DE10242538A1

DE10242538A1 - Verfahren zur Regelung der Elektronenstrahlleistung von Elektronenquellen

Info

Publication number: DE10242538A1
Application number: DE2002142538
Authority: DE
Inventors: Carsten Dipl.-Phys. Deus; Dietrich Dipl.-Ing. Haufe; Matthias Dr.-Ing. Neumann; Reinhard Nobis
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: AU2003269823A8; AU2003269823A1; DE10242538B4; WO2004027814A3; WO2004027814A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Elektronenstrahlleistung von Elektronenquellen im Nennleistungsbereich von Null bis 1200 kW. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine automatische kontinuierliche Leistungsregelung über den gesamten Leistungsbereich zu schaffen, die eine gute Fokussierbarkeit des Elektronenstrahles und die Minimierung der internen Elektronenstrahlverluste ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Regelung von mindestens zwei unabhängigen Stellgliedern gelöst, welche jeweils einen der Parameter Katodentemperatur, Katodenspannung, Fokussierelektrodenspannung oder Katoden-Anoden-Abstand als Stellparameter verändern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Elektronenstrahlleistung von Elektronenquellen im Nennleistungsbereich von Null bis 1200 kW, bestehend aus einer indirekt geheizten Katode und einer Anode sowie einer das elektrische Feld im Katoden-Anoden-Zwischenraum beeinflussenden Fokussierelektrode.
Elektronenquellen von Elektronenstrahlkanonen im Leistungsbereich von 10 kW bis 1200 kW bestehen im Allgemeinen aus einer indirekt geheizten scheiben- oder stabförmigen Katode, einer Fokussierelektrode zur Beeinflussung des elektrischen Feldes im Katoden-Anoden-Zwischenraum und einer Anode. Bei Axialkanonen sind diese Elemente im Allgemeinen axialsymmetrisch aufgebaut, wobei die Anode eine Bohrung besitzt, durch die der erzeugte Elektronenstrahl hindurchgeführt wird. Die Leistung einer derartigen Elektronenquelle ist abhängig von mehreren Parametern. Ihre Leistungsregelung erfolgt in der Praxis üblicherweise durch Verwendung eines der Parameter Katodentemperatur, Katodenspannung, Katoden-Anoden-Abstand oder Fokussierelektrodenspannung als Stellgröße. Dabei ergeben sich für jeden der Parameter unterschiedliche Leistungskennlinien.
Die Katodentemperatur-Leistungs-Kennlinie ist verallgemeinert eine ansteigende Gerade, die ab einer bestimmten Temperatur in eine Gerade nahezu konstanter Leistung übergeht. Wie bei Schiller, Heisig, Panzer, „Electron Beam Technology". Verlag Technik Berlin, ISBN 3-341-01153-6, S. 48 ff. beschrieben, liegt der physikalische Hintergrund in den beiden Betriebszuständen der temperaturbegrenzten Emission und der raumladungsbegrenzten Emission.
Bei Ranke, et al., „Melting and Evaporation with the Newly Developed Leybold-Heraeus 600 kW EB Gun at Different Pressure Levels". Proc. of Conf. Electron Beam Melting and Refining State of the Art 1985, ISSN 0740-8706, S. 77 ff. und bei Melde, et al., „Controlling of High-Power Electron Beam Guns". Proc. of Conf. Electron Beam Melting and Refining State of the Art 1992, ISSN 0740-8706, S. 20 ff. ist dargestellt, dass sich mit der Stellgröße Katodentemperatur eine Elektronenquelle prinzipiell von Null bis zur Nennleistung regeln lässt. Da hierbei die Elektronenkanone im Betriebszustand der temperaturbegrenzten Emission betrieben werden muss, ist der Fokussierzustand des Elektronenstrahles prinzipiell deutlich schlechter als im raumladungsbegrenzten Betrieb. Wird hohe Druckentkopplung der Elektronenquelle vom Prozessraum gefordert, sind den Elektronenstrahl eng umschließende Bauteile erforderlich, die bei Temperatur begrenzter Emission deutlich höhere Elektronenstrahlverluste innerhalb der Elektronenkanone verursachen, als dies bei raumladungsbegrenzter Emission der Fall wäre, wie dies bei von Ardenne, et al., „40 Years von Ardenne EB Guns – Milestones and Current Applications". Proc. of Conf. Electron Beam Melting and Refining State of the Art 1998, ISSN 0740-8706, S. 13 ff. beschrieben ist.
