DE1876616U

DE1876616U - Elektronen-kanone.

Info

Publication number: DE1876616U
Application number: DE1963C0010512
Authority: DE
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1962-05-30
Filing date: 1963-05-17
Publication date: 1963-08-01
Also published as: FR1354784A; BE633078A; GB1020725A; LU43749A1

Description

Patentanwälte

DIPL-ING. R.BEETZ

DiPL-ING. LAMPRECHT

München 22, Sfeliuiiorftfr. 10

COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE, Paris 7e"me (Prankreich)

Elektronen-Kanone

Die Neuerung betrifft eine Elektronen-Kanone der Bauart nach PIERCE, die für die Ausführung von Schweißungen und anderen Bearbeitungen durch Elektronenbeschuß geeignet ist, die in einem evakuierten Arbeitsraum oder -gehäuse vorgenommen werden.

Ein derartiges Schweißen von Bauteilen, die relativ große Abmessungen haben, sowie das Schmelzen gewisser Metalle in wesentlichen Mengen bedingt einen großen Aufwand elektrischer, als Hochspannung zur Verfügung zu stellender Energie« Infolgedessen werden bei diesen Arbeiten größere Gasmengen frei, die vorher in den zu verschweißenden Metallteilen eingeschlossen oder gelöst waren. Diese freiwerdenden Gase führen zu einer plötzlichen Steigerung des Druckes in dem evakuierten Hohlraum, der die Elektronen-Kanone enthält» Die freigewordenen Gase werden durch den Elektronenstrahl und die gebildeten Röntgenstrahlen ionisiert; es treten infolgedessen in dem evakuierten Hohlraum starke Entladungen auf, die zu Kurzschlüssen an denjenigen Teilen führen, die unter hoher Spannung stehen, wie .der Elektronen-Kanone, den Stromzuführungen und den Durchführungen im Vakuum. Die erhebliche Steigerung des von dem Hochspannungsgenerator gelieferten Stromes führt zum Ausschalten des Überstranschalters, der den Hochspannungsgenerator schützt, und zwar bei

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Höchstleistung des Generators. Dabei bildet sich ein großer Krater in den zu verschweißenden Seilen, die durch ein solches Unterbrechen des Schweißvorganges unbrauchbar werden.

Wenn die zu verschweißenden Bauteile eine größere Dicke haben, sind ihre Abmessungen groß und ihr Gewicht hoch. Infolgedessen ist es sehr zweckmäßig, wenn man die Elektronen-Kanone in dem Gehäuse, in dem die Schweißung erfolgt, bewegen kann, um die Elektronen-Kanone jeweils in diejenigen Stellungen bringen zu können, die für die Durchführung einer Schweißung hoher Qualität am besten geeignet sind. Eine derartige Bewegbarkeit der Elektronen-Kanone gibt eine größere Freiheit für die Anordnung der zu verschweißenden Teile gegenüber der Elektronen-Kanone j sie gestattet die Vereinfachung der Ausrüstungen und eine Verkleinerung der Abmessungen des Schweißgehäuses. Die üblichen Elektronen-Kanonen haben weder den Aufbau noch die Form, noch die Auslegung, die notwendig sind, um dieser zuletzt erwähnten Bedingung zu genügen.

Durch die Neuerung soll -eine Elektronen-Kanone der Bauart nach PIERCE geschaffen werden, bei der die oben erwähnten Nachteile vermieden sind und deren Zusammenbau, Unterhaltung und Einstellung besonders einfach sind»

Eine neuerungsgemäße Elektronenkanone, die unter hohem Vakuum arbeiten muß, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß sie in eine::ringförmige Diffusion-Vakuumpumpe eingebaut ist, welche an einem dichten Bauteil befestigt ist, der gleichzeitig

ein Zentrierorgan für die Elektroden und ein Verbindungsorgan für die Verbindung der Elektroden mit den Hochspannungs-Speisequellen bildet.

