CZ294249B6 - Zařízení pro emitování nabitých částic - Google Patents

Abstract

Zařízení pro emitování nabitých částic zahrnuje emitor (5) pro emitování nabitých částic jedné polarity; trubkovitou stínicí elektrodu (6) obklopující emitor po obvodu a při funkci udržovanou na polaritě stejné jako je polarita nabitých částic; a trubkovitou urychlovací elektrodu (7) uloženou koaxiálně se stínicí elektrodou (6) a při funkci udržovanou na opačné polaritě, než je polarita stínicí elektrody, přičemž toto uspořádání je takové, že nabité částice z emitoru (5) jsou zpočátku rozptýlené do stran a pak jsou soustředěny do svazku, který prochází trubkovitou urychlovací elektrodou (7).ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro emitování svazku nabitých částic a emitorů. Vynález se například týká generování elektronových svazků o vysokém výkonu a jejich přenosu do vakuových komor pracujících při tlaku v rozmezí 10^_1 mbar až několik set milibarů. Vynález se však dá rovněž využít pro další typy svazků nabitých částic včetně svazků nabitých částic tvořených negativně a pozitivně nabitými ionty. Nadále se pro zjednodušení bude hovořit jen o elektronových svazcích.

Dosavadní stav techniky

Elektronové svazky jsou přímo produkovány uvolňováním volných elektronů z emitoru a jejich urychlováním v elektrickém poli. Pro elektronové svazky, které jsou používány pouze pro tavbu kovů ve vakuu, nemá kvalita svazku, daná rozložením hustoty energie, jasem a tvarem svazku, velký význam. Typicky je jas definován jako hustota proudu na steradian.

Pro další využití je kvalita svazku nesmírně důležitá a navíc musíbýt stabilní a reprodukovatelná. V případě svařování elektronovým svazkem například schopnost opakovaně úzké tavné zóny o stejné hloubce a šířce jsou přímo závislé na

- rozložení hustoty energie svazku,

- na poloze ohniska vzhledem k povrchu obrobku a

- na jasu svazku, který zahrnuje faktory jako velikost bodu a úhel sbíhavosti.

Ideální pro svařování elektronovým svazkem je, když se docílí přesně definovaného rozložení hustoty energie svazku, a to je obvykle Gaussovo rozložení. Rovněž je pro docílení hlubokého a úzkého svaru třeba, aby úhel sbíhavosti svazku byl řízen v poměrně velmi úzkém rozsahu. Samozřejmě, že při svařování ocele, například v sekci o tloušťce 100-150 mm, poloviční úhel sbíhavosti svazku větší než 1 stupeň vede k nestabilitám při svařování a defektům svarů. Svazek, který je téměř rovnoběžný, může na druhé straně být velice vhodný pro svařování úseků vetší tloušťky, ale je nevhodný pro vytváření velmi úzkých svarů v ocelových sekcích 1 až 10 mm. Navíc v případě tenkých úseků je rozložení hustoty energie svazku daleko důležitější. Jestliže z jakéhokoliv důvodu obsahuje rozložení energie výrazné okraje, odrazí se to na tvaru zóny svařování. A tak namísto docílení téměř rovnoběžné zóny svařování jako v případě Gaussova rozložení, je výsledkem mnohem širší nerovnoběžná ohnisková zóna s tak zvanou nehtovou hlavou. Je třeba mnohem větší energie svazku pro tutéž hloubku svaru, boční smrštění po svařování je celkově větší a kvůli širší svařované šířce u vrchu v porovnání se spodkem dochází k nestejnému smrštění, což způsobuje zkřivení součásti, jak je naznačeno. Je-li požadovaná přesnost součásti, je to často nepřípustné a může to vést i k praskání svaru.

Podobně je důležité, zejména pro tenké úseky svarů, docílit dostatečné intenzity v ohniskovém bodu. Pro zařízení, která dávají téměř rovnoběžný svazek a to i bez okrajů, vede nedostatečná intenzita k poměrně široké kuželové zóně roztavení doprovázené nadměrným zkřivením a opět rizikem praskání svaru. Téměř rovnoběžné svazky nemusí být zaostřitelné, k rozptylu prostorového náboje může docházet i v prostředí vakua, a to dokonce i navzdory silnému účinku neutralizace pozitivními ionty. Takto u téměř rovnoběžného svazku vstupujícího do zaostřovací čočky pokusy zaostřit svazek na velkou vzdálenost mohou mít za následek malé nebo téměř žádné zmenšení průměru svazku. Vlastnosti jako profil svazku a rozložení intenzity mohou často u průměrných a vyšších výkonů svazků být zcela určovány vzájemnými interakcemi iontů a elektronů.

- 1 CZ 294249 B6

Je proto velice důležité vyslat svazek z elektronového děla s velmi dobře definovanou divergencí (v rozsahu stanoveného rozmezí), vysokým jasem, nízkou aberací a bez interferenčních proužků.

Jedním možným prostředkem pro docílení vyššího úhlu sbíhavosti pro potlačení rozptylu prostorového náboje při středních až vysokých rozsazích proudu svazku s triodovým dělem je využití elektrod produkujících silnější zaostřovací pole. Toto však vede k příliš velké konvergenci při nízkých proudech, když se pole mřížky stane přídavným silným zaostřovacím elementem. Velké výkyvy pokud jde o úhel sbíhavosti jsou v zásadě nežádoucí i pro vysokovakuové svařování elektronovým svazkem a představují velké obtíže v systému, který využívá systém přenosu svazku pro snížený tlak (5 x 10'¹ až do asi 250 mbar) nebo pro funkci bez vakua (kolem 1000 mbar), kde jsou použity jemně vrtané trysky pro omezení unikání plynu do oblasti děla.

Jiný způsob dosažení větší sbíhavosti pro potlačení rozptylu prostorového náboje při vysokých úrovních proudu je navrhnout dělo, ve kterém jsou katoda, mřížková elektroda a anoda umístěny v těsné blízkosti. To vede k rychlejšímu urychlování elektronů na kratší osové vzdálenosti a tak ke snižování možnosti vzájemného odpuzování elektronů. Bohužel, takové uspořádání zvyšuje elektrické povrchové napětí na elektrodách a může vést ke zvýšené tendenci k vysokonapěťovému průrazu.

Zamezení interferenčním proužkům svazku a nejlepší zaostření elektronových svazků je mimořádně důležité, pokud musí být svazek přenesen úzkými štěrbinami za účelem proniknutí elektronů z oblasti vysokého vakua (5.10^-5 - 5.10^-6 mbar) pouzdra děla do pracovní komory pracující v přibližném rozsahu tlaku 5.10² až 1000 mbar. Zde je velikost průsaku plynu z pracovní komory do pouzdra děla zejména určena průměrem a délkou štěrbin, nehledě na počet štěrbin a čerpací kapacitu mezistupňových čerpadel.

Interferenční proužky svazku mají tendenci obsahovat velké množství energie a i pro operace o celkovém nízkém výkonu (tj. 5 kW) schopnost absorbovat tuto nadbytečnou energii na štěrbinových tryskách je omezená, a to i tehdy, použije-li se značné chlazení vodou. Jiné je to u elektronových mikroskopů, kde výkon svazkuje mimořádně nízký a kde je tedy nepraktické ořezávat nežádoucí interferenční proužky na ořezávacích clonách. Z podobných důvodů je důležité vyhnout se téměř rovnoběžným svazkům s nízkým jasem kvůli velkému průměru svazku.

Kvalita svazku a to, zda určité elektronové dělo produkuje čistý svazek bez aberace s dobře vymezenou sbíhavostí nebo nikoliv, závisí velice na konstrukci elektronového děla a zejména na geometrii elektrod v bezprostřední blízkosti katody.

Většina elektronových děl používaných pro svařování elektronovým svazkem jsou triody. Použití mřížkové elektrody zajišťuje, že při nízkém proudu svazkuje katodová emise omezena na centrální část katody, ale přítomnost silného elektrického pole vytvořeného mřížkou vede k povážlivé aberaci.

Vnější trajektorie elektronů mají kratší ohniskovou vzdálenost v silném poli mřížky proto, že jsou blíže k okraji otvoru mřížkové misky než elektrony, nacházející se blíže ke středu. Protože je napětí mřížky sníženo pro zvýšení proudu svazku, rozšiřuje se oblast emise a elektrony mohou být uvolňovány dokonce i z okrajů katody, kde vlivem nepříznivých geometrických poměrů vznikají dráhy letu elektronů zcela jiné než je hlavní tok elektronů. Navíc slábnoucí pole mřížky spolu se zvyšujícím se prostorovým nábojem ve svazku, jak se zvyšuje proud svazku, může působit ve velkém rozptyl svazku a ztrátu primárního ohniska. Rovněž primární ohnisko a virtuální poloha obrazu (z pohledu první zaostřovací čočky) se může v závislosti na úrovni proudu výrazně posouvat podél osy svazku nahoru a dolů.

Interferenční proužky svazku, vytvářené takovým dělem, posuv primárního ohniska s proudem svazku, nedostatek úhlu sbíhavosti svazku při vysokém proudu a poměrně vysoký úhel sbíhavosti

-2CZ 294249 B6 při nízkém proudu, může nepříznivě ovlivnit svařování dokonce i u běžných systémů, směřující svazky do komor s poměrně vysokým vakuem (5 x 10'³ mbar). Pro svazky, které musí procházet malými štěrbinami, může být operace obtížná nebo dokonce nemožná, zvláště při vysokém výkonu (větším než řekněme 30 kW).

Podstata vynálezu

Podle prvního aspektu vynálezu zařízení pro emitování nabitých částic zahrnuje emitor pro emitování nabitých částic jedné polarity; trubkovitou stínící elektrodu obklopující po obvodu emitor a při funkci udržovanou na téže polaritě jako nabité částice; a trubkovitou urychlovací elektrodu uloženou koaxiálně se stínící elektrodou a při funkci udržovanou na opačné polaritě, než má stínící elektroda, přičemž toto uspořádání je takové, že nabité částice z emitoru se zpočátku šíří do stran směrem ven a pak jsou soustředěny do svazku, který prochází trubkovitou urychlovací elektrodou.

Vynález zahrnuje speciální konstrukci diodového děla. Diodové dělo v porovnání s triodovým dělem má mnoho zřejmých výhod, včetně toho, že

- je možné skutečně zabránit aberaci;

- tvar a kvalitu svazku při vysokých proudech je možné řídit mnohem snadněji než u triody;

- dostatečný úhel sbíhavosti může být docílen při vysokém proudu bez nadměrné sbíhavosti při nízkém proudu;

- za podmínek vybití, při práci v teplotně omezeném režimu, proud svazkuje bez rázů, což je jiné než u triody, kde průraz vysokého napětí mezi elektrodami děla a zemí urychlí zkratování napájení mřížky a okamžité uvolnění plného výkonu svazku;

- diodové dělo vyžaduje méně pomocných zdrojů (dva v případě klasické nepřímo žhavé diody a jeden u nepřímo žhavené diody s vysokofrekvenčním buzením) a

- u diodového děla jsou elektrické kabely a spoje jednodušší, zvláště pro vysokofrekvenčně buzenou diodu, kde se požaduje jen jeden vysokonapěťový spoj a žádné spoje pomocného napájení. Vysokofrekvenční výkon je indukčně spřažen se vzdálenou vysokofrekvenční anténou nebo primárním vinutím umístěným v pouzdře děla.

Pro diodové dělo, kde chybí zaostřování svazku polem mřížky, zejména s katodou malého průměru, vysoká hustota prostorového náboje při vysoké úrovni proudu může způsobit rozptylování svazku a nedostatek dobře definovaného primárního ohniska; svazek může být nedostatečně seřízen dokonce i pro průchod anodovým otvorem. Samozřejmě jedním řešením pro zabránění toho, aby se svazek příliš rozptýlil, je použít větší průměr katody, ale to zase vede k podstatnému potlačení jasu svazku, komplikované konstrukci zařízení a vyšší ceně zařízení.

Podstatou vynálezu, že se vytvoří na elektronovém svazku zřetelné rozšíření a tím vytvoření uměle velkého zdroje svazku, který pak následně může být zaostřen s poměrně vysokým úhlem sbíhavosti pomocí hlavního elektrického pole katoda/anoda uvnitř elektronového děla.

Pokud jde o konečný jas svazku, který může být docílen ve svazku pro dané urychlovací napětí, to závisí na mnoha faktorech, ale pro vysoký výkon elektronových děl pro svařování elektronovým svazkem je to velice závislé na průměru katody a na provedení elektronového děla. V zásadě je velmi důležité minimalizovat průměr katody, protože pro daný úhel sbíhavosti svazku a pracovní napětí je v kterémkoliv místě zaostřovacího systému děla šířka paprsku úměrná průměru katody a úměrná druhé odmocnině pracovní teploty katody ve stupních Kelvina.

- J CZ 294249 B6

Vynález umožňuje, aby byl omezen průměr, nebo přesněji emisní průměr katody a tak zlepšen jas svazku. Navíc omezením průměru katody a celkové oblasti povrchu katody stejně jako pracovní teploty se snižují požadavky na pomocný žhavicí výkon, náklady na pomocné zdroje a také se minimalizuje pracovní teplota děla účinky tepelné dilatace elektrody. Snížením přívodu tepla elektronovému dělu se naopak snižují požadavky na chlazení, které trvale představují problémy pro elektronická děla pro svařování elektronovým svazkem, uložená ve vakuu na dlouhém, vysokém napěťovém izolátoru, protože izolátor není jen špatný vodič elektřiny, ale i tepla.

Přirozeně emisní plocha katody musí odpovídat produkci požadovaného proudu svazku pro danou životnost katody, neboť rychlost iontové eroze, oxidace a vypařování se zvyšuje s teplotou katody, ale mnoho lze získat optimalizací protichůdných faktorů emisní hustoty a jasu svazku.

V jednom výhodném příkladu provedení podle vynálezu zaostřování svazku v oblasti děla za přítomnosti velké zátěže prostorového náboje je docíleno pomocí hluboce zapuštěné stínící katodové elektrody, kombinované s dlouhou anodou malého průměru, jejíž konec je umístěn blízko ke konci katodové stínící elektrody nebo dokonce ještě lépe dovnitř katodové stínící elektrody. Tím se vybudí silná zaostřovací činnost, která dobře funguje při nízkých, středních a vysokých výkonových úrovních.

Rozšíření svazku nebo boční rozptyl může být docílen celou řadou způsobů. Jeden způsob je ten, že se zvolí průměr katody a geometrie elektrody tak, že urychlování elektronů je zpočátku poměrně nízké, umožňující rozptýlení prostorového náboje pro vyvolání silného radiálního pohybu navenek. Toto se docílí zvolením poměrně malé katody uvnitř hluboce zapuštěné katodové stínící misky. Jestliže je průměr katody příliš malý, snižuje to maximální proud svazku pro dané urychlovací napětí předtím, než bude dělo omezeno prostorovým nábojem a počáteční rozptylování může být tak velké, že následující konvergentní elektrostatické pole v mezielektrodové mezeře vytvořené obecným geometrickým tvarem elektrod katodové stínění/anoda elektrody je nedostatečné pro nové zaostření svazku do zřetelného krčku nebo křižiště. Na druhé straně, jestliže je katoda příliš velká, hustota emise je u katody příliš nízká na to, aby vybudila požadované počáteční rozšíření svazku a následně má svazek postupně nevhodnou konvergenci pro zamezení rozptylování během konečné fáze urychlování. Takže kombinace tvaru elektrody a velikosti katody je kritická pro dané urychlovací napětí a úroveň pracovního výkonu, chceme-li docílit nej lepších výsledků.

