DE1514981C - Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstoffen mittels eines Elektronenstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Werkstoffbearbeitung mit Ladungsträgerstrahlen. Speziell betrifft die Erfindung das Arbeiten mit einem Elektronenstrahl beim Schweißen, Schneiden, Schmelzen, Verdampfen oder Bearbeiten beliebiger Werkstoffe.

Vorrichtungen, die die kinetische Energie eines Elektronenstrahls zum Bearbeiten von Werkstoffen verwerten, sind jetzt im Handel erhältlich. Die Vorrichtungen sind als sogenannte Elektronenstrahlmaschinen bekannt. Die αεμίβϋΐιε Patentschrift 1 087 295 (Firma Carl Zeiß, Heidenheim) beschreibt eine derartige Anlage. Diese Geräte arbeiten mit einem eng fokussierten Elektronenstrahl. Der Elektronenstrahl dient als Schweiß-, Schneid- und Bearbeitungswerkzeug, das praktisch masselos ist, aber wegen des den Elektronen erteilten hohen Impulses hohe kinetische Energie besitzt. Die Übertragung dieser kinetischen Energie auf die Gitterelektronen des Werkstücks ruft stärkere Gitterschwingungen hervor, die eine so starke Temperaturzunahme in der Auftreffstelle zur Folge haben, daß die Bearbeitung durchgeführt werden kann. Wie in der oben angegebenen Patentschrift dargestellt, dringt der Elektronenstrahl tief in das zur Bearbeitung vorgelegte Material ein, wenn die Intensität oder Energiedichte des Elektronenstrahls einen Mindestwert übersteigt, der von der Art des zu bearbeitenden Werkstoffs abhängt. Mit diesem tiefen Eindringen geht längs der gesamten Eindringstrecke eine unmittelbare übertragung von kinetischer Energie der Elektronen auf das Werkstück einher. Diese unmittelbare Energieübertragung führt zum Schmelzen in einer Schmelzzone, deren Verhältnis von Tiefe zu Breite keine Beziehung zur Wärmeleitung durch das Werkstück besitzt.

Zu den Vorzügen bei der Anwendung eines Elektronenstrahls oder eines anderen Ladungsträgerstrahls gehört die Möglichkeit einer trägheitsfreien Steuerung und die starke Energiekonzentration. Wegen der starken Energiekonzentration wird ein geringer Bruchteil des Werkstückmaterials verdampft. Die am Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf das Werkstück gebildeten Metalldampfmoleküle fliegen geradlinig weiter, bis sie auf einen festen Gegenstand auftreffen. Der Grund dafür ist natürlich, daß das Bearbeiten von Werkstücken mit einem Elektronenstrahl in einem evakuierten Gehäuse vorgenommen wird. Bei den bekannten Methoden, besonders beim Schweißen von Aluminium und ähnlichen Werkstoffen, ergaben sich erhebliche Unzuträglichkeiten und Schwierigkeiten durch Überschläge in der Elektronenkanone. Die an Elektronenkanonen in den modernen Geräten benutzten Spannungen liegen im allgemeinen über 50000 Volt. Ein Hauptgrund für die Überschläge in der Elektronenkanone ist die Kondensation von Metalldämpfen, diewährend des Schweißens oder sonstigen Bearbeitungsvorgangs entstehen und sich an den Isolierungen der Kanone niederschlagen. Die kondensierten Dämpfe verunreinigen die Elektronenquelle, indem sie die Isolationseigenschaften der darin befindlichen Distanzstücke herabsetzen.

