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Einrichtung zur Bearbeitung von Gegenständen oder Materialien mittels
Ladungsträgerstrahlen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Bearbeitung
von Gegenständen oder Materialien, insbesondere zurr Bohren, Fräsen, zur Wärmebehandlung
oder zur Einleitung einer chemischen Veränderung mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahles.
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Es ist eine Vorrichtung zur Materialverdampfung mittels Ladungsträgerstrahl
bekannt, bei welcher der Gasdruck in dem das zu verdampfende Material enthaltenden
Raum höher gewählt ist als der Gasdruck in dem zur Erzeugung des Ladungsträgerstrahles
dienenden Raum. Zur Vermeidung eines Druckausgleiches sind bei dieser Vorrichtung
zwischen den Räumen verschiedenen Druckes Lochblenden vorgesehen, welche einerseits
zum Durchtritt des Ladungsträgerstrahles und andererseits durch ihren Strömungswiderstand
zu einer Erschwerung des Druckausgleiches dienen.
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Es ist auch bekannt, diese Vorrichtung mit mehreren Lochblenden zu
versehen und die zwischen den Lochblenden gelegenen Räume an Vakuumpumpen anzuschließen.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß der Druck vom Strahlerzeugungsraum zum Bearbeitungsraum
stufenweise ansteigt. Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß der Weg des
Ladungsträgerstrahles, von der ersten Lochblende bis zum Werkstück, d. h. also der
in Räumen höheren Druckes zurückzulegende Weg groß ist. Dabei besteht die Gefahr,
daß infolge der Zusammenstöße zwischen den Ladungsträgern und den Gasmolekülen die
Bündelung des Ladungsträgerstrahles weitgehend aufgehoben wird.
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Es ist auch ein Elektronenmikroskop bekannt, bei welchem der zu vergrößernde
Gegenstand in einem Raum höheren Druckes angeordnet ist. Der in dem unter Hochvakuum
stehenden Strahlerzeugungsraum erzeugte Elektronenstrahl tritt durch eine Lochblende
in den Objektraum aus und gelangt nach Durchdringen des Objektes durch eine weitere
Lochblende in den ebenfalls unter Vakuum stehenden Beobachtungsteil. Hinter den
an den Objektraum grenzenden Lochblenden sind weitere Lochblenden angeordnet. Die
durch diese Blenden gegebenen Räume sind mit Luftpumpen versehen, mittels welcher
die in das Vakuum strömende Luft abgesaugt wird. Auch dieses Elektronenmikroskop
weist den Nachteil auf, daß der Weg des Elektronenstrahles durch die Räume höheren
Druckes groß ist.
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Die Einrichtung nach der Erfindung vermeidet diese Nachteile und bringt
eine Reihe von Vorteilen mit sich, welche die Bearbeitung von Gegenständen oder
Materialien, insbesondere das Bohren, Fräsen, die Wärmebehandlung oder die Einleitung
einer chemischen Veränderung mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahles in Räumen praktisch
beliebigen Druckes erlauben. Die neue Einrichtung zeichnet sich gemäß der Erfindung
durch die Verwendung eines aus konisch ineinandergeschachtelten Zwischendruckkammern
bestehenden Druckstufensystem aus, mittels dessen der Ladungsträgerstrahl aus einem
hochevakuierten Erzeugungsraum in einen unter höherem Druck stehenden Bearbeitungsraum
ausgeschleust und auf die zu bearbeitenden Gegenstände gelenkt wird.
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Dieser Aufbau bringt den Vorteil mit sich, daß bei geringsten Pumpwiderständen
in Richtung der an die Zwischendruckkammern angeschlossenen Vakuumpumpen die Durchlaufstrecke
des Ladungsträgerstrables in den Kammern erhöhten Druckes sehr kurz ist. Dadurch
kann die auswertbare Länge des Ladungsträgerstrahles im Bearbeitungsraum groß gehalten
werden, ohne daß die Strahlfokussierung in störender Weise beeinflußt wird. Dies
ist insbesondere für die Bearbeitung von Gegenständen größerer Ausdehnung in Richtung
des Ladungsträgerstrahles wichtig.
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Von großem Vorteil ist es, die Zwischendruckkammern, insbesondere
die diese Kammern trennenden Strömungsdrosselblenden mit einer künstlichen Kühlung
zu versehen. Dadurch wird erreicht, daß Aufheizungen der Blendenränder durch den
Ladungsträgerstrahl und eventuelle Aufschmelzungen dieser Ränder mit Sicherheit
vermieden werden. Weiterhin
wird eine Aufheizung -des durch die
Strömungsdrosselblenden in die Zwischendruckkammern eintretenden Gasstromes verhindert.
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Es ist zweckmäßig, . Teile der zur elektronenoptischen Bündelung des
im Hochvakuumraum erzeugten Ladungsträgerstrahles dienenden Mittel als Zwischendruckkammern
oder Teile von solchen auszubilden. Beispielsweise ist es möglich, Teile einer zur
Stahlfokussierung dienenden magnetischen Linse als Zwischendruckkammern auszubilden
und dadurch eine wesentliche Platzeinsparung zu erzielen.
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Bei einem unter Verwendung der Einrichtung nach der Erfindung aufgebauten
Gerät können im Bearbeitungsraum ohne Rücksicht auf irgendwelche Vakuumschwierigkeiten
beliebige Vorgänge ablaufen. Beispielsweise kann das Bohren von Diamanten in Gegenwart
atmosphärischer Luft durch örtliches Erhitzen mittels des Ladungsträgerstrahles
durchgeführt werden, wobei der Kohlenstoff des Diamanten mit dem in der Luft vorhandenen
Sauerstoff reagiert. Auf diese Weise wird die Bearbeitungstemperatur wesentlich
herabgesetzt.
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Es besteht auch die Möglichkeit, die Behandlung von Materialien in
einer gewünschten Gasatmosphäre, welche beispielsweise mit dem Material unter Erhitzung
durch den Ladungsträgerstrahl eine chemische Reaktion eingehen soll, durchzuführen,
und zwar bei jeder geeigneten Höhe des Gasdruckes. Als Beispiel kommt die Reaktion
zwischen Eisen, Kobalt oder Nickel mit Kohlenmonoxyd in Betracht, wobei sich die
gasförmigen Reaktionsprodukte bilden.
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Die Einrichtung nach der Erfindung ermöglicht es auch, bei sehr gut
wärmeleitenden Materialien die Umgebung der vom Ladungsträgerstrahl hocherhitzten
Stellen mit Hilfe eines Gasstromes, der diese Stellen umspült, zu kühlen und so
ein unerwünschtes Aufschmelzen von Bereichen, welche nicht bearbeitet werden sollen,
zu verhindern. Es ist ferner die Möglichkeit gegeben, auch Flüssigkeiten an die
Bearbeitungsstellen heranzubringen und dadurch Kühlwirkungen oder aber chemische
Reaktionswirkungen zu erzeugen.
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Ein gemäß der Erfindung aufgebautes Gerät bietet auch die Möglichkeit,
gewisse Bearbeitungen im Luftraum, d. h. praktisch außerhalb des Ladungsträgerstrahlgerätes
durchzuführen. Hierfür kommen beispielsweise Schneidvorgänge an großen Platten oder
an kontinuierlich durchlaufendem Material in Betracht. Weiterhin ist es möglich,
organische Substanzen, lebende Körper und ähnliches der Bestrahlung durch Ladungsträgerstrahlen
auszusetzen und chemische Umsetzungen, radioaktive Reaktionen und Vorgänge zum Zwecke
einer medizinisch-therapeutischen Behandlung auszulösen. Beispielsweise kann unter
Verwendung von Elektronen Röntgenstrahlung in der normalen Luftatmosphäre an geeignet
angebrachten Antikathoden erzeugt werden, und es können auf diese Weise zu untersuchende
Gegenstände der die Röntgenstrahlung aussendenden Quelle bequem und beliebig genähert
und gegebenenfalls mit ihr in Kontakt gebracht werden.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden
Fig.1 und 2 näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine Einrichtung nach der Erfindung
in schematischer Darstellung, Fig. 2 eine Ausführungsform einer gekühlten Strömungsdrosselblende.
Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung enthält eine Ladungsträgerstrahlquelle 1,
welche aus einer Fernfokuskathode besteht. Die Strahlquelle befindet sich in einem
gegenüber der übrigen Apparatur mechanisch justierbaren Gehäuse 2, welches
mit dem Einführungsisolator 2' verbunden ist. An das Gehäuse 2 schließt sich vakuumdicht
ein Gehäuse 3 an, welches zwei Blenden 4 und 5 zur weiteren Formgebung des Elektronenstrahles
32 enthält. Das Gehäuse 3 ist vakuumdicht auf das Gehäuse einer elektromagnetischen
Linse 6 aufgesetzt, deren obere Polschuhe mit 7 und deren untere Polschuhe mit 8
bezeichnet sind.
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Der unter Hochvakuum stehende Raum ist mit 9 bezeichnet. An diesen
Raum schließt sich eine Kammer 10 an, welche mit weiteren Kammern 11 und 12 in Verbindung
steht. Die Kammern 10 und 11 stellen Zwischendruckkammern dar, welche zwischen der
unter Atmosphärendruck liegenden Bearbeitungskammer 12 und dem Vakuumraum 9 ein
Druckgefälle in solcher Weise aufrechterhalten, daß eine unerwünschte Diffusion
des Elektronenstrahles vermieden wird.
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An das Gehäuse 3 und an das Gehäuse der elektromagnetischen Linse
6 ist über eine Verteilerleitung 13 und die Anschlüsse 14 und 15 eine zur Herstellung
des Hochvakuums bestimmte öldiffusionspumpe 16 angeschlossen. In der Zwischendruckkammer
10 soll als erste Druckzwischenstufe ein Druck von etwa 1.0-1 bis10-2 mm. Hg aufrechterhalten
werden. Hierzu dient die über eine Anschlußleitung 17 angeschlossene Öldampfstrahlpumpe
18. In der Kammer 11 sei ein Druck von etwa 1 bis 10 mm Hg aufrechtzuerhalten, wozu
die über eine Anschlußleitung 19 angeschlossene rotierende Ölpumpe 20 dient.
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Die Zwischendruckkammern 10 und 11 sind mit Strömungsdrosselblenden
22 bzw. 23 versehen. Der Vakuumraum 9 ist mit der Kammer 10 durch eine Blende 21
verbunden, welche mit einem verhältnismäßig langen Diffusionskanal 21' versehen
ist. Dieser Diffusionskanal, der in der Darstellung der Fig. 1 als rohrförmiger
Einsatz in die Blende 21 gezeichnet ist, ist zweckmäßig der hier herrschenden Ladungsträgerstrahlform,
beispielsweise der Kegelmantelform angepaßt. Dadurch wird erreicht, daß durch den
rohrförmigen Einsatz 21' der Austritt des Ladungsträgerstrahles nicht behindert
wird; während der Diffusionskanal einen möglichst hohen Strömungswiderstand für
das durch ihn einströmende Gas darstellt.
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Bei der Blende 22 kann eine ähnliche Formgebung vorgesehen sein, wobei
hier jedoch die Durchmesser der Bohrungen wegen der höheren Gasdrucke schon kleiner
sein können und die Länge des Bohrkanals einen geringeren Einfluß auf den Strömungswiderstand
besitzt.
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Die Blende 23 wird zweckmäßig verhältnismäßig nahe an die Bearbeitungsstelle
33 herangelegt, an welcher der Ladungsträgerstrahl 32 auf den zu bearbeitenden Gegenstand
24 auftrifft. In dem hier dargestellten Beispiel handelt es sich um die Bearbeitung
einer Stahlplatte 24; welche auf einer ringförmigen Auflage 25 in der Kammer 12
angeordnet ist. Es mag sich beispielsweise um die Herstellung von Spinndüsen handeln.
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Zum Bearbeiten eines bestimmten Materials ist je nach den Materialeigenschaften
eine bestimmte Ladungsträgerstrahlintensität nötig. Es ist daher erforderlich, einen
Ladungsträgerstrahl der gewünschten
Intensität und Form durch die
Blenden 21, 22, 23 hindurch auf den zu bearbeitenden Körper 24 zu schicken. Nach
dem Helmholzschen Satz ist die auf dem Körper 24 erreichbare Stromdichte
bei gegebener Stromdichte der den Strahl aussendenden Ladungsträgerstrahlquelle
1 eine Funktion der Ausdehnung dieser Ladungsträgerstrahiquelle und damit
des Einstrahlungswinkels auf den Körper 24. Bei einem bestimmten, gewünschten Querschnitt
des Elektronenstrahles an der Bearbeitungsstelle ist der benötigte Durchmesser der
Blenden 21, 22 und 23 durch den hierzu nötigen Einstrahlungswinkel gegeben. Der
Einstrahlungswinkel bzw. die Strahlform zwischen den Polschuhen 7 und 8 kann durch
die Blenden 4 und 5 sowie die Brennweite der magnetischen Linse festgelegt werden.
