Die Erfindung betrifft eine gepulste Elektronenstrahlquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und deren Verwen¬ dung.

Aus V.l. Engelko, et al. Pulsed Heat Treatment of Material Surface, 9th Int. Conf. on High Power Partieale Beams, Beams 92, pl935 (1992) ist eine Elektronenvakuumdiode mit Multi- punkt-Emissionskathode beschrieben, die in der Lage ist 60-180 keV Elektronenstrahlen mit Stromdichten von bis zu 60 A/cm ² mit Pulsdauern von bis zu 40 μs zu liefern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektronenstrahlquelle der e. g. Art derart auszugestalten, daß Pulslängen von 100 μs er¬ reichbar sind und die Pulsform nicht nur rechteckig ist, son¬ dern auch Stufen aufweisen kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteil¬ hafte Ausgestaltungen der Erfindung. Die Ansprüche 6 und 7 nennen vorteilhafte Verwendungen der Elektronenstrahlquelle.

Die Vorteile der Elektronenstrahlquelle lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Die zeitliche Stabilität der Entladung ist über die gesamte Pulsdauer von bis zu 100 μs gewährleistet, d. h. es treten bei Pulsdauern über 10 μs keine Kurzschlüsse mehr auf. Diese Tatsache erhöht die Standzeit der Anlage enorm.

2. Die Schuß zu Schuß Reproduzierbarkeit bezüglich der Strom¬ dichte ist mit 10 % um einen Faktor 5 höher als zuvor.

3. Der realisierte Strahlquerschnitt ist mindestens einen Fak¬ tor 3 höher, was zur Umsetzung des Verfahrens nach Anspruch 6 sehr vorteilhaft ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei¬ spiels mit Hilfe der Figur näher erläutert. Dabei zeigt die Figur schematisch eine beschaltete Elektronenstrahlquelle.

Die gepulste Elektronenstrahlquelle hat die Form einer sphäri¬ schen Vakuumdiode, in der der Elektronenstrahl erzeugt, be¬ schleunigt und auf den Eingang einer ebenfalls gepulsten ma¬ gnetischen Kompressionseinheit fokussiert wird. Dort wird der Strahl auf die benötigte Stromdichte komprimiert, bevor er auf das Target trifft. Die Spannungsversorgung für die Diode, wie auch die Stromversorgung für die magnetische Kompression wird von Stoßleistungsanlagen geliefert. Eine Kontrolleinheit syn¬ chronisiert den Ablauf. Die erfinderischen Elemente in dieser Anordnung ist zum einen eine potentialmäßig kontrolliert flo- tierende Schirmelektrode, die drei Aufgaben zu erfüllen hat:

- Schutz der Kathodenwiderstände vor dem rückströmenden Ka¬ thodenplasma und den entstehenden Targetdämpfen, die in die Diode gelangen, die Diodenimpedanz verändern und vorzeitig einen Kurzschluß auslösen,

Kontrolle des Potentials der Schirmplatte zur Vermeidung eines Oberflächenplasmas auf ihr, das in den Beschleuni¬ gungsspalt expandiert und einen Kurzschuß auslöst und

Ausgleich der Randverzerrungen des elektrischen Feldes nach dem Pierceelektrodenprinzip.

Zum anderen enthält die Diode ein Steuergitter mit variablem Widerstand, mit dessen Hilfe die Stromdichte auf dem Target kontrolliert werden kann.

Ein drittes erfinderisches Element ist schließlich die Kon¬ trolleinheit, die die Auswirkung der Bestrahlung auf dem Tar¬ get optisch aufnimmt und den scharfen Abriß der Energieein¬ kopplung am Ende der Betrahlung einleitet.

In der Figur ist die Gesamtanlage dargestellt. Die Diode ist wie folgt aufgebaut: Sie besteht aus einem Hochspannungsisola¬ tor 1, der den Kathodenflansch 2 von dem geerdetem Anoden¬ flansch 3 trennt. Die Elektronen werden in der Multipunkt- Emissionskathode erzeugt. Sie besteht aus einer Kathodengrund¬ platte 4, einem Isolator 5 und darauf angeordnet der flotie- renden Schirmelektrode 6, die am Rand als Pieceelektrode aus¬ geformt ist. Von der Kathodengrundplatte 4 und durch die Schirmplatte 6 hindurch reichen dicht angeordnet Widerstände Rp 7, an deren Ende sich Feldemmisionsquellen 8 befinden. Die Feldemissionpunkte bilden ein sphärisches Raster. Der Abstand der Feldemissionspunkte 8 untereinander beträgt bis zu 10 mm. Die Emissionspunkte bestehen aus Bündeln von Kohlenstoffasern, mit einem Faserdurchmesser von 10 μm. Die Schirmelektrode 6 ist über einen Widerstand Rl 9 mit der Kathodengrundplatte 2 verbunden. Die Länge des Isolators 5 entspricht etwa der Länge der zylindrischen Widerstände Rp 7. Die Weite der Öffnungen in der Schirmplatte 6, durch die die Widerstände Rp 7 in den Di¬ odenraum reichen sind eng bemessen. Damit wird erfindungsgemäß erreicht, daß die Widerstände Rp 7 in ihrer Gesamtheit von Einflüßen aus dem Diodenraum abgeschirmt werden; andernfalls würden das Kathodenplasma und Targetdämpfe die Funktionalität der Widerstände während des Pulses beinträchtigen und sie schließlich kurzschließen.

Die Widerstände Rp 7 dienen zur Strombegrenzung der einzelnen Feldemissionsquellen 8. Dadurch wird erreicht, daß nicht mehr Elektronen pro Fläche produziert werden, als anschließend raumladungsbegrenzt im elektrischen Feld wegtransportiert wer¬ den können. Die Größe der Widerstände Rp wird durch die fol¬ gende Beziehung bestimmt:

2π M , , ., I„R

Rl » (- .) l/ 2 P ^Λ P kT« enS

wobei Ug die Diodenspannung zwischen einem Steuergitter 10 und der Kathode ist, N die Anzahl der Emissionspunkte 8, h die mittlere Höhe der Emissionspunkte, S die emittierte Gesamtflä¬ che, Ip der Strom durch einen Einzelpunkt, e und m Ladung und Masse des Elektrons und d der Abstand zwischen den Emissions¬ punkten 8 und dem Steuergitter 10, n und Te sind die Dichte und Elektronentemperatur des Kathodenplasmas.

Der Widerstand RI 9 hat zwei Funktionen und ist zum einen er¬ findungsgemäß so bemessen, daß die Schirmelektrode und das Ka¬ thodenplasma im wesentlichen das gleiche Potential besitzen (floating potential) . Kommt es nämlich zwischen der Schirm¬ elektrode 6 und dem Kathodenplasma zu einer Berührung, tritt die Plasma-Wand Wechselwirkung auf, in deren Verlauf ein Se¬ kundärplasma entsteht, das in den Beschleunigungsspalt expan¬ diert und die Diode kurzschließt. Das freie Floatieren der Schirmelektrode 6 verhindert diesen Prozess, da die Feldstärke zwischen dem Kathodenplasma und der Oberfläche der Schirmelek¬ trode gering ist. Die zweite Funktion von RI 9 ist dafür zu sorgen, daß die verbleibende Restladung nach dem Ende des Pul¬ ses von der Schirmelektrode 6 wieder abfließen kann. Diese Restladung würde sonst, durch Verminderung des Feldes im Di¬ odenraum, das Zünden der Diode im darauffolgenden Puls stark stören.