Druhý způsob jak získat uměle velký zdroj elektronů aniž by bylo třeba mít vysokou hustotu proudu u katody předpokládá vybuzení vhodného elektrostatického pole přímo před katodou, aby byl svazek nucen se rozbíhat. To může být dosaženo uložením katody na vrchol kuželového nebo válcového vystupujícího členu který stojí kolmo na základě katodové stínící misky.

Katoda může mít plochu větší než 5 mm² a umožňovat operace na úrovni výkonu větším než 100 kW. Jak bylo výše popsáno, počáteční rozšíření svazku vytvořené rozptýlením prostorového náboje je zvětšeno vhodným elektrostatickým polem. To zvýší rozměr příslušného zdroje po počátečním rozptýlení svazku a umožní vyprodukovat vysoce konvergentní svazek s dobře definovaným ohniskem v širokém proudovém rozsahu. Dalším možným prostředkem, který způsobí počáteční rozšíření svazku, je tvarování povrchu katody, jak bude dále popsáno, a to takové, že alespoň emitor má konvexní nebo kónický tvar.

První aspekt vynálezu může být použit ve svařovacích přístrojích různých typů včetně vakuových komor, pracujících v rozmezí tlaku 5 x lO mbar až 5 x 10² mbar. Vynález je však zejména vhodný pro použití ve svařovacích přístrojích pracujících při středních rozmezích tlaku 10^_1 mbar až několik stovek mbar a dokonce i při vysokých tlacích a bez vakua.

Typická průmyslová odvětví, která by měla užitek z využití tohoto vynálezu, jsou výrobci tlustostěnných ocelových trubek, společnosti zabývající se svařováním trubek na pevnině i na vol

-4CZ 294249 B6 ném moři, společnosti pro nakládání s nukleárním odpadem, výrobci zařízení elektráren, výrobci leteckých a kosmických součástí.

Pro mnohá z těchto využití pro tlustostěnné materiály, určené ke spojení jedním svařením, je tloušťka svaru větší než 15 mm a může být i 150 mm nebo více. V každém případě požadavek rychlého svaření vyžaduje svazek o výkonu 30 kW a v některých případech až 100 kW i více.

Pro všechna diodová děla včetně výše popsaných diodových děl nebyl doposud řešen jeden velký problém, a sice ten, že strany nebo okraje katody emitovaly nežádoucí elektrony s neřízenými křivkami letu. Řada výzkumných a vývojových týmů po několik desetiletí činila četné pokusy zabránit tomuto jevu. Jedno z nejjednodušších uspořádání bylo popsáno v US 3 878 424 (podáno 17. června 1973), kde byla navržena planámí dioda pro překonání efektu sférické aberace mřížkové elektrody. V tomto případě byl oxid (například baryum-stroncium-kalcium) uložen v otvoru žáruvzdorné kovové destičky katody, která mohla být vyhřívána řadou způsobů. V jiné variantě byl potažen povrch žáruvzdorné kovové desky. Vyhříváním desky na teplotu dosti pod emisním bodem žáruvzdorné kovové desky se objevila silná emise kysličníku emitujícího při nižší teplotě a tak bylo zabráněno okrajovému efektu. Navrhované zařízení mohlo dobře sloužit pro produkování svazků nízkých výkonů pro elektronové mikroskopy, kde oxidový povlak nebo oxid uložený v otvoru je jen asi 100 mikronů v průměru, ale pro vysoké výkony děl pro svařování elektronovým svazkem, které jsou neustále vystaveny bombardování iontů, plynů a částic hmoty ze svařovací taveniny, kysličníkové katody by rychle pozbyly své emisní vlastnosti. Také v případě oxidového povlaku je typické, že je jen 50 mikronů tlustý a rychle by v systému svařování elektronovým svazkem zkorodoval. Navíc planámí katodová deska by se zkřivila a způsobila škodlivé a nepředvídatelné změny, pokud jde o divergenci svazku a směr projekce svazku. Různé rozpínání mezi oběma různými materiály by rovněž způsobilo praskání a lámání emitoru.

Ještě další pokus vyhnout se přídavné emisi z okrajů učinil Bull a kol. v článku „Elektrostatické elektronové dělo“ Metal Construction and B.W.J. listopad 1970 2 (11), sv. 490, kde byla navržena sférická elektroda, nepřímo žhavené diodové dělo, kde byly vytvořeny otvory okolo žáruvzdorné kovové katodové elektrody pro omezení emisí na centrální oblast. I toto dělo však trpělo tepelnými distorzemi centrální oblasti katody a otvory umožňovaly elektronům, aby jimi procházely z primárního zpětného ostřelování do hlavního svazku a zapříčiňovaly další efekty distorze hlavního svazku. Bylo docíleno některých omezení toku primárních elektronů včleněním dalších elektronových bariér na zadní část katodového stínění, ale katodová distorze zůstávala problémem.

Byly zváženy četné další způsoby řízení emise okrajů.

Unikání primárních elektronů do svazku může být zabráněno umístěním katody na souvislém kuželovém členu, jak bude dále podrobněji popsáno.

Katody podobného tvaru byly také sestaveny ze dvou materiálů, vykazujících různé pracovní funkce, kde emitor je vyroben z materiálu emitujícího při nízké teplotě, jako je lanthan hexaborid, který není snadno poškozen během svařování elektronovým svazkem, a vnější nosná konstrukce je vyrobena z žáruvzdorného kovu jako je tantal. Takové uspořádání je rovněž popsáno v EP-A-0 627 121. Podobná uspořádání byla zvláště vyvinuta a popsána v GB-A 1 549 127, ale toto zvláštní dělo bylo výrazně odlišné od předkládaného vynálezu v mnoha ohledech.

V těchto dřívějších řešeních k uložení knoflíku z lanthan hexaboridu bylo nutné umístit jej za hubičku v žáruvzdorném kovovém držáku. Hubička stále silně narušovala elektrické pole a působila znatelné sférické vady, ve kterých byly vnější elektrony - jako v případě triodového děla zaostřeny na kratší ohniskovou délku než elektrony nacházející se blíže osy. Tloušťka hubičky může být snížena pečlivým obrobením nebo umístěním tenké žáruvzdorné kovové podložky před katodu, ale v obou případech tepelné deformace způsobí, že se hubička zkroutí směrem ven a to zase vede k přídavným emisím elektronů ze zadní části hubičky.

-5CZ 294249 B6

Dalším způsobem, který byl částečně úspěšný, bylo, že se vnější prstenec exponovaného materiálu emitujícího při nízké teplotě potáhl materiálem emitujícím při vysoké teplotě. Například katoda, vyrobená z lanthan hexaboridu, byla potažena po obvodu wolframem a ve tvaru prstence byl wolfram nanesen i na čelní stranu. Ačkoliv toto řešení vypadalo zpočátku slibně, trpělo při činnosti ztrátou povlaku iontovým poškozením, oxidací a odpařováním. Bylo rovněž obtížné zabránit poškození tenkého povlaku při montáži. Navíc hrana držáku, i když projevovala snížený zaostřovací účinek, stejně produkovala nepřijatelné optické vady.

Ještě jiný způsob, který lze použít, je připájet knoflík z nízko odolného materiálu do držáku používajícího slitinu jako je disilicid molybdenu. Bylo však problematické docílit pájení neporézní, vysoké kvality a bez kombinace materiálem LaB₆ a v nej lepším případě měl pájený materiál tendenci při činnosti praskat vinou opakovaných tepelných cyklů.

Podle druhého aspektu vynálezu emitor nabitých částic obsahuje emitorový člen upevněný v otvoru nosiče, ke kterému je elektricky připojen, přičemž emitorový člen má nižší emisní teplotu než nosič, čímž při pracovní teplotě emitorový člen emituje nabité částice z exponovaného povrchu. Podstatou vynálezu je, že exponovaný povrch emitorového členu je posunut zpět nebo s výhodou dokonale vyrovnán s vnějším povrchem nosiče obklopujícím štěrbinu.

Je výhodné, když katodový materiál s nízkou emisní teplotou je vyroben ve tvaru kloboučku a snadno zapadá do středového otvoru. Je rovněž vhodné, aby emitorový člen těsně zapadal do otvoru nosiče.

Část nosiče a část emitorového členu mohou být odpovídajícím způsobem zkoseny.

Alternativně nebo přídavně může být emitorový člen připevněn k nosiči svorkou, která je v záběru s každým členem.

Ve zvláště výhodných příkladech provedení má exponovaný povrch emitorového členu a vnější protější povrch nosiče společnou rovinu.

Podle třetího aspektu vynálezu sestává tubus pro svazky nabitých částic pro připevnění k vakuové komoře zdroje nabitých částic ze sledu komor s řízeným tlakem, kde každá má vstupní a výstupní otvor, kterými může procházet svazek nabitých částic a odsávací otvor pro připojení čerpadla pro řízení tlaku v komoře, takže se v činnosti zařízení tlak v následující komoře zvýší, přičemž podstatou je to, že odsávací otvor je propojen k následující komoře pomocí kanálku, který je v sestavě veden zpět podél alespoň jedné předcházející komory.

Toto umožňuje rychlé vyjmutí a vložení vyměňovaného tubusu děla pro účely údržby. Konvenční mnohastupňové čerpané systémy mají boční odsávací vstupy oddělené různými omezovacími hubicemi. To vytváří komplexní geometrii tubusu, který tak nemůže snadno být zasunut a vytažen z vakuové komory. Vynálezecká myšlenka soustředného čerpání odstraňuje tyto nevýhody aje zvláště důležitá pro použití jako u společností pro pokládání J-trubek v pobřežních vodách nebo v širém moři, kde jde o čas, protože jde o vysokou cenu pronajmutí velkého pokládacího člunu a fakt, že pouze jedna trubka může být svařována a položena v daném okamžiku.

Podrobněji tento aspekt vynálezu řeší sérii vakuových komor nebo částečně vakuových komor nebo průchody v kompaktních uspořádáních nebo zařízeních. Zejména může být tento vynález použit pro tak zvané nevakuové systémy nebo systémy s omezeným tlakem, ve kterých hlavice děla obsahuje jistý počet komor, v nichž se vnitřní tlak mění od vakua v oblasti katody až do blízkosti atmosférického tlaku v komoře na výstupním konci, kde svazek emituje do volného prostoru. Tyto komory by měly být udržovány na příslušném částečném tlaku vakua, který umožňuje elektronovému svazku projít. Tento vynález rovněž může být zrealizován s poslední komo

-6CZ 294249 B6 rou při atmosférickém tlaku nebo dokonce tlaku větším než atmosférickém, například když se svařuje pod vodou.

Takovéto zařízení má velmi nešikovnou konstrukci, protože vyžaduje několik různých vakuových čerpacích větví spojených s příslušnou komorou v hlavě děla, přičemž tato spojení omezují přístup do oblasti výstupu svazku. Nejen, že je takové zařízení veliké, ale omezený přístup do oblasti různých komor omezuje účinnost vakuového čerpání. Proto několik vakuových větví má být poměrně s velkým vrtáním tak, aby nebyla žádná další omezení a překážky pro vakuové čerpání.

Tento aspekt vynálezu dává poměrně kompaktní a štíhlé uspořádání sledu komor, například jako je použité u nevakuových svařovacích systémů a systémů svařování elektronovým svazkem se sníženým tlakem. Vynález počítá s větším počtem komor, zejména ve výstupní oblasti hlavy děla, které jsou o průměru menším, než je typických 170 mm, alespoň pro nižší nebo výstupní polovinu sestavy hlavy. Lze se vyhnout použití vakuových vedení nebo trubek poblíž pracovního výstupu hlavy děla a navíc mohou být přidány prostředky pro účinné vyčerpání komor, které jsou s výhodou udržovány na příslušných tlacích v rozmezí od téměř vakua do téměř atmosférického tlaku.

V jednom příkladu provedení vynálezu jsou komory vymezeny sadou trubkových sekcí umístěných ve vnější trubce, přičemž každá trubková sekce má radiální ven směřující otvor, kde tento radiální ven směřující otvor každé komory je obvodově posunutý od radiálních ven směřujících otvorů ostatních komor; a sada osově probíhajících dělicích stěn uložených mezi trubkovými sekcemi a vnější trubkou pro vytvoření příslušných kanálků, přičemž každý kanálek spojuje radiální ven směřující otvor komory s odpovídajícím odsávacím otvorem.

Alternativně může být větší množství komor uspořádáno jako sekvence disků, nesoucích příslušné otvory, přičemž tato sada je usazena ve společném plášti, který je segmentovaný. Každý segment umožňuje přístup ke své příslušné komoře nebo otvoru se správným průřezem jako je tomu v případě koncentrického uspořádání.

Ještě jinak, kombinace koncetrických trubkových sekcí a segmentovaných válců může být využita pro vytvoření příslušného účinného vakuového odsávání při tlacích, o kterých se jedná, s vhodnými průřezy přístupu k otvoru příslušné komory.

Seskupení komor může být snadno demontováno pro výměnu trysek, které se mohou částečně ucpat vinou postříkání kovem nebo mohou být poškozeny vzájemnou interakcí s elektronovým svazkem. Takto je provedeno zabezpečení montáže a demontáže koncentrických trubkových sekcí (nebo misek) nebo segmentovaných válců, zatímco se stále udržuje náležité zcentrování otvorů na osu svazku. Toto uspořádání rovněž zamezuje prosakovací cestě mezi komorami pracujícími při dílčím tlaku a okolní atmosféře. Je velmi výhodné, že při koncentrickém uspořádání oblasti s vyšším vakuem jsou obsaženy v oblastech dílčího tlaku a z toho důvodu nejsou přímo vystaveny tlaku okolní atmosféry. Toto velice snižuje efekty jakýchkoliv malých prosaků v těsnění.

V případě koncentrického miskového uspořádání může mít každá část jednotné šroubové připevnění na společnou základnu opatřenou odpovídající závitovou částí, případně i stěsnicím „O“ kroužkem. Misky mohou být opatřeny lamelami, distančními kroužky nebo podobnými součástkami pro zachování jejich vzájemného vystředění v sestavě.

Podobně pro segmentové uspořádání odpovídající součásti mohou lícovat se stlačitelným těsněním stejně jako být mechanicky udržovány v příslušné vzdálenosti a středovosti. Ve všech těchto případech jsou vakuová čerpací potrubí přivedena zejména k zadní části hlavy děla mimo výstupní svazek prostřednictvím vhodných konektorů k příslušným segmentům nebo prstencovým otvorům kompaktní sestavy komor pracujících při různých tlacích.

-7CZ 294249 B6

Přehled obrázků na výkresech

Některé příklady zařízení pro vybuzení elektronových svazků a svařovací přístroj obsahující taková zařízení budou nyní popsány a porovnány s dosud známými podobnými zařízeními za pomoci připojených výkresů. Na obr. 1 je nakreslen částečný řez známým triodovým dělem, ilustrující elektronové trajektorie a ekvipotencionální křivky. Obr. 2a-2d znázorňuje účinek změny mřížkového předpětí na tvar elektronového svazku a na proud elektronového svazku pro triodové dělo nakreslené na obr. 1. Obr. 3 je schematický podélný řez prvním příkladem elektronového děla podle předkládaného vynálezu. Obr. 4 je schematický podélný řez druhým příkladem elektronového děla podle předkládaného vynálezu. Obr. 5 je řez částí sestavy katody děla nakresleného na obr. 4. Obr. 6 až 14 jsou řezy sadou různých montážních uspořádání sestavy katody, obr. 15 je podélný řez třetím příkladem elektronového děla podle vynálezu. Obr. 16 zobrazuje elektronové trajektorie proudu elektronového svazku 3 mA pro elektronové dělo znázorněné na obr. 15. Obr. 17 až 19 jsou pohledy podobné jako na obr. 16, ale pro příslušné hodnoty proudu elektronového svazku 166, 225 a 358 mA. Obr. 20 je schematický pohled v částečném řezu na svařovací přístroj doplňující příklad elektronového děla podle vynálezu. Obr. 21 představuje příklad nového uspořádání vakuových komor. Obr. 22 představuje elektronové dělo z obr. 20 spojené s uspořádáním vakuových komor nakreslených na obr. 21. Obr. 23 je pohled podobný jako na obr. 20, ale znázorňující jiné uspořádání komor. Obr. 24 je pohled podobný jako na obr. 5, ale znázorňující jiné uspořádání pro generování primárních elektronů, obr. 25 je odkrytý perspektivní pohled uspořádání nakresleného na obr. 24 a obr. 26 je obvodové schéma znázorňující obvod použitý v uspořádáních nakreslených na obr. 24 a 25.