Wenn im Laufe eines Schweißvorganges der Druck plötzlich

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steigt, kann er in dem Schweißgehäuse einen Wert von 10 mm Quecksilbersäule erreichen; dank der ringförmigen, die Elektronen-Kanone umgebenden Vakuumpumpe wird jedoch der Druck im

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Inneren der Kanone dauernd auf 10 mm Quecksilbersäule gehalten, trotz des Gaseintritts durch den Durchlaß in der Anode, durch den der Elektronenstrahl austritt₀

Nach einem anderen wesentlichen Kennzeichen der Neuerung sind die Abschirmung, welche die äußere Metallwand der ringförmigen Vakuumpumpe bildet, die Träger für die Anode und die Anode selbst, die elektrostatische Abschirmung des Zentrierteiles der gesamten Anordnung der ringförmigen Pumpe und der Elektronenkanone sowie die elektrostatische Abschirmung der Anschlußleitungen und schließlich das Schweißgehäuse mit der Masse der Anordnung verbunden. Eine derartige Maßnahme verhindert jede Ausbildung von Entladungen zwischen dem Schweißgehäuse und der elektrostatischen Abschirmung der Elektronen-Kanone, da diese beiden Teile an Masse liegen.

Schließlich sind die unterschiedlichen Bauteile der Kanone - außer der Anode - auf einen zylindrischen Isolierkörper abgestützt, dessen eine Grundfläche als Bezugsebene für den Aufbau dient und die Zentrierung der an Hochspannung liegenden Bauteile sichert.

Heben diesen hauptsächlichen Merkmalen umfaßt die Neuerung sekundäre Merkmale, die aijs der folgenden Beschreibung hervorgehen und insbesondere die Auslegung der ringförmigen Vakuumpumpe betreffen.

Unter Hinweis auf die schematischen Darstellungen der Zeichnung wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel einer neuerungsgemäßen Elektronen-Kanone beschrieben. Die Ausführungseinzelheiten, die in der folgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels geschildert werden, sind als Bestandteile der Neuerung anzusehen; es dürfte jedoch klar sein, daß alle äquivalenten Ausführungen vorgesehen werden können, ohne den Rahmen der Neuerung zu verlassen. In der Zeichnung zeigen:

Pig« 1 einen Axialschnitt durch eine Elektronen-Kanone der Bauart nach PIERCE, die zur Schweißung durch Elektronenbeschuß geeignet ist und entsprechend der Neuerung ausgeführt wurde j

Fig. 2 einen leilquerschnitt durch die Elektronen-Kanone

gemäß Pig. 1 längs der gebrochenen Schnittlinie A-B

der Pig. 1.

Die eigentliche Elektronen-Kanone 1 ist axial in eine ringförmig gestaltete Vakuum-Diffusionspumpe 2 eingebaut, welche an einem dicht abschließenden Bauteil 3 befestigt ist, der als Zentrierorgan der gesamten, aus der Pumpe und der Elektronen-Kanone bestehenden Einheit dient und gleichzeitig zur Verbindung der Elektroden der Elektronen-Kanone mit den nicht dargestellten Hochspannungs-Speisequellen ausgenutzt ist ο

Der Bauteil 3 besteht im wesentlichen aus einem Isolierkörper 4, der in zweckmäßiger Weise mit Ausnehmungen versehen ist, um sein Gewicht so weit wie möglich zu verringern; der Isolierkörper 4 ist von einer elektrostatischen Abschirmung 5 umgeben und auf seiner äußeren Stirnfläche ist ein metallischer Deckel 6 befestigt. Die mit einer Abschirmung versehenen elektrischen Yerbindungsleitungen wie 7, die zur Verbindung der Elektroden der Kanone mit den Spannungsquellen dienen, sind durch den Deckel 6 mittels Durchführungen 8 hindurchgeführt und ragen mit einem von der Leitungs-Abschirmung befreiten Ende durch Durchführungskanäle 9 des Isolierkörpers 4 hindurch. Aus dem unteren Ende der Durchführungskanäle 9 ragen nur die zentralen Leiter 10 der Leitungen heraus, die an Klemmen 11 angeschlossen sind, welche am unteren Teil der Durchführungskanäle angeordnet sind» Diese Klemmen sind ihrerseits mit anderen Klemmen 12 verbunden, die auf der Basisplatte 13 der Elektronen-Kanone sitzen, die im einzelnen später beschrieben wird. Der Bauteil 3 ist an seinem unteren Ende mit einem äußeren Ringflansch 14 versehen, an dem die ringförmige Pumpe 2 befestigt ist«,

Diese ringförmige Pumpe 2 enthält eine ringförmige Verdampfungskammer 15, an deren unterem Teil ein an sich bekanntes Heizelement 16 befestigt ist. In dieser Verdampfungskammer wird die Betriebsflüssigkeit der Diffusionspumpe verdampft. Die Pumpe ist ferner mit einer Reihe von ringförmigen Düsen 17 versehen» Der aus diesen Düsen mit hoher Geschwindigkeit austretende Dampf wird durch eine Reihe vpn Austrittsäffnungen 18 geleitet, die in das nicht dargestellte Schweißgehäuse führen»

Die Außenwand 20 der Pumpe ist gekühlt und im oberen Teil der Pumpe ist eine ringförmige Kühlfalle 21 vorgesehen, die ein Eindringen der Dämpfe der Betriebsflüssigkeit der Pumpe, z.B₀ Öl, in das Innere der Kanone verhindert. Zu beachten ist die Anordnung der Ansaugöffnungen 22 der Pumpe in dem oberen Teil der inneren Pumpenwand 23« Die nach unten leicht konisch, verlaufende Pumpenwand 23 endet in einem Innenflansch 24, an den die eigentliche Elektronen-Kanone 1 angebaut ist.

Der einzige isolierende Bauteil in der Elektronen-Kanone ist ein Hohlzylinder 25, der an den Innenflansch der inneren Wand 23 der Pumpe angebaut istj dieser Innenflansch bildet eine Bezugs- und Verbindungsfläche auch für den Einbau des Trägers 26 der Anode 27ο Alle die anderen Bauteile der Kanone sind unmittelbar oder mittelbar an dem isolierenden zylindrischen Bauteil 25 festgelegt. Die obere Basis dieses zylindrischen Bauteiles, die in der Nähe des Bauteiles 3 liegt, bildet die Referenzebene und ergibt auch die Zentrierungsachse, die für den Zusammenbau der Kanone benutzt wird.

Die bereits oben erwähnte Grundplatte 13 dient als Halterung für die Kathode 30, deren Ende ein zylindrischer Emissionsstab 31 aus Wolfram ist» Dieser Stab wird durch Beschüß aus zumindest einer Hilfswicklung 32 aufgeheizt, deren Träger 33 in einer genau konzentrischen Lage durch Haltestangen 34 gehalten wird, welche ihrerseits an Traghalterungen 35-j und 35₂ befestigt sind. Diese Traghalterungen 35^ und 35₂ sitzen ihrerseits mit Befestigungslappen auf Vorsprüngen des Bauteiles 25« Die Hilfsheiz-

wicklung 32 ist von Abschirmungen 36 umgeben, die Wärmeverluste vermeiden sollen«

Die nach PIERCE ausgeführte innere Fokussierungselektrode 37 der Kanone wird von einem Körper 38 getragen, der an dem isolierenden zylindrischen Bauteil 25 in der gleichen Weise festgelegt ist wie die Traghalterungen 35» Der !rager 26 der Anode 27 ist überdies mit einem Kühlelement 4-0 versehen und trägt eine magnetische Fokussierungsspule 41« In der Querschnitts-Teildarstellung der Fig» 2 erkennt man die wesentlichen Bauteile, die von dem zylindrischen Isolierteil 25 getragen werden« Dieser Isolierteil besteht vorzugsweise aus Keramik,,

Wenn die Elektronen-Kanone 1 in Betrieb genommen wird, so heizt man zunächst die Hilfswicklung 32 so weit auf, daß sie auf eine Temperatur von etwa 1500⁰O kommt, während zwischen die Kathode und diese Wicklung eine Spannung zwischen 500 und 3000 Volt angelegt wird. Der Emissionsstift 31 der Kathode sendet einen Elektronenstrahl aus, der die Fokussierungselektrode 37 nach PIERCE durchquert, die auf einem Potential von etwa 1500 Volt l^egt, und tritt dann durch die Auslaßöffnung der Anode 27 aus, deren Potential gegenüber der Kathode zwischen 30 und 50 kV liegt. Die Temperatur der Kathode ist ungefähr 2000⁰C. Der fokussierte Elektrodenstrahl wird in an sich bekannter Weise auf die Schweißstelle gerichtet.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Anode 27 mit der Masse des Gerätes verbunden ist und daß infolgedessen die gesamte Kanone durch eine elektrostatische Abschirmung gekapselt oder

abgeschirmt ist, da der Anodenträger 26, die äußere Wand 20 der ringförmigen Pumpe, die metallische Abschirmung 5 des Bauteiles 3, dessen Deckel 6 und die Umhüllung der Anschlußleitungen 7 in gleicher Weise mit der Masse verbunden sind, wie auch das Schweißgehäuse ο

Wenn beim Schweißvorgang Gase freigesetzt werden, steigt der Druck innerhalb des Schweißgehäuses plötzlich stark an; er kann beispielsweise einen Wert von 10 mm Quecksilbersäule erreichen« Durch die ringförmige Pumpe 2 wird jedoch der Druck im Inneren der Elektronen-Kanone dauernd auf einem Wert von

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10 ^J mm Quecksilbersäule gehalten, trotz des Eindringens von Gasen durch die kleine Durchlaßbohrung der Anode 27· Die Förderleistung der Pumpe gleicht diesen kleinen Gaszustrom vollkommen aus. Unter diesen Bedingungen kann kein Überschlag zwischen den Bauelementen der Elektronen-Kanone auftreten; es kann sich auch kein äußerer Überschlag ergeben»

Die Neuerung ist nicht auf die Verwendung einer ringförmigen Diffusionspumpe der beschriebenen und dargestellten Bauart beschränkt; 'man kann ebensogut beispielsweise eine Titan-Diffusionspumpe mit Getter-Effekt verwenden»

Claims

iA.394 276*19.6. - 9 Schutzansprüche

1. Elektronen-Kanone, die unter hohem Vakuum arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die eigentliche Elektronen-Kanone (1) in eine ringförmige Diffusionspumpe (2) eingebaut ist, welche ihrerseits fest an einem dichten Bauteil (3) sitzt, der als Zentrierorgan für die Pumpe und die Elektronen-Kanone und als Verbindungsorgan der Elektroden (Kathode 30, Elektroden 32 und 37) mit den Spannungs-Speisequellen dient=

2. Elektronen-Kanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet_? daß die äußere Metallwand (20) der ringförmigen Pumpe (2), ein Anodenträger (26), die Anode (27), eine elektrostatische Abschirmung (5) des Zentrierorganes (3) der aus ringförmiger Pumpe und Elektronen-Kanone (1) bestehenden Baueinheit und elektrostatische Abschirmungen der Verbindungsleitungen (7) mit Masse Terbunden sindο

3. Elektronen-Kanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eigentliche Kanone (1) nur einen einzigen zylindrischen isolierenden Bauteil (25) enthält, der an der inneren Wand (23) der ringförmigen Pumpe (2) befestigt ist und auf den sich die Bauteile der Kanone - mit Ausnahme der Anode (27) - abstützen, und daß eine der Grundflächen dieses isolierenden Bauteils eine Bezugsebene bildet und die 25entrierungsachse für die Kanone festlegt»

4. Elektronen-Kanone nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Bauteil (25) aus keramischem Material
besteht.

5« Elektronen-Kanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionspumpe (2) mit einer zylindrischen Kühlfalle (21) versehen ist.

6. Elektronen-Kanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anodenträger (26) unmittelbar an einer Innenwand (23) der Diffusionspumpe (2) befestigt ist.