Die Katodenspannungs-Leistungs-Kennlinie folgt bei Gewährleistung eines raumladungsbegrenzten Betriebes einer Potenzfunktion. Mit der Stellgröße Katodenspannung lässt sich eine Elektronenquelle von Null bis zur Nennleistung regeln, wenn die Katode ausreichend geheizt wird. Elektronenkanonen mit dieser Art der Leistungsregelung sind beispielsweise aus Melde et al. (s.o.) bekannt. Ihr wesentlicher Nachteil besteht jedoch in der Abhängigkeit der Elektronengeschwindigkeit von der Katodenspannung und somit von der Leistung. Damit verbunden sind eine unterschiedliche Wirksamkeit der Elektronen am Prozessort und vor allem eine unterschiedliche Ablenkempfindlichkeit im allem eine unterschiedliche Ablenkempfindlichkeit im magnetischen Feld. Da übliche Linsenspulen zur Strahlfokussierung sowie Ablenk- und Umlenksysteme in elektronenstrahltechnischen Anlagen auf elektrischen Spulen basieren, müssen deren erregende Ströme bei Leistungsänderungen aufgrund der variablen Katodenspannung nachgeführt werden, um konstante Fokussierzustände bzw. Elektronenstrahlfiguren am Prozessort zu erhalten.
Die Kennlinie zwischen Katoden-Anoden-Abstand und Elektronenstrahlleistung ist eine Hyperbel. Im raumladungsbegrenzten Betrieb lässt sich die Leistung einer Elektronenquelle mittels Veränderung des Katoden-Anoden-Abstandes bei ansonsten konstanten Betriebsparametern kontinuierlich zwischen Nennleistung und einer Minimalleistung regeln, die etwa bei 10% der Nennleistung liegt. Elektronenkanonen mit derartiger Leistungsregelung sind allgemein aus der DE 44 43 830 , der DD 237 932 , der DD 134 168 oder aus Erbkamm, et al., „The Latest Developments of Von Ardenne Electron Beam Guns". Proc. of Conf. Electron Beam Melting and Refining State of the Art 1996, ISSN 0740-8706, 5.98 ff. bekannt. Neben ihren Vorzügen der guten Strahlfokussierung und geringen internen Elektronenstrahlverlusten besteht ihr Nachteil in der Minimal- bzw. Einschaltleistung, die bei derartiger Leistungsregelung nicht unterschritten werden kann.
Die Fokussierelektrodenspannungs-Leistungs-Kennlinie ist bei konstanter Katodenspannung eine abfallende Kurve, deren Verlauf jedoch sehr stark von der Geometrie und Lage der Fokussierelektrode sowie der Katodenspannung abhängt. Die Leistung einer Elektronenquelle lässt sich mittels der Fokussierelektrodenspannung prinzipiell zwischen Null und Nennleistung regeln. Diese Art der Leistungsregelung wird bei Elektronenquellen geringer Leistung für Schweiß- und Bearbeitungsprozesse angewandt. Für Elektronenquellen mit großflächigen Katoden und Nennleistungen oberhalb 50 kW findet diese Art der Leistungsregelung kaum Anwendung, da eine Veränderung der Fokussierelektrodenspannung zur Leistungsänderung die Strahlelektronen abbremst und die Elektronenstrahlgeometrie stark beeinflusst, was ohne hohen Kompensationsaufwand ähnliche Nachteile wie bei einer Leistungsregelung mittels Katodenspan nung zur Folge hat, wie bei Schiller, Heisig, Panzer (s.o.) beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur automatischen Leistungsregelung von Elektronenquellen zu schaffen, das eine kontinuierliche Regelung von Null bis zur Nennleistung bei guter Fokussierbarkeit des Elektronenstrahles und Minimierung der internen Elektronenstrahlverluste ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Leistungsregelung der Elektronenquelle automatisch kontinuierlich von Null bis zur Nennleistung bzw. einem Teil davon über mindestens zwei unabhängige Stellglieder erfolgt, welche jeweils einen der Parameter Katodentemperatur, Katodenspannung, Fokussierelektrodenspannung oder Katoden-Anoden-Abstand als Stellparameter derart verändern, dass die bekannten Nachteile der verschiedenen Leistungsregelungen mit Hilfe einer einzigen Stellgröße umgangen bzw, unterdrückt werden können.
In einer vorteilhaften Verfahrensausgestaltung wird die Elektronenstrahlleistung in Abhängigkeit vom Systemzustand mittels jeweils eines der unabhängigen Stellglieder geregelt, während die Stellwerte aller anderen unabhängigen Stellglieder gestellt werden, d.h. konstant gehalten oder entsprechend voreingestellter Kennlinien unabhängig vom Leistungsistwert verändert werden. Insbesondere übernimmt ein Regler im mittleren und oberen Leistungsbereich der Elektronenquelle die Veränderung des Katoden-Anoden-Abstandes, wobei der Katoden-Anoden-Abstand ebenso durch eine beweglich angeordnete Anode wie durch ein beweglich angeordnetes Katodensystem verändert werden kann. Da in diesem Leistungsbereich der Betrieb raumladungsbegrenzt erfolgt, ist bis zur Nennleistung eine gute Fokussierbarkeit des Elektronenstrahles innerhalb des Strahlerzeugers, verbunden mit einer hohen Druckentkopplung vom Prozessort, und die Minimierung der internen Elektronenstrahlverluste gewährleistet. Der Nachteil der Regelbegrenzung durch die vorhandene Minimalleistung bei alleiniger Verstellung des Katoden-Anoden-Abstandes wird durch einen zweiten unabhängigen Regler beseitigt, der die Leistung der Elektronenquelle über den Stellparameter Katodentemperatur im unteren Leistungsbereich bis Null regelt. In diesem Leistungsbereich sind die Nachteile der Regelung mittels Katodentemperatur kaum noch wirksam.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht in der Aktivierung und kontinuierlichen Ablösung der einzelnen, voneinander unabhängigen Regler ohne Lücken und Sprungstellen in der geregelten Elektronenstrahlleistung.
Bei einem derartigen Verfahren der Leistungsregelung bleiben die Katoden- und Fokussierelektrodenspannungen konstant, so dass die Erregerströme für Linsenspulen der Ablenk- und Umlenksysteme nicht extra korrigiert werden müssen.
Angepasst an spezielle Anforderungen an das Strahlleistungsregelsystem sind die jeweiligen Stellparameter und die Anzahl der unabhängigen Regler auszuwählen und zu verknüpfen.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass eine Parametrierung der Stellglieder so gewählt wird, dass abhängig vom Leistungssollwert jeweils eines der Stellglieder dominiert.
Regelsysteme der beschriebenen Art arbeiten stabil mit fest voreingestellten Reglerparametern. Bedingt durch das Arbeitsprinzip verändern sich allerdings einige Parameter der Elektronenquellen während des Betriebes. Beispielsweise zieht die Alterung von Katoden aufgrund des Materialabtrages durch rückwärtig beschleunigte Ionen eine Verschiebung bzw. Verformung der Katodentemperatur-Leistungs-Kennlinie nach sich. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden daher die optimalen Reglerparameter über adaptive Regelkonzepte ermittelt und während des Betriebes bei sich ändernden Eigenschaften der Elektronenquelle automatisch nachgeführt.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in
1 das Regelkreisschema des Leistungsregelsystems,
2 das Flussdiagramm des Leistungsregelsystems und
3 die Elektronenquelle mit der erfindungsgemäßen Leistungsregelung als Detailauszug.
Das in 1 dargestellte Regelkreisschema stellt die Leistungsregelung einer Elektronenquelle mittels Katoden-Anoden-Abstand und Katodentemperatur als die zwei gewählten unabhängigen Stellglieder dar.
Die in 3 dargestellte Elektronenquelle 8 besteht aus einer Drahtkatode 1, die bei ausreichendem Heizstrom Stoßelektronen 2 emittiert. Diese Stoßelektronen 2 werden mittels der angelegten Stoßspannung U_s in Richtung der Katode 3 beschleunigt und bilden den Stoßstrom, der die Katodentemperatur bestimmt. Ist die Emissionstemperatur der Katode 3 erreicht, werden von dieser Strahlelektronen 5 emittiert, die mittels der angelegten Beschleunigungsspannung U_b in Richtung der Anode 6 beschleunigt und zum Elektronenstrahl formiert werden. Eine Fokussierelektrode 4 ist in der Regel notwendig, um den Elektronenstrahl mit minimalen Verlusten durch die Bohrung der Anode 6 zu leiten. Die Fokussierelektrode 4 wird üblicherweise fest auf das elektrische Potential II oder III gelegt oder bei Leistungsregelung mittels Fokussierelektrodenspannung mit einem isolierten Hochspannungskontakt verbunden. Die Anode 6 liegt üblicherweise auf Massepotential.
Um den Katoden-Anoden-Abstand d_ka zu variieren, ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel die Anode 6 beweglich in der Elektronenquelle 8 angeordnet und mit einem Antrieb 7 gekoppelt. Die Bewegung wird durch einen Positionsregler gesteuert, der seinen Sollwert aus dem Elektronenstrahlleistungsregelkreis erhält.
Das Regelsystem der Elektronenstrahlleistung umfasst die Programmierbare Steuereinheit 9, zwei Regelkreise für die beiden unabhängigen Stellgrößen sowie den Hochspannungserzeuger 10. Die beiden Regelkreise umfassen jeweils eines der Stellglieder für die Stellgrößen Katoden-Anoden-Abstand 11, im Folgenden Stellglied A genannt, bzw. für die Stellgröße Katodentemperatur 12, im Folgenden Stellglied B genannt, und jeweils einen nachgeschalteten Limitauswerter 13. Die Veränderung des Katoden-Anoden-Abstandes zwischen den beiden Grenzwerten d_kamin und d_kamax erfolgt mittels eines Antriebes 7 in der oben beschriebenen Weise. Die Steuerung der Katodentemperatur erfolgt, indem von einem Hochspannungserzeuger 10 der Heizstrom der Drahtkatode 1 variiert wird, der die Stoßelektronen 2 unmittelbar beeinflusst und damit die Temperatur der Katode 3 einstellt. Die Bestimmung der Elektronenstrahlleistung erfolgt über die Messung des Stromes der Strahlelektronen 5 und der Beschleunigungsspannung U_b.