Příklad provedení vynálezu

Aby bylo možné pochopit vynález, je na obr. 1 částečně nakreslen příklad známého triodového elektronového děla, kde hodnoty svazku jsou 150 kV x 15,3 mA, mřížkové předpětí -2 kV. Dělo zahrnuje vlákno 1 emitující elektrony obklopené mřížkou 2 ve tvaru misky a v jedné řadě s anodou 3. Na obr. 1 jsou nakreslené ekvipotenciály 100 a některé elektronové trajektorie 101. Jak lze si všimnout, vnější elektronové trajektorie mají kratší ohniskovou délku v silném poli mřížky, protože jsou blíže okraji otvoru mřížkové misky než elektrody, které jsou blíže středu. Navíc slábnoucí pole mřížky spolu se zvětšujícím se prostorovým nábojem v paprsku, jak se proud elektronového svazku zvyšuje, může způsobit velké rozprostření svazku a ztrátu primárního ohniska. Navíc ohniskový krček 4 má virtuální polohu, která se může posunout o významnou vzdálenost nahoru a dolů podél osy svazku v závislosti na úrovni proudu elektronového svazku, jak lze vidět na obr. 2a-2d (s proudy „i“ elektronového svazku, jak je znázorněno).

Vynález se týká diodového děla, ve kterém se nenachází žádné mřížkové pole pro zaostřovací činnost. Podle toho a zejména s malou kruhovou katodou, vysoká hustota prostorového náboje ve svazku, zejména při vysokých úrovních proudu může způsobit rozptylování svazku a nedostatek správně určeného primárního ohniska. V jednom příkladu provedení nakresleném na obr. 3 je katoda 5 uspořádána v hluboce zapuštěné katodové stínící elektrodě 6, přičemž katoda je zcentrovaná s válcovou anodou ]_, která má poměrně značnou délku. Konec anody 7, který je naproti katody 5, je umístěn blíže k rovině definované koncem katodové stínící elektrody 6 , nebo může být dobře uspořádán v prostoru katodové stínící elektrody 6. To vytváří silnou zaostřovací činnost, která dobře funguje zejména při nízkých, středních a vysokých úrovních výkonu.Tvar svazku je nakreslen jako pozice 8 a bude vidět, že zpočátku se elektrony rozptýlily bočně pro vytvoření rozšíření 9_a jsou pak zaostřeny směrem ke krčku 10 u anody 7. Účinek rozšíření 9 je ten, že vytvoří uměle široký zdroj svazku, který pak může být postupně zaostřen při poměrně vysokém úhlu sbíhavosti pomocí hlavního pole katody/elektrody v mezi-elektrodové mezeře. V tomto případě je katoda 5 ohřívána vláknem 11 běžným způsobem pro vybuzení emise elektronů.

-8CZ 294249 B6

Účinek usazení katody 5 uvnitř hluboko zapuštěné katodové stínící misky 6 je ten, že zrychlení elektronů je zpočátku poměrně nízké a umožňuje rozšíření prostorového náboje pro vytvoření silného radiálního pohybu směrem ven.

Druhý způsob jak docílit uměle široký zdroj elektronů, aniž by bylo třeba vysoké proudové hustoty u katody, je nakreslen na obr. 4 a zahrnuje vytvoření elektrostatického pole bezprostředně před katodou, což způsobí divergenci elektronového svazku. V tomto případě je katoda upevněna na vrcholu kuželového nosníku 21, tvořícího část základny katodové stínící misky 6, a vystupuje do prostoru stínící misky 6.

Jak už bylo výše poznamenáno, jeden problém se známými diodovými děly je emise nežádoucích elektronů ze strany nebo z konce katody. Obr. 5 uvádí jedno uspořádání, které minimalizuje nebo odstraňuje tento problém. Katoda 5 je upevněna na katodovém kuželu 21 v oblasti otvoru 20 kuželového výstupku 20A základny katodové stínící misky 6. Pod katodou je umístěno vlákno 22 upevněné v držáku 23 vlákna. Vlákno 22 je vystaveno katodě 5 přes otvor 24 v zábraně 25 kuželového tvaru.

To uzavře primární elektrony mezi primární vlákno 22 a kužel 21 katody. V tomto zvláštním případě, koncové emise pevné žáruvzdorné kovové katody 5 byla minimalizována obklopením katody kuželem namontovaným na hlavní katodové stínění. Oddělovací vzdálenost mezi radiálním kuželem a katodou byla s výhodou v rozmezí 0,05 mm do 0,1 mm, měřeno při teplotě okolí pro katodový knoflík o průměru 4,5 mm. Toto zmenšuje okrajovou emisi, ale neodstraňuje ji. Uložení katody o 0,3 mm za kužel 21 vedlo k dalšímu zlepšení svazku, ale stejně se objevily některé okrajové emise a prostorové anomálie způsobené geometrickou diskontinuitou mezi katodou a katodovou stínící elektrodou v sousedství katody. Nicméně tato konstrukce elektronového děla úspěšně vytváří svazek o výkonu do 100 kW při 150 kV a svary o vysoké kvalitě při pronikání do poměrně vysokého vakua okolí (5 x 10”³ mbar).

Jiné konstrukční uspořádání pro katodu 5 je nakresleno na obr. 6. V tomto případě je katoda 5 držena naproti radiálně dovnitř směřující přírubě 30 katodového držáku 31, který má hladkou koncovou část 32 uchycenou, například svařením, ve válcové části katodového kužele 21. Katoda 5 je udržována ve své poloze pomocí pojistného kroužku 33, uloženého a udržovaného v drážce 34 hladké koncové části 32 a působící proti prstencové distanční vložce 35. Pro emisní průměr asi 4 mm je typická tloušťka příruby 30 od 0,1 mm do 0,3 mm. Účinná mezera může být snížena umístěním tenké žáruvzdorné kovové podložky 36 před katodou 5, ale v obou případech tepelné zkřivení může působit, že se podložka nebo hrana pokřiví, vyhne směrem ven, což opět vede k jisté vedlejší emisi elektronů ze zadní části podložky nebo obruby.

Výhodný příklad provedení je nakreslen na obr. 7. Jak je patrno, spodní pracovní a funkční materiál je vyroben ve tvaru klobouku, který pohodlně zapadne do středového otvoru držáku 31, který je definován přírubou 30.

Strojní opracováni lanthan hexaboridu a dalších materiálů může být provedeno laserovými postupy nebo jiskrovým obrušováním. Tento tvar katody, kde emitorový knoflík 5 je držen na svém místě sponou 33 ze žáruvzdorného kovu „C“, uloženou v drážce 34, produkuje velmi malou vedlejší emisi elektronů, jak je prokázáno podrobnou počítačovou analýzou používající softwarové metody konečných prvků a také rozsáhlými praktickými testy na výkonových úrovních svazku až do 100 kW a funkčního napětí do 200 kV. Přední strana katodového knoflíku je uložena v ideálním případě tak, že je zarovnána s okrajem kovového držáku nebo posazena zpět maximálně o 0,04 mm.