Damit Überschläge verhindert werden, ist es erforderlich, den Bereich der Elektronenquelle von verunreinigenden Metalldämpfen freizuhalten. Zahlreiche Versuche in dieser Richtung blieben erfolglos. Da, wie oben angegeben, Metalldampfmoleküle, die von dem Strahlenauftreffpunkt auf dem Werkstück ausgehen, geradlinig in einem stark gasverdünnten Raum fortlaufen, kann das beschriebene Problem gelöst werden, indem man in die Elektronenstrahlsäule ein Bogenstück einbaut, so daß die Gegend der Elektronenquelle gegenüber dem Werkstück völlig abgedeckt ist. Wie in der F i g. 5 der deutschen Auslegeschrift 1 119 428 (Firma Carl Zeiß, Heidenheim) dargestellt ist, hat man bereits früher — allerdings zu einem völlig anderen Zweck —' vorgeschlagen,- ein Elektronenstrahlgerät mit gebogener Säule vorzusehen. Das Ablenken eines Ladungsträgerstrahls durch Passierenlassen eines Elektromagneten wirft jedoch ein neues Problem auf. Da der Ablenkwinkel eines geladenen Teilchens von seiner Masse und seiner Geschwindigkeit abhängt, sofern ein Ablenkfeld konstanter Stärke betrachtet wird, ist das Ablenken eines Strahls im wesentlichen ein Regelungsproblem. Das heißt, weil die Geschwindigkeit der Elektronen wiederum eine Funktion der Beschleunigungsspannung ist, verlagert sich der Auftreffpunkt am Werkstück mit der Beschleunigungsspannung. Wenn nicht Stromversorgungseinrichtungen benutzt werden, die so umfangreich in ihrem Aufbau sind, daß die Kosten hierfür über dem wirtschaftlich Vertretbaren liegen, ändert sich die Beschleunigungsspannung mit der Netzspannung, der Temperatur, dem Strahlstrom usf.

Die Erfindung geht somit aus von einer nach der deutschen Auslegeschrift 1 119 428 bekannten Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstoffen mittels eines Elektronenstrahls mit einer Beschleunigungselektrode für die Elektronen im Elektronenstrahl, mit elektronenoptischen Mitteln zum Bündeln und Fokussieren des Elektronenstrahls, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes, dessen Kraftlinien senkrecht auf der Achse des Elektronenstrahls stehen, zum Umlenken des Elektronenstrahls auf das Werkstück, mit einem Auflager zum Halten des Werkstücks in einer zu der Achse des umgelenkten Elektronenstrahls rechtwinkligen Ebene und mit einer Einrichtung zur Regelung der Stärke des Magnetfeldes derart, daß der Auftreffpunkt des Strahls auf dem Werkstück seine Lage . bei Änderung der an der Beschleunigungselektrode liegenden Spannung nicht ändert.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Elektronenstrahl trotz einer etwaigen Änderung der ihn beschleunigenden Spannung immer auf eine Stelle mit einer Genauigkeit zu lenken, wie sie beim Bearbeiten von Werkstoffen - mittels eines Elektronenstrahls gefordert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung gekennzeichnet durch einen Spannungsfühler zum Bestimmen der an der Beschleunigungselektrode liegenden Spannung und zum Bilden eines der Spannung proportionalen Signals und durch einen auf dieses spannungsproportionale Signal ansprechenden . Funktionsgenerator zum Bilden eines Steuersignals, das eine Funktion des spannungsproportionalen Signals darstellt und zur Steuerung der Stromversorgung der das Magnetfeld erzeugenden Einrichtung dient.

Durch die Erfindung wird die Stärke des Magnetfeldes derart von der Stärke der Beschleunigungs-

spannung abhängig gemacht, daß der Elektronenstrahl auch bei Änderungen der Beschleunigungsspannung exakt auf eine vorgegebene Stelle zu richten ist.

In diesem Zusammenhang ist zu vermerken, daß es zwar bekannt ist, die Stärke eines Magnetfelds zwecks

⁶S Änderung der Ablenkung eines das Magnetfeld durchsetzenden Strahls geladener Teilchen zu ändern, nicht aber in Zusammenhang mit der angegebenen Aufgabe (Experimentelle Technik der Physik, XII, 1964, Heft 3,

S. 190 bis 192). Auch ist es bekannt, die Lage des Fokus eines Elektronenstrahls in Achsrichtung des Elektronenstrahls durch Verlagerung einer magnetischen Linse in Achsrichtung des Elektronenstrahls zu verändern (französische Patentschrift 1285 667). Schließlich ist es bekannt, einen nicht fokussierten Elektronenstrahl auf die Oberfläche eines zu schmelzenden Materials mittels eines Magnetfelds zu richten (britische Patentschrift 918 718).

