DE19638925C2 - Elektronen-Bandstrahler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektronen-Bandstrahler, mit dem ein Elektronenstrahl mit bandförmigem Strahlquerschnitt erzeugt wird. Er besitzt eine Linearkatode und ist besonders für Niederenergie-Elektronenstrahlanlagen geeignet. Der Elektronenstrahl tritt durch ein Strahlaustrittsfenster - auch Lenardfenster genannt - an Atmosphäre. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind die Aushärtung und Vernetzung von dünnen polymeren Beschichtungen mit Schichtdicken bis zu einigen 10 µm sowohl auf bahn- als auch plattenförmigen Schichtträgern.

Es sind Elektronenstrahleinrichtungen bekannt, in deren Elektronenstrahler kurze, in Produktlaufrichtung gespannte linienförmige Katoden angeordnet sind. Diese Katoden sind in bestimmten Abständen äquidistant und parallel zueinander angeordnet und durch Federn einzeln gespannt aufgehängt. Ihre Anzahl wird durch die jeweilige Bestrahlungsbreite und damit die Fensterlänge bestimmt. Die Katodenlänge ergibt sich aus der Fensterbreite. Jede dieser Katoden ist von einem zylindrischen Gitter konzentrisch umgeben. Zusätzlich ist im Allgemeinen ein alle Gitter-Katodenanordnungen überspannendes, weiteres Gitter vorgesehen. Die Gitter sind mit unterschiedlichen Potentialen belegt und dienen der Homogenisierung der Stromdichte quer zur Katodenspannrichtung (US 3,863,163).

Da alle diese Katoden elektrisch parallel geschaltet sind, besteht der Nachteil, dass sehr hohe Heizströme - insbesondere bei großen Bestrahlungsbreiten und damit einer entsprechend großen Zahl parallel liegender Katoden - auftreten. Derartige Katodensysteme werden insbesondere für Elektronenstrahleinrichtungen mit Beschleunigungsspannungen im Bereich < 180 kV eingesetzt. Die Breite des Strahlaustrittsfensters liegt dabei im Bereich von 200 mm. Nachteilig bei derartigen Elektronenstrahleinrichtungen ist auch, dass bei Ausfall einzelner Katoden die Homogenität der Stromdichte in Fensterlänge erheblich gestört wird. Ein Katodenwechsel ist konstruktionsbedingt sehr aufwendig und zeitintensiv.

Es ist weiterhin eine Elektronenstrahleinrichtung bekannt, mit welcher durch entsprechende Elektrodengestaltung eine Vielzahl punktförmiger Emissionsquellen erzeugt wird (US 4,499,405). In diesen punktförmigen Emissionsquellen werden die Elektronen büschelartig emittiert und anschließend wird mittels eines Potentialfeldes versucht, aus der Vielzahl von Einzelquellen einen homogenen Strahl zu formen. Der Nachteil besteht in der aufwendigen Gestaltung einer derartigen Elektronenstrahleinrichtung, die zudem große Ausmaße benötigt. Eine kompakte Bauweise ist nicht möglich.

Es sind Elektronenstrahleinrichtungen mit bandförmigem Strahlquerschnitt bekannt, deren Strahlaustrittsfenster in der Länge der Produktbreite entspricht (DE 44 32 983 C1). Es sind eine oder mehrere parallel liegende Katoden über die Fensterlänge und damit die Bestrahlungsbreite angeordnet. Zur Begrenzung des Katodendurchhanges ist eine Federvorspannung der Katoden erforderlich. Diese Katodenanordnung ist zur Strahlformung und gegebenenfalls zur Strahlstromsteuerung von einer, im Allgemeinen rohrförmigen, in Strahlrichtung geschlitzten Steuerelektrode umgeben.

Alle Einrichtungen haben den Nachteil, dass mit zunehmender Fenster- und dadurch auch Katodenlänge Spannkräfte erforderlich sind, die die Fließgrenze des Katodenmaterials auf Betriebstemperatur übersteigen. Die Folge davon ist, dass die Katodenlänge mit zunehmender Betriebsdauer ansteigt und die konstruktiv vorgesehenen Federwege erreicht werden. Ein Reißen der Katoden oder ein unzulässiger Katodendurchhang führen zur kritischen Begrenzung der Katodenlebensdauer. Das Fließen des Katodenmaterials begrenzt somit die Anwendbarkeit von derartigen Katodensystemen auf Katodenlängen und damit Bestrahlungsbreiten von etwa einem Meter.

Außerdem neigen diese Katodensysteme zu mechanischen Schwingungen. Derartige Schwingungen können leicht durch äußere Einflüsse angeregt werden. Die Folge von derartigen Katodenschwingungen können unkontrollierbare Auswirkungen auf die Strahlformierung und damit die Homogenität des Elektronenstrahls sein. Die aus dem Schwingen resultierenden Probleme nehmen ebenfalls mit der Länge des Spannkatodensystems zu.

Zur Begrenzung der mit dem Spannkatodensystem verbundenen Nachteile wurden eine oder mehrere Zwischenaufhängungen der Katode vorgeschlagen. Diese Lösungen sind nur sehr begrenzt einsetzbar, da das Heizen der Katode mit einer erheblichen Längenänderung verbunden ist und die Aufhängung diese Längenänderung tolerieren muß. Hinzu kommt ein Emissionseinbruch der Katode an den Aufhangstellen infolge Wärmeableitung. Weiterhin ist nachteilig, dass die Aufhängung selbst zu einer lokalen Beeinflussung der Potentialverteilung in Katodennähe führt, was sich ebenfalls negativ auf die Homogenität der Strahlstromdichteverteilung auswirken kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektronen-Bandstrahler zu schaffen, dessen Strahlerzeugungssystem für beliebige Bestrahlungsbreiten realisierbar ist. Die Katodenanordnung soll frei von den Nachteilen des Standes der Technik sein, insbesondere keine Spannelemente für die Katoden erfordern, ein einfaches Wechseln der Katode und einen platzsparenden Aufbau ermöglichen. Der Elektronenstrahl soll linear hinreichend homogen zu erzeugen sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen zeigen die Patentansprüche 2 bis 10.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht im Wesentlichen darin, dass die an sich bekannte Anordnung von mindestens einer linienförmigen Katode in Längsrichtung des Strahlaustrittsfensters derart ausgeführt wird, dass in bestimmten Abständen Stützelemente angeordnet sind. Im gleichen Abstand sind in der linienförmigen Katode Ausbiegungen vorgesehen, in denen die Befestigung der Katode erfolgt. Diese einfache Anordnung macht die bisher üblichen Spannelemente zur Verhinderung der Durchbiegung der Katode überflüssig.

Der Abstand benachbarter Stützelemente wird dabei so gewählt, dass der thermisch bedingte Katodendurchhang zwischen den Stützelementen in einem Bereich bleibt, in dem die Auswirkungen auf die Strahlform tolerierbar klein sind. Dieser Bereich wird wesentlich durch die potentialfeldbestimmende Geometrie des Katoden- Steuerelektrodensystems bestimmt. Die Lage und der Abstand der Stützelemente zueinander sind auch abhängig von der Anzahl der eingesetzten Katoden.

Es ist zweckmäßig, bei mehreren - mindestens jedoch zwei parallel zueinander liegenden - Katoden die Stützelemente gegeneinander versetzt anzuordnen. Damit wird eine ungünstige Überlagerung nicht gänzlich auszuschließender geringfügiger Inhomogenitäten der Strahlstromdichteverteilung vermieden. Aufgrund der Heizung der Katoden im direkten Stromdurchgang ergibt sich entlang der Katoden ein Potentialunterschied, der Auswirkungen auf die Strahlform haben kann. Es ist deshalb zweckmäßig, eine gerade Anzahl von Katoden zu verwenden und die Katoden wechselweise elektrisch antiparallel zu schalten.

Das wesentliche Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung ist die Ausbiegung der linienförmigen Katoden im Bereich der Stützstellen. Die Wärmeabfuhr an den Stützelementen führt zu einem Temperaturgradienten entlang der Katode in der unmittelbaren Umgebung der Einspannstelle. Eine weitgehende Elimination des daraus resultierenden Emissionseinbruches wird durch eine spezielle Formgebung der Katode im Bereich des Stützelementes erreicht, die dazu führt, dass sich die nicht oder geringer emittierenden Katodenbereiche außerhalb der eigentlichen Emissionsfläche befinden.

Ein weiterer Vorteil der räumlichen Trennung von Katodenaufhängung und Emissionsfläche besteht darin, dass Störungen des Potentialfeldes vor der Katode, hervorgerufen durch die Ausbiegungen in ihrer Auswirkung auf die Homogenität der Strahlstromdichteverteilung, weitgehend vermieden werden.

Die Ausbiegungen der linienförmigen Katoden führen dabei zur Segmentierung, wobei die auf gleichem Emissionstemperaturbereich liegenden Segmente zwischen den Ausbiegungen mit geringem Abstand zueinander angenähert in einer Linie liegen.

Es ist weiterhin vorteilhaft, den Abstand der Ausbiegungen bei kalter Katode gegenüber dem Stützelement um etwa den Betrag der thermischen Längenausdehnung vermindert zu wählen. Daraus ergibt sich beim Einhängen der kalten Katode in die Stützelemente eine leichte mechanische Vorspannung der Katoden. Diese führt dazu, dass beim Heizen der Katoden ein wesentlicher Teil der thermischen Längendehnung durch ein Zusammenziehen der Ausbiegungen infolge der Elastizität im "kalten" Bereich der Ausbiegung kompensiert und der Katodendurchhang reduziert wird.

Zur Homogenisierung der Strahlstromdichteverteilung ist es zweckmäßig, in Strahlrichtung vor der Katodenebene ein Gitter anzuordnen. Befindet sich das Gitter auf einem gegenüber den Katoden positiveren Potential (< 1 kV), so wird eine Vorbeschleunigung der Elektronen und eine Auffächerung des Elektronenstrahls erreicht. Durch die Form dieses Vorbeschleunigungsgitters (konvex, konkav oder eben) und die geometrische Gestaltung des Strahlaustrittsbereiches im Katoden-Steuerelektrodensystem wird die sich ergebende Strahlbreite den Erfordernissen angepasst.

Eine weitere Homogenisierung der Strahlstromdichteverteilung wird durch ein zweites, dem ersten gegenüber höher transparentes Gitter erreicht, das diesem in Strahlrichtung nachgelagert ist. Dieses zweite Gitter liegt auf etwa Katodenpotential.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Elektronen-Bandstrahler,

Fig. 2 ein Stützelement mit eingehängter Katode,

Fig. 3 ein berechneter Verlauf des Elektronenstrahls in der Umgebung eines Stützelements mit omegaförmiger Katodenausbiegung.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektronen-Bandstrahlers, wie er zum Aushärten von Lacken auf Platten verwendet wird. Der Elektronen-Bandstrahler besteht aus der rohrförmigen Vakuumkammer 1 mit einem Strahlaustrittsfenster 2. Axial mittig zur Vakuumkammer 1 ist ein Katoden-Steuerelektrodensystem 3 angeordnet. Das Katoden-Steuerelektrodensystem 3 besteht aus einem Rohr 4 und einem in diesem Rohr 4 eingeschobenen Katodenträger. Das Rohr 4 besitzt im Bereich des Strahlaustritts eine Öffnung 5. Der Katodenträger wird aus dem Mittelrohr 6 und mehreren Stützplatten 7 gebildet, die hintereinander angeordnet sind. Das Mittelrohr 6 ist segmentiert und bildet zusammen mit den Stützplatten 7 eine modulare Einheit, die in diskreten Abständen beliebig verlängert werden kann. Das Mittelrohr 6 trägt im Abstand voneinander und zum Mittelrohr 6 isoliert Stützelemente 8, die der Katodenaufnahme dienen. An den Stützplatten 7 sind konzentrisch zueinander ein Reflektorblech 9, ein Gitter 10 und Strahlformierungsbleche 11 so angebracht, dass sich infolge thermischer Ausdehnung alle Bauteile in Längsrichtung relativ zueinander verschieben können. Das Reflektorblech 9 trägt zur Formung des Potentialfeldes bei und reduziert gleichzeitig die Wärmestrahlung auf das Rohr 4 und die Stützelemente 8. Das Gitter 10 ist elektrisch isoliert gegenüber den übrigen Teilen des Katoden-Steuerelektrodensystems 3 angebracht und überdeckt den gesamten Bereich des Strahlaustrittfensters 2.

Das Rohr 4 liegt zusammen mit dem Katodenträger, dem Reflektorblech 9 und den seitlich angeordneten Strahlformierungsblechen 11 auf negativem Hochspannungspotential. An dem Gitter 10 liegt eine gegenüber den Katoden 12 positivere Spannung an. Es sind zwei linienförmige Katoden 12 parallel zueinander verlaufend angeordnet.

Die Stützelemente 8 bestehen aus Isolatoren 13, die in Bohrungen des Mittelrohrs 6 eingesetzt sind, und einem Bolzen 14, der ein Befestigungselement 15 für die Katode 12 trägt. Die Bohrungen sind am Umfang des Mittelrohrs 6 so angeordnet, dass die beiden Katoden 12 wechselweise an den hintereinanderliegenden Stützelementen 8 eingehängt sind. Die jeweils letzten Stützelemente 8 dienen außerdem der Kontaktierung der Katoden 12.

In Fig. 2 ist ein Stützelement 8 mit der an ihm befestigten Katode 12 vergrößert dargestellt.

Im Mittelrohr 6 ist der Isolator 13 eingesetzt. In ihm ist der Bolzen 14 verschiebbar angeordnet. Eine Druckfeder 15 auf dem Bolzen 14 bewirkt, dass die in einen Schlitz des Bolzens 14 eingehängte Katode 12 mit an sich bekannten Befestigungselementen gehalten wird. Durch die Kraft der Druckfeder 15 wird die in den Bolzen 14 eingehängte Katode 12 gehalten. Die Katode 12 hat eine omegaförmige Ausbiegung 16, die durch ihre Federwirkung ein Durchbiegen weitestgehend verhindert und einen praktisch homogenen, linearen Elektronenstrahl erzeugt.

Ein Katodenwechsel ist somit sehr einfach zu realisieren, da durch leichten Druck auf den Bolzen 14 die Katode 12 aus- und wieder eingehängt werden kann.

Die Stützelemente 8 sind so ausgeführt, dass die Wärmeableitung von der Katode 12 über die Stützelemente 8 hinreichend klein gehalten werden kann.

In Fig. 3 ist der Verlauf des Elektronenstrahls in der Zeichenebene im Bereich eines Stützelements 8 mit der omegaförmigen Ausbiegung 16 der Katode 12 dargestellt. Es ist daraus ersichtlich, dass die Formgebung der Ausbiegung 16 einen praktisch homogenen, linienförmigen Elektronenstrahl entstehen lässt.

Claims (10)

1. Elektronen-Bandstrahler, bestehend aus einem in Längsrichtung ausgedehnten Rezipienten mit einem in Längsrichtung des Rezipienten verlaufenden Strahlaustrittsfenster, einem in dem Rezipienten in dessen Längsrichtung angeordneten Katoden-Steuerelektrodensystem, in dem mindestens eine linienförmige, parallel zur Längsachse des Katoden-Steuerelektrodensystems verlaufende Katode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die linienförmige Katode (12) in definierten Abständen Ausbiegungen (16) besitzt, dass im Katoden-Steuerelektrodensystem (3) in Längsrichtung im gleichen Abstand Stützelemente (8) angeordnet sind, dass die Ausbiegungen (16) mit den Stützelementen (8) auswechselbar verbunden sind und dass die Ausbiegungen (16) so ausgebildet sind, dass die nicht oder geringer emittierenden Bereiche der Katode (12) außerhalb der Emissionsfläche angeordnet sind.

2. Elektronen-Bandstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (8) äquidistant angeordnet sind.

3. Elektronen-Bandstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei n Katoden (12) die Stützelemente (8) jeweils benachbarter Katoden (12) um den n-ten Betrag des Abstandes der Stützelemente (8) in Längsrichtung des Strahlaustrittsfensters (2) versetzt angeordnet sind.

4. Elektronen-Bandstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Ausbiegungen (16) bei kalter Katode (12) gegenüber dem der Stützelemente (8) etwa um den Betrag der thermischen Längenausdehnung vermindert ist.

5. Elektronen-Bandstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnung mehrerer Katoden (12) eine gerade Anzahl von Katoden (12) angeordnet ist und diese wechselweise elektrisch antiparallel geschaltet sind.

6. Elektronen-Bandstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbiegung (16) die Form eines Omegas hat.

7. Elektronen-Bandstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (8) aus einem hülsenförmigen Isolator (13), in dem ein Bolzen (14) angeordnet ist, bestehen, und dass an dem aus dem Isolator (13) ragenden Bolzen (14) ein Befestigungselement für die Aufnahme der Ausbiegung (16) der Katode (12) angeordnet ist.

8. Elektronen-Bandstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Katode (12) in Strahlrichtung ein Gitter (10) angeordnet ist, das sich auf einem gegenüber der Katode (12) positiveren Potential befindet.

9. Elektronen-Bandstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Strahlrichtung abgewandten Seite der Katoden (12) ein Reflektorblech (9) angeordnet ist, das auf Katodenpotential liegt.

10. Elektronen-Bandstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Gitter (10) in Strahlrichtung ein zweites Gitter angeordnet ist, das sich etwa auf Katodenpotential befindet.