DE1589006C - Elektrodensystem zur Erzeugung eines Elektronenstrahles - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektroden- geht sie in den Bogenbetrieb über. Bei einem Druck system zur Erzeugung eines Elektronenstrahles mit von etwa 7 · 10"³ mm Quecksilbersäule kann die einer Kathode und einer Anode in einer auf einen Kathode mit einem Potential von 10 000 V betrieben vorgegebenen Gasdruckbereich evakuierten, gasge- werden. Bei einer Druckerhöhung auf 10 · ΙΟ"³ mm füllten Kammer und mit einer Einrichtung zur Er- 5 Quecksilbersäule tett ein Bogenbetrieb ein. Für jede zeugung einer Glimmentladung mit einem Kathoden- für einen Elektronenstrahlbetrieb notwendige spezifall zwischen den genannten Elektroden, bei dem die eile Gasdichte existiert daher eine maximale Span-Kathode eine dem Gas in der Kammer ausgesetzte, nung, wobei schon bei einer relativ kleinen Erhöhung die Ausgangsfläche des Elektonenstrahles bildende der Gasdichte ein Übergang in den Bogenbetrieb zur Fokussierung des Elektronenstrahles konkav ge- ίο stattfindet.

krümmte Stirnfläche aufweist (vgl. deutsche Patent- Für eine mit einer schmalen Öffnung versehene schrift 896 533). Hohlkathode kann nur schwer eine spezielle Be-Bei einem bekannten System dieser Art befindet triebsvorschrift definiert werden, da viele Faktoren . sich die Anode etwa im Brennpunkt der gekrümmten wie beispielsweise das verwendete Gas, die Gas-Fläche der Kathode. Bei diesem System ist es nicht 15 dichte, die Betriebsspannung, die Geometriegestalt möglich, die Elektronen als Parallelstrahl auf die der Kathode, Strahlleistungserfordernisse, Stabilität, Anode zu richten. der Kathoden-Anoden-Abstand bei dicht bei der Bei anderen bekannten Elektrodensystemen zur Kathode liegender Anode usw. zu berücksichtigen Erzeugung von Elektronenstrahlen werden Elek- sind. Nichtsdestoweniger kann mit guter Berechtitronenstrahlen durch kalte Hohlkathoden mit schma- ao gung gesagt werden, daß eine derartige Kathode für len Öffnungen erzeugt, und zwar unter Ausnutzung die meisten gebräuchlichen Anwendungen bei Gasder Volumenerzeugung von Elektronen in einer drücken von etwa 50 · 10~³ mm Quecksilbersäule durch die Kathode umgebenen hohlen Kammer. In oder weniger zu betreiben ist. Bei Hochspannungs-Glimmentladungsanordnungen können verschiedene anwendungen von mehr als 2OkV sind geringere Betriebsbedingungen eingestellt werden, wenn bei- 35 Drücke in der Größenordnung von 10 · 10~³ mm spielsweise die Potentialdifferenz zwischen der Quecksilbersäule oder weniger erforderlich; bei rela-Kathode und der Anode und die Gasdichte der Um- tiv kleinen Abweichungen im Gasdruck neigt der gebung variiert werden. Bei einer dieser Betriebs- Betrieb infolge von Ausgasen oder anderen Einarten wird ein wohldefinierter Elektronenstrahl er- flüssen zu Instabilitäten. Mit schmalen Öffnungen zeugt, welcher vorgebbar und vorteilhaft zur Bear- 30 versehene Hohlkathoden werden auch bei hohen beitung von Materialien verwendbar ist. Auch andere Drücken im Elektronenstrahlbetrieb betrieben. Dabei Betriebsarten, wie beispielsweise der Bogenbetrieb, sind ihre Abmessungen jedoch so klein, daß die bilden eine gute Elektronenquelle; diese Betriebs- Leistungswerte für die meisten Elektronenstrahlarten zeigen jedoch ein unregelmäßiges Verhalten anwendungen unter die praktische Verwendbarkeit und liefern keine hohe Strahlenergie. 35 begrenzt werden.