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen beschrieben. Es stellt dar

Fig. 1 eine schematische Übersicht über die Erfindung,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des 'Funktionsgenerators nach Fig. 1,

F i g- 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des Funktionsgenerators nach Fig. 1,

F i g. 4 ein Blockschaltbild, einer dritten Ausführungsform des Funktionsgenerators nach Fig. 1,

F i g. 5 eine erste Ausführungsform einer Ubersteuerungsregelung, die in Verbindung mit dem Gerät nach F i g. 1 verwendet werden kann,

F i g. 6 eine zweite Ausführungsform einer UbeT-steuerungsregelung, die in Verbindung mit dem Gerät nach F i g. 1 verwendet werden kann.

In F i g. Γ ist das Elektronenstrahlgerät insgesamt mit 10 bezeichnet. Das Gerät besteht aus einem evakuierten Arbeitsgehäuse 12, in dem ein Werkstück 14 auf einem Tisch 16. liegt. Das Gerät weist ferner eine gekrümmte Elektronenstrahlsäule auf, die als Ganzes mit 18 bezeichnet ist. Wie in der erwähnten deutschen Patentschrift 1 087 295 deutlich zu erkennen ist, enthält eine Strahlsäule 18 eine Elektronenquelle, Mittel zum Strahlbilden und Mittel zum Strahlbündeln. Die Elektronenquelle umfaßt eine direkt geheizte Kathode oder, einen Heizfaden 20, der an negativem Potential liegt. Zwischen der Kathode und dem Werkstück liegt in der Säule 18 eine durchbohrte Anode 22. Die Anode ist mit der Gehäuseumhüllung verbunden und mit ihr bei 24 geerdet. Die von der Kathode 20 ausgehenden Elektronen werden längs der Säule 18 in Abwärtsrichtung" beschleunigt und durchlaufen die Bohrung in der Anode 22. Danach werden die beschleunigten Elektronen, zu einem Strahl gebündelt, durch ein nicht näher dargestelltes elektronenoptisches System mit Justierspulen und eine Reihe Blenden geschickt, von denen mit 26 nur eine einzige gezeichnet ist. Nach dem Durchlaufen der Blende 26 wird der Strahl um einen bestimmten Winkel abgebogen und läuft dann zwischen den Polen einer magnetischen Linse 28 durch, die ihn in der gewünschten Ebene fokussiert. Beim Arbeiten mit .dem Gerät fällt der fokussierte Strahl auf das Werkstück 14 und überträgt seine kinetische Energie auf das Werkstück. Das Werkstück 14 kann gegenüber dem Strahl durch Verschieben des Tischs 16 bewegt werden, und/oder der Strahl kann über das Werkstück gelenkt werden durch Verändern der Spannung an den Ablenkspulen 30. Vor der Kathode 20 liegt eine Steuerelektrode 32. Diese Steuerelektrode liegt normalerweise an einer Spannung, die stärker negativ ist als die der Kathode. Der Betrag dieser Vorspannung oder Spannungsdifferenz kann durch Einstellen einer nicht gezeichneten Spannungsregulierung verändert werden. Die Steuerelektrode ist ein Hilfsmittel zum Bündeln des Strahls, übt aber im übrigen die gleiche Funktion aus wie das Gitter in einer normalen Vakuumtriode und steuert den Strahlstrom. Es ist zu beachten, daß die volle Spannung zum Beschleunigen der Elektronen zwischen der Steuerelektrode 32 und der geerdeten Anode 22 liegt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Elektronenstrahl, bevor er die magnetische Linse 28 durchläuft, durch ein Feld geführt, das von einer weiteren magnetischen Linse 34 gebildet wird. Das von der Linse 34 erzeugte Feld bewirkt eine derartige Krümmung des in der Säule 18 gebildeten Strahls, daß seine normale, nicht verschobene Achse senkrecht auf die Oberfläche des Werkstücks 14 auftrifft. Der Krümmungsradius eines ein Magnetfeld durchlaufenden geladenen Teilchens kann bekanntlich durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

V ^=z

m-v„

Bq '

worin m = Teilchenmasse,

V_n = Teilchengeschwindigkeit,
B = Stärke des Magnetfelds,
q — Ladung des Teilchens.

