DE1615448C

DE1615448C - Device for processing materia hen by means of an electron beam

Info

Publication number: DE1615448C
Authority: DE
Inventors: Charles Wendell Onnda Calif Hanks (V St A)
Original assignee: Air Reductin Co Ine , New York, NY (V St A )
Publication date: 1971-07-15

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gierenden oder parallelverlaufenden ElektronenstrahlThe invention relates to a yawing or parallel electron beam device

zur Bearbeitung von Materialien mittels eines Elek- zu erzeugen; die Raumladungskonstante ergibt sichfor the processing of materials by means of an elec- tric; the space charge constant results

tronenstrahls, mit einem luftdichten Behälter, der aus dem Verhältnis von Strahlgleichstrom zu Strahl-tron jet, with an airtight container, which is made up of the ratio of jet direct current to jet

durch wenigstens eine eine Öffnung zum Durchtritt gleichspannung hoch 3/2.through at least one opening for passage DC voltage high 3/2.

des· Elektronenstrahls aufweisende Trennwand in 5 Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrich-of the electron beam having partition in 5 The object of the invention is therefore to provide a device

eine eine Elektronenabgabequelle aufnehmende, an tung der eingangs genannten Art anzugeben, die esto specify an electron delivery source receiving device of the type mentioned, which it

eine erste Evakuierungspumpe anzuschließende Kam- gestattet, einen Elektronenstrahl mit verhältnismäßiga first evacuation pump to be connected allows an electron beam with relatively

mer und eine an eine zweite Evakuierungspumpe . großem Querschnitt und daher verhältnismäßig gro-mer and one to a second evacuation pump. large cross-section and therefore relatively large

anzuschließende Bearbeitungskammer unterteilt ist, ßer Leistung auf ein zu .bearbeitendes Material zuto be connected processing chamber is divided, ßer performance on a zu .arbeitendes material to

und mit einer ein Magnetfeld erzeugenden Vorrich- io richten, ohne daß die Pumpleistung der Vakuum-and direct with a device generating a magnetic field without the pumping power of the vacuum

tung zur Direktion des Elektronenstrahls auf die pumpen unwirtschaftlich groß gehalten werden muß.device for the direction of the electron beam on the pumps must be kept uneconomically large.

Öffnung. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung.Opening. To solve this problem, the device.

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.Devices of this type are characterized in that a homogeneous material processing method is used, such as and parallel magnetic field generating device for melting, annealing, cleaning, vapor deposition, 15 is provided that the electron donation source is plating, etc. Normally, such and such The opening or openings in this device are focussing devices, with the aid of a magnetic field, so that the cross-section of the electrodes, the electron-donating surface of the electron-donating source emitted by the electron-emitting source, are focused in flat electrons on the respective material to be processed in terms of shape and size of the cross-section of the opening. This material - or the openings - resembles and that the strength material is together with the electron of the magnetic field, the speed of the electrO delivery source in a closed, evacuated one and the distance between the electron container. Electrostatic or opening - or between the openings - magnetic fields can be used to focus the electrons on a release surface of the electron release source and the electron beam. The electrons of the 25 measure are that the electrons on their helical electron beam strike the shaped path to be processed between the electron delivery source material and heat it up. It occurred gases and vapors ■ material different make whole rounds - from the heated and the opening - or between the ports.

denster Art aus. Diese Gase können im Bereich . Durch das. homogene und parallele Magnetfeldof the greatest kind. These gases can be in the area. Due to the homogeneous and parallel magnetic field

der Fokussierungsfelder zu Lichtbogenentladungen 30 werden die Elektronen nach Austritt aus der Elek-the focussing fields to arc discharges 30, the electrons are released from the elec-

führen, wenn sie nicht unmittelbar aus dem Vakuum- tronenabgabefläche der Elektronenabgabequelle auflead if they are not directly from the vacuum electron delivery surface of the electron delivery source

behälter abgezogen werden. einer wendeiförmigen Bahn bewegt und erzeugen incan be withdrawn. moves in a helical path and generates in

Es ist bekannt, die sich entwickelnden Gase mit der Öffnung bzw. in den Öffnungen virtuelle Ab-It is known that the developing gases with the opening or in the openings virtual exhaust

Hilfe von Vakuumpumpen abzusaugen, welche eine bilder der Elektronenabgabefläche. Die Öffnung bzw.With the help of vacuum pumps, which take a picture of the electron-donating surface. The opening or

hinreichende Kapazität besitzen, um das meiste aus 35 die Öffnungen werden also optimal ausgenutzt, soHave sufficient capacity to make the most of 35 the openings are used optimally, so

dem erhitzten Material austretende Gas abzuleiten. daß die Vakuumpumpenleistung optimal niedrig ge-to divert gas escaping from the heated material. that the vacuum pump output is optimally low

De; artige Pumpen sind teuer und unhandlich. halten werden kann.De; like pumps are expensive and unwieldy. can be held.

Als Elektronenabgabequelle ist es in Fällen, in Gegenüber den bekannten Vorrichtungen mit gro-As an electron delivery source it is in cases, in comparison with the known devices with large

denen eine hohe Leistung gefordert wird, bekannt, ßer Elektronenabgabefläche ergibt sich der Vorteil,for whom a high performance is required, it is known that the electron-donating surface has the advantage,

sogenannte »PierceÄ-Elektronenschleudern zu ver- 40 daß zwischen der Elektronenabgabefläche und demSo-called "Pierce" electron slingshots between the electron-donating surface and the

wenden. Eine Pierce-Elektronenschleuder enthält zu bearbeitenden Material mindestens eine Blendeturn. A Pierce electron gun contains at least one screen to be processed

üblicherweise eine Elektronenabgabeoberfläche, die bzw. ein Steg mit einer Öffnung anzuordnen ist.usually an electron donating surface to be arranged or a ridge with an opening.

durch eine indirekt oder direkt geheizte Kathode Gegenüber bekannten Vorrichtungen mit magneti-by an indirectly or directly heated cathode Compared to known devices with magnetic

gebildet sein kann. Der von der Kathode abgegebene scher Fokussierung ergibt sich der Vorteil der großencan be formed. The shear focus emitted by the cathode results in the advantage of the large

Elektronenstrahl wird mit Hilfe einer Fokussierungs- 45 Elektronenabgabefläche und damit der großen Elek-Electron beam is 45 with the help of a focusing electron emission surface and thus the large elec-

elektrode und einer Anode derart beeinflußt, daß er tronenstrahlleistung. .Electrode and an anode influenced in such a way that it electron beam power. .

die jeweils gewünschte Form erhält, z. B. eine runde, Die Erfindung wird nachstehend an Hand vonreceives the desired shape, z. B. a round, The invention is hereinafter with reference to

rechteckförmige oder eine andere Form. Die Form Zeichnungen näher erläutert.rectangular or some other shape. The form drawings explained in more detail.

des Elektronenstrahls ist durch Öffnungen in der Fig. 1 zeigt schematisch in einer Querschnitts-of the electron beam is through openings in Fig. 1 shows schematically in a cross-sectional

Fokussierungselektrode und in der Anode bestimmt. 50 ansieht eine. Ausführungsform der erfindungs-Focusing electrode and determined in the anode. 50 looks at one. Embodiment of the invention

Die Fokussierungselektrode, die auf dem gleichen gemäßen Elektronenstrahlvorrichtung, an HandThe focusing electrode, which is on the same electron beam device, on hand

Potential liegt wie die Kathode, verläuft von der derer die verschiedenen Merkmale der ErfindungPotential lies like the cathode, from which the various features of the invention run

Kathode aus unter einem öffnungswinkel von etwa erläutert werden;Cathode can be explained from under an opening angle of about;

(H¹Ii⁰, bezogen auf die Achse des erwünschten F i g. 2 zeigt schematisch eine vergrößerte Quer- (H ¹ Ii ⁰ , based on the axis of the desired Fig. 2 shows schematically an enlarged transverse

Elektronenstrahls, nach außen. Die Anode der Elek- 55 schnittsansicht einer Elektronenschleuder, die in derElectron beam, outwards. The anode of the elec- 55 Sectional view of an electron centrifuge, which in the

tronenschleuder ist von der Kathode versetzt ange- in F i g. 1 dargestellten ElektronenstrahlvorrichtungThe electron slinger is offset from the cathode in FIG. 1 shown electron beam device

ordnet; sie verläuft von den Kanten des erwünschten angewendet werden kann;arranges; it runs from the edges of the desired can be applied;

Elektronenstrahls unter einem vorbestimmten Win- Fig. 3 zeigt schematisch in einer Querschnitts-Electron beam under a predetermined win- Fig. 3 shows schematically in a cross-sectional

kel nach außen. Die Anordnung von Fokussierungs- ansieht eine weitere Ausführungsform einer verschie-kel to the outside. The arrangement of focusing looks at a further embodiment of a different

elektrode und Anode ist normalerweise kritisch. 60 dene Merkmale der Erfindung in sich vereinigendenelectrode and anode is usually critical. 60 unite the features of the invention

