenkelektrode 8 zum Stillstand gelangen.
Die Vorrichtung 20 umfasst weiterhin in Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls 4 hinter der Ablenkelektrode 8 eine weitere
Elektrode 10, die eine Öffnung 11 für den Hindurchtritt des
Elektronenstrahls 4 aufweist, die der Öffnung 6 entspricht. Die weitere Elektrode 10 ist mit Masse verbunden und weist daher gegenüber der Ablenkelektrode 8 ein positives Potenzial auf. Daher werden die an der Ablenkelektrode abgebremsten Elektronen des Elektronenstrahls 4 von der weiteren Elektrode 10 in Richtung auf die weitere Elektrode 10 beschleunigt und treten durch die Öffnung 11 hindurch.
Aufgrund der Ausrichtung der Ablenkfläche 9 der Ablenkelektrode 8 unter einem Winkel von 45° ist die weitere Elektrode 10 zu der
Ablenkelektrode 8 ebenfalls unter einem Winkel von 45° ausgerichtet. Insgesamt ist damit die weitere Elektrode 10 senkrecht zur
Anodenelektrode 3 ausgerichtet. Der Elektronenstrahl 4 wird somit an der Ablenkfläche 9 um einen Winkel von 90° abgelenkt. Insbesondere wirkt die Ablenkelektrode 8 zusammen mit der weiteren Elektrode 10 wie ein Spiegel für den Elektronenstrahl 4, wobei wie bei einer Reflexion an einem Spiegel der Einfallswinkel γ gleich dem Ausfallswinkel δ ist.
Die Ablenkfläche 9 der Ablenkelektrode 8 kann unter anderen Winkeln als dem abgebildeten 45°-Winkel zum Elektronenstrahl 4 ausgerichtet sein. Dann muss entsprechend die weitere Elektrode 10 anders ausgerichtet und positioniert werden, so dass der Einfallswinkel γ dem Ausfallswinkel δ entspricht.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Ablenkelektrode 8 schwenkbar zu gestalten, so dass während des Betriebs eine andere
Ablenkrichtung gewählt werden kann. Beispielsweise können dazu Schrittmotoren oder Piezoelemente verwendet werden. Entsprechend zur Verschwenkung der Ablenkelektrode 8 müsste dann auch die weitere Elektrode 10 verschwenkt und verschoben werden.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Ablenkfläche 9 der Ablenkelektrode 8 gekrümmt, insbesondere konkav gekrümmt ist, um den Elektronenstrahl 4 zu fokussieren.
In Fig. 1 ist hinter der weiteren Elektrode 10 beispielhaft eine weitere Ablenkelektrode 12 angeordnet, hinter der eine zusätzliche weitere Elektrode 13 mit einer Öffnung 14 vorgesehen ist. Durch die weitere Ablenkelektrode 12 und die zusätzliche weitere Elektrode 13 wird der Elektronenstrahl 4 noch einmal um 90 ° abgelenkt. Auf die weitere Ablenkelektrode 12 und die zusätzliche weitere Elektrode 13 kann auch verzichtet werden. Andererseits können auch mehr als zwei Ablenkeinheiten aus einer Ablenkelektrode und einer weiteren
Elektrode vorgesehen werden.
Wenn die Kathodenelektrode 2 beziehungsweise die Teile 5 der Kathodenelektrode 2 in der Längsrichtung des die Glühkathode 1 bildenden Drahtes eine Strukturierung aufweisen, um eine Modulation des Elektronenstrahls 4 in Längsrichtung des linienförmigen
Querschnitts zu bewirken, kann vorgesehen werden, dass dann auch die Anodenelektrode 3 und/oder die Ablenkelektrode 8, 12 und/oder die weitere Elektrode 10, 13 eine entsprechende Strukturierung in der Längsrichtung des die Glühkathode 1 bildenden Drahtes aufweisen.
Optional sind hinter den beiden zusätzlichen Elektroden 12, 13 zwei als Plattenkondensator wirkende Elektroden 15, 16 vorgesehen, an die eine Wechselspannung angelegt ist. Die entsprechende
Spannungsquelle ist nicht abgebildet. Die Wechselspannung kann beispielsweise eine Frequenz größer als 10kHz, vorzugsweise zwischen 25 kHz und 75 kHz, insbesondere zwischen 40 kHz und 60 kHz, beispielsweise eine Frequenz von 50 kHz aufweisen. Die beiden zusätzlichen Elektroden 12, 13 können auch weggelassen werden. Sie dienen lediglich der Formung des Strahlprofils des Elektronenstrahls 4 wie im Nachfolgenden noch näher erläutert wird. Wenn eine
Strahlformung nicht gewünscht ist, können die beiden zusätzlichen Elektroden 12, 13 entfallen.
Die zwei als Plattenkondensator wirkenden Elektroden 15, 16 können aufgrund der vergleichsweise hohen Frequenz der Wechselspannung den Elektronenstrahl 4 mit großer Geschwindigkeit auf einem zu bearbeitenden Werkstück (nicht abgebildet) hin und her bewegen. Insbesondere kann dabei die Wechselspannung gezielt beeinflusst werden, um einige Bereiche der Oberfläche des Werkstücks länger mit dem Elektronenstrahl 4 zu beaufschlagen als andere Bereiche.
Fig. 2 zeigt beispielhaft einen schmalen Elektronenstrahl, der in einer Ortskoordinate X auf einem Werkstück bewegt wird, die
beispielsweise der Richtung senkrecht zur Längserstreckung des Querschnitts der Elektronenstrahllinie entspricht. Dabei ist in Fig. 2 nach oben die Intensität des Elektronenstrahls 4 aufgetragen.
Insbesondere sind den einzelnen Intensitätsverteilungen Zeitintervalle ti bis tN zugeordnet, in denen der Elektronenstrahl 4 auf den Bereich mit der entsprechenden Ortskoordinate X auftrifft.
Fig. 3 zeigt eine Fig. 2 entsprechende schematische Darstellung, die die zeitliche Mittelung der Intensität des Elektronenstrahls wiedergibt. Insbesondere wenn an dem Werkstück durch den Elektronenstrahl 4 Veränderungen bewirkt werden sollen, die durch die von dem
Elektronenstrahl übertragene Wärmeenergie verursacht werden, entspricht die in Fig. 3 abgebildete beispielhafte gemittelte
Intensitätsverteilung 17 dem wirksamen Strahlprofil des
Elektronenstrahls 4 auf dem Werkstück. Dies insbesondere deshalb, weil Wärmeprozesse in der Regel langsamer als die Bewegung des Elektronenstrahls 4 auf dem Werkstück ablaufen.
Es besteht also die Möglichkeit, mittels der beiden als
Plattenkondensator wirkenden Elektroden 15, 16 und der
Ansteuerwechselspannung gezielt ein wirksames Strahlprofil des Elektronenstrahls 4 auszuwählen oder zu gestalten. Fig. 3 zeigt nur ein beliebiges Beispiel. Andere Strahlprofilformen sind möglich.
Wenn eine sehr lange Elektronenstrahllinie erzeugt werden soll, kann vorgesehen sein, dass der als Glühkathode 1 dienende Draht und/oder die Kathodenelektrode 2 und/oder die Anodenelektrode 3 und/oder die Ablenkelektroden 8, 12 und/oder die weitere Elektrode 10, 13 in der Längsrichtung des die Glühkathode 1 bildenden Drahtes in Segmente unterteilt ist oder sind. Dadurch kann ein modularer Aufbau der Vorrichtung ermöglicht werden.
Die in den Fig.4 und Fig. 5 abgebildeten Ausführungsform einer Vorrichtung 21 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die zweite Ablenkelektrode 12 so ausgerichtet ist, dass der Elektronenstrahl 4 aus der x-y-Ebene nach oben in z-Richtung aus der Vorrichtung heraus reflektiert wird. Der Elektronenstrahl 4 ist hier lediglich schematisch durch einen Kreis angedeutet, soll aber insbesondere einen linienförmigen Querschnitt aufweisen. Dabei erstreckt sich die Linie vor der Reflexion an der zweiten
Ablenkelektrode 12 in z-Richtung und nach der Reflexion an der zweiten Ablenkelektrode 12 in x-Richtung.
Die nur schematisch angedeutete zweite Ablenkelektrode 12 kann dabei in x-Richtung ausgedehnter sein als in y-Richtung. Weiterhin kann es sich bei der zweite Ablenkelektrode 12 um eine gekrümmte, insbesondere konkav gekrümmte Elektrode handeln. Auch die nur schematisch dargestellte erste Ablenkelektrode 8 kann wegen des linienförmigen Querschnitts des Elektronenstrahls 4 in z-Richtung ausgedehnter sein als in x-Richtung. Weiterhin kann es sich auch bei der ersten Ablenkelektrode 8 um eine gekrümmte, insbesondere konkav gekrümmte Elektrode handeln.
Bei der in den Fig.4 und Fig. 5 abgebildeten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 21 sind weiterhin Heizmittel
vorgesehen. Dazu weist die Vorrichtung 21 eine nicht abgebildete Stromquelle auf, die derart mit der zweiten Ablenkelektrode 12 verbunden ist, dass durch die zweite Ablenkelektrode 12 ein Strom fließt. Dieser Strom sollte ausreichend groß sein, um die zweite Ablenkelektrode 12 auf eine ausreichend hohe Temperatur zu erwärmen, um eventuelle Ablagerungen von Partikeln des zu
bearbeitenden Werkstücks abzudampfen.
Die in Fig. 6 abgebildete dritte Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung 22 kann einen Elektronenstrahl 4 mit einem linienförmigen Querschnitt erzeugen. In Fig. 6 ist ein Teil eines Gehäuses 18 abgebildet, von dem sich plattenförmige Abdeckmittel 19 bis zur zweiten Ablenkelektrode 12 erstrecken. Diese
plattenförmigen Abdeckmittel 19 verhindern, dass Partikeldämpfe von dem zu bearbeitenden Werkstück in den Bereich der Glühkathode 1, der Kathodenelektrode 2, der Anodenelektrode 3 oder der
Ablenkelektrode 8 gelangen.
Gleichzeitig kann wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
vorgesehen sein, dass Heizmittel für die zweite Ablenkelektrode 12 vorgesehen sind. Auch bei dieser dritten Ausführungsform kann die zweite Ablenkelektrode 12 auf eine ausreichend hohe Temperatur erwärmt werden, um eventuelle Ablagerungen von Partikeln des zu bearbeitenden Werkstücks abzudampfen.
Die in Fig. 7 und Fig. 8 abgebildete vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entspricht im Wesentlichen der Anordnung zweier Vorrichtungen 22, 22' gemäß Fig. 6. Diese
Vorrichtungen 22, 22' sind so angeordnet, dass sich deren
Elektronenstrahlen 4, 4' auf dem zu bearbeitenden Werkstück 25 überlappen. Dies zeigt Fig. 8 im Detail, der sich entnehmen lässt, dass beide Vorrichtungen 22, 22' Elektronenstrahlen 4, 4' mit linienförmigen beziehungsweise streifenförmigen Querschnitten erzeugen.
Dabei sind die Vorrichtungen 22, 22' so gestaltet, dass in
Linienlängsrichtung des linienförmigen Querschnitts der
Elektronenstrahlen 4, 4' jeweils zueinander beabstandete Streifen 23, 23' angeordnet sind. Der Zwischenraum 24, 24' zwischen den Streifen 23, 23' ist dabei jeweils so groß wie ein Streifen 23, 23'. Weiterhin sind die Streifen 23 der ersten Vorrichtung 22 gegenüber den Streifen 23' der zweiten Vorrichtung 22' so versetzt zueinander, dass sich auf dem Werkstück 25 eine ununterbrochene Linie ergibt, in der jeweils ein Streifen 23 der ersten Vorrichtung 22 mit einem Streifen 23' der zweiten Vorrichtung 22' abwechselt.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') zur Erzeugung eines
Elektronenstrahls (4, 4'), umfassend eine Glühkathode (1 ), eine Kathodenelektrode (2), eine Anodenelektrode (3) mit einer Öffnung (6), durch die ein von der Vorrichtung (20, 21, 22, 22') erzeugter Elektronenstrahl (4, 4') hindurchtreten kann, wobei im
Betrieb der Vorrichtung zwischen der Kathodenelektrode (2) und der Anodenelektrode (3) eine Spannung zur
Beschleunigung der aus der Glühkathode (1) austretenden Elektronen anliegt,
Ablenkmittel, die den durch die Öffnung der
Anodenelektrode (3) hindurch getretenen Elektronenstrahl (4, 4') ablenken können, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel mindestens eine Ablenkelektrode (8, 12) umfassen, an der der Elektronenstrahl (4, 4') reflektiert werden kann und/oder die eine zu der
Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls (4, 4') geneigte Ablenkfläche (9) aufweist.
2. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Normale auf der Ablenkfläche (9) der mindestens einen Ablenkelektrode (8, 12) mit der
Verbindungslinie zwischen der Glühkathode (1) und der Öffnung (6) in der mindestens einen Anodenelektrode (3) einen Winkel (ß) zwischen 0° und 90 ° einschließt, vorzugsweise einen Winkel (ß) zwischen 20° und 70°, insbesondere einen Winkel (ß) zwischen 30° und 60°, beispielsweise einen Winkel (ß) von 45°.
3. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine
Ablenkelektrode (8, 12) auf dem gleichen Potential wie die Kathodenelektrode (2) ist, insbesondere an die gleiche
Spannungsquelle (7) wie die Kathodenelektrode (2)
angeschlossen ist.
4. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20, 21, 22, 22') eine weitere Elektrode (10, 13) umfasst, die gegenüber der mindestens einen Ablenkelektrode (8, 12) ein positives
Potenzial aufweist und die Elektronen nach der Wechselwirkung mit der mindestens einen Ablenkelektrode (8, 12) beschleunigen kann.
5. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkfläche (9) der mindestens einen Ablenkelektrode (8, 12) gekrümmt ist, insbesondere konkav gekrümmt ist.
6. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühkathode (1) als Draht ausgebildet ist und sich in einer Längsrichtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls (4, 4')
angeordnet ist, erstreckt, um einen linienförmigen Querschnitt des Elektronenstrahls (4, 4') zu erzielen, wobei die
Längsrichtung des linienförmigen Querschnitts parallel zur Längsrichtung des die Glühkathode (1) bildenden Drahtes ausgerichtet ist.
7. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der als Glühkathode (1) dienende Draht und/oder die Kathodenelektrode (2) und/oder die
Anodenelektrode (3) und/oder die mindestens eine
Ablenkelektrode (8, 12) und/oder die weitere Elektrode (10, 13) in der Längsrichtung des die Glühkathode (1) bildenden Drahtes in Segmente unterteilt ist oder sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kathodenelektrode (2) und/oder die Anodenelektrode (3) und/oder die mindestens eine
Ablenkelektrode (8, 12) und/oder die weitere Elektrode (10, 13) sich in der Längsrichtung des die Glühkathode (1) bildenden Drahtes ohne Querschnittsveränderung erstrecken.
9. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenelektrode (2) und/oder die Anodenelektrode (3) und/oder die mindestens eine Ablenkelektrode (8, 12) und/oder die weitere Elektrode (10, 13) sich in der Längsrichtung des die Glühkathode (1) bildenden Drahtes mindestens eine Strukturierung aufweisen, die eine Modulation des Elektronenstrahls (4, 4') in Längsrichtung des linienförmigen Querschnitts bewirken kann.
10. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkfläche (9) der mindestens einen Ablenkelektrode (8, 12) bewegbar,
insbesondere verkippbar ist.
11. Vorrichtung (20, 21 , 22, 22') nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau und/oder die Ansteuerung der Glühkathode (1), der Kathodenelektrode (2) und der Anodenelektrode (3) dem Aufbau und/oder der
Ansteuerung einer Pierce-Elektronenkanone entspricht.
12. Vorrichtung (20, 21 , 22, 22') nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel zwei einander
gegenüberliegende Elektroden (15, 16) umfassen, zwischen denen eine Wechselspannung angelegt wird, durch die der Elektronenstrahl (4, 4') derart abgelenkt werden kann, dass dadurch das Strahlprofil des Elektronenstrahls (4) gezielt gestaltet werden kann.
13. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wechselspannung eine Frequenz größer als 10kHz, vorzugsweise zwischen 25 kHz und 75 kHz, insbesondere zwischen 40 kHz und 60 kHz, beispielsweise eine Frequenz von 50 kHz aufweist.
14. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20, 21, 22, 22')
Heizmittel umfasst, die die mindestens eine Ablenkelektrode (8, 12) erwärmen können.
15. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die ausgangsseitige Ablenkelektrode (12) von den Heizmitteln erwärmt werden kann.
16. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel eine
Stromquelle umfassen, die zur Aufheizung Strom durch die mindestens eine Ablenkelektrode (8, 12) fließen lassen kann.
17. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20, 21, 22, 22')
Abdeckmittel (19) umfasst, die so angeordnet sind, dass
Partikeldämpfe von dem zu bearbeitenden Werkstück (25) nicht in den Bereich der Glühkathode (1), der Kathodenelektrode (2), der Anodenelektrode (3) oder der Ablenkelektrode (8) gelangen können.
18. Vorrichtung (20, 21, 22, 22') nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20, 21, 22, 22') so gestaltet ist, dass sie einen Elektronenstrahl (4, 4') erzeugen kann, der einen in einzelnen voneinander beabstandete Streifen (23, 23') unterteilten linienförmigen Querschnitt aufweist.
19. Anordnung zweier Vorrichtungen (20, 21, 22, 22') nach
Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen (20, 21, 22, 22') so gestaltet und angeordnet sind, dass die Streifen (23) der ersten Vorrichtung (22) gegenüber den
Streifen (23') der zweiten Vorrichtung (22') so versetzt
zueinander sind, dass sich im Arbeitsbereich eine
ununterbrochene Linie ergibt, in der jeweils ein Streifen (23) der ersten Vorrichtung (22) mit einem Streifen (23') der zweiten Vorrichtung (22') abwechselt.
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