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Verfahren zur Regelung eines magnetisch fokussierten und ablenkbaren
Ladungsträgerstrahles, insbesondere größerer Leistung Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Regelung eines magnetisch fokussierten und ablenkbaren Ladungsträgerstrahles,
insbesondere größerer Leistung, der zum, Bearbeiten, Schweißen, Schmelzen, Verdampfen
oder zur nichtthermischen Behandlung von &Iaterial dient und dessen Schwankung
der Leistung, des Ortes, der Größe des Brennfleckes bei Schwankung der Beschleunigungsspannung
verhindert wird.
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Bekannterweise können Iadungsträgerstrahlen, insbesondere Elektronenstrahlen
größerer heistung# zum Bearbeiten, zum Schweißen, zum Schmelzen oder zum Verdampfen
von Materialien benutzt werden, wobei der Vorteil einer reinen Energiezufuhr mit
hohem Wirkungsgrad ohne das Vorhandensein eines Flammengases besteht. Bekannt ist
auch die nichtthermische Bearbeitung von Material durch Ladungsträgerstrahlen, beispielsweise
zum Zwecke der Veränderung der phyeikalieohsn Eigenschaften desselben, Dabei bestimmt
einmal der Durohmeeßer des Brennfleckes die leistungsdichte des Ladungsträgeretrahlea
auf dem Werkstück, Die Größe des Brenntleokes
(Scharfstellung)
läBt sich durch Nokussierung mittels elektromagnetischer Linsen einstellen. Hierbei
gi Lt fUr die Brennweite f der elektromagnetischen Zinse
wobei U$ die Beschleunigungsspannung des Ladungsträger-Strahles und J1 der Strom
durch die elektromagnetische Linse-und k1 eine Konstante ist. Andererseits kann
eine leicht bedienbare, ohne großen Aufwand herstellbare, elektromagnetische Ablenkung
des Ladungsträgerstrahles um kleine Winkel oder beispielsweise um bei Bedampfungs-.geräten
größere Winkel von etwa
zu erzielen, vorhanden sein. In diesem Balle gilt:
Dabei ist r der Bahnkreisradius der Ladungsträger im Magnetfelde UB die Beeohleunigungsspannung,
B die magnetisahe Induktion# J2 der atrom durch die Ablenkapuleg und k2 und k3 sind,
Konstante.
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Bohwankt die'-Besahleunigungespannung U$ auf Grund von Änderungen
dar Netzspannung oder- der Belastung) so ändert eich nach Glelohung (1) der
Ort des in exia# ler Biohtung und nach Gleichung (2) in radialer ]Richtung*-X8
ist bekannt' durch elektronische oder magnetische ßta-@ bilieierung
der Be®ohleunigungeapannung (Hoahepanaung) und der lblenk- und Lineenetröme
die Brennfleskaahwank=-
gen des Ladungsträgerstrahles zu
verringern oder aufzuheben. Handelt es sich aber um einen leistungsstarken Strahler,
d.h, um eine leistungsstarke Beschleunigungsspannung, die dazu stabilisiert werden
muß, so entsteht ein sehr hoher apparativer Aufwand* Will man diesen venueiden,
so kann an den Ladungsträgerstrahl keine hohe Forderung in bezug auf seine Qualität
gestellt werden.
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Der Zweck der Erfindung ist es, die Mängel des Standes der Technik
zu vermeiden und mit einfachen Mitteln einen-Ladungsträgerstrahl von hoher Qualität
zu erzeugen, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ladungsträgerstrahl
so-zu regeln, daß er in bezug auf Leistung, Ort und Größe des Brennfleckes stabil
ist. Der Ladungsträgerstrahl muß eine hohe Qualität besitzen, insbesondere auch
bei hohen Leistungen. Auf eine Stabilisierung der Beschleunigungsspannung ist wegen
des zusätzlichen Aufwandes zu verzichten.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß abhängig von
der Beschleunigungsspannung der Strom des Ladungsträgerstrahles umgekehrt proportional
zur Änderung der Beschleunigungsspannung gesteuert wird, die Leistung Ns infolge
Ns U$ # Js (3) konstant bleibt> und der Strom durch die Linse 1 1 und der
Strom durch die Ablenkspule J2 proportional zu der Qua.
dratwurzel
aus der Änderung der Beschleunigungsspannung gesteuert wird, so daß der Ort des
Brennfleckes in axialer und in radialer Richtung erhalten bleibt, weil dann gemäß
Gleichung ('() die .Brennvreite der Linse und gemäß Gleichung (2) der Bahnkreisradius
der Ladungsträger im Magnetfeld konstant bleibt. Je nach Anforderung, an die Qualität
des Ladungsträgerstrahles kann dabei auf einzelne der genannten Steuerungen verzichtet
werden. Es ist auch möglich, die Änderung proportional der quadratWurzel aus der
Änderung der Beschleunigungsspannung durch eine Änderung proportional der Hälfte
der Änderung der Beschleunigungsspannung nach der bekannten mathematischen Näherung
zu ersetzen, wenn die Schwankungen etwa im Bereich ± 209 liegen.
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Damit schnelle Änderung der Beschleunigungsspannung entsprechend schnell
kompensiert werden, können in Reihe mit den Linsen- und ,Ablenkspulen besondere
eisenfreie Spulen zur Steuerung vorgesehen werdeng wenn die Hauptspulen zu träge
arbeiten.
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Durch die Erfindung wird es ermöglicht, bei vorzugsweise leistungsstarken
Ladungsträgerstrahlen auf die dann aufwendige Regelung der Beschleunigungsspannung
zu verzichten, ohne daß dafür eine sich ändernde Schärfe des Brennfleckes oder ein
sich ändernder Ort des Brennfleckes in Kauf genommen werden mu8.
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An Hand eines Ausführungebeiepieles soll die Erfindung näher erläutert
werden. In der Zeiohnung zeigen:
Fig. 1: eine Schaltung der Eingangsstufe
der Stromregelschältung für den Linsen- oder den Ablenkstrom, Fig. 2: eine Schaltung
der Eingangsstufe der Regelschaltung für den Strom des Ladungsträgerstrahles mit
einer Steuerung umgekehrt proportional zum Änderung der Beschleunigungsspannung.
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Es wird in dem Beispiel speziell der Fall dargestellt, daß bei der
Beschleunigungsspannung UB der positive Pol auf Erdpotential liegt, wie es bei Elektronenbetrieb
des Strahlers im allgemeinen der Fall ist. Durch entsprechende Schaltungsänderung
kann jedoch auch auf den umgekehrten Fall, bei dem der negative Pol auf Erdpotential
liegt, übergegangen werden, Die Kompensation der Wirkung der Änderung der Beschleunigungsspannung
erfolgt jeweils in Bezug auf den Betrag der Spannung.
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Es ist bekannt, daß in Regelschaltungen der Sollwert nur dann definiert
durch eine Störgröße beaufschlagt werden kann, wenn diese unmittelbar auf die Maßstelle
gekoppelt wird, d.h, auf eine Stelle, an der noch keine, im allgemeinen von verschiedenen
BinflußgröBen abhängige, also veränderliche Verstärkung des Regelbefehls Stattgefunden
hat. In Big, 1 ist die B`ingangsstufe einer Stromregelschaltung dargestellt. Diese
Schaltun, dient dazu, die Schärfe, d.h. den Brennfleck oder die Auslenkung des Strahles
zu stabiliaieren, Im Lastkreis kann also entweder die Linsenspule
oder
die Ablenkapule liegen. Der Stromsollwert wird über den Sollwertwiderstand '! in
eine Sollspannung Us umgewandelt und zusammen mit der Vergleichsspannung U4 der
Röhre 2 zugeführt. Die Schaltung ist so gewählt, daß über den nachfolgenden Verstärker
3 der Strom durch die Spule 4, die eine Linsenspule oder Ablenkspule für den Ladungsträgerstrahl
sein kann, konstantgehalten wird. Dabei beträgt die Gitterspannung U9 in der Röhre
2 etwa null Volt, bezogen auf das Erdpotantial, wobei die Abweichung von diesem
idealen Wert infolge der endlichen Kreisverstärkung des Regelverstärkers vernachlässigt
werden soll, Be°i Betrieb ohne Katodenwiderstand 5 gilt das Gesagte entapre--ehend
für U9 x (-1...-2) V. Die Sollspannung U5 und Vergleiehaspannung U4 können hierzu
entweder mit entgegengesetzter Polung in Reihe oder wie in Nig. 1 zu einer Brücke
zusammengesohaltet werden, Der Regelvorgang selbst erfolgt in bekannter Weise. Die
Beschleunigungsspannung UB wird über den Spannungsteiler, bestehend. aus den Widerständen
6; 7; 8 verkleinert und mit einer weiteren konstanten Spannung U3 als Vergleichaspannungaquelle
für den Hochspannungsteil mit entgegengesetzter Polung in Reihe geschaltet, Das
Teilerverhältnis des Spannungsteilers wird so gewählt, daß sich am Punkt A für die
definierte Beschleunigungsspannung UfB, auf die die Grundeinstellungen bezogen werden,
der Wert Null ergibt. UH kann durch Sinatellung des Widerstandes 8 gewählt werden.
Ändert sich im Betrieb U8 gegenüber UsB um A UB, so ändert sich das Potential am
Punkt *'exakt
um den -Wert n-h UB gegenüber dem Ruhewert Null, wobei
n das apannungsteilerverhältnis angibt. Über den Spannungsteiler aus den Widerständen
9; 10; 11; 12, wobei die Widerstände 11; 12 parallel geschaltet sind, gelangt ein
definierter Teil n1 #ß U$ der ursprünglichen Änderung t1UB als Störgröße in den
Regelverstärker. Da die Einkopplung in den B.ngang des Regelverstärkers erfolgt,
ergibt sich keine Kompensation der Störgröße durch den Regelvorgang, In Richtung
vom Stromsollwert her wirkt der Spannungsteiler aus den Widerständen 9; 10; 11;
12 dagegen praktisch nicht verändernd auf den Stromsollwert ein, wann das Verhältnis
der Widerstände 11; 12 zueinander konstant bleibt, Lediglich die Kreisverstärkung
wird entsprechend herabgesetzt. Als Voraussetzung maß hierbei die Forderung erfüllt
sein, daß der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers aus den Widerständen
g; 10; 11; 12 sehr groß gegen die Widerstände 7; 8 und 1 ist, was leicht
erfüllt werden kann. Andernfalls müßte ihr Einfluß zusätzlich berücksichtigt werden.
Mit der genannten, verein., fachenden Bedingung läßt es sich leicht zeigen, daß
die eingekoppelte Störgröße
ergibt, wenn die Spannungen U3 und U4 und die Widerstände 11= 12 jeweils gleich
sind und der Spannungsteiler aus den Widerständen 9; 10; 11; 12 eine Spannungsteilung
von 1:2 in bezug auf das Gitter der Röhre 2 ergibt, Mit dem Widerstand 9 läßt sich
das gewünschte Spannungsteilerverhältnie fein einstellen, Durch entsprechende Wahl
der Spannung U3 und U4 und des genannten Spannungsteilerverhältnisses läßt sich
in Grenzen auch ein anderes
gewünschtes Verhältnis der erreichten
Stromänderung zur Änderung der Beschleunigungespannung UB erzielen. Durch zusätzliche
Anordnung von nichtlineare. Schaltelementen, beispielsweise Halbleiterdioden, im
Spannungsteiler kann dieser amplitudenabhängig gemacht werden und dadurch beispielsweise
die genannte Wurzelfunktion in weitem Bereich angenähert werden, so daß auch größere
Schwankungen der Beschleunigungsspannung UB in bezug auf ihre Wirkunkoiapensiert
werden können.
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Unter Beibehaltung des Grundprinzips kann die Eingangsstufe bei entsprechender
Umdimensionierung auch als Zer-hacker-Verstärker aufgebaut werden oder auch mit
Halbleiter--Verstü.rl#:erelementen bestiic?t werden.
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In Fig. 2 wurde die Schaltung für den Fall variiert, daß der Strom
des Ladunr;strälerstraliles umgekehrt proportional zu der Änderung der Beschleunigungsspannung
UB gesteuert wird, um die Leistung zu stabilisiereu. Der Gewinn der sich proportional
zu der Schwankung der BeschleuniGunt;-spannung UB ändernden Teilspannung
erfolgt wie in Fig, 1, Der Sollstrom des Ladungsträgerstrahles wird über den Widerstand
13 in eine Sollspannung Us umgewandelt und, in einer Brückenschaltung aus
den Röhren 21 14 mit der Vergleichsspannung U4 verglichen. Die Regelung des Stromes
des Ladungsträgerstrahles kann unter Verwendung des Trägerfrequenz--,Steuergenerators
15s des Isoliertransformators 16 «nd des Gleichrichters 17 auf der Hochspannungsseite
erfolgen. Als Regelorgan dient hierbei die Steuerelektrode des Straklern 18; Bei
erfol;ter AuoreGelun_, des Strouivs des
trägerstrahles liegt am
Gitter der Röhre 14 ein Spannungswert nahe dem des Gitters von der Röhre z. Bei
genügender Größe des Katodenwiderstandes 5 kann der nachfolc:;ende Verstärker 19
unsymmetrisch an die Anode von Röhre 2 oder, je nach der Phasenlage seines Verstärkungsfaktors,
an die Anode von Röhre 14 gelegt werden, andernfalls kann die Differenzspannung
zwischen den Anoden der Röhren 2 und 14 dem Verstärker 19 als Eingangsspannung
| zugeführt werden. Die zusätzliche Steuerspannung n
obUB |
liegt in Reihe mit der Spannung U4 am Gitter von Röhre 2, entsprechend verkleinert
auf den Wert n1 #d UB durch den Spannungsteiler aus den Widerständen
9; 10;
11. Dieser sei der Einfachheit halber sehr groß gegen die Widerstände 7; 8 gewählt.
Ist die Spannung U3 doppelt so groß wie die Spannung U4 und das Teilerverhältnis
der Widerstände 9; 10; 11 in bezug auf das Gitter der Röhre 2 1s2, so erfolgt die
zusätzliche Steuerung des Strahlstromes umgekehrt proportional zu der Änderung der
Beschleunigungsspannung UB. Mit dem Widerstand 9 kann das Teilerverhältnis fein
eingestellt werden.. Die Schaltungsart der Eingangsstufe ist nicht auf die in der
fig. 2 dargestellten Röhrenschaltung beschränkt, Es ist auch möglich, die Schaltungen
nach Big. 1 und 2 für ein Strahlerzeugungssystem gemeinsam anzuwenden, indem diese
auf Geeigante Art vereinigt werden,
Beim Anordnen zusätzlicher,
nicht linearer Schaltelemente lädt sich eine über zweite Bereiche der Beschleunigungsspannung
optimale Steuerkennlinie erzielen.