Verfahren und Einrichtung zum Regeln der Energiezufuhr zu einer Elektronenstrahlkanone eines Elektronenstrahlofens Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Regeln der Energiezufuhr an mindestens eine Elektronenstrahlkanone eines Elektro- nenstrahlofens.
Der Einsatz von Elektronenstrahlöfen bei verschie densten Materialbearbeitungsprozessen wie beispielswei se Schmelzen, Aufdampfen usw. hat sich immer mehr verbreitet. Ein typisches Elektronenstrahlgerät verwen det eine Elektronenstrahlkanone um einen intensiven Elektronenstral zu erzeugen.
Die Elektronenstrahlkano- ne ist üblicherweise in einer evakuierten Kammer zusammen mit dem zu behandelnden Material angeord net, wobei Mittel vorgesehen sind, um den Elektronen strahl auf das Material zu richten. Die Elektronenstrahl- kanone besteht normalerweise aus einer Elektronen emittierenden Quelle, beispielsweise einer geheizten Ka thode bzw. einem ebensolchen Faden und einer Be schleunigungsanode, welche bezüglich der Kathode auf einem hohen positiven Spannungspotential gehalten wird um ein elektrostatisches Feld zur Beschleunigung der Elektronen aufzubauen.
Zudem ist ein geeigneter Ma gnet vorgesehen, uni die Elektronen auf das Zielmaterial zu lenken. Wenn der Elektronenstrahl das Material trifft, wird dieses dadurch erhitzt und zwar entsprechend dem Strom des Elektronenstrahles und der durch das elektrostatische Beschleunigungsfeld bewirkten Ge schwindigkeit.
Während der Beschiessung des Materials mit dem Elektronenstrahl werden verschiedene dampfartige Ma terialien zerstäubt, wobei zusätzlich verschiedene okklu- dierte Gase frei werden können, insbesondere wenn sich das beschossene Material in einem verhältnismässig unreinen Zustane befindet. Das Vorhandensein solcher gasförmiger Materialien wirkt oftmals im Sinne einer weitgehenden Abnahme des Widerstands des Elektro nenstrahls was sich dann natürlich in einem wesentlichen Stromanstieg des Elektronenstrahls äussert. Dies kann eine Lichtbogenbildung im elektrostatischen Feld erge ben, welche für die Elektronenstrahlkanone sowie für das beschossene Material nachteilige Folgen haben kann.
Aus diesem Grunde wurden verschiedenste span- nungs- und stromregulierte Stromversorgungseinrichtun gen für Elektronenstrahlkanonen entwickelt um dazu beizutragen, die schädlichen Folgen solcher Effekte möglichst gering zu halten.
Bei einigen bereits bekannten Stromversorgungsanla- gen für Elektronenstrahlöfen wurde diese schädliche Lichtbogenbildung durch eine Begrenzung des Stroms beschränkt. Beim Begrenzen des Stromanstiegs bei Vorhandensein eines Lichtbogens auf einem maximalen vorbestimmten Wert, bricht der Lichtbogen oftmals sofort ab, wonach der normale Betrieb weitergeführt werden kann. Den Strom begrenzende Energiezufuhrein- heiten mit Spannungsregelung wurden in vielen Fällen erfolgreich eingesetzt.
Einige dieser Anlagen sind jedoch nionozylklischer Art und benötigen eher aufwendige Schutzschaltungen, um eine Überbeanspruchung der verschiedenen Schaltungselemente auszuschliessen. Zu dem erfordern sie relativ grosse reaktive Elemente.
Bei hohen Leistungen, wie z. B. bei 10-20 KW- Systemen, welche mit drei oder mehr Ampere starken Strahl-Strömen arbeiten, tendieren die Lichtbogen zur Selbsterhaltung. Somit ist es manchmal unmöglich einen vorhandenen Lichtbogen abzubrechen, wenn nicht der Strahl-Strom gedrosselt oder ausgeschaltet wird. Zudem können die Lichtbogen, wenn der Strom nicht genügend lang, z. B. '/a s lang ausgeschaltet wird mit dem Wieder aufbau des Strahl-Stroms ebenfalls wieder entstehen. Übermässige Ausschaltperioden des Strahl-Stroms kön nen natürlich nachteilige Effekte auf die Leistungsfähig keit des Ofens haben und unerwünschte Temperatur schwankungen des erhitzten Materials hervorrufen.
Es ist deshalb ein Zweck der Erfindung, ein verbes sertes Verfahren und eine Einrichtung zum Regeln der Energiezufuhr zu einer in einem Elektronenstrahlofen vorgesehenen Elektronenstrahlkanone zu schaffen.
Vorzugsweise sollen mehrere Elektronenstrahlkano- nen in einem Hochvakuum-Elektronsnstrahlofen bei hoher Leistung betrieben werden können.
Vorzugsweise soll ausser dem Strom des Elektro nenstrahls auch die an die Elektronenstrahlkanone angelegte Spannung geregelt werden können. Dabei soll der Strom der Elektronenstrahlkanone rasch und ohne nochmaliges Zünden des Lichtbogens wieder aufgebaut werden können.
Beim Betrieb mehrerer Kanonen soll beim Auftreten eines Lichtbogens in einem Elektronenstrahl die Rege lung dieses Strahls den Betrieb der anderen Kanonen nicht beeinflussen.
Schliesslich ist es ein Zweck der Erfindung, eine Regelung zu schaffen, die im Betrieb relativ einfach zu bedienen, dauerhaft und von hoher Leistungsfähigkeit ist.
Das Verfahren ist erfindungsgemäss dadurch ge kennzeichnet, dass der Stromanstieg festgestellt wird, wobei beim Erreichen eines Ansprechpegels des Stromes der zugeführte Strom auf einen Wert reduziert wird, der ausreicht um den Lichtbogen innerhalb einer Zeitdauer zu löschen, welche von Moment des Erreichens des Ansprechpegels an gemessen weniger als 15 ms beträgt, und dass der Strom der Elektronenstrahlkanone an- schliessend wieder auf den ursprünglichen Betriebswert erhöht wird.
Die Einrichtung ist erfindungsgemäss dadurch ge kennzeichnet, dass Mittel zum Feststellen des erfolgten Stromanstieges auf den Ansprechpegel vorgesehen sind, ferner an diese Mittel angekoppelte Mittel zum Reduzie ren der Stromzufuhr zur Elektronenstrahlkanone auf einen Wert, bei welchem der Lichtbogen innerhalb einer Zeitdauer gelöscht wird, welche vom Moment des Erreichens des Ansprechpegels an gemessen, weniger als 15 ms, beträgt, und dass Mittel zum anschliessenden Wiederherstellen der urpsrünglichen Stromzufuhr zur Elektronenstrahlkanone vorgesehen sind.
Im folgenden wird das Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen der Einrichtung beispielsweise erläutert. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 ein schematisches Schaltbild mit einem Teil der Schaltelemente in Blockdarstellung einer Energiever sorgungsanlage, Fig. 2 ein schematisches Schaltbild bevorzugter Ausführungen von Abfühl- und Schalteinheiten zur Verwendung mit der Schaltung nach Fig. 1, Fig. 3 ein Diagramm der Spannungs/Strom-Charak- teristik der Anlage nach Fig. 1,
Fig. 4 ein Diagramm einer typischen Stromände rung bezüglich der Zeit unter Lichtbogenbedingungen, der Anlage nach Fig. 1.
Die dargestellte Energieversorgtmgsanlagc liefert eine Gleichspannung an eine Elektronenstrahlkanone 12 in einem Elektronenstrahlofen 14. Der der Elektronen strahlkanone 12 zugeführte Strom wird durch ein Strom- messmittel 24 gemessen.
Wenn der Strom bis zu einem vorbestimmten Pegel ansteigt (was anzeigt, dass sich ein Lichtbogen aufbaut), wird ein elektrisches Signal an eine Stromsteuervorrichtung 16 angelegt, welches den Strom, der durch die Steuervorrichtung fliesst zurückregelt. Der die Elektronenstrahlkanone 12 durchfliessende Strom wird dadurch zurückgeregelt, um die unerwünschten Effekte der Lichtbogenerscheinung zu verringern. Durch eine äusserst rapide Zurückregelung des Stroms, zweck- mässig innerhalb 15 ms seit Beginn der Lichtbogenbil- dung,
wird der sich bildende Lichtbogen abgedrosselt, wonach sehr rasch der Normalbetrieb wieder einsetzen kann, z. B. innerhalb etwa 30 ms.
Der Einfachheit halber wird hier eine Einrichtung mit nur einer Elektronenstrahlkanone beschrieben. Es ist aber ohne weiteres ersichtlich, dass diese Stromversor gung besonders dann zur Speisung mehrerer Elektro- nenstrahlkanonen verwendbar ist, indem lediglich eine zusätzliche Stromsteuervorrichtung mit den zugehörigen Steuerschaltungen parallel zur dargestellten an die ge meinsamen Ausgänge der Stromversorgungsschaltung 10 angeschlossen werden.
Dies ergibt sich aus dem beson deren dargestellten Schaltungsaufbau, in welchem so wohl die Stromversogungsschaltung 10 als auch die Elektronenstrahlkanone 12 geerdet sind, wodurch eine gemeinsame Nlasseleitung für mehrere parallelgeschalte te, mit ihren zugehörigen Steuerschaltungen an die gemeinsamen Anschlüsse der Stromversorgungsschal- tung 10 angeschlossene Elektronenstrahlkanonen vor handen ist.
Im folgenden wird nun besonders auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Stromversorgungsschaltung 10 liefert Gleichstrom bei hoher Spannung. Beim Anschliessen von zwei Elektronenstrahlkanonen an die Stromversorgungs- schaltung 10 beträgt der erforderliche, dem Stromver- sorgungsteil 28 entnommene Strom selbstverständlich den doppelten Wert, während bei Verwendung von drei Kanonen ein dreifacher Strom entnommen wird usw.
Die Stromversorgungsschaltung ist vorteilhafterweise mit einem Eingangstransformator versehen, dessen Wicklun gen mit Hochspannungsisolationen ausgestattet sind, damit das Ausgangssignal genügend vom Eingangssignal isoliert ist. Der Stromversorgungsteil 28 weist zudem einen herkömmlichen dreiphasigen Vollwellen-Brücken- gleichrichter und ein Ausgangsfilter auf, das eine mini male Welligkeit gewährleistet, um Schwierigkeiten bei der Fokussierung des Elektronenstrahles zu vermeiden.
Der Stromversorgungsteil 28 wird durch eine geeignete Dreiphasen-Wechselstromquelle gespiesen (nicht darge stellt).
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aus gang des Stromversorgungsteiles 28 über die Stromsteu- ervorrichtung 16 mit der Elektronenstrahlkanone 12 verbunden. Bei dieser Verbindung ist die positive An- schlussklemme des Stromversorgungsteiles 28 mit Masse verbunden und die negative Anschlussklemme mit der Stromsteuervorrichtung 16.
Die dargestellte Stromsteuervorrichtung ist eine Va kuum-Triode 16 mit einer direkt geheizten Kathode 30, einer Anode 32 und einem Steuerelement oder Gitter 20. Die Kathode 30 wird durch einen Heiztransformator 34 gespiesen, dessen Primärwicklung 36 und Sekundär wicklung 38 gegen Hochspannung isoliert sind. Bei dieser Schaltung ist die Primärwicklung 36 des Transfor mators 34 an eine Stromquelle 39 angeschlossen, welche die Wicklung mit Wechselstrom versorgt. Die Sekundär wicklung 38 ist mit einem Mittelabgriff 40 versehen und an die Kathode 30 angeschlossen. Zusätzlich sind zwei Kondensatoren 42 und 44 von den Enden der Sekundär wicklung 38 auf den Mittelabgriff 40 geschaltet.
Die negative Anschlussklemme des Stromversorgungsteils 28 ist mit dem Nfittelabgriff 30 des Heiztransformators 34 über einen Mess-Widerstand 46 ( dessen Zweck später beschrieben wird) und eine Gegenkopplung mit einem Kathodenwiderstand 48 zur Verhinderung des Schwin- gens der Schaltung und zur Unterstützung des Sperrens der Triode verbunden.
Die Anode 32 der Triode 16 ist durch einen Leiter 50 mit der Elektronenstrahlkanone 12 verbunden, die herkömmlicher Art sein kann. Im dargestellten Beispiel ist die Elektronenstrahlkanone 12 in einem gut geerde ten Ofen 14 angeordnet und besitzt eine direkt geheizte Kathode 54 und eine Beschleunigungsanode 56. Der Elektronenstrahl, welcher durch die Kathode 54 emittiert wird, wird durch das zwischen der Kathode 54 und der geerdeten Anode 56 aufgebaute Beschleunigungspoten tial beschleunigt und durch einen zweckmässig angeord neten Elektromagneten 58 auf die Oberfläche eines Prallmaterials 60 abgelenkt. Die Kathode 54 wird durch einen Heiztransformator 62 geheizt, dessen Wicklungen gegen Hochspannung isoliert sind.
Die Primärwicklung 64 des Heiztransformators 62 ist an das Stromeinstell- netzwerk 26 (später genauer beschrieben) angeschlossen, während seine Sekundärwicklung 66 mit der Kathode 54 verbunden ist. Die Sekundärwicklung 66 besitzt einen Mittelabgriff 68, der mit dem Leiter 50 und somit mit der Triode 16 verbunden ist. Zusätzlich sind zwei Kondensatoren 70 und 72 von den Enden der Sekundär wicklung 66 auf den Mittelabgriff 68 geschaltet.
Somit ist ein vollständiger Serieschaltkreis vorgese hen, der sich, ausgehend vom geerdeten positiven Anschluss des Stromversorgungsteiles 28, über die nega tive Anschlussklemme, die Triode 16 und den Leiter 50, sowie über den durch die Kathode 54 emittierten Elektronenstrahl zur geerdeten Beschleunigungsanode 56 und zum Prallmaterial schliesst. Die Triode 16 ist demnach elektrisch mit dem Elektronenstrahl in Serie geschaltet und wie im folgenden beschrieben gesteuert, um so die Intensität des Elektronenstrahsl zu steuern.
Es ist grundsätzlich wünschenswert das Auftreten von wilden Schwingungen in der Schaltung, die die Regelung beeinflussen könnten, zu verhindern. Dies wird auf einfache Weise durch die Verwendung eines induktiv gewickelten Widerstandes 76 erreicht, der mit der Anode 32 der Triode 16 in Serie geschaltet ist.
Die über der Elektronenstrahlkanone entwickelte Spannung wird normalerweise konstant gehalten, dies mittels eines Spannungsmesswerkes 18. Die Spannungs regelung wird dadurch bewirkt, dass ein Spannungstei- lernetzwerk 78 über die Elektronenstrahlkanone ge schaltet ist. Der Spannungsteiler 78 weist einen ersten Widerstand 80 auf, dessen eines Ende zwischen der Anode 32 der Triode 16 und der Kathode 54 der Elektronenstrahlkanone 12 angeschlossen ist.
Ein zwei ter Widerstand 82 ist einerseits am entgegengesetzten Ende des ersten Widerstandes 80 angeschlossen und andererseits mit Masse verbunden, die für beide, die Anode 56 der Elektronenstrahlkanone 12 und den Stromversorgungsteil 28 ein Punkt gemeinsamen elektri schen Potentials ist.
Eine vorbestimmte Teilspannung der über der Elek- tronenstrahlkanone 12 entwickelten Spannung erscheint in Abhängigkeit vom Verhältnis der Widerstände 80 und 82 über dem Widerstand 82 und wird durch eine herkömmliche Spannungs-Vergleichsschaltung 86 mit einer einstellbaren Bezugsspannungsquelle 84 vergli chen. Die Differenzspannung wird dazu verwendet, die gewünschte Spannung über der Elektronenstrahlkanone 12 aufrecht zu erhalten. Somit wird die Einstellung der Spannung der Elcktronenstrahlkanone durch Verändern der einstellbaren Bezugsspannung der Quelle 84 er reicht.
Das Differenzspannungssignal, welches vom durch die Triode 16 gelieferten Ausgangssignal abhängt, wird an das Gitter 20 der Triode 16 zurückgeführt, um so die erwünschte Spannungsregelung zu bewirken. In dieser Schaltung wird die Differenzspannung durch einen Verstärker 88, der an den Ausgang der Spannungs- Vergleichsschaltung 86 angeschlossen ist, verstärkt.
Das verstärkte Signal wird in ein Wechselstromsignal um gewandelt und zwar mittels eines herkömmlichen Gleich strom/Wechselstrom Umwandlers 90, de an den Aus gang des Verstärkers 88 angeschlossen ist und das Wechselstromsignal an die isolierte Primärwicklung 92 eines Trenntransformators 94 abgibt. Das in der Sekun därwicklung 96 erzeugte Signal wird einem herkömmli chen Wechselstrom/Gleichstrom Umwandler 98 zuge führt, der über die Wicklung 96 geschaltet ist.
Das resultierende Gleichstromsignal wird dann durch einen Leiter 100 an einen herkömmlichen Serie-Spannungs- regler 102 abgegeben, dessen Ausgang an das Gitter 20 der Triode 16 über das normalerweise geschlossene Schaltmitteel 22 angeschlossen ist.
Der Serie-Spannungsregler 102 wird gespiesen, in dem sein Eingang an einen ersten, eine Vorspannung erzeugenden Stromversorgungsteil 104 angeschlossen ist. Bei dieser Schaltung ist die Positive Ausgangsklemme des Vorspannungsteils 104 durch einen Leiter 106 mit dem Regler 102 verbunden, während die negative Ausgangsklemme mit der negativen Ausgangsklemme des Stromversorgungsteils 28 verbunden ist.
Der Vor spannungsteil 104 ist mit seinem Eingang an das Dreiphasen-Wechselstromnetz angeschlossen. \'Während des normalen Betriebs der Elektronenstrahlkanone ist die positive Anschlussklemme des Vorspannungsteils 104 über den Regler 102 und das normalerweise geschlossene Schaltmittel 22 an das Gitter 20 der Triode 16 angeschlossen.
Der Spannungsregler 102 erhält vom Umwandler 98 ein Gleichstrom-Rückkopplungssignal und regelt die durch den Spannungsteil 104 gelieferte po sitive Spannung. Zweckmässigerweise besteht der Serie regler 102 aus einer herkömmlichen Transistorschal tung, die mit den geeigneten Begrenzungs- und Schwin- gungsschutzschaltungen versehen ist, um das Auftreten hoher, durch Triggern des Schaltmittels 22 erzeugter Schaltüberschwingungen zu verhindern.
Während des Normalbetriebs ist der positive Ausgang des Reglers 102 durch das geschlossene Schaltmittel 22 an einen mit dem Gitter 20 der Triode 16 verbundenen Gitterwiderstand <B>108</B> angeschlossen, um die Triode 16 in einem hochgra dig leitenden Zustand zu halten. Der Gitterwiderstand 108 befindet sich zweckmässigerweise nahe beim Gitter 20 um so besser zur Unterdrückung wilder Schwingun gen in der Schaltung beizutragen.
Das Gitter 20 ist zudem mit einem Widerstand<B>110</B> verbunden, der bei übermässigem Stromfluss durch die Triode während der Dauer eines Lichtbogens, bewirkt, dass an das Gitter 20 negative Vorspannung angelegt wird. Der Widerstand 110 ist einerseits an die Verbin dungsstelle des Ausganges des Schaltmittels 22 und dem einen Ende des Gitterwiderstandes 108 angeschlossen und andererseits mit der negativen Ausgangsklemme eines zweiten Vorspannungsteiles 112 verbunden.
Der zweite Vorspannungsteil 112 weist eine positive Aus gangsklemme auf, die mit der negativen Ausgangsklem me des Stromversorgungsteiles 28 verbunden ist, wobei sein Eingang an das Wechselstromnetz aneschlossen ist. Der Ausgang an dem Schaltmittel 22" führt höhere Spannung als das andere Ende des Widerstandes 110, weshalb bei geschlossenem Schaltmittel 22 positive Spannung an das Gitter 20 angelegt wird. Wenn aber ein Lichtbogen auftritt, der die Öffnung des Schaltmittels 22 bewirkt, wie vorangehend beschrieben, liegt die positive Vorspannung nicht länger am Gitter 20 an.
An deren Stelle wird nun eine negative Vorspannung vom zweiten Vorspannungsteil 112 über den Widerstand<B>110</B> ange legt, welche die Triode 16 in einen wesentlich weniger leitenden Zustand versetzt. Wenn die Triode 16 weniger leitend ist, ist auch die Stromzufuhr zur Elektronen strahlkanone 12 gedrosselt, wodurch automatisch das Vorhandensein eines Lichtbogens in der Elektronen strahlkanone ausgeschlossen wird.
Der mit der Triode 16 in Serie geschaltete Strommess- widerstand 46 stellt den durch ihn hindurchgliessenden Strom fest bzw. zeigt ihn durch eine über ihm entwickel te, dem Strom entsprechende Spannung an. Die Mess- Schaltung 24 ist unter den Strommesswiderstand 46 geschaltet und erhält diese Spannung durch seine Ein gangsklemmen.
Die Messschaltung 24 ist so eingestellt, dass sie ein elektrisches Signal erzeugt, wenn die Spannung über dem Messwiderstand 46 einen vorbe stimmten Pegel übersteigt, wie dies während des Auftre tens eines Lichtbogens in der Elektronenstrahlkanone der Fall ist, da die Triode 16 einen Stromanstieg verzeichnet. Dieses Signal ist an das Schaltmittel 22 angeschlossen und bewirkt die Öffnung des letzteren wodurch weiter bewirkt wird, dass die positive Vorspan- nung von der Triode 16 weggenommen und eine negative Vorspannung an das Gitter 20 angelegt wird, die vom Vorspannungsteil 112 geliefert wird, wodurch natürlich die Triode 16 weniger leitend wird.
Die Messschaltung 24 wird geeigneterweie durch einen dritten Vorspannungsteil <B>113</B> gespiesen, an wel chen sie mit ihrem Eingang angeschlossen ist. Bei dieser Schaltung steht die negative Ausgangsklemme des Vor spannungsteiles 113 mit der negativen Ausgangsklemme des Stromsversorgungsteiles 28 in Verbindung, während die positive Ausgangsklemme des Vorspannun;steils 113 an die Messschaltung 24 angeschlossen ist, um diese mit Energie zu versorgen.
Der Ausgang der Nlessschaltung 24 ist an die Wiederanlass-Schaltung 114 angeschlossen sowie auch an das Schaltmittel 22. Die Wiederanlass-Schaltung 11=1 ist dazu ausgebildet, das Schliessen des Schaltmittels 22 zu bewirken, nachdem dieses durch das Vorhandensein einer übermässigen Spannung über dem Messwiderstand 46 geöffnet wurde. Die Wiederanlass-Schaltung 114 wird durch die cIessschaltung 24 getriggert, wenn diese erregt wird.
Nach Ablauf einer zweckmässigen, vorge wählten Zeitverzögerung führt die Wiederanlass-Schal- tung 114 dem offenen Schaltmittel 22 einen Signalim puls zu, wodurch letzteres schliesst, und dadurch be wirkt, dass eine positive Vorspannung an das Gitter 20 angelegt wird. Dadurch wird die Triode 16 wieder leitend und der Stromversorgungsbetrieb wieder nor m a1.
Bei der Zündung eines Lichtbogens können verhält nismässig hohe Schaltströme auftreten, was ein Auftre ten hoher Spannungen über dem Widerstand 46 bewirkt. Um eine Beschädigung der Messschaltung 24 zu ver hindern ist es zweckmässig, eine Spannungsbegrenzungs- schaltung 116 vorzusehen, die über den Messwiderstand 46 geschaltet wird. Die Begrenzerschaltung 116 besitzt mehrere vorgespannte Dioden<B>118,</B> die miteinander in Serie über den Messwiderstand 46 geschaltet sind.
Diese Dioden 118 sind vorzugsweise herkömmliche Silizium- Gleichrichter, da Zener-Dioden mit entsprechenden Stromführungseigenschaften nicht ohne weiteres erhält lich sind. Im vorliegenden Fall werden 7 Dioden verwendet.
Die Begrenzerschaltung 116 weist zudem eine umge kehrt vorgespannte Diode 120 auf, die über die Dioden 118 geschaltet ist. Diese Diode 120 schützt die Dio den 118 vor der Zerstörung im Falle eines verhältnismäs- sig hohen Rückwärts-Schaltsignals.
Bei der Zündung des Lichtbogens in der Elektro- nenstrahlkanone erreicht der Spannungsabfall über der Kanone den Nullpegel, so dass weitgehend die ganze Spannung über der Triode 16 anliegen würde. Dies ist natürlich sehr unerwünscht und wird hauptsächlich dadurch verhindert, dass eine Drossel 121 zwischen der Anode 32 und der Kathode 54 der Kanone in Serie ge schaltet ist. In dieser Schaltung dient die Drossel 121 dazu, dass plötzliche Auftreten hoher Spannungsspitzen in der Schaltung zu verhindern, indem die Anstiegszeit der Spannungsspitzen gedehnt wird über ein Zeitinter vall, das durch die Charakteristik der Drossel bestimmt ist.
Daraus resultierend hat die Strombegrenzerschaltung Zeit, um im Sinne einer Verringerung des der Elektro- nenstrahlkanone 12 zugeführten Stromes zu reagieren und so den Lichtbogen abzubrechen.
Während des Normalbetriebs eines Hochvakuum- Elektronenstrahlofens können zwischen verschiedenen Elementen der Elektronenstrahlkanone und der Zulei tungen sowie verschiedenen Elementen des Ofens perio disch Lichtbogen aufteten. Obwohl die genauen Um s iinde, welche zu Lichtbo#,enbildutig führen, nicht genau u<B>c</B> bekannt sind, nimmt man an, dass lokale Heisspunkte,
welche einen Anstieg thermionischer Emission erzeu gen und das Vorhandensein beträchtlicher Anonitäten positiver Ionen in einem bestimmten Abschnitt an der Bildung eines Lichtbogens beteiligt sind. Nach der Bildung des Lichtbogens ist es normalerweise notwen dig, die Energiezufuhr zur Kanone zu drosseln und auf einem reduzierten Pegel für eine Dauer von etwa 0,4 s oder länger aufrecht zu erhalten, bevor die Leistung wieder erhöht werden kann, ohne eine nochmalige Bildung des Bogens zu riskieren.
Man nimmt an, dass diese Verzögerung es der grossen Menge der Ionen im Bereich der Bogenbildung erlaubt sich im Vakuumofen zu verteilen und es den Bereichen, welche auf eine hohe Temperatur erhitzt wurden und welche einen relativ hohen Pegel an thermionischer Emission aufweisen können, ermöglicht abzukühlen. Eine Verzögerung von 0,4 s oder mehr ist zweckmässig und kann zu einem re lativ hohen Ausmass an Leistungsunfähigkeit im Ofen- b.:ti'ICJ lind in Fluktuation der Energie, welche dem erhitzten Material zugeeführt wird, beitragen.
Das letztere Phänomen kann eine besondere beseitigende Wirkung im Falle von Dampolabscheidunns-Arbeitsgängen ha ben, da es eine nicht toterierbare Variation in der Ablagerungsrate erzeugen kann.
Von einem Lichtbogen kann generell gesagt werden, dass er zwei Stufen aufweist, nämlich eine Anfangsstufe, die sich durch einen rapiden Anstieg des Stroms in der Elektronenstrahlkanone äussert und eine stabile Stufe, in welcher der Strom sich an einer Stelle stabilisiert, bei welcher der Lichtbogen die Maximalleistung durchläuft. Durch Begrenzung des Stroms auf einen Pe@lel unterhalb des hohen Stroms der stabilen Stufe kann eine Beschädi gung verhindert werden, wobei aber der Lichtbogen weiter besteht, nämlich auf dem unteren Strompegel, und auf den höheren Strompegel der stabilen Stufe ansteigen kann, wenn die Strombegrenzung aufgehoben wird.
Wenn jedoch der Lichtbogen auf seiner Anfangs stufe gedrosselt wird, indem der Strom der Elektronen strahlkanone genügend zurückgeregelt wird, kann der volle Betriebsstrom sehr rasch wiederhergestellt werden, ohne dass eine damit verbundene nochmalige Bildung des Lichtbogens erfolgt. Ohne dass man die Umstände ganz genau kennt, nimmt man an, dass eine schnelle Rückbildung des Stroms möglich st, weil eine extensive Ionisierung der Dampfpartikel im Bereich des Lichtbo gens vermieden wird oder weil eine extensive Supererhit zung der Emissionsflächen für die Elektronen nicht stattfindet oder weil sogar beide Effekte zusammenwir ken.
Um den Vorteil des raschen Wiederanlaufens zu erreichen, wird wie bereits früher erwähnt der Strom der Elektronenstrahlkanone zurückgedrosselt, während der Lichtbogen sich in seinem Anfangsstadium befindet. Wie lange die Drosselung des Stroms dem stabilen Stadium vorausgehen sollte, hängt von der jeweiligen Schaltungscharakteristika und den Werten der Schalt komponenten ab, ferner vom Wert des Vakuums im Ofen, der Menge und der Art der Dämpfe um die Elektronenstrahlkanone herum, sowie von der jeweiligen Geometrie der Strahlkanone selbst und des sie umgeben den Ofenbaus.
Bei Öfen mit Leistungspegeln von über 10 kW ist es normalerweise möglich, wenn der Strom der Strahlkanone nach weniger als 15 ms nach Beginn des Lichtbogens gedrosselt wird, den Strom innerhalb von 200 ms wieder aufzubauen, ohne dass eine damit verbundene nochmalige Bildung des Lichtbogens erfolgt. Für viele Betriebsarten ist eine 20 ms Verzögerung zu lang, wobei allerdings eine kürzere Verzögerung durch Verwendung von Drosselungszeiten von weniger als 15 ms erreicht werden kann.
Die Erfahrung zeigt, dass für die meisten Ofenarten die mit mehr als 10 kW Strahlleistung und 3 A Strahl- strom arbeiten, der Strom der Elektronenstrahlkanone auf einen minimalen Strompegel reduziert werden sollte, um den Lichtbogen abzudrosseln. Der für einen zufrie- denstellenden Betrieb erforderliche Pegel beträgt übli cherweise weniger als 2A, wobei es für relativ hohe Zuverlässigkeeit zweckmässig ist, dass er auf weniger als lA reduziert wird.
Höchst zufriedenstellende Resultate wurden bei einem Betriebsstrom von 5A dann erreicht, wenn der Strom auf weniger als 5 0;'o des Betriebsstroms, also etwa<B>0, ]A</B> reduziert wurden. Im letzteren Fall und bei einer Drosselzeit von 10 res ist es üblicherweise möglich, den Strom der Elektronenstrahlkanone sehr schnell wieder aufzubauen, in einigen Fällen bis ztt 1.00 trs nach der Drosselung, ohne eine daraufzurückzu- führende nochmalige Bilduno des Lichtbogens zu bewir ken.
Ein weiterer Vorteil liegt im raschen Drosseln des Stroms der Elektronenstrahlkanone im Anfangsstadium des Lichtbogens. Dieser Vorteil ist in der Tatsache begründet, dass das Vorhandensein eines Lichtbogens üblicherweise von einem relativ hohen Pegel von HF- Schwingungen be;leitet ist.
Die Energieversorgungs schaltung kann auf solche Schwingungen ansprechen, weshalb sich während deren Vorhandensein Komplika tionen ergeben können. Zweckmässig werden deshalb HF-Schwingungsfallen an geeigneten Stellen der Schal tung vorgesehen, um die Wirkung der HF-Schwingungen zu reduzieren, was sich natürlich wiederum in einem Kostenanstieg der Schaltung bemerkbar macht. Infolge der Verringerung der HF-Schwingungen, welche durch die Drosselung der Lichtbögen in ihrem Anfangsstadium bewirkt wird, wird die Schaltungsauslegung in dieser Hinsicht beträchtlich vereinfacht.
Wie vorangehend erwähnt, ist der durch die Elektro- nenstrahlkanone 12 emittierte Elektronenstrahlstrom durch Verwendung eines Stromeinstellnetzwerkes 26 einstellbar. In dieser Schaltung wird der der Elektro- nenstrahlkanone 12 zugeführte Strom zweckmässiger- weise durch einen Messwandler 122 gemessen, der zwischen die Triode 16 und die Elektronenstrahlkanone 12 in Serie geschaltet ist.
Der Messwandler 122 kann einen Magnetverstärker oder eine sättigungsfähige reak torartige Vorrichtung besitzen. Ein zufridenstellender sättigungsfähiger Verstärker des Reaktortyps kann einen einzelnen Leiter aufweisen der sich durch ein Paar Torodialspulen mit je einer Wechselstromwicklung hin durch, welche Wicklungen gegensinnig geschaltet sind.
Im Stromeinstellnetzwerk 26 wird der Ausgang von der Wechselstromwicklung 126 des Magnetverstärkers 122 mit dem Ausgang eines einstellbaren Strombezugs wertmittels 128 durch eine herkömmliche Stromver- gleichsschaltung 130 verglichen. Der Differenzwert zwi schen diesen zwei Signalen wird durch einen herkömmli chen Verstärker 132 verstärkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 132 wird dann an die Eingangsklemmen einer Heizstromsteuerung 134 angelegt.
Diese Heiz stromsteuerung 134 weist normalerweise eine Wechsel stromquelle (nicht dargestellt) auf, deren Ausgang über eine herkömmliche Silizium-Gleichrichter-Torschaltung (nicht dargestellt) mit der Primärwicklung des Heiz- transformators 62 verbunden ist. Der Silizium-Gleich- richter wird gezündet oder erregt, wenn ein genügend grosser Signalunterschied zwischen dem Signal des Be zugsmittels 128 und dem durch den Magnetverstärker 122 gemessenen Strom besteht. Ein solcher Zustand bewirkt eine Änderung in dem der Primärwicklung 64 des Heiztransformators 62 zugeführten Strom, welcher die Heizung der Kathode 54 steuert.
Somit wird der der Elektronenstrahlkanone zugeführte Strom auf einem gewünschten Pegel gehalten. Der gewünschte Heizpegel der Kathode 54 kann bequem einfach durch Verändern des Strom-Bezugswertmittelausganges eingestellt wer den. Falls gewünscht, können anstelle des Messwandlers andere geeignete Mittel zur Angabe des Stroms, bei spielsweise anhand des Verdampfungswertes oder der Prallmaterial-Temperatur verwendet werden.
Ein Schaltschema einer zweckmässigen Ausfüh rungsart des Messmittels 24, der Wiederanlass-Schaltung 114 und des Schaltmittels 22 ist in Fig. 2 dargestellt. Zum besseren Verständnis der Schaltung wird zuerst kurz die Arbeitsweise erläutert.
Das Stromsignal, das durch den Strommesswiderstand 46 gemessen wird, wird an eine Ansprechschaltung 140 abgegeben und zwar über ein zwischengeschaltetes Potentiometer 1-t2. Wenn das Stromsignal einen durch die Stellung des Potentio- meters 1=12 bestimmten Pegel erreicht, wird die An sprechschaltung 140 ausgelöst, wodurch diese ihrerseits an ihrem Ausgang einen Stromimpuls abgibt.
Dieser Stromimpuls wird durch einen Verstärker 1-14 verstärkt und einem Tor 145, bestehend aus dem gesteuerten Silizium-Gleichrichter 146, zugeführt, um letzteren zu zünden. Wenn der gesteuerte Silizium-Gleichrichter 146 zündet, wird ein Kondensator 147 (im folgenden Entre gungskondensator genannt) über die Primärwicklung 148 eines Eingangstransformators 150 geschaltet. Der Entregungskondensator 147, der vorangehend aufgela den wurde, entlädt sich über die Primärwicklung 148, und der resultierende Stromimpuls wird über die Sekun därwicklungen 152 des Transformators 150 an ein torgesteuertes Schaltmittel 154 im Schaltmittel 22 abge geben.
Dadurch wird das Schaltmittel 22 nichtleitend und der Betriebsstorm für die Elektronenstrahlkanone 12 wird unterbrochen. Zur gleichen Zeit erregt der durch die Entladung des Entregungskondensators 147 gebildete Stromimpuls durch den leitenden gesteuerten Silizium-Gleichrichter 146 die Wiederanlaufschaltung 114. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit gibt die Wiederanlaufschaltung 114 über den Eingangstransfor mator 150 in einer, zu der durch die Messschaltung 24 gebildeten, umgekehrten Richtung einen Stromimpuls ab.
Der Strom in der unigekehrten Richtung bewirkt, dass das nichtleitende, torgesteuerte Schaltmittel 154 in den leitenden Zustand übergeht, d. h. das Schaltmittel 22 wird geschlossen und der Elektronenstrahtkanone 12 erneut Strom zugeführt.
Genauer gesagt, ist im dargestellten Beispiel der Strommesswiderstand 46 mit dem einstellbaren Poten- tiometer 142 verbunden und zwar durch eine normaler weise vorwärts vorgespannte Diode 164 und ein RC- Eingangsfilter <B>166.</B> Eine Zener-Diode 174 ist über das Potentiometer 142 geschaltet, so dass die Ausprech- schaltung 140 vor hohen Schaltspannungen geschützt ist.
Der Abgriff des Potentiometers 142 ist an den Eingang der Ansprechschaltung 140 angeschlossen, wel che in diesem Falle ein herkömmlicher Schmitt-Trigger ist. Wenn die am Abgriff auftretende Spannung die Zündspannung der Ansprechschaltung 140 übersteigt, wird am Ausgang derselben ein Ausgangsimpuls erzeugt. Dieser Impuls wird durch den Verstärker 144 verstärkt, wobei letzterer ein in normaler Emitterfolge-Schaltung geschalteter Transistor ist.
Der verstärkte Impuls wird dann an das Tor 145 des gesteuerten Silizium-Gleich- richters 1.46 über einen Kopplungswiderstand 176 und eine Zener-Diode 178 geleitet und verhindert, dass der gesteuerte Silizium-Gleichrichter 1=16 gezündet wird, bevor der Impuls eine vorbestimmte Amplitude erreicht. Das Tor 145 ist über einen Vorspannungswiderstand 180 an die durch den Stromversorgungsteil 28 gelieferte Spannung angeschlossen. Die Kathode 182 des gesteuer ten Silizium-Gleichrichters 146 ist, ebenfalls an die negative Spannung angeschlossen.
Die Anode 184 des gesteuerten Silizium-Gleichrich- ters 146 ist dadurch vorgespannt, dass sie durch eine vorwärts vorgespannte Diode<B>186</B> und einen Spannungs- abfall-Widerstand 183 an den positiven Ausgang des Stromversorgungsteils 10=1 angeschlossen ist. Zusätzlich sind der Entregungskondensator 147 und die Primär wicklung 148 beide in Serie über die Anode-Kathode- Schaltung des gesteuerten Silizium-Gleichricliters 146 geschaltet.
Der Entregtingskondensator 147 wird somit über die Abblock-Diode 186 aufgeladen, während der gesteuerte Silizium-Gleichrichter 146 nichtleitend ist. Bei der Zündung des letzteren entlädt sich der Entre- gungskondensator 147 über die Primärwicklung 1-18.
Der gesteuerte Silizium-Gleichrichter 146 verbleibt in seinem leitenden Zustand, bis der durch seine Anoden- Kathoden-Strecke fliessende Strom unter dem Haltewert liet und das Signal vom Verstärker 14-1 verschwunden ist.' Die Wiederanlauf-Schaltung 114 ist dazu ausgebil det, bei der Entladung des Entregungskondensators 147 ausgelöst zu werden. Sie gibt hauptsächlich pulsierenden Gleichstrom über die Primärwicklung 148 in entgegen gesetzter Richtung zu dem durch den Entregungskon- densator 147 gelieferten, ab.
Die Wiederanlauf-Schaltung 114 ist über den Span- nungsab'allwiderstand 18S an dem StrornversorgungsteiI l0=1 angeschlossen und weist einen Halbleiterschalter <B>196</B> auf, der im vorliegenden Fall ein vierschichtiger, mit zwei Anschlüssen versehener Silizium-Halbleiter - be kannt als Dioden-Thyristor - ist. Der Halbleiterschalter 196 wird eingeschaltet, wenn an seinen Anschlüssen eine die Schalt- oder Umbruchspannung übersteigende Span nung angelegt wird und ausgeschaltet, wenn der durch ihn hindurchfliessende Strom unter dessen Haltewert fällt.
Die Anode 198 des Halbleiterschalters 196 ist über einen Widerstand 200 und einen Rheostaten 192 an den Spannungsabfallwiderstand 188 angeschlossen. Die Kat hode 202 des Halbleiterschalters 196 ist an die Primär wicklung 148 und den Entregungskondensator 147 angeschlossen. Ein Ansprechkondensator 204 ist über die in Serie verbundenen Halbleiterschalter 196, Wider stand 200 und Primärwicklung 148 geschaltet.
Da der Kondensator 204 mit dem Stromversor- gungsteil 104 verbunden ist, übersteigt die darüberlie- gende Spannung die Umbruchspannung des Halbleiter schalters<B>196.</B> Der Kondensator 204 wird kontinuierlich durch die Stromquelle 104 aufgeladen und wenn der Halbleiterschalter 196 leitend wird, entlädt sich der Kondensator 204 über den Schalter 196. Der Halbleiter schalter 196 wird nichtleitend, wenn der durch die Entladung gelieferte Strom auf einen Pegel unterhalb des Haltewertes abgefallen ist. Die Zeitkonstante für die Aufladung des Kondensators 204 wird durch Einstellen des Rheostaten 192 bestimmt.
Zwangsläufig wird im vorliegenden Fall ein Sägezahnsignal mit einer vorbe stimmten Frequenz kontinuierlich an die Primärwick lung 148 angelegt, welches der Richtung des durch die Messschaltung 24 gebildeten entgegengesetzt ist. Zusätz- lich wird ein Hochpass-Kondensator 206 über den Schalter 196 geschaltet, um ein durch Schaltströme bewirktes Einschalten zu verhindern.
Eine Zener-Diode 208 ist über den Eingang der Wiederan- laufschaltung 114 geschaltet, um über die ganze Schal tun] eine konstante Spannung zu gewährleisten und eine Begrenzer-Diode 210 ist über den Triggerkondensator 204 geschaltet.
Wenn der gesteuerte Silizium-Gleichrichter 146 zün det, gibt die im Entregungskondensator 147 gespeicherte Ladung eine hohe negative Spannung an die Kathode 202 des Halbleiterschalters 196 ab. Dies bewirkt, dass der Schalter 196 einschaltet und der Kondensator 204 sich entlädt. Der Widerstand 200 hingegen verringert diesen Strom, so dass seine Einwirkung auf den Strom impuls, welcher durch den Entregerkondensator 147 produziert wird, minimal ist. Als Ergebnis dieser früh zeitigen Entladung des Kondensators 204 wird die normale Form der Sägezahnwellenform,welehe an der Primärwicklung 148 anliegt, unterbrochen und es wird ein neuer Zyklus dadurch sofort eingeleitet, dass der Schalter 196 eingeschaltet wird.
Der nächste Sägezahn impuls, welcher durch die Wiederanlaufschaltung 114 an die Primärwicklung 148 abgegeben wird. startet die Elektronenstrahlkanone 12 von neuem, da er bezüglich des durch den Entregerkondensator 147 abgegebenen eine entgeengesetzte Richtung aufweist.
Um den Betriebsablauf der 11,Iess- und Wiederan- laufschaltungen kurz zusammenzufassen, kann gesagt werden, dass der Triggerkondensator 204 zusammen mit dem Halbleiterschalter 196 vom Stromversorgungsteil 104 gespiesen wird und regelmässig eine Sägezahn- Wellenform an die Primärwicklung 148 anlegt.
Wenn ein Stromimpuls an das Tor 145 des gesteuerten Silizium-Gleichrichters 146 abgegeben wird und diesen zündet, entlädt sich der vorangehend aufgeladene En- tregungskondensator 147 über den gesteuerten Silizium- Gleichrichter 146, und es wird ein Impuls in Richtung von a nach b an die Primärwicklung 148 abgege ben.
Gleichzeitig liegt die negativ aufgeladene Seite des Entregungskondensators 147 eine hohe negative Span nung an den Halbleiterschalter 196 an, und bewirkt die Zündung desselben, wodurch der Wiederanlauf der Sägezahnwellenform, welche der Primärwicklung 148 zugeführt wird, ausgelöst wird. Nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalles ist die Ladung des Trig- ger-Kondensators 204 genügend hoch, den Halbleiter schalter 196 zu kippen, wodurch die Primärwicklung 148 in Richtung von b nach a mit Impulsen gespiesen wird.
Das Wiederanlass-Signal wird nicht nur dazu ver wendet, die Elektronenstrahlkanone 12 nach ihrer Still- legung durch das Messmittel 28 wieder anlaufen zu lassen, sondern auch dazu, das Schaltmittel 22 in den leitenden Zustand zu bringen, wenn zum ersten Mal Energie an die Schaltung angelegt wird.
Das Wiederan- lass-Signal, das durch die Wiederanlass-Schaltung 114 geliefert wird, ist durch das Sekundärwicklungspaar 152 über die Transformator-Überlastungsschutzschaltung 212 mit den Toren 214 des doppeltorig geesteuerten Schalters 154 verbunden. Dieses Signal schaltet die torgesteuerten Gleichrichter 154 ein und bringt sie in den leitenden Zustand, wodurch der Spannungsregler 102 an den Vorspannungswiderstand 103 angeschlossen wird.
Darauf folgend wird positive Vorspannung an das Gitter 20 der Triode 16 angelegt und die Elektronen strahlkanone 12 wird wieder mit Energie versorgt.
Im dargestellten Beispiel ist ein Paar torgesteuerter Gleichrichter 134 vorgesehen, welche beiden zueinander in Serie zwischen einem Eingangsleiter 216, der an den Spannungsregler 102 angeschlossen ist und einen an den Vorspannungswiderstand <B>108</B> angeschlossenen Leiter 218 geschaltet sind, da die Spannungswerte einer einzel nen Vorrichtung für bestimmte Anwendungen ungenü gend hoch sein können. Die Schalter 154 sind vorzugs weise torgesteuerte Silizium-Gleichrichter, deren jeder eine Steuerelektrode 214, eine Kathode 220 und eine Anode 222 aufweist.
Ein Paar Widerstünde 224 und 226 sind über die entsprechende Steuerelektroden-Kathoden-Verbindung jedes gesteuerten Gleichrichters 154 geschaltet. Die Vorspannung für die Kathode 220 des oberen Gleich richters 154 und für die Anode 222 des unteren Gleichrichters 154 wird durch die Vorspannungswider- stände 228 und 230 geliefert, welche in Serie zwischen die Eingangs- und Ausgangsleiter 216 bzw. 218 geschal tet sind.
Die Verbindungssteile zwischen den serienmäs- sig verbundenen Widerständen 228 und 230 steht mit der Verbindungsstelle zwischen der Kathode 220 des oberen Gleichrichters 154 und der Anode 222 des unteren Gleichrichters 1.54 in Verbindung. Zusätzlich ist ein Spitzen-Unterdrückungs-Netzwerk 232 vorgesehen und zwar zweckmässigerweise über die Vorspannungs- widerst;inde 228 und 230 geschaltet, um die gesteuerten Silizium-Gleichrichter 154 zu schützen.
Das Schaltmittel 22 weist im weiteren ein Paar Eingangswiderstände 234 und 236 auf, die über die Sekundärwicklungen 148 geschaltet sind.
Um die gesteuerten Silizium-Gleichrichter 154 abzu schalten, wie vorangehend erwähnt, wird ein Impuls von dem Entregerkondensator 147 an den Transformator 150 in Richtung von a nach b abgegeben. Dieses Signal bewirkt, dass die Steuerelektroden 214 der gesteuerten Gleichrichter 154 bezüglich den Kathoden 220 negativ werden. Dadurch werden die Gleichrichter 154 nichtleitend, bis ein Signal von der Wiederanlauf- Schaltung 114 an die Steuerelektroden 214 abgegeben wird, welches bewirkt, dass sie wieder leitend werden, wie vorangehend beschrieben.
Die dargestellte Schaltung kann dazu ausgebildet sein, Stromverringerungszeiten wie beschrieben durch geeignete Wahl der Werte der Schaltungskomponenten zu erreichen, z. B. gemäss denn im folgenden vorausge setzten Beispiel. Das Potentiometer 142 ist so eingestellt, dass der Spannungspegel, bei welchem der Schmitt- Trigger 149 zündet einem Stromanstieg entspricht, der genügt, um anzuzeigen, dass sich ein Lichtbogen auf baut.
Dieser Strompegel wird so vorgewählt, dass er wesentlich unterhalb des Strompegels im stabilen Sta dium des Lichtbogens liegt, wobei für eine normalerwei se bei 5A arbeitende Elektronenstrahlkanone ein zufrie denstellender Triggerpegel bei etwa 5,3 bis 5,5A liegt. Es ist normalerweise unnötig, den Triggerpegel zu senken, sogar dann wenn mit 3 oder 4A gearbeitet wird, da die Stromanstiegszeit auf den Ansprechpegel norma lerweise weniger als 1 ,us beträgt.
Im Folgenden wird auf Fig. 3 der Zeichnung Bezug genommen. Darin ist die generelle Betriebscharakteristik der dargestellten Schaltung enthalten. Fig. 3 zeigt die Spannungsänderung über der Elektronenstrahlkanone bei den an der Strahlkanone vorhandenen Strömen. Die Spannung A stellt die offene Schaltung oder die unbela stete Spannung der Energieversorgung 28 dar. Die Linie A-B zeigt die charakteristische Spannungsregelung der Stromversorgung 28 plus den Abfall über der Triode 16 mit konstanter positiver Vorspannung am Gitter 20.
Die Linie C-D zeigt die effektiv regulierte Spannung wie sie an der Elektronenstrahlkanone 12 erscheint. Die Dachflanke der Linie C-D ist von derjenigen der Linie A-B um die Pegelschleife, welche den Spannungsregler 102 einschliesst verringert. Der Punkt D zeigt den cut off oder Abfallpunkt des Stromes an. Dies ist der Punkt, bei welchem die Strahlkanone den Maximalstrom zieht, welcher durch das Triodensteuersystem zugelassen wird.
Der maximale Strompegel ist im Strommessmittel 24 voreingestellt und die Schaltung arbeitet bei Errei chung desselben wie oben beschrieben, um den Strom entlan(1 der Gestrichelten Linie D-E auf den Punkt E zu drosseln. Der Punkt E beträgt wie bereits erwähnt zweckmässig weniger als 1A. Der Betriebsstrom kann etwa 90 % des cut off -Punktes D betragen.
Im Folgenden wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Der Betrieb der Schaltung kann aus der Beziehung zwischen dem Strom in der Flektronenstrahlkanone und der Zeit ersehen werden. Während des Intervalls t"-t, arbeitet die Strahlkanone normal mit dem Betriebsstrom 1o. Im Zeitpunkt t, beginnt sich ein Lichtbogen zu entwickeln und der Strom steigt sehr schnell an, als typisches Beispiel in der Grössenordnung von 10-100 A,!us. Das Zeitintervall t,-t_@ ist demnach sehr kurz,
charakteristi- scherweise nur ein Bruchteil einer ,crs. Wenn der Strom den durch I, bezeichneten Ansprechpeael im Zeitpunkt r_ erreicht, reagiert das Stromiuessmittel 24 und bewirkt dass der Schalter 22 öffnet. Die damit verbundene Zeitverzögerung ist durch das Intervall tz---t3 .darge stellt, wobei Intervalle von 10-500 sss ohne weiteres erreichbar sind.
Wenn der Schalter 22 einmal geöffnet hat und die damit verbundene Umkehrung der Vorspan- nung des Gitters 20 in der Triode 16 stattgefunden hat, fällt der Strom rasch auf den minimalen Pegel I", innerhalb des Zeitintervalls 13-t4 ab. Wie bereits erwähnt, beträgt der minimale Strompegel Im zweckmäs- sig weniger als IA. Äusserst vorteilhafte Resultate wurden mit 0,1A erzielt.
Wie bereits früher erwähnt, kann, wenn das Zeitin tervall tl-t4 genügend kurz gemacht wird, das Zeitin tervall t4-t5 beträchtlich kürzer als die 0,4s gehalten werden, welche für die Rückbildung der Leistung erforderlich sind, wenn die Entwicklung eines Lichtbo gens im stabilen Stadium zugelassen wurde. Das Inter vall 61-t2, welches nur einen Bruchteil einer ps beträgt, kann praktisch vernachlässigt werden. Dementsprechend werden die Schaltungskomponenten so gewählt, dass sie das Zeitintervall tz---ta innerhalb der vorausgesetzten Grenzen halten.
Im Zeitpunkt 15 schliesst die Wiederanlassschaltung 114 den Schalter 122 und der Strom steigt auf den Wert 1o an, womit die volle Leistung wieder an die Elektro- nenstrahlkanone abgegeben wird, wie durch die festaus gezogene Linie in Fig. 4 angezeigt. Gelegentlich können die Lichtbogenbedingungen im Zeitpunkt t5 nicht voll ständig beseitigt sein und als Resultat einen Anstieg des Stroms über den Pegel I" hinaus fortsetzen, wie durch die gestrichelte Linie dargestellt ist.
Wenn dies auftritt, bewirkt das Strommessmittel 24 nochmals eine Strom drosselung, wobei das Zeitintervall 15-t7 generell dem Zeitintervall tl-t4 entspricht. Die Wiederanlassschal- tung fährt damit weiter, den Strom wieder ansteigen zu lassen, dies während den Intervallen t5 --t8, bis die Lichtbogenbedingung beseitigt ist.
Das Intervall kann wie bereits erwähnt sehr kurz gemacht werden, bedingt durch den raschen Drosse- lungsvorgang der Schaltung. Aus praktischen Gründen wird der minimal mögliche Wert nicht gewählt, da die Chancen, dass die Lichtbogenbedingungen nicht besei tigt wurden, grösser werden, je kürzer das Drosselungs- intervalI ist. Dafür ist das Intervall 14-t5 so gewählt, dass der Energieingang in das im Tiegel durch die Elektronenstrahlkanone erhitzte Material maximal wird.
In einem typischen Fall liegt dieses Zeitintervall zwi schen etwa 30-50 ms, je nach Betriebsbedingungen. Die Zeitkonstanten der Wiederanlassschaltung werden durch Einstellen des Potentiometers 192 gesteuert, so dass die Aufladezeit des Kondensators 204 das Intervall 14-t5 bestimmt. Sobald der Kondensator 204 aufgela den ist, schaltet ein Impuls in der Primärwicklung 148 die durch Tore gesteuerten Schalter wieder ein um der Elektronenstrahlkanone wiederurn Strom zuzuführen.
Das Zeitintervall t5-t6 ist zweckmässig sehr kurz, in der Grössenordnung von weniger als einer /is. Die Verzögerungszeit der Primärwicklung 148 und der torgesteuerten Schalter 15=I muss ebenfalls als im Zeitin tervall 1,-t5 stattfindend angenommen werden.
Ein zufriedenstellender Betrieb unter Herstellungs bedingungen nach den vorstehenden Kriterien unter Verwendung einer dem dargestellten Schema entspre chenden Schaltung wurde bei folgenden Komponenten werten erreicht: Widerstände: 46-1 Ohm 48-5 Ohm 76-50 Ohm 108-10 Ohm 110-2.5 K 142-650 Ohm 166-51 Ohm 176-390 Ohm 180-l K 188-100 K 192-300 K 200-10 Ohm 224-100 Ohm 226-100 Ohm 228-100 K 230-100 K 234-100 Ohm 236-100 Ohm Kondensatoren: 42-.005 ,uf 44-.005 !af 147-0.47 ,uf 204-0.1 ,uf 206-.0i pf Triode: 16-No. ML 6426 P Transistoren:
ALL-G.E. 7A-32 Spulen: 76-100 Windungen bei 5 cm 0 No. 14 Draht 121-40 cm lang, 7,5 cm 0, No. 14 Draht mit Doppelabstand-Faktor Transformer: 34-8 v. 62-17 v.
150-Pulse Engineering No. 5258 Übertrager: 122-Stromübertrager niedriger Induktanz, 0-5 Ampere Dioden: 118-IN1191 120-IN1191 164-Diodes Inc. SD-2 186-Diodes Inc. SD-2 210-Diodes Inc. SD-2 in 212-Motorola MR 1337-2 Zener Dioden:
174-Diodes Inc. ZD-6.2B 178-Diodes Inc. ZD-6.2B 208-Diodes Inc. ZD-56B ;r 212-Diodes Inc. ZD-6.2B Thyristor: 196-Clevite 4E40-28 Gesteuerter Gleichrichter: 146-Motorola MCR-1604-3 Torgesteuerte Schalter:
154-Texas Instruments TIC-15 Somit wurden ein neues Verfahren und eine Einrich tung geschaffen, welche die über der Elektronenstrahl- kanone entwickelte Spannung regeln und welche es ermöglichen, den Strom selektiv zwischen vorgewählten Grenzen einzustellen und auf gewünschten Pegelwerten zu regeln.
Gleichzeitig wurde ein Schutz geschaffen, um den der Elektronenstrahlkanone zugeführten Strom zu drosseln, um so das Auftreten von schädlichen Wirkun gen während des Vorhandenseins des Lichtbogens aus- zuschliessen. Zusätzlich ist die Energieversorgung dazu verwendbar mehrere parallel geschaltete Elektronen strahlkanonen zu speisen und den Strom einer bestimm ten Kanone beim Auftreten eilfies Lichtbogens in dieser zu begrenzen ohne die Ströme der anderen Kanonen zu beeinflussen.