Die Hohlkathoden mit schmalen Öffnungen be- Es sind viele günstige Verwendungsmöglichkeiten sitzen hohle Kammern aus einem Drahtnetzt oder von Elektronenstrahlen, bedingt durch das tiefe Einfestem Metall mit einer einzigen Öffnung in einem dringen von Elektronenstrahlen in Materialien, be-Ende. Liegt die Kathode in bezug auf die Anode auf kannt. Die Bearbeitung von Materialien kann mit hohem negativen Potential und ist bei geeigneter 40 pulsierenden Elektronenstrahlen erfolgen. Um ein Kathodengeometrie ein geeignetes Druckniveau in tiefes Eindringen zu erreichen, muß die Leistungsder hohlen Kammer eingestellt, so tritt aus der öff- dichte "des Strahles am Werkstück ausreichend hoch nung ein wohldefinierter gebündelter Strahl hoher sein. Bei konventionellem Schweißen wird eine Stromdichte und hochenergetischer Elektronen aus. Oberflächen-EIektronenstrahlbearbeitungstechnikver-Eine derartige mit einer Öffnung versehene und viel- 45 wendet, bei der eine ausreichende Leistung erforderseitig ausbildbare Hohlkathode ist bereits vorge- Hch ist, um einen Oberflächenbereich des Werkschlagen worden. Stücks aufzuheizen und zu schmelzen, wobei in tie-Die Hohlkathode weist im Bereich ihrer äußeren feren Materialbereichen infolge der Wärmeleitung Oberfläche einen Kathodenfallbereich auf. Die von der Oberfläche eine nachfolgende Aufschmel-Strahlelektronen werden jedoch aus einem von einer 50 zung stattfindet.

intensiven Entladung in der von der Kathode umge- Bei der Bearbeitung von Materialien mit einem benen Kammer erzeugten Plasma erhalten. Ist die Elektronenstrahl tritt ein wesentliches Ausgasen und Öffnung, durch welche der Elektronenstrahl austritt, Verdampfen vom Werkstück auf. Als dessen Folge so geformt, daß wenigstens eine Querschnittsabmes- treten Abweichungen vom richtigen Gasdruckwert sung kleiner als die Größe des Kathodenfallbereichs 55 auf, wodurch die Möglichkeit eines Bogens in der ist, so wird ein elektrostatischer Fokussierungseffekt mit einer Öffnung versehenen Hohlkathode größer auf die Elektronen erhalten und ein wohldefiniertei wird. Darüber hinaus rufen Temperaturänderungen Strahl erzeugt. des Gases Abweichungen der Gasdichte hervor, wo-Der Bereich der Gasdichten und Spannungen, in durch die Betriebsstabilität weiter reduziert wird, dem eine derartige mit einer schmalen Öffnung ver- 60 Bei praktischen Anwendungen machen diese Faksehene Hohlkathode stabil arbeitet und eine geringe toren den Hochspannungsbetrieb bei etwa 15 000 V Tendenz zum Übergang in den Bogenbetrieb zeigt, hochinstabil; ein Anwachsen des Druckes von einigen ist grundsätzlich klein. Beispielsweise muß eine mit 10~³mm Quecksilbersäule führt dabei zum Bogeneiner Öffnung versehene Kathode, welche in Argon betrieb, während eine vergleichbare Verringerung mit einem Druck von 24 · 10~³ mm Quecksilbersäule 65 des Druckes zum Abreißen der Entladung führt. Es arbeitet, bei einem Potential von 1200V betrieben haben sich daher komplizierte und aufwendige Gaswerden; wird das Potential auf 2000V oder der druckregelungen mit geschlossener Regelschleife als Druck auf 40 · 10 ~³ mm Quecksilbersäule erhöht, so notwendig erwiesen, um den Elektronenstrahl aus

einer mit einer öffnung versehenen Hohlkathode bildet eine Kathode mit einem großen Sekundär-, stabil zu halten. - emissionskoeffizienten einen guten Elektronenerzeu-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ger.

paralleles Elektronenstrahlbiindel zu erzeugen, wobei Obwohl Kühlmöglichkeiten in den Zeichnungen

die Elektronen aus einer stabil brennenden Glimm- 5 nicht dargestellt sind, kann der Betrieb der Kathode entladung herrühren. . durch geeignete Kühlung verbessert werden. Für den

Um diese Aufgabe zu lösen, ist das Elektroden- Betrieb mit hohen Leistungsdichten ist die Kühlung system erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, besonders erwünscht und oft notwendig. Die Kühdaß die durch die gekrümmte Stirnfläche der lung kann auf verschiedene Arten durchgeführt wer-Kathode aufgespannte Sehne länger ist als die io den; eine Wasserkühlung hat sich als besonders vor-Kathodenfallstrecke, jedoch nicht mehr als zweimal teilhaft erwiesen. Die kühlung der Kathode führt zu so lang wie die Kathodenfallstrecke, und daß die einem verbesserten Betrieb, da für viele Kathoden-Anode in Richtung des Elektronenstrahles hinter materialien der Sekundäremissionskoeffizient infolge dem Brennpunkt der gekrümmten Stirnfläche der des Ionenbombardements mit abnehmender Tempe-Kathode angeordnet ist. 15 ratur anwächst. Eine Kühlung der Kathode führt

Bei Anwendung dieses Systems werden die Elek- daher zu einem Anwachsen der Ausbeute. Weiterhin tronen, nachdem sie von der Kathode etwa im Be- wird durch Kühlung der Kathode und der damit verreich von deren Brennpunkt gebündelt worden sind, bundenen Begrenzung der Oberflächentemperatur als Parallelstrahl auf die Kathode gerichtet. unter dem Temperaturwert für thermische Emission

