DE1064168B - Einrichtung zur Erzeugung und Formung eines Ladungstraegerstrahles - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Bei der Materialbearbeitung mit Ladungsträger-Strahlen besteht die Forderung, daß die Flächenintensität des auf das zu bearbeitende Objekt auf treffenden Ladungsträgerstrahles möglichst groß sein soll. Bei den bisher bekannten Einrichtungen wird zur Fokussierung des Ladungsträgerstrahles eine rotationssymmetrische Linse verwendet. Durch deren Linsenfehler_j vorzugsweise durch den Öffnungsfehler, wird jedoch die Erreichung der geforderten großen Flächenintensität verhindert.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung und Formung eines zur Materialbearbeitung dienenden intensitätsreichen Ladungsträgerstrahles mit in Strahlrichtung gesehen hinter der Anode liegenden Linse. Der durch diese neue Einrichtung erzeugte Ladungsträgerstrahl hat eine sehr große Flächenintensität, wobei diese Intensität an den Rändern des Strahlquerschnitts sehr steil abfällt. Eine solche Intensitätsverteilung ist bei der Materialbearbeitung mit Ladungsträgerstrahlen sehr wichtig, da es zur Erzielung eines guten Bearbeitungsergebnisses notwendig ist, daß die Strahlintensität an den Rändern der Bearbeitungsstelle steil abfällt und über den Bearbeitungsquerschnitt eine gewünschte Verteilung aufweist.

Die neue Einrichtung zur Erzeugung und Formung eines zur Materialbearbeitung dienenden intensitätsreichen Ladungsträgerstrahles enthält erfindungsgemäß ein einen Ladungsträgerstrahl großer Apertur erzeugendes Strahlerzeugungssystem sowie mindestens eine in an sich bekannter Weise hinsichtlich ihres Öffnungsfehlers korrigierte, zur Strahlfokussierung dienende Zylinderlinse. Mittels dieser neuen Einrichtung gelingt es, eine große emittierende Fläche der Kathode des Strahlerzeugungssystems zu erfassen und die unter großem öffnungswinkel aus diesem System austretenden Ladungsträger einwandfrei zu fokussieren, so daß also in der Fokussierungsebene eine große Flächenintensität erreicht wird. Die Verteilung dieser Intensität über den Strahlquerschnitt hat infolge der Verwendung einer öffnungsfehlerfreien Zylinderlinse die für eine Materialbearbeitung geforderte, nahezu rechteckförmige Gestalt.

Es ist vorteilhaft, das Strahlerzeugungssystem mit einer an sich bekannten, linienförmig ausgebildeten Kathode auszurüsten, wobei es notwendig ist, die Richtung der größten Ausdehnung der Kathode auf die Hauptachse der nachfolgenden, zur Strahlfokussierung dienenden Zylinderlinse auszurichten. Durch die Wahl einer solchen Kathode wird erreicht, daß eine größere emittierende Kathodenfläche ausgenutzt werden kann, als dies bei runden Kathoden der Fall ist.

Es ist möglich, und in manchen Fällen vorteilhaft,

Einrichtung zur Erzeugung und Formung eines Ladungsträgerstrahles

Anmelder:
Fa. Carl Zeiss, Heidenheim/Brenz

Dipl.-Ing. Fritz Schleich, Unterkodien (Württ),
ist als Erfinder genannt worden

hinter der Anode des Strahlerzeugungssystems eine einfache zur Strahlfokussierung dienende Zylinderlinse anzuordnen. In diesem Fall entsteht in der Fokussierungsebene ein Strichfokus.

Für gewisse Arten der Materialbearbeitung, wie zum Bohren runder Löcher, ist jedoch ein Strichfolcus zunächst nicht brauchbar. Es ist deshalb zweckmäßig, für solche Zwecke zwischen Objekt und Linse ein Drehfeld dergestalt einzuschalten, daß der Strichfokus um den Überkreuzungspunkt der langen und kurzen Achse als Zentrum rotiert.

Die beschriebene, zur Strahlfokussierung dienende Zylinderlinse wird vorteilhaft als elektromagnetische Zylinderlinse ausgebildet. In diesem Fall ist man in der Lage, durch Änderung des Spulenstromes die Länge des in der Fokussierungsebene entstehenden Strichfokus bequem zu variieren. Auf diese Weise ist es möglich, den durch die Anwendung des Drehfeldes entstehenden runden Bohrstrahl in gewissen Grenzen zu variieren und damit den Durchmesser der gewünschten Bohrung einzustellen.

Bei der Herstellung von Fräsungen und Profilbohrungen erfordert aber die Verwendung einer Zylinderlinse mit nachgeschaltetem Drehfeld eine verhältnismäßig umständliche Strahlsteuerung. Es ist deshalb für diesen Zweck vorteilhaft, zwei oder mehrere hintereinandergeschaltete Zylinderlinsen zu verwenden, die einen geeigneten Strahl querschnitt erzeugen. Die Hauptachsen dieser Zylinderlinsen stehen dabei jeweils gekreuzt.

Durch Verwendung mehrerer hintereinander angeordneter Zylinderlinsen gelingt es, auch Strahlen mit sehr hoher Beschleunigungsspannung und großer Apertur mit relativ kleinen Amperewindungszahlen in den einzelnen Bauelementen zu beherrschen. So ergibt sich für die Materialbearbeitung auch bei sehr hohen Intensitäten eine Strahlführung, die technisch leicht zu bewältigen ist.

909 609/359

Claims (1)

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach der Erfindung in schematischer Darstellung, Fig. 2 eine zweizählige Zylinderlinse in Ansicht \*on oben, Fig. 3 den mittels einer Zylinderlinse nach Fig. 2 erzeugten Brennileck eines Ladungsträgerstrahles. Fig. 3 a die Inteiisitiitsverteilung im Brennfleck des Ladungsträgerstrahles längs der Abszisse, Fig. 3 b die Intensitätsverteilung im Brennfleck des Ladungsträgerstrahles längs der Ordinate, Fig. 4 den mittels zweier gekreuzter zweizähliger Zylinderlinsen erzeugten Brennfieck eines Ladungsträgerstrahles, Fig. 5 eine vierzählige Zylinderlinse in Ansicht von oben. Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung zur Erzeugung und Formung eines zur AIaterialbearbeitung dienenden intensitätsreichen Ladungsträgerstrahles dient zur Erzeugung dieses Strahles ein aus einer Kathode 1, einer Wehneltelektrode 2 und einer geerdeten Anode 3 bestehendes Strahlerzeugungssystem. Die Kathode 1 ist dabei vorteilhaft linienförmig ausgebildet, d. h., ihre Ausdehnung senkrecht zur Zeichenebene ist größer als die Ausdehnung in der Zeichenebene. In Strahlrichtung gesehen hinter der Anode 3 sind zur Strahlfokussierung dienende Zylinderlinsen 4 und 5 angeordnet. Eine weitere Zylinderlinse 6 dient zur Erzeugung eines Drehfeldes. Ein mittels des Strahlerzeugungssystems erzeugter Ladungsträgerstrahl 8 wird durch die Zylinderlinsen 4 und 5 so fokussiert, daß in der Ebene des zu bearbeitenden Werkstückes 7 sein Bereich engsten Querschnitts liegt. Die zur Strahlfokussierung dienenden Zylinderlinsen 4 und 5 sind in an sich bekannter Weise hinsichtlich ihres Üffnungsfehlers korrigiert. Eine solche Korrektion kann durch entsprechende Formung der Polschuhe und/oder durch Anbringen von speziell geformten ferromagnetischen Teilen, welche die Verteilung des Feldes im Luftraum zwischen den Polen beeinflussen, bewirkt werden. Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, besteht jede der verwendeten Zylinderlinsen aus vier als gleichseitige Hyperbeln ausgebildeten Polschuhen 9, 18, 16 und 17, welche von elektromagnetischen Spulen 10, 13, 14 und 15 umgeben sind. Das magnetische Feld schließt sich einmal über die zum Durchtritt der Ladungsträger dienende zentrale Öffnung der Linse und zum anderen über einen ferromagnetischen Ring 11. Die ganze Zylinderlinse ist in einem Behälter 12 aus nicht ferromagnetischem Werkstoff eingebettet. Es ist dabei zweckmäßig, die Polschuhe und Spulen der Zylinderlinse in Kunstharz 19 einzugießen. Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, sind die verwendeten Zylinderlinsen so ausgebildet, daß sich ihre Spulen in an sich bekannter Weise in der senkrecht zur Achse des Ladungsträgerstrahles liegenden Ebene befinden. Dadurch wird eine möglichst flache Bauart der Zylinderlinse erreicht, was einmal hinsichtlich der Korrektur von Vorteil ist und was zum anderen einen geringen Platzbedarf der Linse in vertikaler Richtung gewährleistet. Es ist prinzipiell möglich, an Stelle der hier dargestellten elektromagnetischen Zylinderlinsen auch elektrostatische Zylinderlinsen zu verwenden. Die Verwendung elektrostatischer Zylinderlinsen bedingt jedoch, daß zur Fokussierung eines Landungsträgerstrahles hoher Beschleunigungsspannung sehr hohe Spannungen an die Elektroden angelegt werden müssen. Fig. 3 zeigt die Form des fokussierten Ladungsträgerstrahles auf der Oberfläche des Werkstückes 7. Wie man sieht, entsteht an dieser ,Stelle ein Strichfokus 20. In Fig. 3 a ist die Energieverteilung innerhalb des Brennfleckes 20 in Richtung der Abszisse x ίο dargestellt. Wie aus der Kurve 21 hervorgeht, hat diese Energieverteilung nahezu rechteckförmige Gestalt. Dieselben Verhältnisse zeigt Fig. 3 b, in welcher die Kurve 22 die Intensitätsverteilung des Brennfieckes 20 längs der Ordinate ν darstellt. Um den unter Verwendung nur einer Zylinderlinse entstehenden Strichfokus 20 zum Bohren runder Löcher in ein Werkstück 7 geeignet zu machen, wird mittels der Zylinderlinse 6 ein Drehfeld erzeugt, welches den Strichfokus um den Überkreuzungspunkt der langen und kurzen Achse als Zentrum dreht. Es entsteht auf diese Art der in Fig. 3 gestrichelt dargestellte runde Querschnitt 25 des wirksamen Bohrstrahles. Durch einfache Regelung des Spulenstromes gelingt es, die Länge des Strichfokus 20 bequem zu variieren, so daß es also möglich ist, den Durchmesser des Bohrstrahles 25 in gewissen Grenzen zu variieren. Verwendet man zur Strahlfokussierung nicht nur eine Zylinderlinse, sondern beispielsweise, wie in Fig. 1 dargestellt, zwei Zylinderlinsen 4 und 5, so entsteht in der Ebene des Werkstückes 7 ein kleeblattförmiger Brennfleck 23, welcher in Fig. 4 dargestellt ist. Ordnet man an Stelle von nur zwei Zylinderlinsen mehrere Zylinderlinsen hintereinander an, so wird die Gestalt des Brennfleckes mehr und mehr der Kreisform genähert. Man kann also in diesem Fall bei der Materialbearbeitung, insbesondere auch beim Bohren von runden Löchern, auf die ein Drehfeld erzeugende Zylinderlinse 6 verzichten. An Stelle der in Fig. 1 dargestellten beiden zweizähligen Zylinderlinsen 4 und 5 ist es auch möglich, eine vierzählige Zylinderlinse zu verwenden, welche beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist. Wie aus dieser Figur hervorgeht, enthält die vierzählige Zylinderlinse 24 acht Pole und acht elektromagnetische Spulen. Die Polschuhe sind auch in diesem Fall als gleichseitige Hyperbeln ausgebildet, und der übrige Aufbau der Zylinderlinse 24 gleicht vollkommen dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau der Zylinderlinse 4. Durch die dargestellte und beschriebene Einrichtung gelingt es, unter Ausnutzung eines Strahlerzeugungssystems großer Apertur, einen besonders intensitätsreichen Ladungsträgerstrahl zu erzeugen, dessen Intensitätsverteilung im Brennfleck mindestens nahezu rechteckförmig ist. Mit Hilfe eines solchen Ladungsträgerstrahles können verschiedene Arten der Materialbearbeitung, wie Bohren, Fräsen oder Schweißen, ohne weiteres ausgeführt werden. Dabei ist es zur Erzielung eines guten Bearbeitungsergebnisses vorteilhaft, den Ladungsträgerstrahl 8 beispielsweise durch entsprechende Steuerung der Wehneltelektrode 2 des Strahlerzeugungssystems impulsförmig zu steuern. P ATENT A N SPRÜCHE:

1. Einrichtung zur Erzeugung und Formung eines zur Materialbearbeitung dienenden intensitätsreichen Ladungsträgerstrahles mit in Strahlrichtung gesehen hinter der Anode liegender Linse, gekennzeichnet durch ein einen Ladungsträgerstrahl (8) großer Apertur erzeugendes Strahlerzeu-