Ferner ist

worin E = Teilchen-Beschleunigungsspannung.

Daraus und weil es sich als richtig erwiesen hat, die mittlere Anfangsgeschwindigkeit der von der Kathode 20 ausgehenden Elektronen zu Null anzunehmen, ergibt sich, daß der Krümmungsradius durch drei Veränderliche bestimmt wird: die Masse der Elektronen, die Beschleunigungsspannung und die FeIdstärke. Ferner ergibt sich aus dem Gesagten und aus den Gleichungen (1) und (2), daß der Krümmungsradius konstant gehalten werden kann, indem ein Signal gebildet wird, das proportional zur Beschleunir gungsspannung ist, und indem dieses Signal, unter Berücksichtigung der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Masse gemäß Einsteins Relativitätstheorie, benutzt wird, um den Strom zu steuern, der die den Strahl umlenkende magnetische Linse durchsetzt. Da. ein typisches Elektronenstrahlgerät, wie dargestellt, mit geerdeter Anode arbeitet, ist die Beschleunigungs-. spannung die an der Steuerelektrode liegende negative Spannung. Bei dem Gerät nach F i g. 1 wird die an der Steuerelektrode 32 liegende Spannung in einem Spannungsfühler 36, bestimmt und einem Funktionsgenerator 38 zugeführt. Verschiedene Ausführungen von Funktionsgeneratoren 38 werden später in Einzelheiten beschrieben. Der Ausgang des Funktionsgenerators 38 stellt eine Steuerspannung dar, die abhängt von dem augenblicklichen Potential, das zur Beschleunigung der Elektronen dient, nötigenfalls berichtigt wegen der relativistischen Massenänderung der Elektronen. Diese Steuerspännung wird einer einstellbaren Stromversorgung 40 zugeleitet, die den Strom für die magnetische Linse 34 liefert.

In F i g. 2 ist eine erste Ausführungsform eines Funktionsgenerators gezeigt, wie er bei dem Qerät nach F i g. 1 verwendet werden kann. Bei der Ausführung nach F i g. 2 werden relativistische Einflüsse

vernachlässigt. Die Elektronengeschwindigkeit wird daher:

V_n = K₁ YT. (3)

Aus der Fig.2 ergibt sich

(8)

Wenn r konstant gehalten und Gleichung (3) in

Gleichung (1) eingesetzt wird, ergibt sich ' Da ferner, wie oben angegeben, a — 1/2, kann

Gleichung (8) geschrieben werden:

(4)

Da relativistische Einflüsse vernachlässigt werden und r konstant gehalten wird, läßt sich dieser Ausdruck schreiben:

B = K,-E^1/2.

(5)

I_L =

(6)

Gleichung (6) läßt erkennen, daß die grundlegende Aufgabe die Bildung einer Quadratwurzelfunktion ist, die ausreichend genau und so schnell erfolgen muß, daß der Auftreffpunkt des gekrümmten, aber nicht abgelenkten Strahls unverändert bleibt. In F i g. 2 bezeichnet 42 die Hochspannungsquelle für das Elektronenstrahlgerät. Die negative Klemme dieser Span-■ nungsquelle ist unmittelbar mit der Steuerelektrode 32 des Geräts verbunden. Ferner ist die negative Klemme über eine nicht gezeichnete Vorspannungsregelung mit der Kathode 20 des Geräts 10 verbunden. Ein aus den Widerständen R₁ und R₂ gebildeter Spannungsteiler liegt parallel zur Spannungsquelle 42 und übt damit die Funktion des Spannungsfühlers 36 der Fig. 1 aus. Eine zu der Beschleunigungsspannung E proportionale Spannung e_t ist an dem Verbindungspunkt zwischen R₁ und R₂ abzugreifen. Die Spannung e_t wird in dem Verstärker 44 verstärkt, dessen Ausgang mit einem Logarithmierkreis 46 verbunden ist. Der Ausgangs wert des Kreises 46 erscheint am Potentiometer R₃. Bei dem beschriebenen Beispiel, bei dem eine Quadratwurzelfunktion gebildet werden muß, wirkt R₃ als Dämpfungsglied, und der verschiebbare Abgriff am Potentiometer R₃ wird so eingestellt, daß die Größe des abgenommenen Signals gleich der Hälfte der Ausgangsspannung des Logarithmierkreises 46 ist. Im übrigen kann die Stellung des verschiebbaren Abgriffs am Potentiometer R₃ geringfügig verändert werden, um eine annähernd richtige Korrektur wegen der geschwindigkeitsabhängigen Elektronenmasse vorzunehmen. Die am Abgriff des Potentiometers R₃ vorhandene Spannung wird in einem Verstärker 48 verstärkt und auf den Eingang des Verstärkers 50 gegeben. Im Rückkopplungskreis um den Verstärker48 liegt ein zweiter Logarithmierkreis 52. Der Verstärker 48 und der Logarithmierkreis 52 wirken somit als Schaltung zur Bildung des Numerus. Der Verstärker 52 arbeitet als Stromverstärker und wirkt demnach als ,einstellbare Stromversorgung 40 für die magnetische Linse 34. Der Funktionsgenerator nach F i g. 2 löst die folgende Gleichung:

fo

worin R_L = Widerstand der Linse 34.

(7) e₀ = Ki(K₅- ed¹'²

(9)

Damit wird

Da ferner B dem Linsenstrom I_L für konstanten Radius r proportional ist, ergibt sich: '

I _ ^4

^L"R~

i+ R₂

(10)

womit Gleichung (6) erfüllt ist.

Der Funktionsgenerator nach F i g. 2 stellt eine reine Steuerung dar, die durch die Schaltung nach F i g. 3 verbessert werden kann. Die gleiche Quadratwurzelbeziehung kann durch Verwendung einer Stromrückkopplungsschleife dargestellt werden. Die Anwendung einer Rückkopplung, die in diesem Falle die Nebenschleife schließt, läßt offensichtlich eine bessere Regelung des Ausgangsstroms erreichen. Der Gewinn der Schaltung kann ausgedrückt werden durch

£0

e,- . 1 + K₅ num (K₁IOg K₆ X)' Da K₅ » 1, gilt

' e₀ 1

num (K₁ log K₆ X)

40 und

45 e_; = num (K₁ log X₆ e₀). Wenn für K₁ der Wert 2 gewählt wird: e_t =(K₆e₀f = (K₆I₁₄R₄?..

(11)

(12).

(13)

(14)

Und da

R₁+ R₂

Ri+ R₂ R₂

E,

(15)

oder

I_L = K

(16)

womit Gleichung (6) wieder erfüllt ist. Um das beschriebene Ziel zu erreichen, wird der Gewinn des Verstärkers 66 in der um den Verstärker 60 geführten Rückkopplungsschleife zu 2 gewählt. Wie in F i g. 2

bilden der Verstärker 68 und der Logarithmierkreis 70 eine Numerusschaltung, die auf den verstärkten

■ Ausgang des Logarithmierkreises 64 wirkt.

Um extrem hohe Genauigkeiten zu erzielen, kann der Funktionsgenerator so ausgebildet sein, daß er relativistische Effekte ausgleicht. Dazu wird die Grundgleichung, die durch den Funktionsgenerator 38 erfüllt werden muß, verändert durch die infolge der Beschleunigung auftretende Massenänderung. Die Ableitung der zu lösenden Gleichungen zeigt folgendes:

r =

mv

(1)

wobei ν = V_n für geringe Geschwindigkeiten. Ferner gilt

v„ =

(17)

wobei m₀- = Ruhemasse.
Aus der Relativitätstheorie gilt

IO

15

20

m =

(18)

25

mit c = Lichtgeschwindigkeit.

Die Systemenergie W kann ausgedrückt werden durch

W= mc² (19)

- = q ■ E + m₀ ■ c² ;

q-E = m-c²-Ki₀-C². (20)

Durch Einsetzen von (18) in (20) ergibt sich

30

35

q- E = In₀- c

-ι .