Liegt die Anode zu dicht an der. Kathode, so ent- Elektronenstrahlvorrichtung.Is the anode too close to the. Cathode, so ent- electron beam device.

steht ein divergierender Elektronenstrahl, der nor- Die in Fig. 1 dargestellte Elektronenstrahlvor-stands a diverging electron beam, the nor- The electron beam shown in Fig. 1

malerweise unbrauchbar ist. Für einen höheren richtung enthält einen luftdicht abgeschlossenen Be-is sometimes unusable. For a higher direction an airtight sealed cover contains

Elektronenstrahlstrom ist es aber erforderlich, die hälter 10, der durch zwei Trennstege 18 und 20 inElectron beam current, however, it is necessary, the container 10, which is separated by two separators 18 and 20 in

Anode dicht an der Kathode anzuordnen. Dabei hat 65 drei Kammern 12,14,16 eingeteilt ist. In der einenArrange anode close to the cathode. Thereby 65 has three chambers 12,14,16 is divided. In one

es sich als schwierig herausgestellt, eine Elektronen- Außenkammer (Elektronenschleuderkammer 12) be-it turned out to be difficult to load an outer electron chamber (electron centrifugal chamber 12)

schleuder mit einer höheren Raumladungskonstante findet sich eine Elektronenabgabequelle oder Elek-slingshot with a higher space charge constant there is an electron release source or elec-

als 0,5'10~⁽ⁱ zu schaffen und dabei einen konver- tronenschleuder22; in der anderen Außenkammerthan 0.5'10 ~ ⁽ⁱ to create and use a konvertonenschleuder22; in the other outer chamber

(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.(Processing chamber 16) is a target material 24, which is the material to be processed. An opening 26 and 28, respectively, is contained in each of the separating webs 18 and 20. These openings are aligned with the axis of the electron beam emitted by the electron gun 22. With help The device 30 generates a homogeneous magnetic field that is parallel to the axis of the electron beam runs. In the process, the electrons emitted by the electron centrifuge 22 move upward helical paths to the openings 26 and 28 out. The distance between the separators 18 and 20 and between the separating web 18 and the electron gun 22 is largely equal to a whole Number of revolutions of the helical orbits on which the electrons move, selected. To the chambers 12, 14 and 16 pump devices 32, 34, 36 'are connected to the Serve evacuation of the chambers concerned.

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 gleichIf an electron moves parallel to a homogeneous one Magnetic field, so it will not be deflected; it therefore moves along a straight line. When the electron in question, on the other hand, is at right angles to the homogeneous magnetic field in question moving direction, it is deflected on a circular path. When an electron is in a If the direction lying between the two directions currently under consideration is moved, then its trajectory corresponds a helical line, the axis of which runs parallel to the relevant magnetic field. Electrons, 'the one point on a magnetic field line at the same angle, but at different angles Leaving directions, occur simultaneously on the field line at a point that only is offset by the distance of one revolution of the helical line (slope). The slope of the concerned Helical line depends on the cosine of the angle of the deviation of the electrons from the field lines. At small angles, the slope hardly changes with a change in the angle. Is a Magnetic field directed parallel to an electron beam, so all electrons move in same direction; the electrons in question emerge from the starting point in each case the slope of the helical line corresponding to the distance offset on the electron beam axis. In this way arises from the electron donation surface after one or more revolutions or Slopes of the helical line due to the electrons moving along the field lines an image. the The length of one revolution or the pitch of the helical lines is the same

.21,2-10-« yV cos β
B . 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. Here, V means the electron speed in volts, B the magnetic flux density in Wb / nV- and Θ the deflection angle, based on the field 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. In the embodiment shown in the drawing, the production of images of the emitting surface is used to measure the amount that reaches the electron gun To reduce gases or vapors. The in F i g. 1 includes electron beam device shown, such as mentions the hermetically sealed container 10 having a suitable shape such as a rectangular shape, Cylindrical shape, etc. The container 10 is defined by two separating webs 18 running parallel to one another and 20 divided into three chambers 12, 14, 16. The partitions can be made of any suitable material exist that is able to withstand the temperatures prevailing in the container and the prevailing ambient conditions.

