DE1087723B

DE1087723B - UEberdruckschutzkammer fuer eine Korpuskularstrahl-Druckstufenstrecke

Info

Publication number: DE1087723B
Application number: DEH14986A
Authority: DE
Inventors: Dr Albert Lorenz
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1953-01-09
Filing date: 1953-01-09
Publication date: 1960-08-25
Also published as: GB749567A; FR1095621A; CH317283A; US2786156A

Description

DEUTSCHES

Es sind neuerdings Korpuskularstrahleinrichtungen bekanntgeworden, die an Stelle ■ materieller Fenster in Form dünner Metallfolien eine Druckstufenstrecke besitzen, um die in an sich bekannter Weise bei niedrigen Drucken in dem Apparat erzeugten und gebündelten Elektronen- und Ionenstrahlen unter Vermeidung der bei starren, materiellen Fenstern unvermeidlich auftretenden Streuverluste und Erwärmungen aus dem Erzeugungsraum in Räume normalen Druckes herausführen zu können, Diese Strahlen stehen dann für. elektronen- und ionenoptische Zwecke, zur Ingangsetzung und Steuerung chemischer Reaktionen oder für vielerlei andere Anwendung zur Verfügung. Die Druckstufenstreckebesteht aus einer Reihe in Strahlrichtung hintereinandergeschalteter Kammern mit steigendem Gasdruck, deren Trennwände dünne Bohrungen oder Düsen besitzen, um den ungeschwächten Durchtritt des Korpuskularstrahl möglich zu machen. Die durch die feinen Düsen noch in die jeweils nächste Kammer mit niedrigerem Druck eindringenden geringen Gasmengen werden abgesaugt, zu welchem Zweck jede der. Druckstufenkammern an Vakuumpumpen angeschlossen .ist.

Es hat sich bei derartigen Einrichtungen als sehr störend erwiesen, daß aus dem vor der Druckstufenstrecke angeordneten, unter einem höheren, beispielsweise atmosphärischen Druck stehenden Reaktionsraum Gase, Dämpfe oder staubförmige Reaktionsprodukte durch die feinen .Düsenöffnungen in die hintereinandergescbalteten Druckstufenkammern eindringen und bis zur Strahlenquelle gelangen können. Diese Verunreinigungen können nicht nur zu chemischen, für die Strahlenquelle schädlichen Nebenwirkungen Anlaß gehen, sondern auch Verstopfungen oder Erweiterungen der feinen Düsen verursachen. Hierbei ist natürlich die äußerste, engste Düse am anfälligsten, und besonders dann, wenn Reaktionsprodukte sich an den Düsenwandungen festsetzen oder mit dem Metall der Düsenwandung reagieren, deren. Oberfläche auflockern und ausweiten. Schließlich können auf diese Weise auch Teile wertvoller Reaktionspartner, auf die der herausgeführte Korpuskularstrahl einwirken soll, verlorengehen. Bei den-Druckstufen strecken jedenfalls, die nach bekannten Vorschlägen entweder zur Abbildung von Gegenständen auf elektronenoptischer oder ionenoptischer Grundlage oder zur Umsetzung der von solchen Strahlen mitgeführten Energie und Auslösung von thermischen und mechanischen Reaktionen benutzt werden sollten, fehlten Maßnahmen, um einen Austausch des Gasinhaltes zwischen der Arbeitskammer und den Druckstufenkammern zu verhindern. Bei einer bekannten Anordnung, die ebenfalls mit einer Druckstufeneinrichtung versehen ist, Uberdruckschutzkammer für eine
Korpuskularstrahl-Druckstufenstrecke

Anmelder:

W. C. Heraeus

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
Hanau/M., Heraeusstr. 12/14

Dr. Albert Lorenz, Hanau/M._r
ist als Erfinder genannt worden

befindet sich die nicht geheizte, also statt durch thermische Emission durch eine Gasentladung betriebene Kathode in einer Kammer, der dauernd durch eine Öffnung frisches Gas zugeführt und durch eine andere Öffnung wieder abgepumpt wird. Infolge des höheren Gasdruckes, der im Kathodenraum besteht gegenüber dem benachbarten Druckstufenraum, können schädliche Stoffe in den Kathodenraum nicht überströmen. Bei Korpuskularstrahlerzeugern, die im Hochvakuum betrieben werden, ist diese Maßnahme nicht anwendbar.

Das Eindringen von Staub in einen nicht völlig abgeschlossenen Raum hat man bereits-dadurch verhütet, daß man in dem betreffenden Raum durch Zufuhr staubfreier Luft ständig einen -Überdruck erzeugt, der bewirkt, daß in den vorhandenen öffnungen des Raumes eine ständig nach.außen gerichtete Strömung besteht, die-das Eindringen staubhaltiger Luft ausschließt. Wollte man entsprechend beispielsweise das Eindringen von Staub durch die äußerste Düse der Korpuskularstrahlapparatur aus dem im Außenraum unter Atmosphärendruck -liegenden Bearbeitungsraum verhindern, so müßte der Innenraum hinter der betreffenden Düse einen wenigstens um einen kleinen Betrag höheren Druck, also mehr als eine Atmosphäre aufweisen.