Der Wirkungsgrad der mit gekrümmter Stirnfläche ao die Möglichkeit der Bogenbildung auf ein Minimum versehenen Kathode kann durch Verwendung eines beschränkt. Weiterhin wird durch Kühlung und durch sie umgebenden Schildes wesentlich verbessert wer- die spezielle Ausbildung die thermische Ausdehnung den. Derartige Schilde können aus leitendem oder sowie die damit verbundene Krümmung und Verisolierendem Material hergestellt werden. Der Schild Schiebung der kathode verringert, so daß die richtige unterdrückt die Emission von Elektronen von 35 räumliche Anordnung erhalten bleibt,
solchen Oberflächenbereichen der Kathode, welche Die Kathode muß bestimmte Minimalabmessungen

nicht zum Hauptsrahl beitragen. Der Schild ist so aufweisen, damit der Fokussierungseffekt auftritt. Bei angeordnet, daß Plasmabildungen im Spalt zwischen dem in Fi g. 1 dargestellten Querschnitt der Kathode Schild und Kathode unterbunden werden. muß die gesamte effektive Höhe A größer als die

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der 30 Kathodenfallstrecke D_c sein, um eine gute Fokussie-Figuren näher erläutert. Es zeigt rung sicherzustellen. Ist A zu klein, so stört die

Fig. 1 ein Elektrodensystem zur Erzeugung eines Kathode die Äquipotentiallinien im Kathodenbereich Elektronenstrahles, nicht ausreichend, um den Fokussierungseffekt zu

Fig. 2 eine ringförmige profilierte Kathode mit erreichen. Die Kathode 1 fokussiert die Elektronen einem Schild, 35 in eine Linie, welche das Krümmungszentrum der

Fig. 3 die Befestigungsvorrichtung für die Ka- gekrümmten Oberfläche bildet. Diese Linie liegt in thode nach Fig. 2, einer Ebene, welche den durch die Oberfläche auf-

F i g. 4 eine zylindrische, mit einem Schild ver- gespannten Bogen halbiert, und steht senkrecht auf sehene Kathode und der Oberfläche. Die gesamte effektive Höhe A der

F i g. 5 eine hälbkugelförmige, mit einem Schild 40 Kathode 1 wird entlang der Sehne gemessen, welche versehene Kathode. durch die die Enden des Bogens verbindende und

Bei dem System nach Fig. 1 sind eine Kathode 1 auf der Ebene senkrecht stehende Linie gebildet und eine Anode 3 in einer Kammer 2 angeordnet, wird. Wie weiter unten, noch beschrieben wird, kann welche zur Erzeugung einer Glimmentladung auf den die effektive Höhe der Kathode etwas kleiner als die gewünschten Druckbereich evakuiert ist. Wie ersieht- 45 Sehnenlänge sein, wenn ein Kathodenschild über die lieh ist, folgen die Äquipotentiallinien in der Nähe Stirnfläche hinausragt.

der Kathode 1 der Kontur der gekrümmten Stirnfläche, Bei einer mit einem Schild versehenen Kathode

während sie in dem von der Kathode entfernten Be- ergibt sich eine Stabilität des Elektronenstrahls über reich nicht mehr gekrümmt sind. Da der Kathoden- einen großen Spannungsbereich, wobei die Drücke fall in der unmittelbaren Nachbarschaft der 50 bis zu 1 mm Quecksilbersäule hinaufgehen können. Kathodenoberfläche auftritt, erfolgt die Beschleuni- Beispielsweise ist es möglich, zwei Röhren aus rostgung der Elektronen in einem Bereich, in dem die freiem Stahl mit einem Außendurchmeser von Gestalt der Kathode die Fokussierung des von ihr 10,16 cm und einer Wandstärke von 0,3175 cm mit ausgehenden Strahles stark beeinflußt. Die Elek- einer ringförmig ausgebildeten und mit einem Schild tronen bewegen sich entlang Feldlinien 5. Diese Feld- 55 versehenen Kathode stumpf zu schweißen, welche linien 5 sind außerhalb des Kathodenfallbereichs einen Innendurchmesser von 20,32 cm und einen schwach und beeinflussen daher die Elektronenwege Krümmungsradius von 5,08 cm besitzt. Dabei beträgt nur sehr gering. Durch Krümmung der Kathode 1 die Spannung 8000 V und der Druck 0,2 mm Queckmit einem konstanten Krümmungsradius können die silbersäule.