(21)

40

Die Auflösung nach v, der wahren Geschwindigkeit, ergibt

] · ⁽²²⁾

(23)

Als Binominalentwicklung geschrieben:

45

50

was als eine Korrektur erster Ordnung an der Gleichung (1) aufzufassen ist, um eine Teilkorrektur wegen relativistischer Effekte zu erzielen. Das bedeutet, daß durch Anwendung der Schaltung nach Fig. 4 eine Kompensation erster Ordnung für den Geschwindigkeitsfehler selbsttätig bei sich ändernder Beschleunigungsspannung erreicht wird. Gleichung (1) läßt sich umformen zu

h = K-v_n (I₊ j I

Setzt man (17) in (26) ein, so ergibt sich

rq

Durch Einsetzen von (23) in (24) ergibt sich m f. 3 ;"

(24)

55

60

65 8 C²J

(26)

(27)

(28)

(25) Der Funktionsgenerator nach Fig. 4 besteht aus dem Verstärker 72 und einer Multiplikationsschaltung 74 und liefert die erforderliche Korrektur des Eingangssignals für den Funktionsgenerator, wie er oben in Verbindung mit F i g. 3 beschrieben ist.

Es ist festzuhalten, daß bei allen bisher beschriebenen Systemen der gesamte Steuerungskreis offenbleibt und demnach eine Regelung des endgültigen Auftreffpunkts des Strahls nicht gesichert ist. In den F i g. 5 und 6 wird gezeigt, daß zwei Ubersteuerungsregler eingebaut werden können, um den Regelkreis zu schließen. In F i g. 5 ist einer der Ubersteuerungsregler in Verbindung mit einem Funktionsgenerator nach F i g. 2 dargestellt. Natürlich können aber ein oder beide Regler auch mit einem Funktionsgenerator nach F i g. 3 oder 4 in gleicher Weise verwendet werden. In F i g. 1 war eine Begrenzungsblende 92 gezeichnet, die in der elektronenoptischen Säule 18 unterhalb der magnetischen Linse 28 liegt. Die Blende 92 besteht aus mindestens zwei gegeneinander isolierten Segmenten. Mit diesen Segmenten ist, wie in F i g. 5 dargestellt, jeweils einer von mehreren Verstärkern (94 und 96) verbunden. Die Ausgänge der Verstärker 94 und 96 sind in eine Differenzschaltung 98 geführt. Das Differenzsignal aus dem Kreis 98 wird auf eine Torschaltung 100 gegeben. Wenn das Differenzsignal einen Grenzwert übersteigt, der kennzeichnend dafür ist, daß ein wesentlicher Teil des Strahls auf eines der Segmente der Blende 92 fällt, wird von dem Schaltkreis 100 ein Ubersteuerungssignal durchgelassen. Dieses Ubersteuerungssignal wird einem Addierkreis 102 zugeführt und mit dem Steuersignal_: für den Linsenstrom kombiniert, das dem Verstärker 50 durch den Funktionsgenerator zugeführt wird. Da die Verstärker 94 und 96 Signale entgegengesetzten Vorzeichens liefern, wird das Steuersignal je nach Erfordernis entweder zu dem dem Verstärker 50 zugeleiteten /^-Steuersignal addiert ode'r von ihm subtrahiert und läßt dadurch den Strahl in die.richtige Lage zurückkehren. . · ■ · Eine zweite Ubersteuerungsregelung, die entweder unabhängig oder in Verbindung mit der in Fig. 5 gezeigten Regelung benutzt werden kann, ist in F i g. 6 dargestellt. Die Ubersteuerungsregelung nach F i g. 6 benutzt das optische Uberwachungssystem, wie es in F i g. 1 gezeigt ist. Dieses optische Beobachtungssystem (insgesamt mit 110 bezeichnet) enthält Einrichtungen zum Beobachten des Werkstücks längs der Elektronenstrahlachse. Zu diesem Zweck ist ein Mikroskop mit einer Objektivlinse 112 vorgesehen, das es dem Bedienungsmann ermöglicht, das Werkstück zu betrachten durch einen mit Öffnung versehenen Spiegel 118, die Einrichtung 34, die magnetische Linse 28 und die Lochblende 92. Zum Beleuch-