Ein hoher Druck bedeutet aber für Korpuskularstrahlen starke Verluste, so daß dieser bekannte Gedanke an sich noch nicht dazu führen konnte, Korpuskularstrahlapparate betriebssicher zu machen. Offenbar glaubte man, bei der dynamischen Druckstufenstrecke, die ja gerade durch das Fehlen von festen, kompakten und vollkommen dichten Trennwänden zwischen Kammern verschiedenen Druckes gekenn-

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zeichnet ist, einen Austausch des Gasinhaltes des Reaktionsraumes durch die zum Durchlaß der Ladungsträgerstrahlen dienenden öffnungen hindurch in Kauf nehmen zu müssen und keine Möglichkeit einer völligen Abschirmung der Druckstufenkammer und eines hochevakuierten Kathodenraumes zu haben.

Diese Schwierigkeit wurde mittels einer Überdruckschutzkammer von besonderer Bemessung behoben. Überraschenderweise kann das angestrebte Ziel bereits mit einer Kammer von geringer Ausdehnung in Richtung der Strahlausbreitung erreicht werden.

Gemäß der Erfindung ist die Ausdehnung der Überdruckschutzkammer nur so groß bemessen, daß ins Gewicht fallende Verluste durch Streuung vermieden sind.

Das der Schutzkammer zugeführte Gas strömt nach innen in die Druckstufenstrecke und wird dort in den verschiedenen Kammern abgepumpt. Werden diese Gasmengen der Schutzkammer wieder zugeführt, so findet ein Kreislauf statt, der nur innerhalb des Apparates verläuft. Durch einen Überdruck in der Schutzkammer gegenüber dem Außenraum kann ein Teil dieses Gases verloren gehen. Er muß durch eine entsprechende Gaszufuhr ausgeglichen werden.

Als Füllung der Schutzkammer haben sich indifferente Gase, z. B. Luft und Edelgase, bewährt, die, abgesehen von der Ionisation, keinerlei chemische Veränderung durch den durchgehenden Korpuskularstrahl erleiden können. Besonders wenn man mit Überdruck arbeitet, empfiehlt sich eine Füllung mit Edelgas.

Die aus der Schutzkammer in die Druckstufenstrecke einströmenden Gasmengen können schon zum größten Teil (etwa 95 bis 99%) aus der ersten Kammer der Druckstufenstrecke abgepumpt und der Schutzkammer wieder zugeführt werden, indem man die Druckseite der Pumpe für die äußerste Kammer an die entsprechende Zuleitung anschließt. Etwaige Gasverluste werden, dadurch ausgeglichen, daß man beispielsweise an die Leitung zur Schutzkammer einen Vorratsbehälter mit der gewünschten Gasfüllung anschließt und die Zuführung der erforderlichen Zusatzmengen durch ein zwischengeschaltetes Ventil regelt.

Es kann auch günstig sein, wenn die Schutzkammer mit einem Gas gefüllt ist, das selbst an einer von dem Korpuskularstrahl zu zündenden oder ingangzuhaltenden Reaktion teilnimmt.

An Hand der beiden schematischen Abbildungen sei die neue Einrichtung nochmals erläutert. Der inAbb. 1 schematisch im Schnitt dargestellte Korpuskularstrahlapparat mit Druckstufenstrecke und Schutzkammer besteht aus der Apparatwandung 4, einer an sich bekannten, in der Vakuumkammer 1 angeordneten Strahlungsquelle 2 zur Erzeugung von Korpuskularstrahlen 3, beispielsweise einer Fernfokuskathode. Die zur Bündelung und Steuerung des Korpuskularstrahls noch erforderlichen elektrischen und magnetischen Ablenkungsvorrichtungen sind in der schematischen Abbildung im einzelnen nicht dargestellt. In dem gezeigten Beispiel ist eine einzige Druckstufe zwischengeschaltet, die durch die Kammer 5 gebildet wird. Bei den bisherigen Ausführungen trat der Korpuskularstrahl 3 durch die in den Trennwänden 13 und 14 angeordnete innere und äußere Düse unmittelbar in den Reaktionsraum 7 ein, wo beispielsweise eine chemische Reaktion zwischen den in den Rohrzuleitungen 8 über Ventil 9 zu- und abzuführenden Gasen in Gang gesetzt werden soll. Der sehr niedrige, meist unterhalb 1 Torr liegende Druck in der Erzeugungskammer 1 und der höher liegende, zwischen 1 Torr und Atmosphärendruck liegende Druck in der Kammer 5 wird durch Pumpen 10 und 11 aufrechterhalten. Hierbei ist nun noch eine Schutzkammer 6 zwischen der Druckstufenkammer 5 und der Reaktionskammer 7 eingeschaltet. Auch die Trennwand 15 zwischen der Reaktionskammer und der Schutzkammer muß noch eine feine Düse besitzen, damit der Korpuskularstrahl ungehindert durchdringen kann. Die Gasfüllung der Schutzkammer erfolgt über ein Anschlußrohr 12.

Bei der Ausführungsform nach Abb. 2 ist die an die

ίο Druckkammer angeschlossene Saugpumpe 11 mit ihrer Saugseite mit der Schutzkammer verbunden, so daß in letzterer gegenüber der Druckstufenkammer und vorzugsweise auch gegenüber der Reaktionskammer höherer Druck aufrechterhalten wird, was sich besonders bei der Verwendung von Edelgasen zur Füllung der Schutzkammer empfiehlt. Die Druckstufenkammer 5 steht über ein Rohr mit Ventil 16 mit einem gasgefüllten Vorratsbehälter in Verbindung, so daß man noch die geringen Gasverluste durch Betätigung

ao des Ventils 16, vorzugsweise eines Nadelventils, ausgleichen kann.

Die Trennwände zwischen den einzelnen Druckstufenkammern und die Tennwände der Schutzkammer können eben oder trichterförmig gestaltet sein. Die Ausdehnung aller Kammern, in Strahlrichtung gemessen, soll nicht zu groß gehalten sein, damit auch geringe Streuverluste, die beim Durchgang des Strahls durch die Gasfüllung entstehen, vermieden werden. Die Schutzkammer aber soll wegen des hier herrschenden hohen Druckes eine solche geometrische Dicke haben, daß sie klein ist gegenüber der Länge des Korpuskularstrahls. Oft ist es empfehlenswert, noch Kühlvorrichtungen für die Trennwände vorzusehen, oder die Trennwände als elektrische und magnetische Ablenkungselemente auszubilden. Auch die Schutzkammer selbst kann noch zum Einbau von strahlablenkenden oder bündelnden, an sich bekannten Mitteln benutzt werden. Die Wandungen und Trennwände können aus Metall, Glas, Quarzglas oder keramischen Stoffen bestehen, soweit sie für die nicht unerhebliche Druckbeanspruchung geeignet sind. -

Die Einschaltung einer Schutzkammer ist in allen Fällen der Verwendung einer Druckstufenstrecke zu empfehlen, wozu auch der -Korpuskularstrahl benutzt werden soll. So kann:'letzterer zur Erzeugung von Wärme in eng begrenzten kleinen Räumen, beispielsweise zum Brennschneiden oder zum thermischen Sprengen von Löchern in metallischen oder nichtmetallischen Objekten, zum Schmelzen, Verdampfen und Absublimieren schwer schmelzender Stoffe, zur Zündung und Inganghaltung chemischer Reaktionen usw. benutzt werden. Die Schutzkammer verhindert dann das Eindringen der bei diesen Reaktionen teilnehmenden oder entstehenden Gase, Dämpfe oder Staubteilchen in die Druckstufenstrecke und strahlerzeUgende Einrichtung.

Claims

Patentansprüche:

1. Überdruckschutzkammer für eine Korpuskularstrahlen-Druckstufenstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Ausdehnung in Strahlrichtung nur so groß bemessen ist, daß ins Gewicht fallende Verluste durch Streuung vermieden sind.

2. Schutzkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Gas gefüllt ist, das sowohl gegenüber den in der Strahlerzeugungsapparatur vorhandenen Teilen als auch gegenüber den im Verwendungsraum der Korpuskularstrah-

7o> len ablaufenden Vorgängen indifferent ist.

3. Schutzkammer nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch ihre Anordnung zwischen der äußersten Düse der Korpuskularstrahlapparatur und dem Außenraum.

4. Schutzkammer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Edelgas gefüllt ist.

5. Schutzkammer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Gas gefüllt ist, das an der Reaktion im Reaktionsraum teilnimmt.

6. Schutzkammer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch, gekennzeichnet, daß die Druckseite der Pumpe mindestens für die äußerste Druckstufenkammer mit ihr verbunden ist, so daß die in die Druckstufenstrecke aus der Schutzkammer ein-

dringenden Gasmengen ihr wieder zugeführt werden können.

7. Schutzkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der entstehenden Gasverluste die Zuführung der erforderlichen Zusatzmengen über ein steuerbares Ventil mit einem Gasvorratsbehälter erfolgt.

8. Schutzkammer nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in ihr elektrische oder magnetische strahlablenkende oder bündelnde Mittel angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 764927, 833 549;
schweizerische Patentschrift Nr. 165 549.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen