DE1514781B2 - Elektronenstrahl-Erzeugungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahl-Erzeugungssystem für hohe Strahlspannungen, bei dem die hochspannungsführenden Teile eines Elektrodensystems von einem Gefäß umgeben sind, dessen Innenwände als Isolierkörper ausgebildet sind und die hochspannungsführenden Teile zumindest teilweise mit Ab

stand umgeben.

Bei bekannten Elektronenstrahl-Erzeugungssystemen für hohe Strahlspannungen sind die hochspannungsführenden Teile des Elektronenstrahlsystems durch Vakuumstrecken oder Isolator-Kriechstrecken von den auf Erdpotential liegenden oder von außen zugänglichen Teilen isoliert. Insbesondere ist der Abstand zwischen den hochspannungsführenden Teilen und dem normalerweise metallischen Vakuumgehäuse an allen Stellen so groß, daß ein elektrischer Überschlag zum Gehäuse mit Sicherheit nicht auftreten kann. Halterungen für die hochspannungsführenden Teile sitzen in Isolatoren, die eine große Oberflächen-Kriechstrecke zwischen diesen Halterungen und den geerdeten Teilen, auf denen die Isolatoren aufgebaut sind, aufweisen. Bei den bekannten Elektronenstrahl-Erzeugungssystemen ergeben sich bei der Verwendung hoher Strahlspannungen, etwa in der Größenordnung 100 kV, erhebliche Abmessungen, die beim praktischen Einsatz sehr hinderlich sein können. Besonders störend sind die großen Gehäusedurchmesser, die sich aus den notwenigen Abständen zwischen Elektronenstrahl-Erzeugungssystem und Gehäuse-Innenwand ergeben.

Ein Elektronenstrahl-Erzeugungssystem der eingangs genannten Art ist aus der DT-PS 8 92 348 bekannt. Bei diesem Strahlerzeugungssystem ist die Kathode des Elektrodensystems auswechselbar, wobei der Kathodenhalter als Stecker ausgebildet ist. Ein Kathodenwechsel ist jedoch bei dem bekannten Gerät insofern recht umständlich und zeitraubend, als jedes Mal der Wehnelt-Zylinder ausgebaut werden muß, um an die Kathodenhalterung heranzukommen. Insbesondere muß im Fall eines Kathodenwechsels der gesamte Strahlerzeugerkopf vom zugehörigen Korpuskularstrahlapparat getrennt werden.

Ausgehend von dem bekannten Strahlerzeugungssystem liegt nun der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System mit verhältnismäßig kleinen Abmessungen anzugeben, bei dem die Kathode in einfaeher Weise ausgewechselt werden kann, ohne daß die Halterung des Wehnelt-Systems gelöst werden müßte. Nach der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß der Isolierkörper im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist, daß ein die Außenfläche des Isolierkörpers bedeckender, geerdeter elektrischer Leiter vorgesehen ist, daß das Kathodensystem im Innern des Isolierkörpers so angeordnet ist, daß eine in Strahlrichtung hinter dem Kathodensystem liegende hintere Kammer und eine zwischen dem Kathodensystern und der Anode liegende vordere Kammer gebildet werden, und daß die hintere Kammer mit einem aus Isoliermaterial bestehenden lösbaren Deckel versehen ist, der eine metallische Abdeckung aufweist.

Die erfindungsgemäße Ausbildung besitzt den wesentlichen Vorteil, daß das Auswechseln der Kathode nach dem öffnen der hinteren Kammer sehr einfach vorgenommen werden kann, wobei eine einmal durchgeführte genaue Ausrichtung des im Isolierkörper befestigten Wehnelt-Systems erhalten bleibt.

Bei dem nach der Erfindung ausgebildeten Elektronenstrahl-Erzeugungssystem wird im übrigen die verhältnismäßig große Durchschlagfestigkeit des Isolierkörpers ausgenutzt, so daß zwischen den hochspannungsführenden Teilen und den im wesentlichen auf Erdpotential liegenden Teilen eine erhebliche Verkleinerung des Isolationsweges möglich ist. Insbesondere werden bei dem erfindungsgemäßen Elektronenstrahl-Erzeugungssystem die für den Isolierkörper verwende-

ten Isolierstoffe nicht nur nach dem Gesichtspunkt ausgebildet, daß ein möglichst großer Kriechweg auf der Oberfläche der Isoüerstoffteile vorhanden ist, sondern bewußt auch senkrecht zu ihrer Oberfläche mit einer elektrischen Feldstärke belastet, die einen erheblichen Bruchteil der Durchschlagfeldstärke betragen kann.