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ten des Werkstücks ist eine Lichtquelle 114 vorgesehen. Von der Lichtquelle 114 aus geht das Licht durch die Linse 116 und wird von dem mit der Öffnung versehenen Spiegel 118 auf das Werkstück reflektiert. Zwischen dem optischen Beobachtungssystem 110 und der Elektronenstrahlsäule ist ein Bleiglasfenster 120 angeordnet, das den Betrachter vor Röntgenstrahlen schützt, die von dem Strahlenauftreffpunkt ausgehen. Ferner können nicht dargestellte Hilfsmittel innerhalb der elektronenoptischen Säule 18 angewandt werden, die das Beschlagen des Fensters 120 durch Kondensieren von Metalldämpfen auf dem Glas verhindern. Die in F i g. 6 gezeigte Ubersteuerungsregelung kann ständig oder zeitweise in den Mikroskopteil des optischen Beobachtungssystems oberhalb der Objektivlinse 112 eingeschaltet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform können die Anordnung nach Fig. 6 und die lichtoptische Einrichtung auf einem Revolver angebracht werden, so daß eine der beiden Einrichtungen- in Arbeitsstellung gebracht werden kann.. Die Einrichtung nach F i g. 6 umfaßt einen Infrarotdetektor, der so angeordnet ist, daß er mit dem Strahlenauftreffpunkt und der Objektivlinse 112 fluchtet. Dieser Detektor umfaßt ein Filter 122, das nur Licht der gewünschten Wellenlänge auf einen "25 Bildwandler 124 fallen läßt. Das auf dem Bildwandler 124 erscheinende Bild wird von einem Paar Photozellen 126 und 128 abgetastet; die aufgenommenen Signale werden zugeordneten Verstärkern 130 und 132 zugeleitet. Die Verstärker 130 und 132 liefern Signale entgegengesetzten Vorzeichens, die der Addierschaltung 98 und von dort der Torschaltung 100 zugeleitet werden. Abweichungen zwischen dem Strahlauftreffpunkt und dem vorbestimmten Punkt führen zu einem Ungleichgewicht der von den Photozellen 126 und 128 erzeugten Signale, und die Verstärker 130 und 132 ihrerseits erzeugen ein Korrektursignal, das zu dem Eingangssignal des Verstärkers 50 derart addiert werden kann, daß der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls in den gewünschten Bereich gelenkt werden kann. Wenn es für erforderlich gehalten wird, kann genügend Vorhaltzeit in die Schaltung eingebaut, werden, um eine außerordentlich genaue Steuerung des durch die Linse 34 fließenden Stroms zu erreichen.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstoffen mittels eines Elektronenstrahls mit einer Beschleunigungselektrode für die Elektronen im Elektronenstrahl, mit elektronenoptischen Mitteln zum Bündeln und Fokussieren des Elektronenstrahls, mit einer Einrichtung.zum Erzeugen eines Magnetfeldes, dessen Kraftlinien senkrecht auf der Achse

. des Elektronenstrahls stehen, zum Umlenken des Elektronenstrahls auf das Werkstück, mit einem Auflager zum Halten des Werkstücks in einer zu der Achse des umgelenkten Elektronenstrahls rechtwinkligen Ebene und mit einer Einrichtung zur Regelung der Stärke des Magnetfeldes derart, daß der.Auftreffpunkt des Strahls auf dem Werkstück seine Lage bei Änderung der an der Beschleunigungselektrode liegenden Spannung nicht ändert, gekennzeichnet durch einen Spannungsfühler (36) zum Bestimmen der an der Beschleunigungselektrode (32) liegenden Spannung und zum Bilden eines der Spannung proportiona-

■ len Signals und durch einen auf dieses spannungsproportionale Signal ansprechenden Funktionsgenerator (38) zum Bilden eines Steuersignals, das eine Funktion des spannungsproportionalen Signals darstellt und zur Steuerung der Stromversorgung (40) der das Magnetfeld erzeugenden Einrichtung (34) dient.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (38) zum Bilden eines Steuersignals Verstärker (44, 48), Logarithmierkreise (46,52) und Potentiometer [R₃) umfaßt, durch die ein Signal erzeugt wird, das eine Funktion der Quadratwurzel des spannungsproportionalen Signals darstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (38) zum Bilden eines. Steuersignals Verstärker (62, 66, 68) und Logarithmierkreise (64, 70) umfaßt, durch die ein Signal erzeugt wird, das eine Funktion der Quadratwurzel des spannungsproportionalen Signals darstellt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (38) zum Bilden eines Steuersignals ferner einen Verstärker (72) und einen Multiplizierkreis (74) umfaßt, durch die das Steuersignal verändert wird, um relativistische Änderungen der Masse der beschleunigten Teilchen zu kompensieren.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (38) zum Bilden eines Steuersignals, das eine Funktion der Quadratwurzel des spannungsproportionalen Signals darstellt, einen Verstärker (44) und einen Logarithmierkreis (46) umfaßt, die auf das spannungsproportionale Signal (e_;) ansprechen, zum Bilden eines log e, proportionalen Signals sowie ein Potentiometer [R₃) zum Multiplizieren des log e_rSignals mit einer vorgegebenen Konstanten, ferner mit einem Verstärker (48) und einem Logarithmierkreis (52), die auf das multiplizierte log e_r Signal ansprechen und ein dem Numerus dieses Signals proportionales Signal bilden, und durch einen Verstärker (50), der auf das Numerussignal anspricht und es einer Einrichtung (34) zum Erzeugen des Magnetfelds zuführt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Nachweis grober Fehler im gewünschten Krümmungsradius des gekrümmten Strahls und zum Bilden eines dem Fehler entsprechenden Ubersteuerungssignals sowie durch eine Einrichtung zum Addieren des Ubersteuerungssignals zu dem Steuerungssignal.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Nachweis grober Fehler eine Vorrichtung zum Nachweisen des falsch gerichteten Strahls unterhalb des die Krümmung verursachenden Magnetfelds ausweist sowie eine auf diese Nachweisvorrichtung ansprechende Einrichtung zum Bilden eines Ubersteuerungssignals, dessen Vorzeichen mit der Richtung des Fehlverlaufs des Strahls wechselt.

8. Vorrichtung'nach Anspruchs oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweisvorrichtung für den Fehlverlauf des Strahls eine Lochblende (92) umfaßt, die in Strahlrichtung unterhalb des die Krümmung verursachenden Magnetfelds (34) angeordnet ist und aus zwei elektrisch gegeneinander isolierten Segmenten besteht.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen eines Ubertragungssignals mit den Segmenten der Lochblende (92) verbundene Verstärker (94, 96) aufweist sowie eine Differenzschaltung (98) zum Verbinden der Signale' entgegengesetzten Vorzeichens zu einem Ubersteuerungssignal.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweisvorrichtung für den Fehlverlauf des Strahls aus optisch wirksamen Elementen (112, 122, 124) zum Nachweisen des Auftreffpunktes des gekrümmten Strahls auf das zu bearbeitende Werkstück (14) umfaßt sowie mit den optisch wirksamen Elementen verbundene Abtasteinrichtungen (126,128) zum Bilden

eines Signals, dessen Vorzeichen sich gemäß der Richtung der Abweichung des Auftreffpunkts des Strahls von dem gewünschten Auftreffpunkt ändert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweisvorrichtung für den Fehlverlauf des Strahls einen Detektor (124) zum Beobachten und Abbilden des Auftreffpunkts des Strahls umfaßt sowie ein Paar photoempfindlicher Organe (126, 128), die auf das Bild des Auftreffpunkts ansprechen und Signale mit der Richtung der Abweichung des Auftreffpunkts entsprechenden Vorzeichen liefern, und eine Differenzschaltung (98) zum Kombinieren der Signale mit entgegengesetztem Vorzeichen zum Bilden eines Ubersteuerungssignals.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen