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Vorrichtung zur Regelung der Fokussierung eines Elektronenstrahles
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung der Fokussierung eines Elektronenstrahles mit einer Leistung von über 60 kW, wie sie z. B. in Elektronenstrahl-Mehrkammeröfen verwendet wird, indem der Strom der elektromagnetischen Linsen, die der Fokussierung dienen, in Abhängigkeit des Defokussierungsgrades geregelt wird.
Es sind Elektronenstrahl-Mehrkammeröfen bekannt, deren Hochleistungselektronenkanonen einen Elektronenstrahl in der Grössenordnung von etwas über 15 kW ausserhalb des Arbeitsraumes erzeugen. Der Elektronenstrahl gelangt bei diesen Einrichtungen über Druckstufen an die Einwirkungsstelle, z. B. den Schmelztiegel oder die zu verschweissenden Teile. Mittels dieser Druckstufen, die dem Durchmesser des Elektronenstrahles angepasst sind, wird die Elektronenkanone vakuumtechnisch vom Schmelzkessel entkoppelt, und die Kathode ist vor Metallspritzern und Gasausbrüchen während des Erhitzungsvorganges geschützt.
Die Druckstufen stellen hohe Strömungswiderstände zwischen getrennt evakuierbaren Kammern dar.
Zur Führung bzw. Fokussierung des Elektronenstrahles auf dem durch die Geometrie der Strömungswiderstände bedingten langen Weg von der Kathode bis zum Schmelztiegel werden üblicherweise magnetische Linsen verwendet.
Diese Einrichtungen haben alle den gemeinsamen Nachteil, dass die Brechkraft der magnetischen Linsen von der Beschleunigungsspannung abhängt, die die Elektronen durchlaufen haben.
Bei arbeitstechnologisch bedingten Änderungen der Beschleunigungsspannung ändert sich also auch die Führung bzw. Fokussierung des Elektronenstrahles. Der gleiche Nachteil besteht bei Druckänderungen des Vakuums, da die an den Restgasmolekülen durch Elektronenstoss gebildeten Ionen den Durchmesser und den Strahlenverlauf beeinflussen.
Bei Defokussierungen, d. h. z. B. unerwünschten Vergrösserungen des Durchmessers des Elektronenstrahles, kann dadurch ein Teil der Strahlenenergie auf die den Strahlengang begrenzenden Strömungswiderstände gelangen. Die Folge einer solchen Einwirkung ist die Zerstörung der Einrichtung.
Eine Ausblendung des Randgebietes des Elektronenstrahles, wie es bei Elektronenstrahlen geringer Leistung (z. B. in Bild- und Oszillographenröhren) bekannt ist, kommt in solchen Fällen nicht in Betracht, da die Energie der Elektronen zu gross ist (Sekundäremission und Raumladungseffekte können auftreten) und der Wirkungsgrad der gesamten Anlage erheblich gemindert würde.
Fernerhin kennt man Anlagen, bei denen ein Ladungsträgerstrahl auf einen bestimmten Punkt konzentriert wird. Auf einer, in Höhe der Objektoberfläche schräg zur waagrechten Ebene gestellten, sich drehenden Scheibe wird auf einer Seite der Elektronenstrahl auftreffen gelassen. Auf der gegenüberliegenden Seite ist feststehend eine Photozelle angeordnet, die ein Signal zur Regelung des Fokussierungsstromes der Linsen erzeugt. Endlich ist es auch bekanntgeworden, den Ladungsträgerstrahl automatisch auf das zu bearbeitende Werkstück zu fokussieren. Erreicht wird das Ziel dadurch, dass bei
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gleichzeitiger periodischer Änderung der Linsenstromstärke die Menge der vom zu bearbeitenden Objekt ausgehenden Ladungsträger gemessen wird. Bei Erreichen eines bestimmten Extremwertes wird der Linsenstrom konstant gehalten.
Die Mittel hiezu sind ein über dem Objekt angeordneter Auffänger oder die isolierte Anordnung des Objektes. Der zum Auffänger oder gegen Erde fliessende Strom wird zur Beeinflussung, der Linsen verwendet. Es kommt also hier darauf an, den Ladungsträgerstrahl mit seiner geringen Energie auf einen Punkt des Objektes optimal zu fokussieren. Beide an letzter Stelle genannten Einrichtungen betreffen Elektronenstrahlerzeuger geringer Leistung. Besondere Verfahren zur automatischen oder sonstigen Regelung der Fokussierung eines Elektronenstrahles grosser Leistung in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen sind nicht bekannt.
Die Erfindung hat den Zweck, auf möglichst einfache Art und Weise den Verlauf des Elektronenstrahles zu kontrollieren und Defokussierungen zu beseitigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die es gestattet, mit Hilfe der einstellbaren Brechkraft der magnetischen Linsen in Abhängigkeit vom Grad der Defokussierung den Elektronenstrahl grosser Leistung ohne Verluste durch Strömungswiderstände und Blenden entlang seines Weges von der Kathode bis zum Eintritt in den Arbeitsraum zu führen.
Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, dass entlang des Elektronenstrahlweges an einer oder mehreren Stellen, wo der Elektronenstrahldurchmesser am grössten ist, vorzugsweise an den Strömungswiderständen an der der Kathode zugewandten Seite, massive Metallringe geringer Wärmekapazität aus hochschmelzendem Werkstoff zur visuellen Beobachtung oder analogen Messung der Defokussierung angeordnet sind. In diese Metallringe sind ein oder mehrere Thermoelemente eingebettet. Die Thermospannung, angezeigt durch geeignete Messinstrumente, ist ein Mass für die Temperatur der Metallringe. Durch entsprechende Regelung von Hand wird die Brechkraft der magnetischen Linsen so lange verändert, bis die geringste Temperatur angezeigt wird.
Da bei den in Betracht kommenden Elektronenstrahlem die Energie sehr gross ist, glühen die Metallringe sichtbar auf, sobald der Elektronenstrahl in entsprechendem Masse defokussiert ist. Durch visuelle Beobachtung kann auf die vorbeschriebene Weise ebenfalls die Brechkraft der magnetischen Linsen so eingestellt werden, bis das Aufglühen der Metallringe verschwunden ist.
Durch Auftreffen des Elektronenstrahles auf die Metallringe tritt ein Druckanstieg in der Umgebung der Metallringe auf. Dieser Druck kann als Regelgrösse für die Fokussierung verwendet werden.
Eine weitere Variante der Erfindung besteht darin, die Metallringe elektrisch isoliert anzuordnen und mit einem elektrischen Widerstand zu verbinden, dessen anderes Ende gegen Erde (Masse) liegt. Der an dem Widerstand entstehende Spannungsabfall ist ebenfalls ein Mass für den Grad der Defokussierung, da in diesem Falle ein elektrischer Strom über die Metallringe fliesst. Sowohl die Erzeugung einer Thermospannung als auch die Spannungserzeugung an einem Widerstand kann für eine automatische Regelung der Brechkraft der magnetischen Linsen ausgenutzt werden, indem das gewonnene Spannungssignal auf bekannte Weise über Verstärkerschaltungen usw. zur Regelung des Linsenstromes ausgenutzt wird.
An Hand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden.
In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 einen prinzipiellen Schnitt durch einen Elektronenstrahler hoher Leistung, Fig. 2 eine vergrösserte Wiedergabe der erfindungsgemässen Einrichtung im Prinzip, Fig. 3 die Verteilung der Stromdichte in einem Elektronenstrahl grosser Leistung in Abhängigkeit vom Radius, Fig. 4 eine Ausführungsform der Metallringe für bandförmige Elektronenstrahlen.
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an der der Kathode --2-- zugewandten Seite ein Metallring --9-- angeordnet ist.
Die Energieverteilung des Elektronenstrahles--l--über seinen Radius-r-bzw. seinen Durchmesser ist in Fig. 3 wiedergegeben. Der Verlauf der Kurve entspricht dabei der Energieverteilung bzw. dem Fokussierungsgrad des Elektronenstrahles in jeder beliebigen Ebene entlang seines Weges bis zum Schmelzgut.
Zur einfacheren Erläuterung der Erfindung soll im weiteren von der Fig. 2 ausgegangen werden, die die Verhältnisse an den Metallringen--9-und den Strömungswiderständen-7 ; 8-- in vereinfachter und vergrösserter Darstellung wiedergibt.
In der Fig. 2 ist der Verlauf der Fokussierung für den Elektronenstrahl--l-für drei Varianten
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