Podložky 35, 36, 37 jsou vyrobeny z tantalu a bude zřejmé, že těsnicí podložka 35 vyčnívá jen o málo nad okraj drážky 34, typicky o asi 0,03 mm, aby umožnila wolframovému drátěnému pojistnému kroužku 33 udržet tlačnou sílu.

-9 CZ 294249 B6

Katoda 5 a držák 31 mohou být tvarovány celou řadou způsobů tak, aby bylo docíleno smykového uložení, aby bylo dosaženo minimalizace emisí okraje a ještě se zabránilo nespojitostem povrchu nebo stupňům na povrchu, jak je vidět na obr. 8 až 18. Takto na obr. 8, okraj příruby 30 a odpovídající povrch katody 5 jsou stejným způsobem zkoseny. Na obr. 9 má katoda 5 jednoduše zkosenou vodicí část bez promáčknutí jako v předchozích případech provedení. Na obr. 10 má katoda 5 tvar komolého kužele, který odpovídá podobnému tvaru vnitřního povrchu držáku 3L

Bylo rovněž prokázáno, že je možné zpočátku upevnit katodu 5 tak, aby mírně vyčnívala a tak umožnit postupné opatrné vybroušení povrchu, takže nevzniknou žádné nespoj itosti nebo stupně mezi emitorem a obklopujícím okrajem držáku.

Je výhodné, když oblast kontaktu mezi okrajem katodového knoflíku 5 a žáruvzdorného kovového držáku 31 je minimalizována kvůli snížení tepelných ztrát, jak je například nakresleno na obr. 7 a 9.

Je také samozřejmě možné tvarovat složený přední povrch katody a držáku pro docílení vypuklého, kuželového, vydutého nebo vydutého kuželového tvaru pro docílení lepších účinků pro tvarování svazku, jak je nakresleno na příslušných obrázcích 11 až 14.

Použití katodových knoflíků a využití takového způsobu konstrukčního uspořádání, které zamezí emisím z okraje, pokud se využívá ve spojitosti s diodovým dělem, ve kterém se pro dosažení následného silného elektrodového zaostření indikuje počáteční rozšíření svazku, se prokázalo jako vysoce úspěšné jak pro vysoké vakuum, tak pro snížený tlak i činnost mimo vakuum. Pokud jde o posledně jmenované dva případy, vliv hubic a ohřívání byly sníženy na zanedbatelnou úroveň v širokém rozsahu pracovních úrovní výkonu a napětí. Navíc, i když je proud elektronového svazku nastavován z nuly na plný výkon, poměrně malá změna v poloze primárního ohniska je taková, že vyžaduje jen nepatrné nebo vůbec žádné nastavení proudu první zaostřovací čočky, používané pro zaostřování svazku tryskovými sestavami. To velice usnadňuje práci se zařízením v porovnání s původními diodovými děly a zejména v porovnání s triodovými děly, u nichž jsou vlivy sférické aberace a prudký pohyb primárního křižiště základními vlastnostmi.

Jeden výhodný příklad provedení elektrod je nakreslen na obr. 15. Elektrody sestávající z dlouhé, zužující se anody 40, která má délku v rozsahu 70 až 90 mm, s více-otvorovými zúženími a hluboce drážkovou katodovou stínící elektrodou 41, která má hloubku v rozmezí 30 až 40 mm. Katodový emitor 42 je upevněn na dutém kuželovém držáku 43 a usazen v zúžení 44 v katodové stínící elektrodě 41. Jak je ukázáno detailně na obr. 15, vlákno 45 je umístěno za katodou 42. Tento zvláštní tvar elektrody vytváří takový svazek elektronů, jaký ukazují počítačové analýzy metodou konečných prvků, zakreslené na obrázcích 16 až 19 pro úrovně proudu elektronového svazku 3 mA, 166 mA, 225 mA a 335 mA, a pro urychlovací napětí 175 kV. Při nízkém proudu (3 mA), obr. 16, kdy chybí prostorový náboj, který by stál za zmínku, vytváří se na svazku 102 malé, ale zřetelné rozšíření 46. Děje se tak účinkem rozbíhavosti čočky, vytvořené přesahující katodou 42 upevněnou ve vybrání 44 u středu katodového stínění 41. Primární přechod 47 je velmi dobře definován a trajektorie elektronů jsou zaostřeny téměř do bodu, ze kterého vystupují téměř radiálně. Jak se proud svazku zvyšuje (166 mA, viz obr. 18; 358 mA, viz obr. 19), rozšíření na svazku se postupně zvětšuje a poskytuje zjevně větší a větší zdroj, ze kterého může být svazek znovu zaostřen. Jisté rozostření a osový pohyb svazkuje trvalý, ale dokonce při 358 mA se na svazku udržuje zřetelný krček 47 (obr. 19), poskytující následný rozbíhavý svazek za anodou, který může být lehce znovu zaostřen do velmi malého průměru svazku pro průchod úzkým vývrtem trysky.

Příklad svařovacího vybavení, náležejícího k přístroji, který je znázorněn na obr. 15, je nakreslen na obr. 20. Elektronové dělo z obr. 15 je umístěno v plášti 100, ve kterém je vakuum. Stejnosměrný zdroj 102 je připojen ke katodovému stínění 42, zatímco vysokofrekvenční zdroj 112 je připojen přes indukční cívku 103 na vlákno 45. Vlákno 45 je ohříváno a emituje elektrony, které

- 10CZ 294249 B6 jsou urychlovány směrem ke katodě 42, která generuje svazek 104 elektronů. Tento svazek 104 projde anodou 40 do komory 105 udržované o tlaku vyšším, než je tlak v komoře 100, načež vychází ven z vakuové komory 100. Elektronový paprsek 104 je uzavřený ve vodicí trubici 106 procházející komorou 105, přičemž vodicí trubice 106 je obklopena zaostřující cívkou 107 a dvojitou sadou středících cívek 108. Tlak v komoře 105 je řízen neznázoměným čerpadlem spojeným s komorou 105 trubicí 109. Komora 105 prochází otvorem 110 do stěny svařovací komory 111. Konec komory 105 vzdálený od anody 40 je tvarován jako tryska 112, kterou je svazek 104 elektronů zaostřován tak, aby vstupoval do další komory 113 udržované při tlaku vyšším než je tlak v komoře 105 a odváděn trubicí 116 spojenou s další neznázoměným čerpadlem. Komora

113 zahrnuje trysky 113A, vyrovnanou s tryskou 112, propojenou s další komorou 130, která obsahuje další zaostřovací cívku 114 a vychylovací cívky 115 svazku. Komora 130 je větraná do komory 111 otvorem 131. Dvojice obrobků ke svařování, jako jsou ocelové trubky 117, 118, jsou upevněny na suport 119 v komoře 111 a s dělicí čárou 120 vyrovnanou se svazkem 104, který je zaostřen na dělicí čáru. V tomto případě se dube suport 119 otáčet kolem své osy tak, aby umožnil dělicí čáře 120 přetnout svazek 104 elektronů. V dalších neznázoměných uspořádáních může být suport 119 držen v klidu, zatímco komora a dělo rotuje.

Jednou z nevýhod uspořádání nakresleného na obr. 20 je to, že musí být provedena oddělená propojení z každého čerpadla do příslušné komory 105, 113 a to si zase vyžádá příslušnou trubici 109, 116, která by procházela stěnou komory 111.

Na obr. 21 je v částečně rozebrané formě nakreslen nový typ uspořádání komory. Je zde válcová trubice 50, podél které jsou uspořádány čtyři stěny 51 až 54, vymezující příslušné komory 55 až 57. Každá stěna 51 a 54 zahrnuje centrálně uložené trysky 51A až 54A (tryska 52A není na obr. 21 vidět). Trysky 51A až 54A jsou vyrovnány do řady tak, že jimi může procházet svazek elektronů. Na vnější straně trubice 50 je upevněna sada tří zužujících se oddělovačů 150 a když je sestava, nakreslená na obr. 21, uložena ve válcové vnější trubici s oddělovači 150, jsou mezi každou dvojicí oddělovačů 150 a vnější trubicí vymezeny příslušné vzduchové průchody.

Každá komora 55 až 57 je propojena s příslušným vzduchovým průchodem pomocí odříznuté části 55A až 57A trubice 50. Každý ze vzduchových průchodů je propojen s příslušným odsávacím čerpadlem pomocí potrubí 59.

Pomocí této konstrukce je možné umístit potrubí 59 na jeden konec sestavy, přičemž každé čerpadlo bude propojeno s příslušným potrubím 59 a odpovídající komorou 55 až 57.

Na obr. 22 je nakreslen svařovací přístroj z obr. 20, tentokráte však při použití v souvislosti s typem konstrukce komory nakresleným na obr. 21. Schematicky nakreslený generátor 100' elektronového svazku může mít podobnou konstrukci jako generátor 100, nakreslený na obr. 20. Stejně jako dříve, je svazek elektronů uzavřen ve vodicí trubici 106, kolem které je umístěna zaostřovací cívka 107 a vyrovnávací cívky 108, to vše uvnitř komory 55. Další zaostřovací cívka

114 a vyrovnávací cívky 115 jsou uspořádány v komoře 57. Vnější pouzdro 60, uvnitř kterého je komora uspořádaná, je nakresleno čárkovaně na obr. 22.

Na obr. 23 je uvedeno další provedení svařovacího přístroje spolu s druhým příkladem provedení komory. Součásti na obr. 23, odpovídající příslušným součástem na obr. 20, byly označeny stejnými vztahovými značkami. V tomto případě sestava komory obsahuje vnější plášť 140, který probíhá otvorem 110 v komoře 111. Přední konec pláště 140 definuje komoru 130', uvnitř které je uložena zaostřovací cívka 114 a vyrovnávací cívky 115. Stěna 141 vyčnívá přes celý příčný průřez pláště 140 a vymezuje centrální trysku 142, kterou prochází svazek 104 elektronů.

Válcový plášť 143 je podepřený v oblasti zadní části pláště 140 pro vymezení komory 105'. Prostor mezi vnitřním a vnějším pláštěm 143, 143 vymezuje komoru 113', kteráje vysáta neznázorněným čerpadlem pomocí průchodu 145. Komora 105' je propojena s neznázoměným čerpadlem pomocí průchodu 146, procházejícího pláště 140.

- 11 CZ 294249 B6

Zejména stojí za povšimnutí, že oba průchody 145, 146 jsou umístěny vně komory 111 a tím velice usnadňují propojení s čerpadlem a tím se vyhýbají složitosti s vytvořením dalších průchodů stěnou komory 111.

Ve všech doposud popsaných příkladech vlákno, například vlákno 45 na obr. 23, bylo použito pro vygenerování primárních elektronů, které bombardují katodu a ta naopak generuje sekundární elektrony, které vytvářejí elektronový svazek. V mnoha aplikacích je to postačující, ale pro určité aplikace, jako je svařovací elektronový svazek, kde elektronový svazek musí být udržován po io dostatečně dlouhou dobu, je životnost vlákna příliš krátká. Výhodný přístup proto řeší problém tak, že vlákno je nahrazeno induktivně ohřátým primárním emitorem. Je to nakresleno na obr. 24 až 26. Jako v předchozím případě je katoda upevněna na kuželovém nosiči 21, jako v příkladu na obr. 5. Za katodou 5 jer odděleně umístěn primární emitorový disk 22, který může být vyroben z jakékoliv tepelně vodivé keramiky, jako je lathan hexaborid nebo žáruvzdorný kov jako je 15 wolfram nebo tantal. Tento disk 22 je nesen kolíkem 201, který je na svém místě udržován držákem 202 kolíku, přišroubovaným u 206 do báze 208 dělené vazební smyčky šroubem 217. Uvnitř je šroub 217 opatřen neznázoměným závrtným šroubem, který uzamyká kolík 201 do měděného členu 202.

Primární emitor 22 by mohl být upevněn na kolíku 201 jakýmkoliv způsobem, ale protože kuželový nosič 21 může zaostřit zpětně emitované elektrony z katody 5 na emitor 22, je výhodné zabezpečit emitor 22 centrálním obložením, které bude přijímat zaostřený svazek a tak zabrání poškození primárního emitoru 22.

Pro vyhřívání primárního emitoru 22 je zde uspořádána indukční vazební smyčka 203, která obklopuje primární emitor 22 a je připojena na elektrický obvod, jak je vidět z obr. 26. Indukční vazební smyčka 203 je uspořádána na keramickém izolátoru 204.

Indukční vazební smyčka 203 je spojena s bází 208 dělené vazební smyčky. Je výhodné, když 30 indukční vazební smyčka 203 a báze 208 dělené vazební smyčky jsou vyrobeny z jednoho kovového bloku, například mědi.

Jak je zřejmé z obr. 26, je obvod pro zapojení sestavy nakreslený na obr. 24 a 25 zpravidla stejný, jak jej popisuje EP-A 0 627 121 a zahrnuje přizpůsobovací obvod 210, připojený na nezná35 zorněný vysokofrekvenční zesilovač a zahrnuje indukční cívku 211 a nastavitelný kondenzátor

212 spojený s anténou 213. Anténa 213 indukuje napětí v sekundárním vinutí 214 spřaženém s rezonančním kondenzátorem 215 a pomocí dělené základny vazební smyčky 208 na indukční vazební smyčkou 203. Sekundární vinutí 214 je také spojeno s primárním emitorem 22 a s hlavní katodou 5. Napětí vybuzené na indukční cívce 214 a kondenzátoru 215 je využito pro urychlení 40 elektronů z primárního emitoru 22 na katodu 5, pokud je katoda vzhledem k primárnímu emitoru kladná.

Na obr. 25 je nakreslena řada otvorů 216 opatřených závitem, které jsou tu pro usazení částí obvodu nakresleného na obr. 26, jako například sekundární vinutí 214 a rezonanční kondenzá45 tor 215.

Bylo zjištěno, že použití induktivně vyhřátého primárního emitoru 22 má za výsledek výrazné prodloužení v porovnání s běžnými vlákny, takže se toto uspořádání stává vhodným pro svařování elektronovým svazkem.

Claims (37)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro emitování nabitých částic, v y z n a č uj í c í se t í m , že zahrnuje emitorový člen (5) pro emitování nabitých částic jedné polarity; trubkovitou stínící elektrodu (6) obklopující emitorový člen (5) a při funkci udržovanou na téže polaritě jako emitované nabité částice; a trubkovitou urychlovací elektrodu (7) uloženou koaxiálně se stínící elektrodou (6) a při funkci udržovanou na opačné polaritě, než má stínící elektroda (6), pro dosažení rozptylu nabitých částic zemitorového členu (5) a jejich následného soustředění do svazku, který prochází trubkovitou urychlovací elektrodou (7).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že emitorový člen (5) a elektrody (6, 7) jsou uspořádány pro vybuzení elektrostatického pole, které původně způsobí divergenci a následnou konvergenci svazku nabitých částic ve směru od emitorového členu (5) k trubkovité elektrodě (7).
3. 3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že emitorový člen (5) je upevněn k centrální části (21) stínící elektrody (6) a přečnívá základnu stínící elektrody (6).
4. 4. Zařízení podle nároku 3, vy zn a č uj í cí se t í m , že přečnívající centrální část (21) se směrem k základně stínící elektrody (6) zužuje.
5. 5. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vy z n a č uj í c í se tím, že dále obsahuje prostředky pro vybuzení emitorového členu (5) emitovat nabité částice.
6. 6. Zařízení podle nároku 5, vy zn a č uj í c í se t í m , že prostředky pro vybuzení emitorového členu (5) k emitování nabitých částic obsahují zdroj (45) vedlejších nabitých částic pro bombardování emitorového členu (5).
7. 7. Zařízení podle nároku 6, v y z n a č u j í c í se t í m , že nabité částice emitované zdrojem (45) vedlejších nabitých částic obsahují elektrony.
8. 8. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že nabité částice emitované emitorovým členem (5) obsahují elektrony.
9. 9. Zařízení podle kteréhokoliv z nároků 6 až 8, v y z n a č u j í c í se t í m , že zdroj (45) vedlejších nabitých částic zahrnuje indukčně ohřívaný pomocný emitor (200).
10. 10. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vy z n a č uj í c í se tím, že stínící elektroda (6) má válcovou stěnu.
11. 11. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vy z n a č uj í c í se tím, že trubkovitá elektroda (7) končí u roviny, vymezené okrajem stínící elektrody (6).
12. 12. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že emitorový člen (5) je upevněný v otvoru nosiče (31), ke kterému je elektricky připojen, přičemž emitorový člen (5) má nižší výstupní práci než nosič (31), čímž při pracovní teplotě emitorový člen (5) emituje nabité částice z exponovaného povrchu.
13. 13. Emitor nabitých částic obsahující emitorový člen (5) upevněný v otvoru nosiče (31), ke kterému je elektricky připojen, přičemž emitorový člen (5) má nižší výstupní práci než nosič (31), čímž při pracovní teplotě emitorový člen (5) emituje nabité částice z exponovaného povrchu, vyznačující se t í m , že exponovaný povrch emitorového členu (5) je v rovině nebo je zapuštěn vůči rovině té části povrchu nosiče (31), která obklopuje otvor nosiče (31).

    -13 CZ 294249 B6
14. 14. Emitor podle nároku 13, v y z n a č uj í c í se t í m , že emitorový člen (5) těsně zapadá do otvoru nosiče (31).
15. 15. Emitor podle nároku 13 nebo 14, vy z n a č uj í c í se t í m , že dotýkající se části nosiče (31) a emitorovaného členu (5) jsou zkoseny pod stejným úhlem.
16. 16. Emitor podle nároku 15, vyznačující se tím, že dotýkající se části nosiče (31) a emitorovaného členu (5) jsou zkoseny dovnitř směrem k exponovanému povrchu emitorového členu (5).
17. 17. Emitor podle kteréhokoliv z nároků 13 až 16, vyznačující se tím, že emitorový člen (5) je připevněn k nosiči (31) svorkou (33), která je v záběru jak s emitorovým členem (5), tak s nosičem (31).
18. 18. Emitor podle nároku 17, vyznačující se tím, že svorka (33) je uložena v drážce nosiče (31).
19. 19. Emitor podle kteréhokoliv z nároků 13 až 18, vyznačující se tím, že exponovaný povrch emitorového členu (5) a čelní protější povrch nosiče (31) jsou uspořádány na stejné ploše.
20. 20. Emitor podle nároku 19, v y z n a č u j í c í se tí m , že exponovaný povrch emitorového členu (5) a čelní protější povrch (31) nosiče jsou uspořádány na konvexní, konkávní, kuželové nebo komole kuželové ploše.
21. 21. Emitor podle kteréhokoliv z nároků 13 až20, vy značu j í c í se t í m , že nosič (31) obsahuje část kuželového tvaru.
22. 22. Emitor podle kteréhokoliv z nároků 13 až 21, vyznačující se tím, že emitorový člen (5), vyhřátý na pracovní teplotu, emituje elektrony.
23. 23. Emitor podle kteréhokoliv z nároků 13 až22, vy zn ač u j í cí se tí m , že emitorový člen (5) obsahuje lanthan hexaborid.
24. 24. Emitor podle kteréhokoliv z nároků 13 až23, vy zn ač u j í cí se t í m , že nosič (31) obsahuje tantal.
25. 25. Zařízení alespoň podle nároku 12, vy zn aču j í cí se tí m , že obsahuje emitor nabitých částic podle kteréhokoliv z nároků 13 až 24.
26. 26. Použití zařízení pro emitování nabitých částic podle kteréhokoliv z nároků 1 až 12 ve svařovacím přístroji, vyznačující se tím, že svařovací přístroj obsahuje suport obrobků pro upevnění obrobků vystavených svazku elektricky nabitých částic; a prostředky pro způsobení relativního pohybu mezi svazkem elektricky nabitých částic a suportem obrobků.
27. 27. Sestava tubusu pro svazek nabitých částic pro namontování na vakuovou komoru (100') zdroje svazku nabitých částic, kde sestava má sled komor (55 až 57) s řízeným tlakem, kde každá má vstupní a výstupní otvor (51Aaž54A), kterými může procházet svazek nabitých částic, a odsávací otvor (59) připojení k čerpadlu pro umožnění řízení tlaku v komoře, čímž se v činnosti sestavy tlak v za sebou následujících komorách zvyšuje, vyznačující se tím, že odsávací otvor (59) je připojen k ve směru proudu následující komoře pomocí kanálku, který pobíhá v sestavě podél alespoň jedné předcházející komory (55, 56, 57).
28. 28. Sestava podle nároku 27, v y z n a č u j í c í se tím, že komory jsou určeny uloženými trubkami (140, 143), přičemž každý kanálek je tvořen trubkovou stěnou uložené trubky (140,143)

    -14CZ 294249 B6 definující komoru, ke které je kanálek připojen, a trubkovou stěnou uložené trubky (140,143) proti směru proudu následující komory (55, 56, 57).
29. 29. Sestava podle nároku 28, v y z n a č u j í c í se tí m , že uložené trubky (140, 143) jsou koaxiální.
30. 30. Sestava podle kteréhokoliv z nároků 27 až 29, vyzn ač u j í cí se tí m , že komory (55 až 57) jsou vymezeny sadou trubkových sekcí umístěných ve vnější trubce (50), kde každá trubková sekce má radiální výstupní otvor (55A, 57A), tento radiální výstupní otvor (55A, 57a) každé komory (55 až 57) je úhlově posunutý od radiálních ven směřujících otvorů (55A, 57A) ostatních komor (55 až 57); a sadou axiálně probíhajících dělicích stěn (51 až 54) uložených mezi trubkovými sekcemi a vnější trubkou pro vytvoření příslušných kanálků, přičemž každý kanálek spojuje radiální výstupní otvor (55A, 57A) komory (55 až 57) s odpovídajícím otvorem (59).
31. 31. Sestava podle nároku 30, vyznačující se tím, že trubkové sekce mají stejný průměr.
32. 32. Sestava podle kteréhokoliv z nároků 28 až 31, vyznačující se t í m, že uložené trubky (140, 143) nebo trubkové sekce jsou válcové.
33. 33. Sestava podle kteréhokoliv z nároků 27 až 32, vy zn ač u j í cí se tí m , že vstupní otvor (51A až 57A) jedné komory (55 až 57) je vymezen výstupním otvorem (51A až 57A) ve směru proti proudu předcházející sousední komory (55 až 57).
34. 34. Sestava podle kteréhokoliv z nároků 27 až 32, vy z n a č uj í c í se t í m , že vstupní a výstupní otvory (51A až 57A) vymezují přímou cestu pro svazek.
35. 35. Zařízení pro svazek nabitých částic, vyznačující se tím, že zahrnuje vakuovou komorou (100, 100') zdroje svazku nabitých částic, spojenou se sestavou podle kteréhokoliv z nároků 27 až 34.
36. 36. Zařízení podle nároku 35, vy z n a č uj í c í se t í m , že tlak komory (55 až 57) nejvzdálenější od komory (100, 100') zdroje svazku nabitých částic je udržován pod úrovní atmosférického tlaku.
37. 37. Zařízení pro svazek nabitých částic podle nároku 35 nebo 36, v y z n a č u j í c í se tím, že vakuová komora (100, 100') zdroje svazku nabitých částic zahrnuje zdroj obsahující zařízení emitující nabité částice podle kteréhokoliv z nároků 1 až 12.