Gemäß Fig. 1 befindet sich im Mittelteil jedes Trennsteges 18 und 20 eine kreisförmige Platte 38According to FIG. 1, each is in the middle part Separating web 18 and 20 a circular plate 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.ίο or 40 made of ferromagnetic material such as steel. The rest of the dividers are made of a different material, such as copper. In the middle of Plates 38 and 40 are mutually aligned openings 26 and 28, referred to below will be discussed in more detail. The plates 38 and 40, which each form a part of the separating webs, are used nor as pole pieces when generating a homogeneous magnetic field in the intermediate or passage chamber 14, This homogeneous magnetic field runs parallel to that between openings 26 and 28 running axis. A large number of iron coils are used to generate the relevant magnetic field 42 are provided, which are arranged between the outer sides of the plates 38 and 40.

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.Like F i g. 1 reveals that the elec- electron delivery source or electron ejector 22 in one end chamber, hereinafter also referred to as Electron centrifugal chamber 12 is designated. The electron gun concerned is in this chamber arranged such that along the axis connecting the openings 26 and 28 an electron beam can be delivered. The electron ejector 22 can be any straight line electron ejector but preferably one that is suitable for delivering high output currents, like a Pierce electron gun. The electron gun 22 is at a suitable distance from the separating web 18 arranged and is located in the central opening of a pole piece 44, which is similar to the plates 38 and 40 can be formed by a plate of ferromagnetic material.

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.Between the electron gun 22 and the opening 26, with the help of an iron coil 46Λdie is arranged between the outer sides of the plates 38 and 44, a homogeneous magnetic field is generated. Through this homogeneous field, those emitted by the emission surface of the electron centrifuge 22 are emitted Electrons directly influenced, in such a way that they exit from the emission surface move in a helical path and every whole number of revolutions or slopes of the helical path produce images of the emission surface.

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 HeizleistungThe distance between the pole pieces 38 and 40 and the distance between the emission surface of the electron centrifuge 22 and the pole piece 38 are selected so that an image of the emission surface is produced in each of the openings 26 and 28. The distance between the openings 26 and 28 and between the emission surface and the opening 26 is selected so that the same number of revolutions or gradients of the helical path results in both cases.
As previously mentioned, the electron ejector 22 used is preferably a Pierce electron ejector. Such an electron centrifuge delivers a high beam current, whereby the heating power acting on the material 24 to be processed

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.is correspondingly high. As shown in Figure 2, in the illustrated embodiment, the Pierce electron gun includes an emission surface or cathode 48 in the form of an elongated cylinder or filament of a suitable material such as tungsten. A correspondingly high current is passed through this filament. In certain applications, an indirectly heated cathode can also be used. Two plates 50 and 5?, Which together serve as a focusing electrode, advance from the cathode 58 at an opening angle of 67 ¹ Za ⁰ each, based on the center line of the electron beam; the two plates 50 and 52 are made of a temperature-resistant material. A suitable material for this is tungsten or tantalum. The focusing electrodes can be designed as a plate with a slot therein for receiving the cathode. The cathode 48 and the two focussing plates 50 and 52 are at a high negative potential, which is supplied by a voltage source 54.

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.In the embodiment shown, the anode of the electron gun consists of two metal rods 56 and 58. which run parallel to the cathode and are arranged on both sides of the electron beam are. The bars, which can be slidably arranged, consist of a heat-resistant one Material such as Wolfraum, Tantalum etc. The rods 56 and 58 and also the pole pieces 44, 38, 40 and the target material 24 are grounded. As mentioned above, the electrons are forcibly guided by the magnetic field as soon as they exit the cathode; thus there is a divergence of Prevents electrons. This allows the use of adjustable rods as Anodes and the use of a relatively small distance between the anode and the cathode and thus also a higher beam current. Without the magnetic field, such a construction would lead to the creation of a diverging electron beam which would normally be unusable. The magnetic direction also reduces the amount of electrons hitting the anode, whereby, even at high currents, the anode was cooled differently than that caused by radiation Cooling is not required.

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.Since an image of the emission surface is generated in the openings 26 and 28, the openings have 26 and 28 have the same shape as the electron donation surface. In addition, these openings 26 and 28 are rectangular, there also the cathode is rectangular in shape. The edges of the openings 26 and 28 are beveled, to prevent the electrons from hitting the pole pieces 38 and 40. The bevels however, they are not critical.

