DE1614917A1 - Vorrichtung zur Steuerung des Flusses der aus einer Hohlelektrode,insbesondere Hohlkathode austretenden geladenen Teilchen - Google Patents

Vorrichtung zur Steuerung des Flusses der aus einer Hohlelektrode,insbesondere Hohlkathode austretenden geladenen Teilchen

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DE1614917A1 DE19671614917 DE1614917A DE1614917A1 DE 1614917 A1 DE1614917 A1 DE 1614917A1 DE 19671614917 DE19671614917 DE 19671614917 DE 1614917 A DE1614917 A DE 1614917A DE 1614917 A1 DE1614917 A1 DE 1614917A1
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Description

16U917
Patentanwälte Dipl.-Ing. RWeickmann, Dr. Ing. A.Weickmann
Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann
8 MÜNCHEN 27, DEN
MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 483921/22
KRBM
UNITED AIRCRAFT CORPORATIONe *t00 Main Street, East Hartford, 8,
Connecticut, USA
Vorrichtung zur Steuerung des Flußes der au« ©iner Hohlelektrode, insbesondere Hohlkathode austretenden geladenen Teilchen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Strones eines aus einer Austrittsoffnung @in@r Hohlelektrode, A insbesondere Hohlkathode austretenden Strahles ©Itktrisch gemiedener Teilchen· Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtungzur Steuerung der Stromstärke eines Strahles elektrisdi 'geladener Teilchen, die in einer Hohl@l@ktsOäe dureh ©in unter der Wirkung eines Magnetfeldes at@ii©nd©3 Plasaa @^z'QUgt worden sind ·
Bei bereite bekannten Vorrichtungen %we E^aeugimg von Elektronen» •trahlen erfοίεt durch elektronische Verdampfung ein Austritt von Elektronen au« der Oberfläche einer aufgeheizten Kathode.
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Zur Erzeugung von Elektronenstrahlen ist es darüber hinaus bereits bekanntgeworden« diese in einem von der Kathode umschlossenen Hohlraum zu erzeugen und durch eine entsprechende Austrittsöffnung herauszuführen. Durch Änderung z.B. der zwischen der Kathode und der Anode herrschenden Potentialdiffer enz und der Gasdichte können Glimmentladungsvorrichtungen in verschiedenster Welse betrieben werden. Eine dieser Betriebsweisen führt zur Bildung eines zur Bearbeitung von Werkstoffen geeigneten Elektronenstrahles·
Die mit Austrittsöffnungen versehenen Hohlkathoden weisen Hohlkammemauf und sind aus Drahtgittern oder Festmetallen gefertigt, die in ihrem einem Bereich eine einzelne Durchbrechung besitzen· Sofern eine Kathode geeigneter Abmessungen gegenüber einer Anode entsprechend hoch vorgespannt und der in der Hohlkammer herrschende Druck entsprechend gewählt ist, treten aus der Austrittsöffnung hochenergetische Elektronen aus, die
einen definierten strichförmigen Strahl hoher Stromdichte bilden·
Ein Beispiel für die Vielseitigkeit der möglichen Ausbildungen von Hohlkathoden· die mit Austrittsöffnungen versehen sind, zeigt die Anmeldung U 12 216 V111(1/2Ig des gleichen Anmelders.
Die Größe der Austrittsöffnung übt auf die Betriebsweise und die Eigenschaften des Strahles einen starken Einfluß auf· Die Abmessungen der Austritt«Öffnung müssen etwa gleich oder größer als die Wegstrecke des Kathodenfalles gewählt werden· Diese Forderungen sind von der Gasart und der Gasdichte ab-
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hängig·
Ein großer Anteil der Elektronen des Elektronenstrahles wird durch ein Plasma erhalten, das durch eine innerhalb der von der Kathode umhüllten Kammer aufgelöste intensive Entladung erzeugt wird. · Zur Steuerung des aus der Hohlkathodenkammer austretenden Stromes und zur Aufrechterhaltung des Elektronen· strahlstromes innerhalb genau steuerbarer Grenzen sind bereits die verschiedensten Steuervorrichtungen vorgeschlagen worden· Eine Steuerung dieser Art schlägt beispielswesie zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Stromes die Änderung des zwischen der Anode und Kathode herrschenden Potentialgefälles vor. Ein Nachteil dieses Vorschlages besteht darin, daß die Brennweite einer Elektronenlinse von dieser Potentialdifferenz abhängt und damit zur Aufrechterhaltung des Querschnitts eines punktförmig auf einen Werkstoff auftreffenden Strahles eine Kompensation erforderlich ist. Dieser Fall tritt insbesondere im Bereichniederen Druckes der Kathode ein, in den bereits eine geringe Potentialänderung zum Löschen der Entladung führen kann·
Gemäß einem weiteren bereits bekannten Vorschlag soll zur Schaffung einer Stromsteuerung der in der Hohlkathode herrechende. Gasdruck änderbar sein· Dieser Vorschlag erfordert jedoch äußerst aufwendige elektromechanische Vorrichtungen. Normalerweise nimmt die Pumpenleistung einer Diffusionspumpe mit zunehmenden Drucken ab· Bei Betriebsdrücken, die z.B. innerhalb eines Bereiches von 1 bis 100 /u liegen, führt ein Anstieg des Gasflusses aufgrund abnehmender Pumpenge-
BADORtGlNAL
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schwindigkeit zu einem Druckanstieg und zu einer instabilen Betriebsweise· Zur Vermeidung dieses Nachteiles ist eine mit komplizierten Drosseleinrichtungen ausgerüstete Diffusions· pumpe oder eine rasch ansprechbare mechanische Pufpe erforderlich. Bei Bearbeitungsvorgängen, wie z.B. dem Schweißen, wird eine erhebliche Menge Material verdampft· die den Druck der Umgebung beeinflußt· Es wird daher ein rasch ansprechendes k Pumpensystem benötigt, um den Gasdruck zu steuern« um den Ladungsstrom innerhalb der gewünschten Grenzen zu halten·
Gemäj einem weiteren bereits bekannten Vorschlag kann benachbart zur emittierenden Fläche der Hohlkathode ein Steuergitter angeordnet werden« das bei geeigneter negativer Vorspannung den aus der Kathode austretenden Elektronenstrom unterdruckt· Bei
dieser Art der S tr umsteuerung kann der Kontakt mit dem hoch-Intensiven Plasma zur Auflösung des Steuergitters führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde« «in· . Vorrichtung zur Steuerung eines Stromes elektrisch geladener Teilchen zu schaffen« die aus einer Hohlkathode austreten und eine Vorrichtung zur Steuerung der Stromstärke eines Strahles elektrisch geladener Teilchen zu schaffen« die durch ein in einer Hohlelektrode vorhandenes und unter der Wirkung eines Magnetfeldes stehendes Plasma erzeugt werden·
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer magnetischen Stromsteuerung für eine zur Erzeugung einer Elektronenstrahl-artigen Glimmentladung dienende Hohlkathode·
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. 5- ■ 16U917
Die ErfIndune wird nachstehend nahnad der Zeichnung näher erläutert· Darin zeigt:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene schematisehe Darstellung der Stromsteuerung,
Figβ 2 die lineare Arbeitsweise der Stromsteuervorricbtang bei verschiedenen Potentialdiffererizen zwischen der Kathode und Anode«
Fig. 3 ein Blockschaltschema eines automatischen Steuersystemes· das zur Aufrechterhaltung eines bestirntem Wertes des aus der Kathode austretenden Elektronenstrahlstromes dient.
Fig· k den Wirkungsgrad der Stromsteuerung bei sich änderenden Druckbedingungen·
Zar Schaffung einer Stromsteuerung für eine zur Erzeugung einer
Elektronenstrahl artigen Glimmentladung dienenden Hohlkathode wird eine von der Kathode umhüllte Kammer 15 innerhalb der das zur Erzeugung der Elektronenstrahlen di®n©nä©-Plasma ausgebildet let« der Wirkung eine« Magnetfeldes ausgesetzt» Gemäß FIg· 1 weist eine in geschnittener Ansieht äa^goatollt© Kathode 10 ein hohlzylindrisches Element aus rii©i*tsagRafei§6h©m Material« wie ζ·Β· Tantal« auf· Die zylindrische Kamm©? V) ist durch eine Rückwand 11 und eine Umfangewand 13 gebildet. Die Umfang«· wand ist In dem zur Rückwand 11 gegegenüberliegenden Bereich
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mit einer im wesentlichen konzentrisch angeordneten Austrittsöffnung 12 versehen. Die Kathode 10 ist über einen als Träger dienenden Leiter l4 und eine Leitung 16 mit einer Hochspannungsquelle 18 elektrisch leitend verbunden. Die Abmessunpn der Austrittsöffnung 12 betragen etwa ein Viertel der Fläche,in der die Austrittsöffnung ausgebildet ist. Die Kathode 10 ist mit einem die Entladung unterdrückenden Schirm 20 umhüllt, der sich zur Wand einer Kammer 22 erstreckt und den Leiter l4 sowie die nichtemittierenden Flächen der Kathode 10 umschließt. Eine typische zylindrisch ausgebildete Hohlkathode mit einem IsollerendenSchirm 1st in einer älteren Patentanmeldung Nr. U I3228 VIIIc/21g des gleichen Anmelders beschrieben·
Zur Kathode 10 und dem Schirm 20 1st eine Solenoldspule 24 koaxial angeordnet, die sich normalerweise im Bereich der Mitte der Kathode befindet. Diese Spule erzeugt ein Magnetfeld, das im wesentlichen parallel zur zylindrischen Achse der Kathode 10 ausgerichtet ist. Die Spule 24 ist zur Kathode so angeordnet, daß ihr Magnetfeld stark auf das in derKammer 15 erzeugte Plasma einwirkt. Das Magnetfeld kann au&eine von der Zylinderachse abweichende Richtung einnehmen. Der Strom für die Steuerspule 24 wird durch eine außerhalb der Kammer 22 angeordnete Steuerstromquelle 26 erzeugt. Im Abstand zur Austrittsöffnung 12 der Kathode 1st eine zusätzliche Magnetspule 30 angeordnet, unter derenWirkung der aus der Hohlkathode 10 austretende Strahl auf ein Werkstück 32 fokussiert wird. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel wirkt das Werkstück als Anode. Gemäfi der Eingangs genannten älteren Anmeldung, «mtl. Aktenzeichen U 12 216 VIIIc/23£
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kann die Anode an beliebiger Stelle innerhalb der Kamer 22 angeordnet werden, sofern ihr Abstand von der Kathode 10 ausreichend groß ist. Der Strom für die Fokussierspule 30 wird einer außerhalb angeordneten Stromquelle 3** entnommen. Zur Vermeidung einer Erwärmung der Steuerspule durch die bei Bearbeitung des Werkstückes 32 mit Elektronenstrahlen auftretende Hitze ist zwischen der Steuerspule 2^ und dem Werkstück 32 ein Schutzschirm 28 angeordnet. Dieser Schutzschirm kann | aus dem gleichen Material, wie der Schutzschirm 20 gefertigt sein.
Die Steuerspule 2k erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das durch den Schutzschirm 20 und durch die Wand der Kathode 10 auf das von der Hohlkathode 10 umschlossene Plasma wirkt. Im Unterschied zu den durch frühere plasmaphysikalisehe Unterschungen erweckten Vorstellungen wird durch Anlegen eines Magnetfeldes im Hohlkathodeninneren der aus der Hohlkathode durch die Austrittsöffnung 12 austretende Strom verstärkt. Gemäß *
Fig. 2 arbeitet die Hohlkathode bei Abwesenheit eines durch die Steuerspule Zk fließenden Stromes in ihrer normalen Betriebsweise, tobei für unterschiedliche Anoden-Kathoden-Botentialdifferenzen verschiedene Ströme erzeugt werden. Bei Verstärkung des Magnetfeldes der Steuerspule 2k wird der Elektronenstrahlstrom in gleicher Weise verstärkt. Der Einfluß des Magnetfeldes auf die Entladung entspricht etwa der durch Änderung des Kammerdruckes erzielbaren Wirkung. Durch Änderung dieses Druckes ist somit eine wesentlich vereinfachte Stromsteuerung möglich. Druckänderungen dieser Art treten beispielsweise während des
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Schweißens oder durch unregelmäßiges Arbeiten des Pumpensystems auf und sind mühelos ausglelehbar. Diese Steuerung ist einfach, da z.B. gemäß Fig. 2 sich der Strom praktisch linear mit der durch die Steuerspule 2k angelegten magnetlschenFeldstärke ändert.
Die durch den Gegenstand vorliegender Erfindung erzielbaren technischen Fortschritte sind aus derFig. *t klar ersichtlich, wobei für verschiedene magnetische Feldstärken die Arbeitslinien einer typischen Hohlkathode aufgetragen sind· Obgleich die Stromwerte den Entladungsstrom anzeigen« geben diese Werte den Strahlstrom wieder, da einVorteil dieser Art der Steuerung in der Aufrechterhaltung des Wirkungsgrades besteht. Wenn daher z.B. eine Hohlkathode bei 20 kV arbeitet und die Feldstärke des magnetischenFeldes der Steuerspule 2k das durch das Bezugsfeld 58 festgelegt ist. 20 Gauss beträgt, dann 1st bei einem Quecksilberdruck von 8 /U der Strom im Elektronenstrahl größer als 190 mA. Bei diesen Gegebenheiten arbeitet die Kathode in Punkt C der Fig. k.
Wenn der in der Kammer herrschende Druck auf 9 /U ansteigt, wird der Arbeitspunkt der Vorrichtung längs der 20 Gause-Llnie nach A verschoben. Zur druckänderungsfreien Kompensation des hierbei auftretenden Stromanstieges wird der durch die Spule 2k fließende Steuerstrom reduziert, derart« daß die magnetische Feldstärke auf den Wert der magnetischen Feldstärke der Kurve B1 herabgesetzt wird, der wiederum dem entsprechenden Strompegel von 190 mA entspricht.
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In gleicher Weise'erfolgen zur Reduzierung der Druckpegel Berichtigungen, wobei die magnetische Feldstärke des Mag« netfeldes der Steuer spule 2k so erhöht wird,, daß der Arbeitspunkt der Kathode von C über D nach Ξ verschoben wird.
Zur Klarstellung 1st in Fig. k die Abweichung des Arbeltsstromes der Kathode vom Sollwert herausgestellt· Bei Verwendung der in Fig. 3 gezeigten rasch ansprechenden Steuerrückkopplung kann ein im wesentlicher konstanter Strom aufrecht erhalten . werden· Als Folge einer Änderung des Kammer & ticke s ist eine sehr kleine Stromänderung beobachtbar, wobei der in der Steuer·· spule 2k fließende Strom zur Kompensation diesem Änderung unmittelbar geändert wird. Bei Anstieg des in der Kcomer herrschendenDruekes um 1 /U gelangt die Hohlkathode mit nur sehr kleinen Abweichungen längs der Linie C-B zum neuen Arbeltspunkt B.
Die Kurve nach FIg· k gilt für eine konstante Spannungsquelle Bei verwendung einer änderbaren Spannung läßt sieh ein dreidimensionales Modell aufstellen. Die Betriebsbedingungen sind von verschiedenen Faktoren, wie z.B. dem Materials der Stabilität des Strahlesa dem zu bearbeitenden Werksttiek usw· abhängig.
Die Hohlelektrode kann zur Erzeugung eines Plasmas im Hohlelektrodeninneren dienen, aus dem ein Ionenstrahl entnommen wird· Die Lehre der vorliegenden, anhand von Elektronenstrahlen erläuterten Erfindung eignet «ich au« zur Erzeugung von Ionen·
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strahlen und zur Steuerung der Stromgröße der Ionenstrahlen· Zur Steuerün£ der schwereren Ionenpartikelchen sind höhere Feldstärken erforderlich· Zu diese» Zweck wird die Kopplung zwischen der Spule 2k und der Ausnehmung oder Kammer 15 erhöht·
Eine in Fig. 3 dargestellte automatische Steuerung arbeitet wie folgt: Ein Widerstand 50 ist mit der Hochspannungsquelle in Reihe geschaltet« so daß die längs dem Widerstand auftretend β Spannung in direkter Beziehung zu dem aus der Hohlkathode 10 austretenden Strom steht. Dieser Widerstand kann als Stromabtastelement der Elektronenstrahlleistungsquelle dienen· Die am Widerstand 50 auftretende Spannung wird einem Differenzverstärker 52 zugeführt« um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Differenz zwischen dem durch denWidstand 50 abgetasteten Strom und einem« durch einen Schaltkreis 5*+ vorgebbaren Bezugswert wiedergibt. Der Bezugswert entspricht dem gewünschten Strahlstrom der Hohlkathode. Das Auegangssignal des Verstärkers 52 wird hierauf über einen Magnetverstärker 56 der Steuerspule 2h zugeführt« um ein Hagnetfeld der gewünschten magnetischen Feldstärke zu schaffen. Der anfängliche dem Punkt C entsprechende Arbeitspunkt des Magnetverstärkers 56 ist durch den Magnetfeldbezugsschaltkreis 58 festgelegt. Das Fehlersignal des Differenzverstärkers 52 wird dem Bezugssignal des Sehaltkreises 58 überlagert. Durch Wahl der Polarität des durch den Widerstand 50 am Differenzverstärker abgetasteten Stromes kann der Strom in geeigneter Weise erhöht oder verringert und durch Herabsetzung des Fehleric ignales auf ein Minimum eine rasche und «icher· Strumsteuerung für eine Hohlkathodengasentladung geschaffen werden. 009852/0609 . Patentansprüche -
BAD ORKaINAL

Claims (1)

  1. ·11β· . 16U917
    Patentansprüche :
    ί Ii Vorrichtung zur Steuerung des aus einer Hohlkathode austretenden Stromes elektrisch geladner Teilchen, wobei die Hohlkathode in Gasatmosphäre angeordnet ist» und gegen eine Anode hohe Potentialdifferenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine innerhalb einer Hohlkathode (10) gebildete Kammer (15) auf einem bestimmten Gasdruck evakuiert und mit einer Austritts· öffnung (12) versehen ist« durch die ein Strom elektrisch geladener Teilchen austritt, daß der Strom elektrisch geladener Teilchen durch eine innerhalb der Kamm©? erfolgende Glimmentladung erzeugbar ist und daß benachbart zur Kammer eine elektromagnetische Spule(2k) angeordnet ist, die zur Erzeugung eines Hagnetfeldes in der Kammer und zur Steuerung der Ladungsträger-
    in;
    teilchemmenge -mi* Ladungsstrom in Abhängigkeit von der Hagnetfeldstärke dient.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Abmessungen der Austrittsöffnung (12) so gewählt sind, daß die durch diese Austrittsöffnung austretenden, geladenen Teilchen einen Ladungsstrom bzw· Strom elektrisch geladener Teilchen bilden.
    3· Vorrichtung nach nepruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (15) zylindrisch ausgebildet ist und nichtmagnetische Wände aufweist, in deren einem Bereich die Austrittsöffnung (12) angeordnet ist, daß die Austrittsöffnung im wesentlichen koaxial zur zylindrischenAchse der Kammer ausgerichtet ist BADORIGiNAL 009852/0609
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    m. 12 -
    und daß als elektromagnetIsche Spule (2k) ein Solenoid dient, das außerhalb der Kammer benachbart« und zwar im wesentlichen koaxial zudieser angeordnet ist« derart« daß in der Kammer ein Magnetfeld erzeugbar ist« das im wesentlichen parallel zur zylindrischen Achse der Kammer ausgerichtet ist.
    *♦· Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3« dadurch gekennzeichnet« ■ν daß zwischen dem Solenoid (2k) und derKammer (15) ein nichtmagnetischer« zur Unterdrückung einer Glimmentladung dienender schirm (20) angeordnet ist« der in geeignetem Abstand die zylindrische Wand der Kammer im wesentlichen umhüllt« derart« daß zwischen dem Solenoid und dar Kammer eine Glimmentladung unterdrückt wird·
    5· Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet« daß zwischen dem Solenoid (2k) und dem Strom elektrisch geladener Teilchen ein Wärmeschutzschirm (28) angeordnet 1st. \
    6. Vorrichtung nach Anspruch 1 - 5« dadurch gekennzeichnet« daß die Kammer (15) eine Rückwand (11) und eine die Austrittsöffnung (12) der Kammer bildende Umfangswand (13) aufweist« die eine Ausnehmung besitzt« deren Abmessungen so gewählt sind« daß im Inneren der Ausnehmung eine Glimmentladung erfolgt, daß die zur Erzeugung des Magnetfeldes in der Ausnehmung dienende elektro magnetische Spule (2k) die Umfangswaiid umchließt und daß die elektromagnetische Spule zur Änderung der Magnetfeld«tärk· und zur Steuerung der Größe des Ladungsstromes mit einer Stromquill·
    (26) verbunden ist. '
    BAD
    Ö098S2/0609
    7o Vorrichtung nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet· daS der Warmeschutzsehlrm (28) von der Umfangswand (13) nach auJn gerichtet 1st und in den zwischen demStrom elektrisch geladener Teilchen und der elektromagnetischen Spule (2k) gebildeten Raum eingreift« derart« daß die Spule gegen die hei Auftreffen des Ladungsstromes auf ein Werkstück (32) frei werdende Wärme geschützt 1st·
    8. Vorrichtung nachAnspruch 1*7« dadurch gekennzeichnet· daß ein Generator für ein erstes« den tatsächlichen Ladungsstrom entsprechendes Signal vorgesehen 1st« daß ein Generator für ein zweites« dem gewünschten Ladungsstrom entsprechendes Bezugs signal vorgesehen ist und daß Einrichtungen vorgesehen sind« dlein Abhängigkeit von den ersten und zweiten Signalen •in Fehlerkorrektursignal erzeugen und in die Stromversorgungseinrichtung (26) für die elektromagnetische Spule (24) mit einer polarltät einspeisen« derart, daß die Intensität des Magnetfeldes und der Ladungsstrom auf den gewünschten Wert ein« geregelt werden·
    9· Vorrichtung nach Anspruch 1-8. dadurch gekennzeichnet, daß da« in der Ausnehmung (15) herrschend· Magnetfeld im wesentlichen quer zur Amstrittsöffnung (12) gerichtet 1st·
    10· Vorrichtung nach Anspruoh 1-9, dadurch gekennzeichnet« daß 41· Umfangswand (13) als zylindrische Wand ausgebildet ist und daß das benachbart zu dieser Wand angeordnet· Solenoid (2b) •in Magnetfeld erzeugt, 4a« im wesentlichen koaxial zur xylindri-.oh.n W.nd «.,.rlcht.t l.t.
    009852/0609
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