DE19738009A1 - Elektronenstrahlkanone mit einer indirekt beheizten Kathode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlkanone mit einer indirekt beheizten Kathode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektronenstrahlkanonen großer Leistung werden zum Schweißen im Vakuum verwendet. Zur Erzeugung eines gebündelten Elektronenstrahls besitzen derartige Elektronenstrahlkanonen eine beheizbare Kathode sowie Beschleunigungs- und Fokusiereinrichtungen für den von der Kathode ausgesendeten Elektronenstrahl.

Bei einer bekannten gattungsgemäßen Elektronenstrahlkanone (DE 35 34 792 C1) wird eine direkt beheizbare erste Kathode dir indirekten Beheizung einer zweiten Kathode verwendet. In Abhängigkeit von der Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Kathode trifft ein mehr oder weniger starkes Strahlen­ bündel von der ersten Kathode auf die zweite Kathode auf, die dadurch entspre­ chend mehr oder weniger stark aufgeheizt wird. Die auf diese Weise indirekt be­ heizte zweite Kathode bildet dabei die eigentliche Arbeitskathode, die den zu er­ zeugenden Elektronenstrahl aussendet.

Zur Erzeugung eines exakt definierten Elektronenstrahls ist es wichtig, die Emis­ sionsfläche der den Elektronenstrahl erzeugenden Kathode exakt bezüglich der strahlformenden Einrichtungen des Systems zu positionieren. Bei der bekannten Elektronenstrahlkanone wird die zweite Kathode mittels Tragstreben konzen­ trisch und auswechselbar innerhalb einer Zentrierfläche gehalten.

Die direkt beheizte erste Kathode und die indirekt beheizte zweite Kathode un­ terliegen einem starken Verschleiß, was sich ungünstig auf die Präzision des Elektronenstrahls auswirkt. Die nicht nachjustierbaren Kathoden müssen demzu­ folge häufig ausgewechselt werden.

Aus der DE 44 43 830 C1 ist eine Vorrichtung zur Elektronenstrahlerzeugung mit einem Vakuumgehäuse bekannt, bei der eine Massivkathode sowie eine zu ihr in geringem Abstand angeordnete Drahtkathode axial beweglich in dem Vakuumge­ häuse angeordnet sind. Durch eine axiale Verschiebung der Kathoden läßt sich die Leistung des Elektronenstrahls einstellen. Maßnahmen, die zur Nachjustie­ rung des Elektronenstrahls oder zur Verschleißreduzierung im Bereich der Ka­ thoden dienen könnten, sind nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Elektronenstrahlkanone mit ei­ ner indirekt beheizten Kathode so weiterzubilden, daß eine längere Betriebsdauer für die indirekt beheizte Kathode erreicht wird.

Diese Aufgabe wird mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 ist ein die Kathode umschließender Spuleninduktor koaxial zur Mittelachse der Kathode angeordnet, der die Kathode induktiv erwähnt.

Durch die Verwendung von nur einer einzigen Kathode wird gegenüber den be­ kannten Ausführungen mit einer primären und einer sekundären Kathode eine ge­ ringere Verunreinigung des Vakuums durch W-Ionen erreicht, wodurch höhere Standzeiten erzielt werden. Da keine widerstandsbeheizte Primärkathode benötigt wird, kann sich deren Lebensdauer nicht negativ auf die Standzeiten der Katho­ denanordnung auswirken. Der zur Kathodenerwärmung vorgesehene Spulenin­ duktor kann intensiv gekühlt werden, so daß für diese eine sehr lange Lebensdau­ er erreicht werden kann.

Die induktive Erwärmung der Kathode hat weiterhin den Vorteil, daß insbesonde­ re die Stirnseite der Kathode, wo sich die Emissionsfläche zur Erzeugung des Elektronenstrahls befindet, erwähnt wird. Die Kathode kann auch zweiteilig aus­ gebildet sein, derart daß in dem der Emissionsfläche abgewandten Teil der Ka­ thode Kühleinrichtungen wirksam sind. Damit wird eine hohe Präzision der Ka­ thodenlage durch Voreinstellung bei der Montage der Elektronenstahlkanone ein­ gehalten, da geometrische Verlagerungen durch Wärmeverzug weitestgehend eliminiert werden.

Die gemäß Anspruch 2 zur Kühlung des Spuleninduktors vorgesehenen Kühlein­ richtungen sind in vorteilhafter Weise gemäß Anspruch 3 in Form eines elektri­ schen Hohlleiters mit geringem elektrischen Widerstand ausgebildet, den ein Kühlmedium durchströmt und der die Windungen des Spuleninduktors bildet. Durch diese Maßnahmen kann eine unerwünschte Erwärmung des Spuleninduk­ tors und eine damit verbundene Reduzierung seiner Lebensdauer vermieden wer­ den.

Gemäß Anspruch 4 kann der Spuleninduktor eine mehrere Windungen aufwei­ sende Spule bilden, deren Spulenmittelachse mit der Mittelachse der Kathode zu­ sammenfällt. Ein derartiger Spuleninduktor kann aus Elektrolytkupfer hergestellt sein und mit einer Frequenz von 100 bis 200 kHz bei 1 bis 3 kW elektrischer Eingangsleistung betrieben werden. Die strahlparallele Anordnung des vom Spu­ leninduktor erzeugten hochfrequenten Magnetfeldes beeinflußt die Strahlqualität des von der Kathode ausgehenden Elektronenstrahls macht.

Besonders vorteilhaft ist es, die Elektronenstrahlkanone gemäß Anspruch 5 aus­ zubilden, so daß der Spuleninduktor aus mehreren bezüglich der Mittelachse der Kathode sternförmig in gleichen Winkelabständen zueinander angeordneten Fer­ ritstabinduktoren besteht, wobei jeder Ferritstabinduktor einen Ferritstab hat, der von wenigstens einer Spulenwindung umgeben ist. Gemäß Anspruch 6 können die Ferritstäbe in einem die Kathode koaxial umgebenden Ferritring einliegen, der die Ferritstäbe magnetschlüssig verbindet.

Jeder der Ferritinduktoren kann separat mit einem hochfrequenten Erregersignal angesteuert werden. In besonders vorteilhafter Weise kann dies gemäß Anspruch 7 derart erfolgen, daß die auf den Ferritstäben angeordneten Spulenwindungen von einem Drehfelderregerstrom separat aufeinanderfolgend ansteuerbar sind, daß ein magnetisches Drehfeld auf die Kathode zu deren Erwärmung einwirkt. Um dabei eine Nachjustierung in Form einer geringfügigen radialen Auslenkung der Kathode zu bewirken, können die Ferritstabinduktoren mit unterschiedlich starken Erregerströmen angesteuert werden, so daß auf die Kathode ein asymme­ trisches, hochfrequentes Drehfeld wirkt. Dadurch kann die Kathode in einer ge­ wünschten Richtung geringfügig aus ihrer Grundposition ausgelenkt werden, um beispielsweise eine im Bereich der Emissionsfläche aufgetretene geometrische Veränderung auszugleichen. Die zur Nachjustierung der Kathode erforderliche Asymmetrie des Drehfeldes kann als Maß für die noch verbleibende Lebensdauer der Kathode ausgewertet werden.

Die Kathode kann jedoch auch gemäß Anspruch 8 mechanisch radial nachjustiert werden, in dem der Spuleninduktor und die Kathode separat drehbar exzentrisch gelagert sind. Die mechanische und die elektrische radiale Nachjustierung kann dabei auch in Kombination angewendet werden.

Gemäß Anspruch 9 ist weiterhin vorgesehen, daß die Kathode mittels eines Stellmotors axial nachstellbar ist. Die Kathode kann als Blockkathode in zylindri­ scher Form oder in Prismenform ausgebildet sein. Die axiale Nachstellbarkeit der Kathode wirkt sich ebenfalls positiv auf die Lebensdauer der Kathode aus und es kann sogar während einer Serienarbeit eine Nachjustierung der Kathode ohne Unterbrechung des Elektronenstrahlbetriebs vorgenommen werden.

Anhand einer Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläu­ tert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus einer Elektronenstrahl­ kanone mit einem die Kathode umschließenden, mehrere Windungen auf weisenden Spuleninduktor,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus einer Elektronenstrahl­ kanone, deren Kathode von mehreren sternförmig angeordneten Ferrit­ stabinduktoren umgeben ist, entlang der Linie B-B von Fig. 3, und

Fig. 3 einen vereinfachten und gegenüber Fig. 2 geringfügig vergrößerten Quer­ schnitt entlang der Linie A-A aus Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte Elektronenstrahlkanone besitzt eine Kathode 1, die von einem koaxial angeordneten Spuleninduktor 2 indirekt beheizt wird. Die Stirnflä­ che 3 der Kathode 1 bildet die Emissionsfläche für den Elektronenstrahl 4 der in an sich bekannter Weise mittels eines Wehnelt-Zylinders 5 gebündelt wird. Die an der Kathode 1 austretenden Elektronen werden von einer Lochanode 6 beschleu­ nigt, die ein gegenüber der Kathode 1 positives elektrisches Potential hat.

Die Kathode 1, die hier als Blockkathode ausgebildet ist, ist am vorderen Ende einer drehbaren Welle 7 einer Antriebseinheit 8 befestigt. Der Spuleninduktor 2 wird über seine Anschlußleitungen 9, 10 von Lagerelementen 11, 12 behalten.

Die Lagerelemente 11, 12 stehen mit einem exzentrisch gelagerten Antriebsele­ ment 13 eines Stellmotors 14 derart in Verbindung, daß die Lagerelemente 11, 12 gegenüber der Hauptachse 15 der Elektronenstrahlkanone exzentrisch verstellbar sind. Damit läßt sich der Spuleninduktor 2 entsprechend exzentrisch gegenüber der Hauptachse 15 verstellen. Die Kathode 1 ist ebenfalls exzentrisch drehbar gegenüber der Hauptachse 15 mit der Antriebseinheit 8 verbunden, so daß durch ein Drehen der Welle 7 mittels der Antriebseinheit 8 eine exzentrische Drehbe­ wegung von der Kathode 1 ausgeführt wird. Die Kathode 1 läßt sich somit in ei­ nem gewünschten Maße exzentrisch zur Hauptachse 15 mittels der Antriebsein­ heit 8 positionieren. Durch exzentrische Verstellung der Kathode 1 und des Spu­ leninduktors 2 kann eine Nachjustierung des Elektronenstrahls 4 vorgenommen werden, wenn beispielsweise auf der Stirnseite 3 durch längeren Dauerbetrieb sich eine geometrische Veränderung der Emissionsfläche eingestellt hat.

Nach längerer Betriebsdauer kann die Kathode 1 auch axial in Pfeilrichtung 16 durch die Antriebseinheit 8 nachgestellt werden, da die Antriebseinheit 8 nicht nur einen Drehantrieb, sondern auch einen Linearantrieb für die Welle 7 beinhal­ tet.

Der Spuleninduktor 2 besteht aus mehreren Windungen, die von einem elektrisch hochleitfähigem Hohlleiter 17 gebildet werden. Der Hohlleiter 17 wird von einem Kühlmedium, wie zum Beispiel flüssigem Stickstoff, Wasserstoff oder Helium, durchströmt. Über die Welle 7 können auch entsprechende Kühlmittel an der der Stirnseite 3 der Kathode 1 abgewandten Seite 30 wirksam sein.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform einer Elektronenstrahlkanone wird anstelle des Spuleninduktors 2 mit koaxial zur Kathode 1 angeordneten Windungen ein Spuleninduktor 18 verwendet, der aus sternförmig angeordneten Ferritstabinduktoren gebildet wird.

In Fig. 3 ist die sternförmige Anordnung der Ferritstabinduktoren 19, 20, 21 er­ sichtlich. Jeder Ferritstabinduktor besteht aus einem Ferritstab 22; 23; 24 und aus jeweils einer Windung 25; 26; 27, die den jeweils zugehörigen Ferritstab um­ schließt.

Die Ferritstäbe 22 bis 24 sind magnetschlüssig über einen Ferritring 28 miteinan­ der verbunden, der koaxial zur Hauptachse 15 (Fig. 2) angeordnet ist.

Die Windungen 25 bis 27 bilden separate Erregerspulen, die mit einem phasen­ versetzten hochfrequenten Erregerstrom angesteuert werden, so daß ein Drehfeld mit einer Frequenz von < 50 Hz auf die Kathode 1 einwirkt. Um eine Nachjustie­ rung der Kathode 1 in radialer Richtung zu erzielen, kann das Drehfeld asymme­ trisch angelegt werden, so daß durch die dadurch entstehenden asymmetrischen Magnetkräfte eine geringfügige elastische Auslenkung der Kathode 1 aus ihrer Mittellage erfolgt.

In Fig. 2 besitzt die Kathode 1 eine sich zur Stirnseite 3 verjüngende Mantelflä­ che. Die Windungen 25 bis 27 sind als Hohlleiter ausgebildet und können demzu­ folge ebenfalls wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 von einem Kühlmit­ tel durchströmt werden. Die Richtungspfeile K, K' in den Fig. 1 und 2 geben die Strömungsrichtung des Kühlmittels an. Die Ferritstäbe 22 bis 24 sowie der Ferritring 28 können ebenfalls Hohlkammern oder Kanäle aufweisen, die von ei­ nem Kühlmittel durchströmt werden.

Claims (9)

1. Elektronenstrahlkanone zur Erzeugung eines insbesondere zum Schweißen bestimmten Elektronenstrahls, mit einer indirekt beheizten Kathode (1), die be­ züglich der Hauptachse (15) der Elektronenstrahlkanone zentrierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zur Mittelachse der Kathode (1) ein die Kathode (1) umschließen­ der Spuleninduktor (2; 18) angeordnet ist, der die Kathode (1) induktiv er­ wärmt.

2. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kühl­ einrichtungen vorgesehen sind, die den Spuleninduktor (2; 18) kühlen.

3. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Hohlleiter (17) mit geringem elektrischem Widerstand, den ein Kühlmedium durchströmt, die Windungen des Spuleninduktors (2) bildet.

4. Elektronenstrahlkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spuleninduktor (2) eine mehrere Windungen aufweisende Spule bildet, deren Spulenmittelachse mit der Mittelachse der Kathode (1) zu­ sammenfällt.

5. Elektronenstrahlkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß der Spuleninduktor (18) aus mehreren bezüglich der Mittelachse der Ka­ thode (1) sternförmig in gleichen Winkelabständen zueinander angeordneten Ferritstabinduktoren (19; 20; 21) besteht, und
daß jeder Ferritstabinduktor (19; 20; 21) einen Ferritstab (22; 23; 24) hat, der von wenigstens einer Windung (25; 26; 27) einer Spule umgeben ist.

6. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritstäbe (22; 23; 24) mit ihren der Kathode (1) abgewandten Enden mit ei­ nem die Kathode (1) koaxial umgebenden Ferritring (28) magnetschlüssig ver­ bunden sind.

7. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die auf den Ferritstäben angeordneten Windungen (25; 26; 27) derart von einem Drehfeld-Erregerstrom separat aufeinanderfolgend ansteuerbar sind, daß ein magnetisches Drehfeld auf die Kathode (1) einwirkt, und
daß zur radialen Nachjustierung der elastisch auslenkbar angeordneten Katho­ de (1) ein asymmetrisches Drehfeld an den Ferritstabindikatoren (19; 20; 21) anliegt.

8. Elektronenstrahlkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dir radialen Nachjustierung der Kathode (1) der Spuleninduktor (2; 18) und die Kathode (1) separat drehbar exzentrisch gelagert sind.

9. Elektronenstrahlkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kathode (1) axial nachstellbar ist.