Elektronen entlang eines geraden Weges, wie bei- 60 F i g. 2 zeigt eine ringförmig ausgebildete Kathode, spielsweise der mit 4 bezeichnete, auf einen Brenn- Der Schild 12 ist über der Außenfläche der Kathode 1 punkt gerichtet werden, welcher das Krümmungszen- angeordnet. F i g. 3 zeigt, wie die Kathode durch getrum der Kathodenoberfläche bildet. nau hergestellte Stifte an verschiedenen Stellen am

Da die Kathode keinen Hohlraum einschließt, er- Umfang des Schildes gehaltert ist. Der Schild kann zeugt sie die Elektronen nicht als Funktion eines 65 an seiner Wand durch den Träger gehaltert werden, eingeschlossenen "Volumens. Vielmehr werden die welcher durch die Kathoden-Durchführungszuleitung Elektronen durch Sekundäremissionseffekte auf der 16 gebildet wird.
Kathodenoberfläche erzeugt. Aus diesem Grunde Der Schild 12 erstreckt sich mit einem lippen-

artigen Teil 18 über die gekrümmte Kathode 1. Dieser lippenartige Teil 18 schirmt einen Teil der gekrümmten Kathode in deren Umgebung ab. Ein Spalt 20, welcher den Schild 12 von der gekrümmten Kathode 1 trennt, erstreckt sich über deren gesamte Außenfläche; ausgenommen sind jedoch die Bereiche, wo die Kathode durch Stifte 22 gehaltert ist und ein eine Vorspannung liefernder elektrischer Leiter 24 eine Verbindung mit ihr herstellt. Der lippenartige Teil 18 schirmt den Spalt 20 von auf die Kathodenfläche zulaufenden Ionen ab und unterdrückt daher wirksam eine Plasmabildung im Spalt, wodurch die Stabilität der Entladung verbessert wird. Da der Teil 18 in seiner Umgebung auch die Emission von der Kathodenoberfiäche unterdrückt, wird die Wirksamkeit der Höhe A reduziert, so daß eine größere Höhe erforderlich ist, um die Verluste an emittierendem Oberflächenbereich zu kompensieren.

Für die Kathode sind weitere Ausführungsformen möglich. F i g. 4 zeigt eine gerade zylindrische, mit ao einem Schild versehene Kathode, bei der der Elektronenstrahl auf die Zylinderachse fokussiert wird.

Fig. 5 zeigt eine halbkugelförmige, mit einem Schild versehene Kathode, welche den Elektronen-' strahl auf einen schmalen Spalt fokussiert.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann beispielsweise eine ringförmig ausgebildete Kathode nach außen strahlen, anstatt, wie bei der Ausführungsform nach F i g. 2, nach innen, um die Innenseite einer Röhre zu schweißen.

Der Krümmungsradius kann so weit variiert werden., z. B. so groß gemacht werden, daß die Kathode praktisch zu einer geraden Scheibe wird. Der Krümmungsradius kann zusammen mit dem Kathodenbereich so ausgebildet sein, daß die Strahlleistungsdichte am Brennpunkt bzw. am Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück ausreichend hoch ist, um ein tiefes Eindringen zu gewährleisten.

Claims (7)

Patentanspruch:

1. Elektrodensystem zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit einer Kathode und einer Anode in einer auf einen vorgegebenen Gasdruckbereich evakuierten, gasgefüllten Kammer und mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Glimmentladung mit einem Kathodenfall zwischen den genannten Elektroden, bei dem die Kathode eine dem Gas in der Kammer ausgesetzte, die Ausgangsfläche des Elektronenstrahls bildende zur Fokussierung des Elektronenstrahls konkav gekrümmte Stirnfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die gekrümmte Stirnfläche der Kathode aufgespannte Sehne (A) langer ist als die Kathodenfallstrecke, jedoch nicht mehr als zweimal so lang wie die Kathodenfallstrecke, und daß die Anode (3) in Richtung des Elektronenstrahls (5) hinter dem Brennpunkt der gekrümmten Stirnfläche der Kathode (1) angeordnet ist.

2. Elektrodensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) mit einem im Abstand von ihr befindlichen Schild (12) versehen ist, welcher eine öffnung besitzt, die in ihrer Gestalt der Elektronen emittierenden Kathodenstirnfläche entspricht.

3. Elektrodensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schild (12) einen sich teilweise über die Stirnfläche der Kathode (1) erstreckenden Teil (18) aufweist, welcher den Raum (20) zwischen dem Schild (12) und der Kathode (1) gegen sich auf die Kathode zu bewegende Ionen abschirmt.

4. Elektrodensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Stirnfläche der Kathode (1) konstant ist.

5. Elektrodensystem nach einem der. Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Kathode (1) größer als die Kathodenfallstrecke ist.

6. Elektrodensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) ein zu einem Ring gebogenes Band ist.

7. Elektrodensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche der Kathode (1) eine Kugelkalotte ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen