DE19537229C1

DE19537229C1 - Beam generator for an axial electron gun

Info

Publication number: DE19537229C1
Application number: DE1995137229
Authority: DE
Inventors: Bodo Dr Furchheim; Guenter Noetzold
Original assignee: SAECHSISCHE ELEKTRONENSTRAHL G
Current assignee: SAECHSISCHE ELEKTRONENSTRAHL G
Priority date: 1995-10-06
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2015-10-07

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlerzeuger für eine Axial-Elektronenkanone mit direkt geheizter Kathode, deren erzeugter Elektronenstrahl zur Durchführung der verschiedensten technologischen Prozesse benutzt wird. Bevorzugte Einsatzgebiete sind das Härten, Schweißen und Umschmelzen sowie die Oberflächenmodifikation. Die Elektronenkanone ist an den Rezipienten, in dem der vakuumtechnologische Prozeß ausgeführt wird, angeflanscht.The invention relates to a beam generator for an axial electron gun with direct heated cathode, the generated electron beam for carrying out the most diverse technological processes is used. Preferred areas of application are hardening, Welding and remelting as well as surface modification. The electron gun is to the recipient in which the vacuum technological process is carried out, flanged.

Eine Elektronenkanone besteht im wesentlichen aus dem Strahlerzeuger, das ist die direkt geheizte Kathode, Wehneltelektrode, Anode sowie den Fokussierungs- und Ablenkspulen. Alle Baugruppen befinden sich in einem evakuierten Gehäuse, durch das der Elektronenstrahl geführt wird. Die Kathode wird mit Hochspannung gespeist, so daß am oberen Teil ein Hochspannungsisolator angebracht ist. Einerseits verlangt die exakte Strahlführung eine hohe mechanische Präzision aller Bauteile zueinander. Andererseits entsteht erhebliche Wärme, die durch entsprechende Kühleinrichtungen abgeführt wird, um eine unerwünschte Ausdehnung der Bauteile zu verhindern, was sich auf die Strahlführung negativ auswirkt. Es ist auch eine gute Zugängigkeit der Bauteile erforderlich, um Verschleißteile, insbesondere die Kathode, schnell auswechseln zu können. Die entstehende Wärme wirkt sich auch negativ auf das Dichtungs- und Isolationsmaterial aus. Alle Bauteile sind mit hoher Genauigkeit herzustel len, um die Verbindung bzw. Passung derselben untereinander sicher zu stellen. Die Wärme entsteht an der direkt geheizten Kathode. Dort ist sie so abzuführen, daß kein Verzug auftritt und die Lage von der Symmetrieachse nicht abweicht.An electron gun essentially consists of the beam generator, that is the direct one heated cathode, Wehnelt electrode, anode as well as the focusing and deflection coils. All Components are in an evacuated housing through which the electron beam to be led. The cathode is fed with high voltage, so that on the upper part High voltage insulator is attached. On the one hand, the exact beam guidance requires one high mechanical precision of all components to each other. On the other hand, there is considerable Heat that is dissipated by appropriate cooling devices to an undesirable To prevent expansion of the components, which has a negative impact on the beam guidance. It is also good accessibility of the components required to wear parts, especially the Cathode to be replaced quickly. The heat generated also has a negative effect the sealing and insulation material. All components are to be manufactured with high accuracy len to ensure the connection or fit of the same with each other. The heat arises at the directly heated cathode. There it must be discharged in such a way that there is no delay and the position does not deviate from the axis of symmetry.

Es sind eine Vielzahl von Konstruktionen von Elektronenkanonen bereits bekannt. Sie unterscheiden sich zum Teil sehr erheblich, da von der Fachwelt umfangreiche Versuche gemacht wurden, um den Anforderungen an eine Elektronenkanone optimal und komplex gerecht zu werden. Selbstverständlich spielen das Einsatzgebiet und damit die Leistung eine entscheidende Rolle.A large number of electron gun designs are already known. she differ from each other very significantly because of extensive experiments by experts were made to meet the requirements for an electron gun optimally and complexly to meet. Of course, the area of application and thus the performance play a role decisive role.

So ist es bekannt, die direkt geheizte Kathode von mehreren aus elektrisch leitfähigem Material bestehenden Stangen in ihrer koaxialen Lage zu halten. Die anderen Enden der Stangen sind an einer Halterung, die die Heizung der Kathode umschließt, befestigt. Die Kathode ist nur punktförmig mit den Stangen in Berührung (DE 26 27 862 C2). Bei dieser Ausführung besteht der Nachteil, daß durch die punktförmige Auflage wenig Wärme von der Kathode abgeleitet wird. Damit besteht auch die Gefahr, daß sich bei Elektronenkanonen hoher Leistung, wie sie für das Schmelzen, Umschmelzen oder zur Oberflächenmodifikation erforderlich sind, die Lage verändern kann. Bei oben genannter Elektronenkanone handelt es sich um eine solche kleiner Leistung mit direkt geheizter Kathode, bei welcher die entstehende Wärme geringer ist.So it is known that the directly heated cathode made of several electrically conductive Material to keep existing rods in their coaxial position. The other ends of the Rods are attached to a bracket that encloses the heating of the cathode. The The cathode is only in point contact with the rods (DE 26 27 862 C2). At this Execution has the disadvantage that little heat from the punctiform support Cathode is derived. There is also a risk that electron guns high performance, such as for melting, remelting or for surface modification necessary, the situation can change. Acting in the above-mentioned electron gun it is such a small power with a directly heated cathode, in which the resulting heat is less.

Es ist auch bekannt, die an einem Kathodenträger angebrachte Kathode und die Wehneltelektrode über Wärmebrücken an einer Kühlplatte anzuordnen. Die Wärmebrücken sind die elektrischen Anschlußleitungen. Ein Kühlkreislauf übernimmt die Abführung der Wärme. Die Kühlplatten befinden sich im Hochspannungsisolator (DE 39 30 399 A1). Diese Lösung ist mit dem Mangel behaftet, daß das Ableiten der Wärme aus der Kathode zur Kühlfläche energetisch unzureichend ist. Um die Kathode auf Emissionstemperatur zu halten, muß ständig Wärme zugeführt werden, die aber laufend abgeführt wird. Hinzu kommt, daß die Ausbildung des Isolators sehr kompliziert ist und ein Auswechseln der Kathode erschwert ist. Außerdem fordern die Kühlplatten zusätzlichen Raum und vergrößern die Elektronenkanone.It is also known the cathode attached to a cathode support and the Arrange Wehnelt electrode over thermal bridges on a cooling plate. The thermal bridges are the electrical connection lines. A cooling circuit takes over the removal of the Warmth. The cooling plates are in the high voltage insulator (DE 39 30 399 A1). This Solution is deficient in that the dissipation of heat from the cathode to Cooling surface is energetically insufficient. To keep the cathode at the emission temperature, heat must be continuously supplied, but is continuously dissipated. On top of that the formation of the insulator is very complicated and it is difficult to replace the cathode. In addition, the cooling plates require additional space and enlarge the electron gun.

Es ist weiterhin bekannt, die Wehneltelektrode nach dem Hochspannungsanschluß erweitert auszubilden und in einem Isolator anzuordnen. Im gleichen Isolator ist die Kathode angeordnet. Der Strom wird über in dem Isolator eingeschlossene Zuführungen zur Kathode und Wehneltelektrode zugeführt. Diese im Isolator eingeschlossenen stromführenden Teile sind großflächig um die Wärme abzuleiten (DE 30 29 624 C2). Auch diese Konstruktion ist nur für Elektronenkanonen kleiner Leistung geeignet und läßt es nicht zu, große Wärmemengen abzuführen. Die Ausbildung des Isolators ist sehr kompliziert und gestaltet kein leichtes Auswechseln von Teilen.It is also known that the Wehnelt electrode is expanded after the high-voltage connection train and arrange in an isolator. The cathode is in the same insulator arranged. The current is supplied to the cathode via leads enclosed in the insulator and Wehnelt electrode supplied. These live parts enclosed in the isolator are extensive to dissipate the heat (DE 30 29 624 C2). This construction is also only suitable for electron guns of low power and does not allow large amounts of heat dissipate. The formation of the isolator is very complicated and does not make it easy Exchange of parts.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlerzeuger für eine Elektronenkanone mit hoher Leistung zu schaffen, die einen Kathodenhalter aufweist, der ein unkompliziertes Auswechseln der Kathode ermöglicht. Die Elektronenkanone soll für hohe Leistungen geeignet sein und die Kathodenbaugruppe soll möglichst wenig Wärme an benachbarte Teile abgeben. Die Wärme soll möglichst im Bereich der Kathode verbleiben. Eine Fremdkühlung der Kathodenbaugruppe soll entfallen. Die exakte Positionierung aller für die Strahlerzeugung und -führung notwendigen Bauteile muß garantiert sein. Die Fertigung aller Bauteile des Strahlerzeugers soll relativ einfach sein und eine sichere Positionierung zueinander sichern. Die Elektronenkanone soll in beliebiger Lage betriebsfähig sein.The invention has for its object a beam generator for an electron gun to create with high performance that has a cathode holder that is a straightforward Replacing the cathode allows. The electron gun is said to be suitable for high outputs and the cathode assembly should have as little heat as possible to adjacent parts submit. The heat should remain in the area of the cathode if possible. External cooling the cathode assembly should be omitted. The exact positioning of everyone for beam generation necessary components must be guaranteed. The manufacture of all components of the Beam generator should be relatively simple and secure safe positioning to each other. The The electron gun should be operational in any position.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.The object is achieved with the features of claim 1.

Weitere Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 beschrieben. Further refinements are described in claims 2 to 5.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Strahlerzeugers gestattet ein leichtes und schnelles Auswechseln der gesamten Kathodenbaugruppe. Die zur Strahlerzeugung notwendigen Bauteile, Kathode und Wehneltelektrode sind sicher zueinander justiert an dem Körper aus Keramik angeordnet. Die konstruktive Gestaltung des Keramikkörpers wirkt als eine Art Wärmeleitwiderstand und -puffer, um insbesondere bei aussetzendem Betrieb die in Abständen kurzzeitig sich ständig wiederholenden Wärmespitzen zu glätten und den Wärmestrom aus dem Kathodenbereich zu drosseln. Der Körper hält folglich die Temperatur auf einem gleichmäßigen Temperaturniveau. Ebenso wirkt der Käfig mit zur Verringerung eines Wärmestromes, da er zweckmäßig aus Metall geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist. Der noch diese Barrieren überwindende relativ kleine Wärmestrom wird vom großflächigen Innengehäuse über den ebenfalls großflächigen Isolator an seiner dünnsten Stelle an das Gehäuse der Elektronenkanone abgeführt. Die Umgebungsluft ist ausreichend für die Kühlung, so daß die übliche Fremdwirkung entfallen kann.The configuration of the jet generator according to the invention allows an easy and quick Replace the entire cathode assembly. The ones necessary for beam generation Components, cathode and Wehnelt electrode are securely adjusted to each other on the body Ceramics arranged. The constructive design of the ceramic body acts as a kind Thermal resistance and buffers, in order to prevent the in Intervals to smooth and repetitive heat peaks Throttling heat flow from the cathode area. The body therefore maintains the temperature at an even temperature level. The cage also contributes to the reduction a heat flow, since it is expediently made of metal with low thermal conductivity. The relatively small heat flow that still overcomes these barriers is caused by the large area Inner housing over the also large-area insulator at its thinnest point to the Housing of the electron gun removed. The ambient air is sufficient for that Cooling so that the usual external effect can be eliminated.

Der Deckel, der vorzugsweise aus zwei Teilen besteht und aus Metall gefertigt ist, dient zusätzlich zur Ableitung der Restwärme vom Innengehäuse und über die Bolzen, die den Keramikkörper halten. Diese Bolzen sind auch so gestaltet und angeordnet, daß sie wenig Wärme ableiten, damit die Wärme im Kathodenbereich verbleibt.The lid, which preferably consists of two parts and is made of metal, serves in addition to dissipating the residual heat from the inner housing and via the bolts that the Hold the ceramic body. These bolts are also designed and arranged so that they have little Dissipate heat so that the heat remains in the cathode area.

Die konstruktive Gestaltung des Keramikkörpers sichert durch seinen geschliffenen Bund und die Auflagefläche in Verbindung mit dem ebenfalls auf gleiche Weise zentrierten Käfig eine einwandfreie zentrische Positionierung der gesamten Baugruppe. Justierarbeiten sind nach jeder Demontage der Bauelemente nicht erforderlich. Durch Abnehmen der Deckel mit dem dazwischen liegenden Isolator kann das gesamte Strahlerzeugungssystem nach oben herausgezogen werden. Alle Bauteile sind rotationssymmetrisch und dadurch einfach und passungsgerecht herstellbar. Alle Bauteile sind so gestaltet und fixiert, daß die Elektronenkanone auch in horizontaler Lage einsetzbar ist.The constructive design of the ceramic body ensures through its ground collar and the contact surface in connection with the cage, which is also centered in the same way perfect central positioning of the entire assembly. Adjustment work is after every disassembly of the components is not necessary. By removing the lid with the the entire beam generation system can be located in between the insulator be pulled out. All components are rotationally symmetrical and therefore simple and can be manufactured to fit. All components are designed and fixed so that the Electron gun can also be used in a horizontal position.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ist der Teil der Elektronenkanone, in dem der Elektronenstrahl erzeugt wird, im Schnitt dargestellt.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. In the associated Drawing is the part of the electron gun in which the electron beam is generated, in the Section shown.

In dem Vakuumgehäuse 1 ist, von einem Isolator 2 umgeben, ein Innengehäuse 3 angeordnet. Das Innengehäuse 3 aus Metall liegt großflächig am Isolator 2 an, wobei der Isolator 2 in dem Bereich, wo er am Vakuumgehäuse 1 anliegt, relativ dünn ausgebildet ist. An inner housing 3 is arranged in the vacuum housing 1 , surrounded by an insulator 2 . The inner housing 3 made of metal rests on the insulator 2 over a large area, the insulator 2 being relatively thin in the region where it rests on the vacuum housing 1 .

In dem mit einer Auflagefläche 4 versehenen Innengehäuse 3 ist ein Käfig 5 mit seinem Flansch 6 zentrisch befestigt. Der Käfig 5 ist unten mit einer Auflagefläche 7 versehen, die einen Körper 8 aus Keramik trägt, dessen Bund 9 und zugehörige Auflagefläche geschliffen ist, damit er zentrisch im Käfig 5 positioniert und befestigt ist. An diesem Körper 8 ist die direkt geheizte Kathode 10 befestigt und um diese zentrisch befindet sich auch am Körper 8 die Wehneltelektrode 11. Die Kathode 10 ist über einen Sockel 12 mit dem Körper 8 verbunden.In the inner housing 3 provided with a bearing surface 4 , a cage 5 is centrally secured with its flange 6 . The cage 5 is provided at the bottom with a support surface 7 which carries a ceramic body 8 , the collar 9 and associated support surface of which is ground so that it is positioned and fastened centrally in the cage 5 . At this body 8, the directly heated cathode 10 is fixed and centered about this is also located on the body 8, the Wehnelt. 11 The cathode 10 is connected to the body 8 via a base 12 .

Das Innengehäuse 3 ist mit einem Deckel 13 verschlossen, der Hülsen 14 trägt, in denen federnde Bolzen 15 eingreifen, die gegen Hülsen 16 drücken, die als Griffstücke ausgebildet sind. Diese Hülsen 16 umgeben Bolzen 17, die den Körper 8 halten. Der Deckel 13 aus Metall ist über einen Isolator 18, der mittels üblicher Vakuumdichtungen 19 den Innenraum gegen den Isolator 2 und damit auch den Innenraum des oberen Teils der Elektronenkanone abdichtend, mit einem äußeren Deckel 20 verbunden, so daß diese Bauteile den oberen Abschluß bilden. Durch Öffnen der Deckel 13 und 20 ist ein leichter Zugang zum Strahlerzeuger gegeben. Er kann leicht nach oben zum Kathodenwechsel herausgezogen werden. Selbst die Anode 21 kann leicht gewechselt werden, da der innere Durchmesser des Innengehäuses 3 so gewählt ist, daß er größer als der der Anode 21 ist. Die Anode 21 ist in bekannter Weise isoliert auf einem zentrierten Zwischenflansch 22 befestigt.The inner housing 3 is closed with a cover 13 which carries sleeves 14 in which resilient bolts 15 engage which press against sleeves 16 which are designed as grips. These sleeves 16 surround bolts 17 that hold the body 8 . The cover 13 made of metal is connected to an outer cover 20 via an insulator 18 , which seals the interior against the insulator 2 and thus also the interior of the upper part of the electron gun by means of conventional vacuum seals 19 , so that these components form the upper end. By opening the covers 13 and 20 there is easy access to the jet generator. It can easily be pulled out upwards to change the cathode. Even the anode 21 can be changed easily since the inner diameter of the inner housing 3 is selected so that it is larger than that of the anode 21 . The anode 21 is secured in a known manner on a centered intermediate flange 22 in an isolated manner.

Unterhalb des Zwischenflansches 22 befindet sich in bekannter Weise ein Querventil (nicht gezeichnet) zum vakuumseitigen Absperren des Strahlerzeugerraumes von dem übrigen Teil der Elektronenkanone.Below the intermediate flange 22 there is a cross valve (not shown) for blocking the jet generator chamber from the rest of the electron gun on the vacuum side in a known manner.

Die Anschlußkabel (nicht gezeichnet) für die Kathode 10 und die Wehneltelektrode 12 sind in bekannter Weise über Isolatoren herausgeführt und bei Demontage des Strahlerzeugers abziehbar.The connecting cables (not shown) for the cathode 10 and the Wehnelt electrode 12 are led out via insulators in a known manner and can be removed when the beam generator is dismantled.

Claims

1. beam generator for an axial electron gun with a vacuum housing, which contains a centrally arranged, directly heated cathode, a Wehnelt electrode surrounding the cathode and an anode also centrally arranged below the cathode, the anode being fastened insulated on a flange, characterized that in the vacuum housing ( 1 ) surrounded by an insulator ( 2 ) an inner housing ( 3 ) is arranged, in the center of which a cage ( 5 ) is attached, which carries a ceramic body ( 8 ) centrally, on which a base ( 12 ) with the attached cathode ( 10 ) by means of bolts, which are also the current leads and the Wehnelt electrode ( 11 ) are attached so that the insulator ( 2 ) is designed so that it covers the inner housing ( 3 ) over a large area at its thinnest area Heat dissipation to the vacuum housing ( 1 ) encloses and that the body ( 8 ) by means of bolts ( 15 ; 17 ) which seal against the vacuum housing ( 1 ) Press the pouring cover ( 13 ) by means of spring elements, and the spacing sleeves ( 16 ) are kept centered.

2. Jet generator according to claim 1, characterized in that the inner housing ( 3 ) up to the Wehnelt electrode ( 11 ) and this is immediately formed thin-walled in this area.

3. Jet generator according to claim 1 or 2, characterized in that the sleeves ( 16 ) surrounding the bolts ( 17 ) are formed in the upper region as grips and at least the sleeves ( 16 ) or bolts ( 17 ) are made of poorly heat-conducting material are.

4. Jet generator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cover ( 13 ) of the inner housing ( 3 ) with the vacuum housing ( 1 ) closing outer cover ( 20 ) is connected by interposing an insulator ( 18 ) and the insulator ( 18 ) seals the interior of the inner housing ( 3 ) and at the same time the interior of the electron gun in a vacuum-tight manner by means of seals ( 19 ).

5. Jet generator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the outer diameter of the anode ( 21 ) is smaller than the inner diameter of the cage ( 5 ).