Zum Ausgleich der Randverzehrung des elektrischen Feldes wird der geometrische Parameter F der Schirmelektrode 6 in der Fi¬ gur soll gleich d gewählt und der Winkel a hängt vom optimlen Krümmungsradius der Multipunkt-Emissionskathode ab und be¬ stimmt sich aus der Beziehung a = 67.5 ⁰ -5f. Die Größe d sollte etwa 5 mal größer als der Abstand der Emissionspunkte unter¬ einander sein. Das Steuergitter 10 ist aus Temperatur betändi-

gen Material gefertigt und hat ebenfalls sphärische Form. Das Gitter soll eine hohe Transparenz für Elektronen haben. Über einen variablen Widerstand Rg 11 ist es mit dem Erdpotential 3 verbunden.

Die Stoßleistungsanlage besteht aus einer inhomogenen pulsfor¬ menden Linie, bestehend aus Kapazität Cl und Induktivitäten Ll, L2, ..., Ln, einem Korrekturwiderstand Rc, dem Hochspan¬ nungsschalter Gl und dem Kurzschußschalter G2 (Crowbar) . Die Größe der Induktivität wird durch die folgende Beziehung be¬ stimmt:

L _n = C _lZ 2 ≥_ N

wobei Z(t)=U(t) /I(t) , U(t) ist die Diodengesamtspannung, I(t) ist der Diodengesamtstrom, T die Pulsdauer und N die Gesamt¬ zahl der pulsformenden LC-Glieder ist.

Durch Variation der einzelnen Induktivitäten läßt sich die Pulsform der Stoßleistungsanlage verändern, so daß nach An¬ spruch 7 über die zeitliche Variation der Elektronenenergie (Eindringtiefe) sich gewünschte Temperaturprofile einstellen lassen.

Die Magnetkompressionseinheit besteht aus mindestens zwei Se- lenoidspulen Sl, S2, der Kapazität CM. und dem Hochspannungs¬ schalter G3. Die Auslegung der Selenoide und der Kapazität wird numerisch berechnet, so daß das magnetische Feld eine op¬ timale Fokussierung auf das Target bewirkt. Die Form der Ano¬ denelektrode 12 mit der zentralen Öffnung, durch die der Elek¬ tronenstrahl die Diode verläßt, ist ebenfalls das Ergebnis ei¬ ner numerischen Optimierung.

Der Targetraum 13 ist eine Vakuumkammer, die mit dem Anoden¬ flansch 3 verbunden ist. Sie ist mit einem Pumpanschluß verse¬ hen und weist eine Zugang zum Targetwechsel auf. Weiterhin

enthält sie ein Beobachtungsfenster sowie zwei Fenster für ein optisches Meßsystem zur Überwachung von Phasenübergängen, die sich an einem Wechsel der optischen Reflektivität der Oberflä¬ che bemerkbar machen.

Die Aufgabe der Steuereinheit SE ist es eine Folge von Steuer¬ spannungspulsen an die Schalter Gl bis G3 zu geben, wobei der Schalter Gl die Spannung an die Diode anlegt und G2 sie ab¬ schaltet; G3 schaltet den Spulenstrom ein. Das Ausschalten der Diodenspannung durch G2 erfolgt erfindungsgemäß über eine Rückkopplung durch eine optische Messung direkt am Target. Mit Eintritt der Änderung der optischen Reflektivität der Target¬ oberfläche nach Erreichen des Schmelzpunktes, wird der Ener¬ giefluß auf das Target sofort, oder nach einem vom Verfahren her gewünschten zeitlichen Verzug unterbrochen.

Die Anlage arbeitet in der folgenden Weise:

Als erstes gibt die Zentraleinheit einen Zündimpuls an den Schalter G3. Die Speicherkapazität Cm entlädt sich in die Se- lenoide Sl und S2. Nach einer Zeitspanne, die nötig ist bis der Strom in den Seleoniden den maximalen Wert erreicht hat (etwa 1 Millisekunde) , erzeugt die Zentraleinheit einen zwei¬ ten Zündpuls, der den Schalter Gl schließt. Nachdem die Hoch¬ spannung an dem Diodenbeschleunigungsspalt zwischen der Multi- punkt-Emissionskathode und dem zunächst auf Anodenpotential liegendem Gitter anliegt, kommt es zur Anregung einer explosi¬ ven Emission von Elektronen am Ende der einzelnen Kohlen¬ stoffaserbündel. Es bildet sich sofort ein weitgehend homoge¬ nes Plasma bestehend aus Elektronen und Kohlenstoffionen vor den Emissionspunkten. Die Elektronen werden durch das elektri¬ sche Feld, das zwischen Kathode und Gitter anliegt extrahiert. Der Teil (l-k)*l des Elektronenstroms, wobei I der Gesamtelek- tronenstrom ist, wird vom Gitter mit der Transparenz k absor¬ biert und fließt über den Widerstand Rg ab. Die Folge ist ein Spannungsabfall an Rg der Höhe (l-k)*l* Rg. Daher teilt sich die Stoßspannung zwischen Kathode-Gitter und Gitter-Anode. Der

Wert des Elektronenstroms I bestimmt sich aus der Child-Lang- muir Gleichung für das Kathoden-Gitterpotential:

wobei U die Diodenspannung ist, rg der Radius des Gitterkrei¬ ses und rf der Fokusradius

α • ² > ( ^r f1) = ln (_ ^r if_)- 0.3 In - ² > (_ ^r fL_) + ... r _g r _g r _g

Wie man aus der Formel ersehen kann, hängt die Höhe des Elek¬ tronenstroms jetzt vom Widerstand Rg ab.

Die Stabilität und Homogenität des Elektronenstrahlstroms wäh¬ rend der gesamten Pulslänge von einigen 10 Mikrosekunden wird auf folgende Weise erreicht:

Um einen zeitstabilen Elektronenstrom zu bekommen, darf das Elektronenplasma nicht in den Kathoden-Gitter Spalt expandie¬ ren. Der kinetische Druck des Elektronenplasmas der Kathode muß kleiner als der Druck des elektrischen Feldes im Kathoden- Gitter Spalt sein. Diese Bedingung wird durch den Einsatz der Multipunkt-Emissionkathode erreicht, weil die Quellfläche für Elektronenemission sich auf die kleine Fläche der Emissions¬ punkte beschränkt. Darüber hinaus rekombinieren die Kohlen¬ stoffionen einen Teil der Elektronen im Bereich der flotieren- den Schirmelektrode 6, wohin die Ionen driften. Damit erreicht man eine niedrige Elektronendichte bzw. einen niedrigen Plas¬ madruck. Die Gefahr einer zusätzlichen Elektronenemission, etwa durch explosive Emission am Oberflächenrand der flotie- renden Schirmelektrode 6 begegnet man durch Beschränkung der maximalen Feldstärke im Kathoden-Gitter Spalt auf Werte um IO ⁷ V/m. Ein Kurschluß der Kathodenwiderstande durch das rückströ¬ mende Kathodenplasma wird wie schon beschrieben erfindungsge-

maß durch Beschaltung und Auslegung der Schirmelektrode 6 ge¬ bannt.

Durch die o. g. Vorkehrungen ist eine stabile Betriebsweise des Elektronenbeschleunigers bis zu maximal 100 us möglich. Eine Verkürzung der Bestrahlungszeit, etwa nach der optischen Registrierung des Aufschmelzens der Probe, wird, wie schon be¬ schrieben, durch das Aktivieren des Schalters G2 durch das Programm der Steuereinheit SE veranlaßt.

Als Anwendung der gepulsten großflächigen Elektronenstrahl¬ quelle wird ein zerstörungsfreies thermisches Verfahren vorge¬ schlagen. Das die schockartige Erhitzung einer dünnen Oberflä¬ chenschicht von einigen 10 μm Tiefe auf eine Temperatur bein¬ haltet, bei der die Oberfläche nicht zerstört wird, aber alle gewünschten Phasenumwandlungen, Mischungen von Atomen ect. stattfinden. Nach dieser Zeit, die zwischen 1 bis 100 μs Dauer liegt, kühlt die Schicht, durch Wärmeleitung ins Innere, so schnell ab, daß die gewünschte Phase bzw. die Mischung, so wie sie sich gebildet hat, einfriert.

In der Literatur sind bereits eine Reihe von Anlagen beschrie¬ ben, in denen versucht wird, durch kurzzeitige Einwirkung von gerichteter Energie die Oberfläche einer Probe zu härten. Zu nennen sind gepulste Laser. Die Eindringtiefe der Laserenergie in die Materialoberfläche ist zu vernachlässigen. Sie beträgt nur 20 nm. Hinzu kommt, daß die Einkopplung der Laserenergie nur über ein Ablationsplasma effektiv ist und somit die Ober¬ fläche angegriffen wird. Die höchste Temperatur wird an der Oberfläche erreicht und sinkt mit zunehmender Tiefe in das Ma¬ terial schnell ab. Die Folge ist eine geringe Härtungstiefe.

Es wird auch weltweit versucht gepulste Plasmaanlagen zur Här¬ tung von Oberflächen einzusetzen. Heißes und dichtes Wasser¬ stoffplasma mit einer Transversalenergie von einigen 100 eV bis fast 1 keV trifft auf die Oberfläche. Die Wärmeeinkopplung ist im allgemeinen mit einer starken Erosion verbunden. Inho-

mogenitäten in der Leistungsdichte sind nur schwer zu beherr¬ schen. Da die Plasmaquellen keine Abschaltcharakteristik haben fließt nach der ersten hochenergetischen Plasmafront nieder¬ energetisches Plasma hinterher, das die Oberfläche an einer schnellen Abkühlung hindert und, da meist Elektrodenmaterial dem Plasma beigemischt ist, wird die Oberfläche kontaminiert. Versuche das nachfließende Plasma mit gepulsten inhomogenen Magnetfeldern abzuschneiden sind aufwendig und begrenzt effek¬ tiv, da rekombinierte Atome die Magnetsperre passieren.

In der Literatur findet man auch gepulste Elektronenstrahlen¬ quellen beschrieben, die in der Lage sind Oberflächen kurzzei¬ tig aufzuschmelzen. Es handelt sich dabei um gepulste Nieder¬ druckgasentladungen. Die Pulsdauern sind hierbei weit unter¬ halb einer Mikrosekunde. Die Energieeinkopplung gegen Ende des Pulses verläuft flach. In der Regel besteht keine Impedanzan¬ passung zwischen dem Energiespeicher (Kondensatorbank) und der Elektronenquelle, so daß nach dem Hauptpuls gedämpfte Oszilla¬ tionen auftreten, die Energie zur Oberfläche nachfließen las¬ sen und die Abkühlung verzögern.

Jedoch haben Elektronen den Vorteil der hohen Reichweite in ein Material im Vergleich mit Ionen und Laserenergie. So dringt ein 100 keV-Elektron etwa 20 μm tief in Stahl ein. Sol¬ che Tiefen sind für die Oberflächenvergütung von wirklichem Interesse, denn nur eine Vergütung mit ausreichender Tiefen¬ wirkung verspricht eine lang andauernde Wirkung.

Das Verfahren zur thermischen Behandlung von Oberflächen mit dem Ziel die Oberflächenstruktur zu modifizieren besteht zunächst aus der kontrollierten Einkopplung von Prozessenergie in eine Oberflächenschicht von 5 - 50 μm Tiefe über eine Zeit¬ dauer von 1 - 100 μs mit einer Leistungsdichte von 1 - 10 MW/cm ² , die zum Aufschmelzen, oder zur Aufbrechung interatoma¬ rer bzw. intermolekularer Bindungen und zu ungewöhnlichen Mi¬ schungen von Elementen und metastabilen Phasen führt, die sonst nur bei den eingestellten hohen Temperaturen existieren

können. Nur der Elektronenstrahl garantiert eine nahezu iso¬ therme Aufheitzung über die erforderliche Schichtdicke von ei¬ nige 10 μm.

Dann folgt die Abschreckphase. Sie ist von zentraler Bedeutung in diesem Verfahren. Die Energieeinkopplung wird innerhalb sehr kurzer Zeit (< 1 μs) unterbrochen. Die Wärme in der Schicht fließt in das Material ab. Abhängig von der spezifi¬ schen Wärmeleitfähigkeit des Materials und der Tiefe der Schicht erfolgt das mehr oder weniger schnell. Durch die Vor¬ gabe, daß zum Einfrieren der nur bei hohen Temperaturen auf¬ tretenden Strukturzustände bzw. , daß zur Vermeidung unge¬ wünschter kristalliner Reorganisationen, eine Abkühlrate in der Größenordnung > IO ⁶ K/s erreicht werden muß, ergibt sich eine Forderung an die Prozeßparameter, Wie Pulsdauer, Elektro¬ nenenergie und Stromdichte.

Mit der Kenntnis der Materialdaten eines Körpers, dessen Ober¬ fläche modifiziert werden soll, wie:

- spezifischen Wärmeleitfähigkeit

- Wärmekapazität

- Phasendiagramm mit gewünschtem Strukturzustand

- Abkühlrate in K/s zum Einfrieren des Strukturzustandes

- Dichte

ermittelt man über die Wärmeleitungsgleichung die maximale Schichtdicke, die aufgeheizt werden kann.

Wie schon erwähnt, kann nur der Elektronenstrahl die isotherme Aufheizung der Schicht leisten. Mit der Ermittlung der maximal aufheizbaren Schichtdicke bedeutet das:

- Wahl der Bescheunigungsspannung, so daß Elektronenreich¬ weite gleich Schichtdicke ist,

Stromdichte so wählen, daß Schicht gewünschte Temperatur erreicht,

- Unterbrechung der Energiezufuhr derart kurzzeitig, daß Ab¬ kühlrate sich einstellt.

Für gängig zu bearbeitende Materialien reichen für dieses Ver¬ fahren Elektronenstrahlenergien zwischen 50 und 150 keV aus. Die Stromdichte liegt bei Werten bis 50 A/cm ² .

Wollte man Ionenstrahlen dazu verwenden, müßte man 10 fach hö¬ here Beschleunigungsenergien wählen, ganz abgesehen davon, daß es keinen Ionenbeschleuniger gibt der über die gefordeten Zei¬ ten Stromdichten in dieser Höhe liefern kann. Hinzu kommen die Kontamination der Schicht mit der Ionensorte und der Impuls¬ übertrag durch die Ionen, der zwangsläufig die Materialober¬ fläche über den Sputtereffekt beschädigt.

Das Einsatzspektrum dieses Verfahrens beschränkt sich nicht nur auf die Strukturänderung der Oberfläche von Metallen, Le¬ gierungen, intermetallischen Legierungen und anorganischen Verbindungen, sondern kann auch zur Verfestigung bzw. zum Ein¬ schmelzen von vorher aufgebrachten Schichten von Metallen, Le¬ gierungen, intermetallischen Legierungen, organischen- und an¬ organischen Verbindungen auf beliebigen Trägermaterialien ver¬ wendet werden. So kann man auch durch Annealing vorher implan¬ tierte Ionen, die zunächst Zwischengitterplätze einnehmen ge¬ zielt auf Gitterplätze bringen. Die hohe Abkühlrate ermöglicht auch Oberflächenstrukturen, die wegen der extremen Nicht- gleichgewichtsphysik Zustände wiederspiegeln, die sonst nicht zu realisieren sind. So können die Schichten Strukturen zwi¬ schen amorph und nanokristallin aufweisen, oder metastabile Phasen darstellen. So können konventionell nicht härtbare Werkstoffe mit einer härteren Oberflächenschicht versehen wer¬ den.

Als Anwendungsbeispiel sollen Oberflächenhärteversuche an kon¬ ventionellen Hydrostößeln eines Saugdieselmotors vorgestellt werden. Die Teller der HydrostÖßel wurden an der Oberfläche mit einem Elektronenstrahlpuls mit folgenden Parametern behan-

delt: Leistungsdichte 2 MW/cm ² , Elektronenenergie 140 keV und Pulsdauer 30 μs. Nach der Bestrahlung werden die Hydrostoßel in einem 46 kW 4Zylinder Saugdieselmotor auf das Langzeitver¬ schleißverhalten (RTM-Messung) hin untersucht. Detektiert wurde hierbei sowohl der Verschleiß an dem unbehandeltem Lauf¬ partner (Nockenwelle) als auch am behandeltem Hydrostoßel. Es zeigte sich, daß der Verschleiß an dem behandeltem Hydrostoßel im Vergleich zum unbehaldeltem Hydrostoßel um einen Faktor 5 geringer ist und, daß selbt der Verschleiß von unbehaldelten Nockenwellen, die gegen behandelte Hydrostoßel laufen um einen Faktor 2.5 geringer ausfällt, als bei unbehandelten Nockenwel¬ len und Hydrostößeln.

Als Ursache wird neben der Zunahme der Härte, die von 700 HV nach der Bestrahlung auf 1800 HV zunimmt, auch das, durch den Umschmelzprozeß sich ergebende, feinkristalline Gefüge der be¬ handelten Oberflächenschicht vermutet.

Die Elektronenquelle kann wie folgt eingesetzt werden:

i) Verändern der Oberflächen von Metallen, Legierung, interme¬ tallischer Legierungen, organischen- und anorganischen Verbin¬ dungen,

ii) zur Verfestigung bzw. zum Einschmelzen von vorher aufge¬ brachten Schichten von Metallen, Legierungen, intermetalli¬ scher Legierungen, organischen- und anorganischen Verbindungen auf beliebigem Trägermaterial, und zur Legierungsbildung mit den metalischen Schichten,

iii) zum Zwecke des Annealings von vorher implantierten Atomen in einer Materialoberfläche,

iv) um Oberflächenstrukturen zu erhalten, die zwischen amorph und nano-krislallin einzuordnen sind, oder metastabile Phasen haben sollen,

v) zur Glättung rauher Oberflächen,wobei

i) gerichtete gepulste Energie in Form eines homogenen gepul¬ sten Elektronenstrahls mit einem Durchmesser von > 6cm, einer Energie von 50 bis 200 keV und einer Stromdichte bis zu 50 A/cm ² auf die Oberfläche trifft und

ii) mit einer der Elektronenenergie entsprechenden Reichweite in das Material eindringt, so daß eine Schicht von bis zu ei¬ nigen 10 mm Tiefe im Material erfaßt wird und

iii) während einer Zeitdauer von 1-100 us die Schicht auf eine solche Temperatur aufgeheizt wird, daß noch keine Oberflä¬ chenerosion auftritt, jedoch in dieser Zeitspanne Oberflächen¬ prozesse ablaufen können mit der Folge und dem Ziel, daß:

vi) die Schicht aufschmilzt und interatomare bzw. intermoleku¬ lare Bindungen aufgebrochen werden und sich neue Mischungen von Elementen oder metastabile Phasen ausbilden und

v) zum Einfrieren solcher Strukturzustände außerhalb des ther- modynamischen Gleichgewichts bzw. zur Vermeidung unerwünschter Reorganisationen, nach der Aufheizphase ein scharfer Abriß der Energieeinkopplung erfolgt, so daß unter der Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit des Materials und der Dicke der aufge¬ heizten Schicht, die Wärme mit einer Abkühlrate von mehr als IO ⁶ K/s in das Innere des Materials abfließt.

Bezuqszeichenliste:

1 Hochspannungsisolator

2 Kathodenflansch

3 Anodenflansch

4 Kathodengrundplatte

5 Isolator

6 Schirmelektrode

7 Widerstände Rp

8 Feldemmisionsqellen

9 Widerstand RI

10 Steuergitter

11 Widerstand Rg

12 Anodenelektrode

13 Targetraum

51 Selenoidspule

52 Selenoidspule Cl Kapazitäten CM Kapazität

Ln Induktivitäten