Die ausreichende Strömungsdrosselung hat in der oben angedeuteten Weise mit Hilfe
der Blenden 21 und 22 sowie 23 zu erfolgen. Um die erforderlichen Drücke in den
Kammern: 9, 10, 11 und 12 zu erhalten, sind dann Pumpen vorzusehen, die eine für
die Gaszulaufmengen ausreichende Pumpleistung aufweisen.
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Es kann unter Umständen zweckmäßig sein, auch in Strahlbereichen,
welche oberhalb des bündelnden Bereiches der magnetischen Linse liegen, Druckkammern
vorzusehen. Zu diesem Zweck ist es möglich, Teile der magnetischen Linse 6, beispielsweise
die Polschuhe 7 und 8 so auszubilden, daß sie zwischen sich eine Zwischendruckkammer
einschließen. In der Fig. 1 ist bereits der Polschuh 8 schematisch kombiniert
mit der Abschlußblende 21, 21' der Zwischendruckkammer 10 angedeutet.
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Die Strömungsdrosselblende 23 kann als sehr feiner Kanal ausgebildet
werden. Um besonders günstige Drosseleigenschaften im Verhältnis zum Energiedurchlaß
für den Ladungsträgerstrabl zu schaffen, kann vorteilhaft der Kanal dieser Strömungsdrosselblende
durch Bohren mittels des Ladungsträgerstrahles selbst hergestellt werden, so daß
sich die Form des Kanals eng an die Form des Ladungsträgerstrahles anpaßt. Damit
wird ein Optimum an Energiedurchlaß bei höchstmöglicher Strömungsdrosselung erzielt.
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Die einzelnen Kammern sind kegelförmig, nach unten zu konisch verjüngt,
derart ineinandergeschachtelt, daß es bei geringsten Pumpwiderständen in Richtung
zu den Pumpstutzen 15, 17 und 19 eine möglichst geringe Durchlaufstrecke für den
Ladungsträgerstrahl in den Kammern erhöhten Druckes erzielt wird.
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Da bei der Bearbeitung des Materials 24 eine Temperaturerhöhung
und damit eine Aufheizung des durch die Blende 23 in die Kammer
12 eintretenden Gasstromes eintritt, werden zweckmäßig die Kammern 9, 10,
11 und 12 sowie die Blenden 21, 22, 23 insgesamt mittels geeigneter Kühlmittel auf
niedrige Temperaturen gekühlt. Ferner ist die Kühlung wegen der durch den Ladungsträgerstrahl
möglicherweise erfolgenden Aufheizung der Blendenränder günstig. Auf diese Weise
kann unter Umständen mit erheblich verminderten Pumpleistungen gearbeitet werden.
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Fig. 2 zeigt als Beispiel eine bevorzugte Ausführungsform einer gekühlten
Strömungsdrosselblende. Die Blende besteht aus einem tellerförmigen, kreisrunden
Metallkörper 26, welcher eine konische Ausdrehung 27 besitzt. Zusammen mit
einem um diese Ausdrehung gelegten und mit dem Körper 26 verlöteten Ring
28 bildet die Ausdrehung27 eine ringförmige Kühlleitung, welche über geeignete Anschlußstutzen
29 und 30 mit Kühlflüssigkeit beschickt wird. Ferner können auf beiden Seiten der
Strömungsdrossel Lamellen 31 angebracht sein, welche radial zur Achse der Bohrung
in der Strömungsdrossel stehen und so den Luftstrom, welcher in die Strömungsdrossel
eintritt und aus ihr wieder heraustritt, bei geringster Erhöhung des Pumpwiderstandes
kühlen.
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Unter Umständen kann es erforderlich sein, das mittels Ladungsträgerstrahl
zu bearbeitende Material unter die normale Zimmertemperatur abzukühlen. Dies kann
dadurch geschehen, daß das Material in gutem Wärmeleitungskontakt auf Auflageflächen
angeordnet wird, die mit Hilfe durchfließender Medien gekühlt werden. Weiterhin
ist es in manchen Fällen günstig, den zu bearbeitenden Gegenstand selbst mit Kühlflächen
zur Wärmeabstrahlung oder Bohrungen zum Hindurchleiten kühlender Flüssigkeiten zu
versehen.