Gemäß einer Weiterbildung des Elektronenstrahj-Erzeugungssystems nach der Erfindung wird das Kathodensystem von dem Isolierkörper getragen.

Vorzugsweise werden dem Kathodensystem die auf hohem Potential gegen Erde befindlichen Betriebsspannungen über Leitungen zugeführt, die den Isolierkörper durchsetzen.

Nach einer Weiterbildung des Elektronenstrahl-Erzeugungssystems nach der Erfindung kann dieses so ausgebildet sein, daß die elektrische Mitte des Kriechweges auf der dem Elektrodensystem zugewandten Fläche des Isolierkörpers der elektrischen Mitte des Beschleunigungssystems etwa gegenüber liegt. Durch diese Gestaltung des Aufbaues des Elektronenstrahl-Erzeugungssystems wird erreicht, daß die elektrische Belastung des Isolierkörpers zumindest in der Nähe der elektrischen Mitte der Beschleunigungsstrecke etwa nur die Hälfte der gesamten Potentialdifferenz zwischen den hochspannungsführenden und geerdeten Teilen beträgt.

Gemäß weiterer Ausgestaltung des Elektronenstrahl-Erzeugungssystems nach der Erfindung kann der Isolierkörper derart geformt sein, daß die vom Kriechweg bestimmten Oberflächenpotentiale der dem Elektrodensystem zugewandten Fläche des Isolierkörpers mit den auf dieser Fläche durch die Geometrie der Metallteile bestimmten Potentialen möglichst weitgehend übereinstimmen. Durch diese Gestaltung des Isolierkörpers werden die Einflüsse, die bei etwaigen Veränderungen der Oberflächenbeschaffenheit des Isolierkörpers von der dabei entstehenden Veränderung der Ladungsverteilung auf die Strahlgeometrie ausgeübt werden, weitgehend herabgesetzt.

Gemäß weiterer Ausgestaltung des Elektronenstrahl-Erzeugungssystems nach der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die sich im Betrieb erwärmenden Metallteile eine so große Berührungsfläche mit dem sie tragenden Isolierkörper haben, daß der Isolierkörper die ihm aus den Metallteilen zufließenden Wärmeströme abführen kann, ohne daß die Berührungsstellen zwischen den Metallteilen und dem Isolierkörper sich auf eine Temperatur erwärmen, die dem Material des Isolierkörpers schädlich ist.

Zur näheren Erläuterung des Elektronenstrahl-Erzeugungssystems nach der Erfindung und seiner Vorteile dient die folgende Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.

F i g. 1 zeigt schematisch einen Axialschnitt durch den oberen Teil eines Elektronenstrahl-Erzeugungssystems, und

F i g. 2 erläutert schematisch in vergrößerter Darstellung eine Gestaltung des Isolierkörpers, ebenfalls in einem Axialschnitt.

Das in F i g. 1 schematisch dargestellte Elektronenstrahl-Erzeugungssystem enthält ein Gefäß 1, das einen Teil des Vakuumgehäuses darstellt und im wesentlichen aus einem hohlzylindrischen Isolierkörper 5 besteht, auf dessen Außenseite 2 ein geerdeter elektrischer Leiter 3 in Form einer Blech-Ummantelung vorgesehen ist. Die Ummantelung 3 kann beispielsweise mit Hilfe von Spannbändern 30 auf den Isolierkörper 5 aufgezogen sein.

Im Inneren des wesentlich hohlzylindrischen Gefäßes 1 ist das Kathodensystem angeordnet, das sämtliche hochspannungsführenden Teile umfaßt; die Innenwand 4 des Gefäßes liegt verhältnismäßig dicht an dem Kathodensystem 7, 8, so daß die elektrische Isolierung zwischen dem Kathodensystem und der metallischen Umhüllung 3 im wesentlichen von der Durchschlagfestigkeit des Isolierkörpers 5 bestimmt wird. Das Kathodensystem 7, 8 ist mit Hilfe eines Tragringes 6 am Isolierkörper 5 befestigt. Der Tragring 6 kann beispielsweise, wie dargestellt, in den Isolierkörper eingegossen sein. Zu diesem Zweck kann der Isolierkörper an den Befestigungsstellen des Tragringes 6 Verstärkungen 35 aufweisen, in welchen die zweckmäßigerweise als Verankerungen ausgebildeten und aus elektrischen Gründen abgerundeten Randteile 34 des Tragringes 6 eingegossen sind. Die Berührungsfläche zwischen den Randteilen 34 und dem Isolierkörper 5 wird so groß gewählt, daß der vom Kathodensystem im Betrieb über den Tragring 6 abfließende Wärmestrom die Berührungsstellen mit dem Isolierkörper 5 nicht so hoch erwärmen kann, daß das Material, aus dem der Isolierkörper 5 besteht, in seinen Eigenschaften beeinträchtigt wird. Das Kathodensystem besteht bei der dargestellten Ausführungsform aus einer Wehneltelektrode 7, in deren Steueröffnung die V-förmige Kathode 8 liegt. Die Kathode 8 ist in einer Kathodenhalterung 32 befestigt, die mit seitlichen Isolieransätzen 36 in (nicht dargestellten) Führungsbahnen der Wehneltelektrode 7 in vorbestimmter Lage relativ zur Wehneltelektrode einsitzt. Am oberen Ende ist die Kathodenhalterung 32 mit Verankerungsmitteln versehen, die mit einem (nicht dargestellten) Schlüssel für das Herausnehmen und Einsetzen der Kathodenhalterung in Eingriff treten können. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 sind als Verankerungsmittel einfache Bajonettschlitze 33 angedeutet; selbstverständlich können auch andere Vorrichtungen zum Herstellen eines Eingriffs zwischen der Kathodenhalterung und einem Schlüssel verwendet werden.

In dem Tragring 6 sind Pumpöffnungen 9 vorgesehen, damit in den oberhalb und unterhalb des Kathodensystems liegenden Kammern 14 und 15 im wesentlichen gleiche Drücke herrschen.

Wie sich aus der F i g. 1 ergibt, wird bei der dort dargestellten Ausführungsform das Kathodensystem 7, 8 von dem als Vakuumgehäuse dienenden Isolierkörper 5 getragen. Das obere Ende des Gefäßes 1 ist mit einem lösbaren Deckel 12 versehen, der ebenfalls aus Isoliermaterial besteht und einen zur Innenfläche 4 des Isolierkörpers 5 passenden Randabsatz 16 sowie eine metallische Abdeckung 13 aufweist. Die Abdeckung 13 kann mittels Schrauben 29 an dem Deckel 12 angeschraubt sein. Die Abdichtung zwischen dem Isolierkörper 5 und dem Deckel 12 erfolgt durch eine Ringdichtung 17.

Das untere Ende des Isolierkörpers 5 ist mit einem Flansch 25 versehen und mit diesem Flansch 25 an einer Anodenplatte 11 um einen Flansch 26 eines nach unten anschließenden weiteren Gehäuseteiles 20 mittels Schrauben 27 verschraubt. Um eine genaue Ausrichtung des Gefäßes 1, des Anodenringes 11 und des unteren Gehäuseteiles 20 sicherzustellen, können Paßstifte 24 vorgesehen sein. Die Abdichtung zwischen den genannten Teilen erfolgt wiederum durch Ringdichtungen 22 und 23. Die an den unteren Gehäuseteil 20 anschließenden und in diesem Gehäuseteil untergebrachten Teile sind in der F i g. 1 nicht dargestellt. Es kann sich dabei beispielsweise um elektronenoptische Syste-

me und Vorrichtungen zur Strahlablenkung sowie Bearbeitungsräume handeln.

Die Anodenplatte 11 besitzt Pumpöffnungen 18 und einen mittleren Anodenwulst 10. Unmittelbar unterhalb der Anodenplatte 11 kann an dem vom Gehäuseteil 20 umschlossenen Raum 19 ein (nicht dargestelltes) Blendensystem angebracht sein, das einen Durchtritt von verdampftem Material aus den Bearbeitungsräumen in die Innenräume 14 und 15 des Elektronenstrahl-Erzeugungssystems verhindert. Die Evakuierung des Gefäßes 1 erfolgt vom Raum 19 bzw. den daran anschließenden Räumen her durch die Anodenöffnung und die Pumpöffnungen 9 und 18.

Wie aus der F i g. 1 ersichtlich, gliedert das Kathodensystem 7, 8 das Innere des Isolierkörpers 5 in eine hintere Kammer 14 und eine vordere Kammer 15; die hintere Kammer 14 kann durch Abnehmen des Deckels 12 geöffnet werden. Durch die entstandene Öffnung können dann Werkzeuge, Kathoden u. dgl. in das Innere des Isolierkörpers 5 und in das Innere der nach oben offenen becherförmigen Wehneltelektrode 7 eingeführt werden.

In den F i g. 1 und 2 ist die elektrische Mitte des Beschleunigungsweges zwischen der Kathode 8 und der Anode 10 durch die gestrichelte Linie 28 angedeutet. Man erkennt, daß bei der in den Figuren gewählten Anordnung diese Linie 28 die Innenfläche 4 des Isolierkörpers 5 etwa auf halbem Weg zwischen dem Tragring 6 und dem Anodenring 11 schneidet, so daß die elektrische Mitte des Beschleunigungsweges etwa der elektrischen Mitte des Kriechweges zwischen dem auf Hochspannung liegenden Anodenring 11 radial gegenüberliegt. Die sich auf der Innenfläche 4 des Isolierkörpers 5 im Betrieb ausbildenden Oberflächenpotentiale beeinflussen die Lage des erzeugten Elektronenstrahls. Bei der in F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist die Ladungsverteilung auf der Fläche 4 im wesentlichen zeitlich konstant, da Kriechpotential und geometrisches Potential übereinstimmen.

Die Zuführung der auf hohem Potential gegen Erde liegenden Betriebsspannungen zum Kathodensystem erfolgt über (nicht dargestellte) Leitungen, die vorzugsweise den Isolierkörper etwa radial durchsetzen und beispielsweise mittels einer Hochspannungs-Steckkupplung, die am Außenmantel 3 befestigt sein kann, an Versorgungsleitungen angeschlossen sind.

In F i g. 2 ist schematisch erläutert, daß der Kriechweg auf der Innenfläche 4 des Isolierkörpers 5 in vorbestimmter Weise verändert, beispielsweise durch die Einfügung von Wellen 91 und 92 in der Nähe des Tragringes 6 verlängert sein kann. Durch derartige oder ähnliche Maßnahmen läßt sich erreichen, daß die vom Kriechweg bestimmten Oberflächenpotentiale der dem Elektrodensystem zugewandten Fläche des Isolierkörpers mit den auf dieser Fläche durch die Geometrie der Metallteile bestimmten Potentialen möglichst weitgehend übereinstimmen. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, daß gegenseitige Beeinflussungen des Elektronenstrahls und der Ladungsverteilung auf der Fläche 4 auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahl-Erzeugungssystem für hohe Strahlspannungen, bei dem die hochspannungführenden Teile eines Elektrodensystems von einem Gefäß umgeben sind, dessen Innenwände als Isolierkörper ausgebildet sind und die hochspannungsführenden Teile zumindest teilweise mit Abstand umgeben, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (5) im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist, daß ein die Außenfläche (2) des Isolierkörpers (5) bedeckender, geerdeter elektrischer Leiter (3) vorgesehen ist, daß das Kathodensystem (7, 8) im Innern des Isolierkörpers (5) so angeordnet ist, daß eine in Strahlrichtung hinter dem Kathodensystem (7, 8) liegende hintere Kammer (14) und eine zwischen dem Kathodensystem (7, 8) und der Anode (10) liegende vordere Kammer (15) gebildet werden, und daß die hintere Kammer (14) mit einem aus Isoliermaterial bestehenden lösbaren Deckel (12) versehen ist, der eine metallische Abdeckung (13) aufweist.

2. Elektronenstrahl-Erzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodensystem (7,8) von dem Isolierkörper (5) getragen wird.

3. Elektronenstrahl-Erzeugungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kathodensystem (7, 8) die auf hohem Potential gegen Erde befindlichen Betriebsspannungen über Leitungen zugeführt werden, die den Isolierkörper (5) durchsetzen.

4. Elektronenstrahl-Erzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Mitte des Kriechweges auf der dem Elektrodensystem zugewandten Fläche des Isolierkörpers (5) der elektrischen Mitte (28) der Beleuchtungsstrecke etwa gegenüberliegt.

5. Elektronenstrahl-Erzeugungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (5) derart geformt ist, daß die vom Kriechweg bestimmten Oberflächenpotentiale der dem Elektrodensystem zugewandten Fläche (4) des Isolierkörpers (5) mit den auf dieser Fläche durch die Geometrie der Metallteile (3, 7, 10, 11) bestimmten Potentialen möglichst weitgehend übereinstimmen.

6. Elektronenstrahl-Erzeugungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sich im Betrieb erwärmenden Metallteile (6) eine so große Berührungsfläche mit dem sie tragenden Isolierkörper (5) haben, daß der Isolierkörper (5) die ihm aus den Metallteilen (6) zufließenden Wärmeströme abführen kann, ohne daß die Berührungsstellen zwischen den Metallteilen (6) und dem Isolierkörper (5) sich auf eine Temperatur erwärmen, die dem Material des Isolierkörpers (5) schädlich ist.