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.As a result of the impact of the electron beam on the target material 24, the latter is heated; develop thereby gases and vapors. The separating webs 40 and 38 reduce this to a considerable extent the amount of gases and vapors entering the electron spin chamber 12. The gases and Vapors can only enter the electron spinning chamber 12 through openings 26 and 28. There the openings 26 and 28 in the shape and size of the The shape and size of the filter release surface correspond to only a relatively small amount of gases and vapors are lost between the chambers.

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.The amount of gas and vapors penetrated through the opening 26 is particularly small, since normal Operating pressure in chambers 12 and 14 through opening 26 instead of a normal viscous flow a so-called molecular current passes through. The flow rate of gases and vapors increases through the outlet openings considerably as soon as a pressure is reached at which a molecular flow occurs in place of a viscous stream. This pressure is so great that the middle one is free Path length of the vapor or gas molecules is equal to or less than the distance between the sides of the Outlet openings. The molecular flow of the gases through an outlet opening is about 43% lower than the viscous flow passing through the same orifice. Using a Opening 26 in the form of a narrow rectangle, the molecular flow occurs at a higher pressure than at Use of a circular opening of the same area size. This leads to a considerable Reduction of the one that maintains a certain pressure difference on both sides of the opening Vacuum pump; In other words, this means that it is thereby possible to create an opening to be used with a larger cross-sectional area for the given pump size.

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. · /The target material to be machined, which may be a metal or a non-metal, is appropriate Way arranged in the processing chamber 16. The electron beam emerging from the last opening 28 is no longer influenced by the magnetic field, whereby it divides due to the charge repulsion. The position of the target material, related on the final opening 28 depends on the operations to be performed on the target material and on the amount of the service. The closer the target material to the imaging point of the electron beam is shifted, the stronger the heat effect of the electron beam becomes being. To the target material] z. B. to melt, the electron beam is usually over its distributed over the entire surface to avoid hot spots. · /

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 durchTo the in the intermediate chamber and in the electron centrifugal chamber Reducing the amount of ions and metal vapor that penetrates can do this Target material can be arranged in such a way that it is not aligned with openings 26 and 28. The out the electron beam exiting the opening 28 is then applied by a transverse magnetic field to the Target material deflected; this transverse magnetic field is generated by a suitable device (not shown), which is arranged behind the last opening 28. By electron bombardment of the target material generated vapors and ions therefore impinge on the separating web 40 rather than through

die öffnung 28 hindurchtreten. the opening 28 pass through.

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 derν The chambers 12 ,. 14 and 16 are evacuated with the aid of suitable pumps 32, 34, 36. To achieve For the greatest stability, the electron centrifugal chamber 12 is evacuated the most, i. H. to a* Put vacuum greater than 0.1 microns of mercury. Due to the device shown Existing pressure separation system occurs only a very small amount of steam or gas from the processing chamber 16 into the electron centrifugal chamber 12. This way you can with With the help of a high-speed diffusion pump of the

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.Vapor stream occurring in small quantities from the electron centrifugal chamber 12, in which there is a high vacuum, can be eliminated.
The level of the pressure prevailing in the processing chamber 16 depends on the processing procedure being carried out on the target material 24. When carrying out normal processing operations, the processing chamber is preferably evacuated so quickly that a sufficiently rapid discharge of vapors and gases occurring during the execution of the relevant processing operation takes place. A relatively low vacuum in the processing chamber 16 is sufficient, since the electrostatic high-voltage fields are not present here. Therefore, a high pressure pump such as a mechanical vacuum pump can be used to evacuate the processing chamber 16.

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.In the passage chamber 14 there is a vacuum that is between that in the processing chamber 16 and the vacuum prevailing in the electron centrifugal chamber 12. The allowable pressure difference between the chambers depends on the amount of gases evolving. For low For quantities of gases, a pressure difference of up to about 100: 1 is permissible. In certain applications, the passage chamber can be omitted will. With large amounts of gases evolving, the pressure difference is preferably not greater than 10: 1 selected. In order to achieve a lower pressure difference across the dividers, additional passage chambers can be provided.

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.In an illustrated embodiment. of the electron beam device, the emission surface has a width of about 3.2 mm and a Length of about 22.2 mm. The openings in the dividers are approximately 3.2 mm wide and 25.4 mm long. The pole pieces are made of steel and are spaced approximately 203 mm apart. the The magnetic field density is 108 Gauss at 10 kV electrons and 130 Gauss at 15 kV electrons. the Electron centrifugal chamber is evacuated to 0.6 micron mercury column, the intermediate chamber to 17 microns of mercury and the processing chamber to 100 microns of mercury.

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.In the case of the in FIG. 3 embodiment shown, in the case of the in FIG. Elements shown in FIG. 1 are denoted by corresponding reference numerals with the following subscript "α" the magnetic field is generated by "Helmholtz" coils 60, 62, 64. Helmholtz coils are coaxial air-core coils, which are arranged offset in such a way that the distance between the coil centers equal to the mean diameter of the coils. The separators 18 a and 20 a between the Chambers 12 a, 14 a and 16 a also consist of a non-magnetic material here, such as from water-cooled copper.

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 derThe Helmholtz coil system according to FIG. 3 has compared to that in FIG. 1 shown ferromagnetic System two main advantages. The first major advantage is that the magnetic lines in the openings are not curved, but are straight and parallel, and unaffected by the Presence of an outlet opening or its thickness. In the case of the in FIG. 3 illustrated embodiment The electrons therefore do not run into an area in which the magnetic Field lines do not run parallel, but diverge on one side of the opening and on the other Side converge. The non-parallel field lines can be the electrons in the electron beam influence unequally; this depends on the position of the electrons in the opening. The second The main advantage is that the inductive resistance of the air core coil is much lower than that

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. , .ίο the Eisert core coils: As a result of this can. the Magnetic field density can be chosen to be much higher than with an adjustment system. That way you can any changes in the level of the potential on the ejector cathode be balanced. Thus, the electron beam can always be kept directed onto the opening will. ,.

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.The invention thus provides an electron beam device that is effective Use of powerful space charge electron slingers is permitted, which is normally the case generate unusable, diverging electron beams. Furthermore, in the invention Apparatus relatively cheap pumps are used to get what is required in the system Maintain vacuum.

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-It should be noted that, in deviation from the embodiment shown in the drawing, in which only one electron spinner is is used, even more than one electron spinner with associated openings in the separating

. 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.. Web can be provided. Furthermore, as mentioned above, it can be used in certain applications it may be desirable to use only one divider, i. H. a divider that holds the vacuum container divided into two chambers, namely an electron centrifugal chamber and a processing chamber. Furthermore, in some cases it may be desirable to have more than three chambers. Various other changes and modifications can be made in the above Electron beam apparatus can still be made without departing from the general teachings of the invention is deviated.

Claims

Patent claims:

1. Device for processing materials by means of an electron beam, with an airtight Container through at least one opening for the electron beam to pass through having a partition into an electron discharge source receiving, to a first evacuation pump Chamber to be connected and one to be connected to a second evacuation pump Processing chamber is divided, and with a magnetic field generating device for directing the electron beam onto the opening, characterized in that, that a homogeneous and parallel magnetic field generating device is provided that the electron delivery source (22; 22a) and and the opening or openings (26, 28; 26 a, 28 a) in this magnetic field are that the cross section of the electron delivery surface of the electron delivery source (22; 22 a) in shape and size the cross section of the opening - or dei Openings (26, 28, 26 a, 28 a) - equals and dal?

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the strength of the magnetic field, the speed of the electrons and the distance between the electron delivery surface of the electron delivery source (22; '22 α) and the opening - or between the openings (26, 28; 26 α, 28 α) - are dimensioned so that the electrons on their helical path between the electron delivery source (22; 22 «) and the opening - or between the openings (26, 28, 26 α, 28 α) - make whole rounds. '

2. Device according to claim 1, characterized in that the linear cross-sectional dimensions of the opening or the openings (26, 28; 26 a, 28 a) are dimensioned such that they are small compared to under normal operating conditions the free path of the gases contained in the chambers (12, 14, 16; 12 a, 14 a, 16a) are.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the electron donation surface the electron delivery source (22; 22 a) and the cross-sectional area of the opening or openings (26, 28; 26 a, 28 a) are rectangular.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the ratios the pressures of adjacent chambers (12, 14, 16; 12a, 14a, 16a) between 10: 1 and 100: 1.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the Partition wall (18, 20) made of ferromagnetic material and the pole piece of an electromagnet (42, 46) forms.

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the. Electron delivery source (22) in an opening of a plate (44) forming a pole piece of an electromagnet (46) ferromagnetic material is arranged.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the Electron delivery source (22; 22a) is designed as a Pierce source.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the Magnetic field generating device has at least two air-core coils (60, 62, 64), the distance between them is equal to its diameter that in the one air core coil (60) the electron delivery source (22 a) is arranged and that the other air core (62, 64) comprises the opening (26 a, 28 a).

1 sheet of drawings