Für die Regelung der Elektronenstrahlleistung dient deren Sollwert als Initialgröße. Nach dem Systemstart erfolgt in der Programmierbaren Steuereinheit 9 der Vergleich des den Leistungskennlinien der Elektronenquelle 8 entsprechenden Leistungsschwellwerts mit dem für den Prozess benötigten und voreingestellten Leistungssollwert. Liegt dieser über dem Leistungsschwellwert wird das Stellglied A 11 aktiviert, liegt der Leistungssollwert unter dem Leistungsschwellwert wird das Stellglied B 12 aktiviert. In diesen beiden Regelzuständen ist jeweils das zweite Stellglied 11, 12 deaktiviert. Unabhängig davon, welches der beiden Stellglieder 11, 12 eingangs von der Programmierbaren Steuereinheit 9 aktiviert wird, erfolgt nach wenigen Sekunden im jeweiligen, dem Stellglied 11, 12 nachgeschalteten Limitauswerter 13 sowohl der Vergleich des Leistungsist- mit dem Leistungssollwert als auch der jeweiligen Stellgröße mit ihrem Maximalwert. Die Ergebnisse dieser zwei Vergleichsmessungen werden logisch verknüpft und das Ergebnis in die Programmierbare Steuereinheit 9 rückgeführt. Die logische Verknüpfung erfolgt derart, dass ihr Ergebnis negativ ist, wenn der Stellbereich der entsprechenden Stellgröße noch nicht ausgeschöpft und/oder der Leistungsistwert, im Regelkreis A, größer bzw., im Regelkreis B, kleiner dem Leistungssollwert ist. In diesem Fall erfolgt die Regelung weiterhin mit der aktiven Stellgröße. Ein positives Ergebnis der logischen Verknüpfung liegt vor, wenn der Maximalwert der Stellgröße erreicht und der Leistungsistwert im Regelkreis A größer bzw. im Regelkreis B kleiner dem Leistungssollwert ist, was zum Übergang in den jeweils anderen Regelkreis führt. Das bedeutet, das aktiven Stellglied 11, 12 wird deaktiviert und das inaktive wird aktiviert. Durch geeignete Programmierung wird mittels der Programmierbaren Steuereinheit 9 ein ständigen Wechseln zwischen den Regelkreisen in einem dem Leistungsschwellwert nahen Leistungsbereich verhindert und die Regelbereiche den sich mit dem Betrieb ändernden Eigenschaften und Kennlinien der Elektronenquelle 8 nachgeführt.

1: Drahtkatode
2: Stoßelektronen
3: Katode
4: Fokussierelektrode
5: Strahlelektronen
6: Anode
7: Antrieb
8: Elektronenquelle
9: Programmierbare Steuereinheit
10: Hochspannungserzeuger
11: Stellglied für die Stellgröße Katoden-Anoden-Abstand
12: Stellglied für die Stellgröße Katodentemperatur
13: Limitauswerter

Claims

Verfahren zur Regelung der Elektronenstrahlleistung von Elektronenquellen (8) im Nennleistungsbereich von Null bis 1200 kW, bestehend aus einer indirekt geheizten Katode (3) und einer Anode (6) sowie einer das elektrische Feld im Katoden-Anoden-Zwischenraum beeinflussenden Fokussierelektrode (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsregelung automatisch kontinuierlich von Null bis zur Nennleistung bzw. einem Teil davon über mindestens zwei unabhängige Stellglieder (11; 12) erfolgt, welche jeweils einen der Parameter Katodentemperatur, Katodenspannung, Fokussierelektrodenspannung oder Katoden-Anoden-Abstand als Stellparameter verändern.
Verfahren zur Regelung der Elektronenstrahlleistung von Elektronenquellen (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahlleistung in Abhängigkeit vom Systemzustand mittels jeweils eines der unabhängigen Stellglieder (11; 12) geregelt wird, während die Stellwerte aller anderen unabhängigen Stellglieder (12; 11) gestellt werden, d.h. konstant gehalten oder entsprechend voreingestellter Kennlinien unabhängig vom Leistungsistwert verändert werden.
Verfahren zur Regelung der Elektronenstrahlleistung von Elektronenquellen (8) nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Parametrierung der Stellglieder (11; 12) so gewählt wird, dass abhängig vom Leistungssollwert jeweils eines der Stellglieder (11; 12) dominiert.
Verfahren zur Regelung der Elektronenstrahlleistung von Elektronenquellen (8) nach Anspruch 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die optimalen Reglerparameter über adaptive Regelkonzepte ermittelt und während des Betriebes bei sich ändernden Eigenschaften der Elektronenquelle (8) automatisch nachgeführt werden.