DE19537230C1 - Elektronenkanone - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenkanone vom Axialtyp. Sie dient zur Durchführung elektronenstrahltechnologischer Prozesse, insbesondere zum Schweißen, zur Oberflächenmodifikation (Härten) und zum Umschmelzen von Werkstücken mittels Elektronenstrahl im Vakuum.

Eine Elektronenkanone besteht im wesentlichen aus dem Elektronenstrahlerzeuger, der sich aus der Kathode, Wehneltelektrode und Anode zusammensetzt und Mittel zur Fokussierung und Ablenkung des Elektronenstrahls. Der Elektronenstrahlerzeuger ist durch ein sogenanntes Querventil vakuummäßig von den übrigen Baugruppen getrennt. Alle Baugruppen der Elektronenkanone sind von einem Gehäuse, welches über einen Vakuumanschluß evakuierbar ist und im oberen Bereich einen Hochspannungsisolator aufweist, umgeben. Der Elektronenstrahl wird durch den unteren Teil der Elektronenkanone in einem Strahlführungsrohr geführt. Im Bereich unterhalb des Querventils herrscht bei nicht am Rezipienten angeflanschter Elektronenkanone Atmosphärendruck. Dieser untere Teil der Elektronenkanone wird mit dem Rezipienten, in dem der vakuumtechnologische Prozeß ausgeführt wird, mit evakuiert.

Die Kathode ist bei einer Elektronenkanone das häufigste Verschleißteil und muß oft ausgewechselt werden. Der Aufwand ist relativ hoch und führt zu erheblichen Betriebsunterbrechungen. Auch die Wehneltelektrode, das Vakuumventil und die anderen Bauteile sind in bestimmten Zeitabständen einer visuellen Kontrolle zu unterziehen. Metalldämpfe und Dämpfe anderer Substanzen schlagen sich auf deren Oberfläche nieder; besonders bei Umschmelzprozessen entsteht relativ starker Niederschlag. Ebenfalls bedarf es der Kontrolle von Dichtungen und beweglicher Teile der Elektronenkanone.

Es sind zahlreiche Versuche unternommen worden und bekannt, Elektronenkanonen zu bauen, die diesen Anforderungen gerecht werden. Diese Lösungen enthalten leicht zu öffnende Deckel, auswechselbare vorjustierte Kathoden. Ein Problem ist aber stets die Justierung der Baugruppen, um eine einwandfreie zentrische Strahlführung zu gewährleisten. Der apperative Aufwand dieser Ausführungen ist im Verhältnis zum Nutzen relativ hoch.

So ist es auch bekannt, die hochspannungsführenden Teile des Isoliertransformators und die zugehörigen Schaltelemente zur besseren Zugängigkeit des Strahlerzeugers so auszuführen und anzuordnen, daß diese Teile im Bereich hinter dem Strahlerzeuger innerhalb des Gehäuses im Hochvakuumbereich, jedoch außerhalb der sich zwischen der Öffnung und den Strahlerzeugerteilen ergebenden Hüllfläche angeordnet sind. Durch eine Öffnung im oberen Teil des Gehäuses der Elektronenkanone kann der Strahlerzeuger als sogenannte Wechselpatrone demontiert bzw. gewechselt werden (DE 42 04 900 C2). Diese Lösung hat aber den Nachteil, daß der mechanische Aufwand für die erforderlichen Isolatoren sehr hoch und kompliziert ist. Die Spulen sind kaum zugängig.

Es ist weiterhin bekannt, in der Elektronenkanone ein Mantelrohr, das das Gehäuse bildet, als Hohlzylinder zu gestalten und mit einem oberen und unteren lösbaren Anschlußflansch zu versehen. Der obere Anschlußflansch besitzt einen Tragring für die vakuumdichte Aufnahme eines Zentrierflansches. Der untere Anschlußflansch ist ein Vakuumverbindungsflansch. Das Strahlführungsrohr ist lösbar und vakuumdicht am Zentrierflansch aufgehängt und in dem Vakuumverbindungsflansch eingesetzt. Das Strahlführungsrohr ist bei abgenommenem Strahlerzeuger durch die Beschleunigungskammer zusammen mit dem Zentrierflansch aus der Fokussierungslinse und der Ablenkeinheit herausziehbar (DE 33 28 172 A1).

Die Verschleißteile sind bei dieser Lösung zwar relativ leicht zu wechseln, aber es besteht der Nachteil, daß sehr viele und kompliziert gestaltete Bauteile erforderlich sind, um die Führung des Elektronenstrahls mit der nötigen Genauigkeit sowie die Justierbarkeit zu gewährleisten und die Vakuumbedingungen zu erfüllen. Durch die Vielzahl der komplizierten Bauteile ist die Fertigung sehr teuer und die Montage und Demontage mit hohem Zeitaufwand verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenkanone zu schaffen, die einfach gestaltete Bauteile und Baugruppen enthält, die fertigungstechnisch wirtschaftlich herstellbar sind. Die Strahlführungsbaugruppe und das Querventil sollen einfach demontierbar bzw. auswechselbar sein, ohne dabei andere Baugruppen zugleich mit demontieren zu müssen. Die Anode soll leicht herausnehmbar sein. Eine einwandfreie Zentrierung soll gegeben sein. Das Strahlerzeugungssystem einschließlich der Wehneltelektrode soll vorjustiert sein und es soll mit geringstem Aufwand in die Kanone einsetzbar sein.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 5.

Die erfindungsgemäße Elektronenkanone hat den Vorteil, daß nach Öffnen des oberen Deckels des Gehäuses die Kathode und Wehneltelektrode als eine gemeinsame Baugruppe entnommen werden kann. Nach deren Demontage ist die Anode leicht zu demontieren. Das Querventil ist unabhängig von anderen Bauteilen seitlich aus dem Gehäuse der Elektronenkanone entfernbar. Auch das Strahlführungsrohr kann leicht nach unten herausgenommen werden, indem nur ein Klemmstück zu lösen ist. Die obere Dichtstelle des Strahlführungsrohrs ist als Lippendichtung ausgebildet, die das Spannstück oder das Strahlführungsrohr ringförmig umgibt.

Der atmosphärische Druck bzw. der Druckunterschied unterstützt die Dichtwirkung. Die Ausbildung des Spannstückes und seine Anordnung im oberen Boden des Gehäuseunterteils ermöglicht dieses nach oben herauszunehmen. Gleichzeitig dient diese Ausführung der Fixierung des Querventils. Auch hier sorgt eine Dichtung für die vakuumdichte Verbindung aller Bauteile. Alle Bauteile sind so gestaltet, daß fertigungstechnisch eine einfache und kostengünstige Herstellung gegeben ist. Diese Bauteile gewährleisten, daß sie problemlos bei der Montage zentriert werden, um eine einwandfreie Strahlführung zu sichern.

An einem Beispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Schnitt durch eine Elektronenkanone vom Axialtyp.

Das Gehäuse der Elektronenkanone ist in ein Gehäuseoberteil 1 und ein Gehäuseunterteil 2, die durch ein Querventil 3 vakuummäßig voneinander getrennt sind, unterteilt. Im Gehäuseober­ teil 1 ist der Hochspannungsisolator 4 angeordnet, der an sich bekannte Stromzuführungen 5 trägt. Das Gehäuseoberteil 1 hat einen Deckel 6, der dieses vakuumdicht verschließt. In dem Hochspannungsisolator sind die Kathode 7 und die diese umgebende Wehneltelektrode 8 angeordnet und bilden eine leicht herausnehmbare Baugruppe. Im Boden 9 des Gehäuseoberteils 1 ist isoliert die Anode 10 mit der Bohrung 11, durch welche der Elektronenstrahl durchtritt, angeordnet.

Über Distanzstücke 12 ist das Gehäuseunterteil 2 mit dem Gehäuseoberteil verbunden. Dazwischen ist das Querventil 3 seitlich herausnehmbar angeordnet. Im oberen Boden 13 des Gehäuseunterteils 2 ist ein Spannstück 14 eingeschraubt, welches das Querventil 3 zentriert. Der untere Teil des Spannstückes 14 ist als relativ langer Bund ausgebildet, über welchen das Strahlführungsrohr 15 reicht, das unter Zwischenschiebung einer Lippendichtung 16 vakuumdicht zentrisch gehalten wird.

Im Gehäuseunterteil 2 sind, wie bekannt, die magnetische Linse 17 zur Strahlzentrierung und die Ablenkspulen 18 angeordnet. Unten ist das Gehäuseunterteil 2 als Flansch 19 zum Anflanschen an den Rezipienten 20, in dem der vakuumtechnologische Prozeß ausgeführt wird, ausgebildet.

Den Abschluß bildet Abschlußteil 21, in welchen ein Klemmstück 22 mit einer Dichtung 23 angeordnet ist. Durch Lösen des Klemmstückes 22 kann das Strahlführungsrohr 15 leicht nach unten herausgezogen werden.

Claims (5)

1. Elektronenkanone vom Axialtyp, bestehend aus einem in einem Gehäuse angeordneten Strahlerzeuger mit der Kathode, der Wehneltelektrode und der Anode, einem Vakuumventil, einer Fokussierungs- und Ablenkeinheit und einem Hochspannungsisolator, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse in Strahlrichtung hinter der Anode (10) durch ein Vakuumventil, als Querventil (3) ausgebildet, und dazwischen angeordnete Distanzstücke (12) in ein Gehäuseoberteil (1) und ein Gehäuseunterteil (2) unterteilt ist, daß das Gehäuseoberteil (1) oben mit einem abnehmbaren Deckel (6) versehen ist und unten durch einen Boden (9) verschlossen ist, in dem isoliert die Anode (10) eingebracht ist, daß das Gehäuseunterteil (2) oben mit einem Boden (13) verschlossen ist, in dem ein verstellbares Spannstück (14) angeordnet ist, das derart ausgebildet ist, daß sein Bund in das Innere des Gehäuseunterteils (2) so weit reicht, daß ein durch das Gehäuseunterteil (2) führendes Strahlführungsrohr (15) den Bund mit einer Lippendichtung (16) abdichtend umgibt, daß an dem aus dem Boden (13) ragenden Teil des Spannstückes (14) ein zentrischer Ansatz und eine Dichtung zum Justieren und Abstützen des Querventils (3) angebracht ist und daß in dem nach unten offenen, mit einem Flansch (19) abschließenden Gehäuseunterteil (2) die magnetische Linse (17) und Ablenkspulen (18), das Strahlführungsrohr (15) umgebend, angeordnet sind.

2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlführungsrohr (15) am unteren Ende des Gehäuseunterteils durch ein Klemmstück (22) zentrisch und nach unten herausziehbar gehalten ist.

3. Elektronenkanone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannstück (14) zwecks Justierung in dem Boden (13) des Gehäuseunterteils (2) eingeschraubt ist, sein Bund zum Ausgleich von Längenänderungen durch Erwärmung glatt ausgeführt ist und das Gewinde des Spannstücks (14) so lang ausgeführt ist, daß es sich gegen das Querventil (3) abstützt.

4. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (6) und der Innendurchmesser des Hochspannungsisolators (4) so groß ausgeführt sind, daß die Baugruppe aus Kathode (7) und Wehneltelektrode (8) sowie die Anode (10) nach oben auswechselbar sind.

5. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Gehäuseunterteil (2) und dem Gehäuseoberteil (1) durch die dazwischen angeordneten Distanzstücke (12) so eingestellt ist, daß das Querventil (3) seitlich herausnehmbar ist.