DE1615448C - Vorrichtung zur Bearbeitung von Materia hen mittels eines Elektronenstrahls - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gierenden oder parallelverlaufenden Elektronenstrahl

zur Bearbeitung von Materialien mittels eines Elek- zu erzeugen; die Raumladungskonstante ergibt sich

tronenstrahls, mit einem luftdichten Behälter, der aus dem Verhältnis von Strahlgleichstrom zu Strahl-

durch wenigstens eine eine Öffnung zum Durchtritt gleichspannung hoch 3/2.

des· Elektronenstrahls aufweisende Trennwand in 5 Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrich-

eine eine Elektronenabgabequelle aufnehmende, an tung der eingangs genannten Art anzugeben, die es

eine erste Evakuierungspumpe anzuschließende Kam- gestattet, einen Elektronenstrahl mit verhältnismäßig

mer und eine an eine zweite Evakuierungspumpe . großem Querschnitt und daher verhältnismäßig gro-

anzuschließende Bearbeitungskammer unterteilt ist, ßer Leistung auf ein zu .bearbeitendes Material zu

und mit einer ein Magnetfeld erzeugenden Vorrich- io richten, ohne daß die Pumpleistung der Vakuum-

tung zur Direktion des Elektronenstrahls auf die pumpen unwirtschaftlich groß gehalten werden muß.

Öffnung. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung.

Vorrichtungen dieser Art werden bei verschiede- dadurch gekennzeichnet, daß eine ein homogenes nen Materialbearbeitungsverfahren angewandt, wie und paralleles Magnetfeld erzeugende Vorrichtung beim Schmelzen, Glühen, Reinigen, Aufdampfen, 15 vorgesehen ist, daß sich die Elektronenabgabequelle Plattierung usw. Normalerweise enthält eine solche und die Öffnung bzw. die Öffnungen in diesem Vorrichtung Fokussierungseinrichtungen, mit Hilfe Magnetfeld befinden, daß der Querschnitt der Elekderer die von der Elektronenabgabequelle abgege- tronenabgabefläche der Elektronenabgabequelle in benen Elektronen gebündelt auf das jeweilige zu Form und Größe dem Querschnitt der Öffnung bearbeitende Material gerichtet werden. Dieses Ma- 20 — bzw. der Öffnungen — gleicht und daß die Stärke terial befindet sich zusammen mit der Elektronen- des Magnetfeldes, die Geschwindigkeit der ElektrO-abgabequelle in einem geschlossenen, evakuierten nen und der Abstand zwischen der Elektronen-Behälter. Zur Fokussierung der Elektronen zu einem abgabefläche der Elektronenabgabequelle und der Elektronenstrahl lassen sich elektrostatische oder Öffnung — bzw. zwischen den Öffnungen — so bemagnetische Felder anwenden. Die Elektronen des 25 messen sind, daß die Elektronen auf ihrer wendel-Elektronenstrahls treffen auf das zu bearbeitende förmigen Bahn zwischen der Elektronenabgabequelle Material auf und erhitzen es. Aus dem erhitzten und der Öffnung — bzw. zwischen den Öffnungen —■ Material treten dabei Gase und Dämpfe verschie- ganze Umläufe machen.

denster Art aus. Diese Gase können im Bereich . Durch das. homogene und parallele Magnetfeld

der Fokussierungsfelder zu Lichtbogenentladungen 30 werden die Elektronen nach Austritt aus der Elek-

führen, wenn sie nicht unmittelbar aus dem Vakuum- tronenabgabefläche der Elektronenabgabequelle auf

behälter abgezogen werden. einer wendeiförmigen Bahn bewegt und erzeugen in

Es ist bekannt, die sich entwickelnden Gase mit der Öffnung bzw. in den Öffnungen virtuelle Ab-

Hilfe von Vakuumpumpen abzusaugen, welche eine bilder der Elektronenabgabefläche. Die Öffnung bzw.

hinreichende Kapazität besitzen, um das meiste aus 35 die Öffnungen werden also optimal ausgenutzt, so

dem erhitzten Material austretende Gas abzuleiten. daß die Vakuumpumpenleistung optimal niedrig ge-

De; artige Pumpen sind teuer und unhandlich. halten werden kann.

Als Elektronenabgabequelle ist es in Fällen, in Gegenüber den bekannten Vorrichtungen mit gro-

denen eine hohe Leistung gefordert wird, bekannt, ßer Elektronenabgabefläche ergibt sich der Vorteil,

sogenannte »PierceÄ-Elektronenschleudern zu ver- 40 daß zwischen der Elektronenabgabefläche und dem

wenden. Eine Pierce-Elektronenschleuder enthält zu bearbeitenden Material mindestens eine Blende

üblicherweise eine Elektronenabgabeoberfläche, die bzw. ein Steg mit einer Öffnung anzuordnen ist.

durch eine indirekt oder direkt geheizte Kathode Gegenüber bekannten Vorrichtungen mit magneti-

gebildet sein kann. Der von der Kathode abgegebene scher Fokussierung ergibt sich der Vorteil der großen

Elektronenstrahl wird mit Hilfe einer Fokussierungs- 45 Elektronenabgabefläche und damit der großen Elek-

elektrode und einer Anode derart beeinflußt, daß er tronenstrahlleistung. .

die jeweils gewünschte Form erhält, z. B. eine runde, Die Erfindung wird nachstehend an Hand von

rechteckförmige oder eine andere Form. Die Form Zeichnungen näher erläutert.

des Elektronenstrahls ist durch Öffnungen in der Fig. 1 zeigt schematisch in einer Querschnitts-

Fokussierungselektrode und in der Anode bestimmt. 50 ansieht eine. Ausführungsform der erfindungs-

Die Fokussierungselektrode, die auf dem gleichen gemäßen Elektronenstrahlvorrichtung, an Hand

Potential liegt wie die Kathode, verläuft von der derer die verschiedenen Merkmale der Erfindung

Kathode aus unter einem öffnungswinkel von etwa erläutert werden;

(H¹Ii⁰, bezogen auf die Achse des erwünschten F i g. 2 zeigt schematisch eine vergrößerte Quer-

Elektronenstrahls, nach außen. Die Anode der Elek- 55 schnittsansicht einer Elektronenschleuder, die in der

tronenschleuder ist von der Kathode versetzt ange- in F i g. 1 dargestellten Elektronenstrahlvorrichtung

ordnet; sie verläuft von den Kanten des erwünschten angewendet werden kann;

Elektronenstrahls unter einem vorbestimmten Win- Fig. 3 zeigt schematisch in einer Querschnitts-

kel nach außen. Die Anordnung von Fokussierungs- ansieht eine weitere Ausführungsform einer verschie-

elektrode und Anode ist normalerweise kritisch. 60 dene Merkmale der Erfindung in sich vereinigenden

Liegt die Anode zu dicht an der. Kathode, so ent- Elektronenstrahlvorrichtung.

steht ein divergierender Elektronenstrahl, der nor- Die in Fig. 1 dargestellte Elektronenstrahlvor-

malerweise unbrauchbar ist. Für einen höheren richtung enthält einen luftdicht abgeschlossenen Be-

Elektronenstrahlstrom ist es aber erforderlich, die hälter 10, der durch zwei Trennstege 18 und 20 in

Anode dicht an der Kathode anzuordnen. Dabei hat 65 drei Kammern 12,14,16 eingeteilt ist. In der einen

es sich als schwierig herausgestellt, eine Elektronen- Außenkammer (Elektronenschleuderkammer 12) be-

schleuder mit einer höheren Raumladungskonstante findet sich eine Elektronenabgabequelle oder Elek-

als 0,5'10~⁽ⁱ zu schaffen und dabei einen konver- tronenschleuder22; in der anderen Außenkammer

(Bearbeitungskammer 16) befindet sich ein Zielmaterial 24, das das zu bearbeitende Material darstellt. In jedem der Trennstege 18 und 20 ist eine öffnung 26 bzw. 28 enthalten. Diese Öffnungen sind zur Achse des von der Elektronenschleuder 22 abgegebenen Elektronenstrahls ausgerichtet. Mit Hilfe der "Vorrichtung 30 wird ein homogenes Magnetfeld erzeugt, das parallel zur Achse des Elektronenstrahls verläuft. Dabei bewegen sich die von der Elektronenschleuder 22 abgegebenen Elektronen auf wendeiförmigen Bahnen zu den Öffnungen 26 und 28 hin. Der Abstand zwischen den Trennstegen 18 und 20 und zwischen dem Trennsteg 18 und der Elektronenschleuder 22 ist weitgehend gleich einer ganzen Anzahl von Umläufen der wendeiförmigen Bahnen, auf denen sich die Elektronen bewegen, gewählt. An die Kammern 12, 14 und 16 sind Pumpvorrichtungen 32, 34, 36' angeschlossen, die zur Evakuierung der betreffenden Kammern dienen.

Bewegt sich ein Elektron parallel zu einem homogenen Magnetfeld, so wird es nicht abgelenkt; es bewegt sich daher entlang einer geraden Linie. Wenn das betreffende Elektron sich dagegen in einer rechtwinklig zu dem betreffenden homogenen Magnetfeld verlaufenden Richtung bewegt, so wird es auf eine Kreisbahn abgelenkt. Wenn sich ein Elektron in eine zwischen den beiden gerade betrachteten Richtungen liegende Richtung bewegt, so entspricht seine Bewegungsbahn einer Wendellinie, deren Achse parallel zu dem betreffenden Magnetfeld verläuft. Elektronen, 'die einen Punkt auf einer magnetischen Feldlinie unter dem gleichen Winkel, jedoch in verschiedenen Richtungen verlassen, treten auf der Feldlinie gleichzeitig an einer Stelle auf, die lediglich um den Abstand einer Umdrehung der Wendellinie (Steigung) versetzt ist. Die Steigung der betreffenden Wendellinie hängt vom Kosinus des Winkels der Abweichung der Elektronen von den Feldlinien ab. Bei kleinen Winkeln ändert sich die Steigung nur kaum mit einer Änderung des Winkels. Ist ein Magnetfeld parallel zu einem Elektronenstrahl gerichtet, so bewegen sich sämtliche Elektronen in derselben Richtung; die betreffenden Elektronen treten von der Ausgangsstelle aus in einem jeweils der Steigung der Wendellinie entsprechenden Abstand auf der Elektronenstrahlachse versetzt auf. Auf diese Weise entsteht von der Elektronenabgabeoberfläche nach einem oder mehreren Umläufen oder Steigungen der Wendellinie durch die entlang der Feldlinien bewegten Elektronen ein Abbild. Die Länge einer Umdrehung oder Steigung der Wendellinien ist gleich

.21,2-10-« yV cos β
B

Hierin bedeutet V die Elektronengeschwindigkeit in Volt, B die magnetische Flußdichte in Wb/nV- und Θ der Ablenkwinkel, bezogen auf die FeId-Jinien.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Herstellung von Abbildern der emittierenden Oberfläche dazu ausgenutzt, die Menge an zur Elektronenschleuder hin gelangenden Gasen oder Dämpfen zu vermindern. Die in F i g. 1 dargestellte Elektronenstrahlvorrichtung enthält, wie erwähnt, den luftdicht abgeschlossenen Behälter 10, der eine geeignete Form besitzt, wie eine Rechteckform, Zylinderform usw. Der Behälter 10 ist durch zwei zueinander parallelverlaufende Trennstege 18 und 20 in drei Kammern 12,14, 16 eingeteilt. Die Trennstege können aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, das den im Behälter herrschenden Temperaturen und den vorliegenden Umgebungsbedingungen zu widerstehen imstande ist.

Gemäß Fig. 1 befindet sich im Mittelteil jedes Trennsteges 18 und 20 eine kreisförmige Platte 38

ίο bzw. 40 aus ferromagnetischem Material, wie Stahl. Der übrige Teil der Trennstege besteht aus einem anderen Material, wie aus Kupfer. In der Mitte der Platten 38 und 40 befinden sich zueinander ausgerichtete öffnungen 26 und 28, auf die nachstehend noch näher eingegangen wird. Die jeweils einen Teil der Trennstege bildenden Platten 38 und 40 dienen noch als Polstücke bei der Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes in der Zwischen- oder Durchgangskammer 14, Dieses homogene Magnetfeld verläuft parallel zu der zwischen den Öffnungen 26 und 28 verlaufenden Achse. Zur Erzeugung des betreffenden Magnetfeldes ist eine Vielzahl von Eisenspulen 42 vorgesehen, die zwischen den Außenseiten der Platten 38 und 40 angeordnet sind.

Wie F i g. 1 erkennen läßt, befindet sich die Elek- , tronenabgabequelle oder Elektronenschleuder 22 in der einen Endkammer, die nachstehend auch als Elektronenschleuderkammer 12 bezeichnet wird. In dieser Kammer ist die betreffende Elektronenschleuder derart angeordnet, daß entlang der die Öffnungen 26 und 28 verbindenden Achse ein Elektronenstrahl abgegeben werden kann. Die Elektronenschleuder 22 kann irgendeine geradlinige Elektronenschleuder sein, vorzugsweise jedoch eine solche, die sich für die Abgabe hoher Ausgangsströme eignet, wie eine Pierce-Elektronenschleuder. Die Elektronenschleuder 22 ist in geeignetem Abstand zum Trennsteg 18 angeordnet und befindet sich dabei in der Mittelöffnung eines Polstückes 44, das ähnlich wie die Platten 38 und 40 durch eine Platte aus ferromagnetischem Material gebildet sein kann.

Zwischen der Elektronenschleuder 22 und der Öffnung 26 wird mit Hilfe einer Eisenspule 46Λdie zwischen den Außenseiten der Platten 38 und 44 angeordnet ist, ein homogenes Magnetfeld erzeugt. Durch dieses homogene Feld werden die von der Emissionsoberfläche der Elektronenschleuder 22 abgegebenen Elektronen unmittelbar beeinflußt, und zwar derart, daß sie nach Austritt aus der Emissionsoberfläche sich auf einer wendeiförmigen Bahn bewegen und bei jeder ganzen Zahl an Umdrehungen oder Steigungen der wendeiförmigen Bahn Abbilder der Emissionsfläche erzeugen.

Der Abstand zwischen den Polstücken 38 und 40 und der Abstand zwischen der Emissionsoberfläche der Elektronenschleuder 22 und dem Polstück 38 sind so gewählt, daß ein Abbild der Emissionsoberfläche gerade in jeder der öffnungen 26 und 28 erzeugt wird. Dabei ist der Abstand zwischen den öffnungen 26 und 28 und zwischen der Emissionsoberfläche und der öffnung 26 so gewählt, daß sich in beiden Fällen die gleiche Anzahl an Umdrehungen oder Steigungen der wendeiförmigen' Bahn ergibt.
Wie zuvor erwähnt, wird als Elektronenschleuder 22 vorzugsweise eine Pierce-Elektronenschleuder verwendet. Eine derartige Elektronenschleuder liefert einen hohen Strahlstrom, wodurch die auf das zu bearbeitende Material 24 wirkende Heizleistung

entsprechend hoch ist. Wie in Fig. 2 dargestellt, enthält die Pierce-Elektronenschleuder bei der dargestellten Ausführungsform eine Emissionsoberfläche oder Kathode 48 in Form eines länglichen Zylinders oder Heizfadens aus einem geeigneten Material, wie Wolfram. Durch diesen Heizfaden wird ein entsprechend hoher Strom hindurchgeleitet. In gewissen Anwendungsfällen kann auch eine indirekt geheizte Kathode verwendet werden. Zwei Platten 50 und 5?, die zusammen als Fokussierungselektrode dienen, vorlaufen von der Kathode 58 aus unter einem Öffnungswinkel von jeweils 67¹Za⁰, bezogen auf die Mittellinie des Elektronenstrahls; die beiden Platten 50 und 52 bestehen aus einem temperaturbeständigen Material. Ein geeignetes Material hierfür ist Wolfram oder Tantal. Die Fokussierungselektroden können als eine Platte mit einem darin befindlichen Schlitz zur Aufnahme der Kathode ausgebildet sein. Die Kathode 48 und die beiden Fokus'sierungsplatten 50 und 52 liegen auf hohem negativem Potential, das von einer Spannungsquelle 54 geliefert wird.

Bei der dargestellten Ausführungsform besteht die Anode der Elektronenschleuder aus zwei Metallstäben 56 und 58. die parallel zur Kathode verlaufen und zu beiden Seiten des Elektronenstrahls angeordnet sind. Die Stäbe, die verschiebbar angeordnet sein können, bestehen aus einem hitzebeständigen Material, wie aus Wolfraum, Tantal usw. Die Stäbe 56 und 58 und ebenso die Polstücke 44, 38, 40 und das Zielmaterial 24 sind geerdet. Wie vorstehend erwähnt, erfolgt eine zwangsweise Führung der Elektronen durch das Magnetfeld, sobald sie aus der Kathode austreten; damit ist ein Divergieren der Elektronen verhindert. Dies gestattet die Verwendung von verstellbar angeordneten Stäben als Anoden und die Anwendung eines relativ kleinen Abstandes zwischen der Anode und der Kathode und damit auch einen höheren Strahlstrom. Ohne das Magnetfeld würde eine derartige Konstruktion zum Entstehen eines divergierenden Elektronen-Strahls führen, der normalerweise unbrauchbar wäre. Die magnetische Direktion setzt ferner die Menge der auf die Anode auftreffenden Elektronen herab, wodurch sogar bei hohen Strömen eine andere Anodenkühlung als die durch Abstrahlung bewirkte Kühlung nicht erforderlich ist.

Da ein Abbild der Emissionsoberfläche in den öffnungen 26 und 28 erzeugt wird, besitzen die Öffnungen 26 und 28 die gleiche Form wie die Elektronenabgabeoberfläche. Außerdem sind diese Öffnungen 26 und 28 rechteckförmig ausgebildet, da auch die Kathode von rechteckiger Form ist. Die Kanten der Öffnungen 26 und 28 sind abgeschrägt, um zu verhindern, daß die Elektronen auf die Polstücke 38 und 40 auftreffen. Die Abschrägungen sind jedoch nicht kritisch.

Zufolge des Auftreffens des Elektronenstrahls auf das Zielmaterial 24 wird dieses erhitzt; dadurch entwickeln sich Gase und Dämpfe. Die Trennstege 40 und 38 vermindern dabei in beträchtlichem Umfang die Menge der in die Elektronenschleuderkammer 12 eintretenden Gase und Dämpfe. Die Gase und Dämpfe können nur durch die Öffnungen 26 und 28 in die Elektronenschleuderkammer 12 eintreten. Da die öffnungen 26 und 28 in Form und Größe der Form und Größe der Elcktrcnenabgabefläche entsprechen, tritt nur eine relativ geringe Verlustmenge an Gasen und Dämpfen zwischen den Kammern auf.

Die Eindringmenge an Gasen und Dämpfen durch die Öffnung 26 ist besonders klein, da bei normalem Betriebsdruck in den Kammern 12 und 14 durch die öffnung 26 an Stelle eines normalen viskosen Stromes ein sogenannter Molekularstrom hindurchtritt. Dabei nimmt die Strömungsmenge an Gasen und Dämpfen durch die Austrittsöffnungen beträchtlich ab, sobald ein Druck erreicht ist, bei dem ein Molekularstrom an Stelle eines viskosen Stromes auftritt. Dieser Druck ist so groß, daß die mittlere freie Weglänge der Dampf- oder Gasmoleküle gleich oder geringer isf als der Abstand zwischen den Seiten der Austrittsöffnungen. Der Molekularstrom der Gase durch eine Austrittsöffnung ist etwa 43% geringer als der durch dieselbe Austrittsöffnung hindurchtretende viskose Strom. Durch Verwendung einer Öffnung 26 in Form eines schmalen Rechteckes tritt der Molekularstrom bei höherem Druck auf als bei Verwendung einer kreisförmigen Öffnung gleicher Flächengröße. Dies führt zu einer beträchtlichen Verkleinerung der einen bestimmten Druckunterschied zu beiden Seiten der Öffnung aufrechterhaltenden Vakuumpumpe; anders ausgedrückt heißt dies, daß es hierdurch möglich ist, eine Öffnung mit größerer Querschnittsfläche bei gegebener Pumpengröße zu verwenden.

Das zu bearbeitende Zielmaterial, das ein Metall oder ein Nichtmetall sein kann, ist in geeigneter Weise in der Bearbeitungskammer 16 angeordnet. Der aus der letzten Öffnung 28 austretende Elektronenstrahl wird nicht' mehr durch das Magnetfeld beeinflußt, wodurch er sich zufolge des Ladungsabstoßes aufteilt. Die Stellung des Zielmaterials, bezogen auf die letzte Öffnung 28, hängt von den auf dem Zielmaterial auszuführenden Arbeitsvorgängen und von der Höhe der aufgewandten Leistung ab. Je dichter das Zielmaterial zum Abbildungspunkt des Elektronenstrahls hin verschoben wird, desto stärker wird die Wärmewirkung des Elektronenstrahls sein. Um das Zielmateria] z. B. zu schmelzen, wird der Elektronenstrahl normalerweise über dessen gesamte Oberfläche verteilt, um heiße Brennflecken zu vermeiden. · /

Um die in die Zwischenkammer und in die Elektronenschleuderkammer eindringende Menge an Ionen und Metalldampf herabzusetzen, kann das Zielmaterial derart angeordnet sein, daß es nicht zu den öffnungen 26 und 28 ausgerichtet ist. Der aus der öffnung 28 austretende Elektronenstrahl wird dann durch ein Quermagnetfeld auf das zu bearbeitende Zielmaterial hin abgelenkt; dieses Quermagnetfeld wird von ejner geeigneten Vorrichtung (nicht gezeigt) erzeugt, die hinter der letzten Öffnung 28 angeordnet ist. Durch Elektronenbeschuß des Zielmaterials erzeugte Dämpfe und Ionen prallen daher eher auf den Trennsteg 40 auf, als daß sie durch

die öffnung 28 hindurchtreten.

ν Die Kammern 12,. 14 und 16 werden mit Hilfe geeigneter Pumpen 32, 34, 36 evakuiert. Zur Erzielung größter Stabilität wird die Elektronenschleuderkammer 12 am stärksten evakuiert, d. h. auf ein* Vakuum von mehr als 0,1 Mikron Quecksilbersäule gebracht. Auf Grund des bei der dargestellten Vorrichtung vorhandenen Drucktrennungssystems tritt nur eine sehr geringe Menge an Dampf oder Gas aus der Bearbeitungskammer 16 in die Elektronenschleuderkammer 12 ein. Auf diese Weise kann mit Hilfe einer schnellaufenden Diffusionspumpe der

in geringer Menge auftretende Dampfstrom aus der Elektronenschleuderkammer 12, in der ein Hochvakuum herrscht, beseitigt werden.
• Die Höhe des in der Bearbeitungskammer 16 herrschenden Druckes hängt von dem auf dem Zielmaterial 24 ausführenden Bearbeitungsvorgahg ab. Bei der Ausführung normaler Bearbeitungsvorgänge wird die Bearbeitungskammer vorzugsweise derart schnell evakuiert, daß eine hinreichend schnelle Ableitung von während der Ausführung des betreffen-' den Bearbeitungsvorganges auftretenden Dämpfen und Gasen erfolgt. Dabei kommt man mit einem relativ niedrigen Vakuum in der Bearbeitungskammer 16 aus, da hier die elektrostatischen Hochspannungsfelder nicht vorhanden sind. Daher kann eine Hochdruckpumpe, wie eine mechanische Vakuumpumpe, zur Evakuierung der Bearbeitungskammer 16 verwendet werden.

In der Durchgangskammer 14 herrscht ein Vakuum, das zwischen dem in der Bearbeitungskammer 16 und dem in der Elektronenschleuderkammer 12 herrschenden Vakuum liegt. Der zulässige Druckunterschied zwischen den Kammern hängt von der Menge der sich entwickelnden Gase ab. Für geringe Mengen an Gasen ist ein Druckunterschied bis zu etwa 100: 1 zulässig. In gewissen Anwendungsfällen kann die Durchgangskammer weggelassen werden. Bei großen Mengen an sich entwickelnden Gasen wird der Druckunterschied vorzugsweise nicht größer als 10:1 gewählt. Um über die Trennstege hinweg einen geringeren Druckunterschied zu erzielen, können zusätzliche Durchgangskammern vorgesehen sein.

Bei einer dargestellten Ausführungsform . der Elektronenstrahlvorrichtung besitzt die Emissionsoberfläche eine Breite von etwa 3,2 mm und eine Länge von etwa 22,2 mm. Die Öffnungen in den Trennstegen sind etwa 3,2 mm breit und 25,4 mm lang. Die Polstücke bestehen aus Stahl und sind etwa 203 mm voneinander entfernt angeordnet. Die Magnetfelddichte beträgt 108 Gauß bei 10 kV Elektronen und 130 Gauß bei 15 kV Elektronen. Die Elektronenschleuderkammer wird auf 0,6 Mikron Quecksilbersäule evakuiert, die Zwischenkammer auf 17 Mikron Quecksilbersäule und die Bearbeitungskammer auf 100 Mikron Quecksilbersäule.

Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform, bei der mit in F i g. 1 gezeigten Elementen übereinstimmende Elemente durch entsprechende Bezugszeichen mit einem nachfolgenden Index »α« bezeichnet sind, wird das Magnetfeld durch »Helmholtz«- Spulen 60, 62, 64 erzeugt. Helmholtz-Spulen sind koaxiale Luftspulen, die derart versetzt angeordnet sind, daß der Abstand zwischen den Spulenmitten gleich dem mittleren Durchmesser der Spulen entspricht. Die Trennstege 18 a und 20 a zwischen den Kammern 12 a,· 14 a und 16 a bestehen auch hier aus einem nichtmagnetischen Material, wie aus wassergekühltem Kupfer.

Das Helmholtz-Spulensysterh gemäß F i g. 3 besitzt gegenüber dem in F i g. 1 dargestellten ferromagnetischen System zwei Hauptvorteile. Der erste Hauptvorteil besteht darin, daß die Magnetlinien in den Öffnungen nicht gekrümmt sind, sondern geradlinig parallel verlaufen, und zwar unbeeinflußt vom Vorhandensein einer Austrittsöffnung bzw. von deren Dicke. Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform laufen die Elektronen daher nicht in einen Bereich hinein, in welchem die magnetischen Feldlinien nicht parallel verlaufen, sondern auf einer Seite der Öffnung divergieren und auf der anderen Seite konvergieren. Die nicht parallelverlaufenden Feldlinien können die Elektronen in dem Elektronenstrahl ungleich beeinflussen; dies hängt von der Lage der Elektronen in der Öffnung ab. Der zweite Hauptvorteil besteht darin, daß der induktive Widerstand der Luftspulen wesentlich geringer ist als der

ίο der Eisertkernspulen: Als Folge hiervon kann . die Magnetfelddichte wesentlich höher gewählt werden als durch ein Nachstellsystem. Auf diese Weise können jegliche Änderungen in der Höhe des an der Elektronenschleuderkathode herrschenden Potentials ausgeglichen werden. Somit kann der Elektronenstrahl stets auf die Öffnung dirigiert gehalten werden. , .

Durch die Erfindung ist also eine Elektronenstrahlvorrichtung geschaffen worden, die eine wirksame Anwendung von leistungsstarken Raumladungselektronenschleudern gestattet, welche normalerweise unbrauchbare, divergierende Elektronenstrahlen erzeugen. Ferner können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung relativ billige Pumpen verwendet werden, um in dem System das jeweils geforderte Vakuum aufrechtzuerhalten.

Es sei darauf hingewiesen, daß in Abweichung von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem nur eine Elektronenschleuder ver- wendet wird, auch mehr als eine Elektronenschleuder mit jeweils zugehörigen Öffnungen in den Trenn-

. Stegen vorgesehen sein kann. Ferner kann es, wie vorstehend erwähnt, in gewissen Anwendungsfällen wünschenswert sein, nur einen Trennsteg zu verwenden, d. h. einen Trennsteg, der den Vakuumbehälter in zwei Kammern aufteilt, nämlich in eine Elektronenschleuderkammer und in eine Bearbeitungskammer. Ferner kann es in manchen Fällen wünschenswert sein, mehr als drei Kammern vorzusehen. Verschiedene weitere Änderungen und Modifikationen können in der oben beschriebenen Elektronenstrahlvorrichtung noch vorgenommen werden, ohne daß von der allgemeinen Lehre der Erfindung abgewichen wird.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bearbeitung von Materialien mittels eines Elektronenstrahls, mit einem luftdichten Behälter, der durch wenigstens eine eine Öffnung zum Durchtritt des Elektronenstrahls aufweisende Trennwand in eine eine Elektronenabgabequelle aufnehmende, an eine erste Evakuierungspumpe anzuschließende Kammer und eine an eine zweite Evakuierungspumpe anzuschließende Bearbeitungskammer unterteilt ist, und mit einer ein Magnetfeld erzeugenden Vorrichtung zur Direktion des Elektronenstrahls auf die Öffnung, dadurch gekennzeichnet, daß eine ein homogenes und paralleles Magnetfeld erzeugende Vorrichtung vorgesehen ist, daß sich die Elektronenabgabequelle (22; 22a) und und die Öffnung bzw. die Öffnungen (26, 28; 26 a, 28 a) in diesem Magnetfeld befinden, daß der Querschnitt der Elektronenabgabefiäche der Elektronenabgabequelle (22; 22 a) in Form und Größe dem Querschnitt der Öffnung — bzw. dei Öffnungen (26, 28, 26 a, 28 a) — gleicht und dal?

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die Stärke des Magnetfeldes, die Geschwindigkeit der Elektronen und der Abstand zwischen der Elektronenabgabefläche der Elektronenabgabequelle (22;'22α) und der Öffnung — bzw. zwischen den Öffnungen (26, 28; 26 α, 28 α) — so bemessen sind, daß die Elektronen auf ihrer wendeiförmigen Bahn zwischen der Elektronenabgabequelle (22; 22«) und der Öffnung — bzw. zwischen den Öffnungen (26, 28, 26 α, 28 α) — ganze Umläufe machen. '

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen Querschnittsabmessungen der Öffnung bzw. der Öffnungen (26, 28; 26 a, 28 a) derart bemessen sind, daß sie unter normalen Betriebsbedingungen klein gegenüber der freien Weglänge der in den Kammern (12, 14, 16; 12 a, 14 a, 16a) enthaltenen Gase sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenabgabefläche der Elektronepabgabequelle (22; 22 a) und die Querschnittsfläche der Öffnung bzw. der Öffnungen (26, 28; 26 a, 28 a) rechteckig sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnisse der Drucke benachbarter Kammern (12, 14, 16; 12a, 14a, 16a) zwischen 10:1 und 100: 1 liegen.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (18, 20) aus ferromagnetischem Material besteht und den Polschuh eines Elektromagneten (42, 46) bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die . Elektronenabgabequelle (22) in einer Öffnung einer einen Polschuh eines Elektromagneten (46) bildenden Platte (44) aus ferromagnetischem Material angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenabgabequelle (22; 22a) als Pierce-Quelle ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das Magnetfeld erzeugende Vorrichtung wenigstens zwei Luftspulen (60, 62, 64) aufweist, deren Abstand gleich ihrem Durchmesser ist, daß in der einen Luftspule (60) die Elektronenabgabequelle (22 a) angeordnet ist und daß die andere Luftspule (62, 64) die Öffnung (26 a, 28 a) umfaßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen