DE19738009B4

DE19738009B4 - Elektronenstrahlkanone mit einer indirekt beheizten Kathode

Info

Publication number: DE19738009B4
Application number: DE1997138009
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Ing. Heck
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1997-08-30
Filing date: 1997-08-30
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2017-08-31
Also published as: DE19738009A1

Abstract

Elektronenstrahlkanone zur Erzeugung eines insbesondere zum Schweißen bestimmten Elektronenstrahls, mit einer indirekt beheizten Kathode (1), die bezüglich der Hauptachse (15) der Elektronenstrahlkanone zentrierbar ist, wobei koaxial zur Mittelachse der Kathode (1) ein die Kathode (1) umschließender Spuleninduktor (2; 18) angeordnet ist, der die Kathode (1) induktiv erwärmt, und ein elektrischer Hohlleiter (17) mit geringem elektrischem Widerstand, den ein Kühlmedium durchströmt, die Windungen des Spuleninduktors (2) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlkanone mit einer indirekt beheizten Kathode.
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 Elektronenstrahlkanone ( DE 35 34 792 C2 ) wird eine direkt beheizbare erste Kathode zur indirekten Beheizung einer zweiten Kathode verwendet. In Abhängigkeit von der Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Kathode trifft ein mehr oder weniger starkes Strahlenbündel von der ersten Kathode auf die zweite Kathode auf, die dadurch entsprechend mehr oder weniger stark aufgeheizt wird. Die auf diese Weise indirekt beheizte zweite Kathode bildet dabei die eigentliche Arbeitskathode, die den zu erzeugenden Elektronenstrahl aussendet. Zur Erzeugung eines exakt definierten Elektronenstrahls ist es wichtig, die Emissionsfläche dieser Arbeitskathode exakt bezüglich der strahlformenden Einrichtungen des Systems zu positionieren, wozu die Arbeitskathode mittels Tragstreben konzentrisch und auswechselbar innerhalb einer Zentrierfläche gehalten wird. Weiter sind andere zentrierbare Kathoden bekannt ( EP 0 296 385 A2 ).

Zudem sind Elektronenstrahlkanonen mit indirekt beheizten Kathoden bekannt ( US 50 55 743 ; DE 15 14 714 A ), bei denen koaxial zur Mittelachse der jeweiligen Kathode ein diese umschließender Spuleninduktor angeordnet ist, der die Kathode induktiv erwärmt.

Weiter ist die Kühlung eines Spuleninduktors, der zum Schmelzen einer Metallelektrode verwendet ist, bekannt ( US 32 26 223 ).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen hohen Wirkungsgrad einer Elektronenstrahlkanone mit einer indirekt beheizten Kathode zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 ist ein die Kathode umschließender Spuleninduktor koaxial zur Mittelachse der Kathode angeordnet, der die Kathode induktiv erwärmt, und ein elektrischer Hohlleiter mit geringem elektrischem Widerstand, den ein Kühlmedium durchströmt, bildet die Windungen des Spuleninduktors.

Damit können insbesondere Wärmeverluste vermieden werden, die bei exzentrischer Lage der Kathode gegenüber der gekühlten Spule zu befürchten wären und einem hohen Wirkungsgrad der Elektronenstrahlkanone entgegenwirkten.

Gemäß Anspruch 2 kann der Spuleninduktor eine mehrere Windungen aufweisende Spule bilden, deren Spulenmittelachse mit der Mittelachse der Kathode zusammenfällt. 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 Spuleninduktor erzeugten hochfrequenten Magnetfeldes beeinflusst die Strahlqualität des von der Kathode ausgehenden Elektronenstrahls nicht.

Besonders vorteilhaft ist es, die Elektronenstrahlkanone gemäß Anspruch 3 auszubilden, so dass der Spuleninduktor aus mehreren bezüglich der Mittelachse der Kathode sternförmig in gleichen Winkelabständen zueinander angeordneten Ferritstabinduktoren besteht, wobei jeder Ferritstabinduktor einen Ferritstab hat, der von wenigstens einer Spulenwindung umgeben ist. Gemäß Anspruch 4 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 5 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 asymmetrisches, hochfrequentes Drehfeld wirkt. Dadurch kann die Kathode in einer gewünschten 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 6 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 7 ist weiterhin vorgesehen, dass die Kathode mittels eines Stellmotors axial nachstellbar ist. Die Kathode kann als Blockkathode in zylindrischer 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 erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus einer Elektronenstrahlkanone mit einem die Kathode umschließenden, mehrere Windungen aufweisenden Spuleninduktor,
2 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus einer Elektronenstrahlkanone, deren Kathode von mehreren sternförmig angeordneten Ferritstabinduktoren umgeben ist, entlang der Linie B-B von 3, und
3 einen vereinfachten und gegenüber 2 geringfügig vergrößerten Querschnitt entlang der Linie A-A aus 2.
Die in 1 dargestellte Elektronenstrahlkanone besitzt eine Kathode 1, die von einem koaxial angeordneten Spuleninduktor 2 indirekt beheizt wird. Die Stirnfläche 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 beschleunigt, 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 gehalten.
Die Lagerelemente 11, 12 stehen mit einem exzentrisch gelagerten Antriebselement 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 Drehbewegung von der Kathode 1 ausgeführt wird. Die Kathode 1 läßt sich somit in einem gewünschten Maße exzentrisch zur Hauptachse 15 mittels der Antriebseinheit 8 positionieren. Durch exzentrische Verstellung der Kathode 1 und des Spuleninduktors 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 beinhaltet.
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 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 3 ist die sternförmige Anordnung der Ferritstabinduktoren 19, 20, 21 ersichtlich. Jeder Ferritstabinduktor besteht aus einem Ferritstab 22; 23; 24 und aus jeweils einer Windung 25; 26; 27, die den jeweils zugehörigen Ferritstab umschließt.
Die Ferritstäbe 22 bis 24 sind magnetschlüssig über einen Ferritring 28 miteinander verbunden, der koaxial zur Hauptachse 15 (2) angeordnet ist.
Die Windungen 25 bis 27 bilden separate Erregerspulen, die mit einem phasenversetzten hochfrequenten Erregerstrom angesteuert werden, so daß ein Drehfeld mit einer Frequenz von < 50 Hz auf die Kathode 1 einwirkt. Um eine Nachjustierung der Kathode 1 in radialer Richtung zu erzielen, kann das Drehfeld asymmetrisch angelegt werden, so daß durch die dadurch entstehenden asymmetrischen Magnetkräfte eine geringfügige elastische Auslenkung der Kathode 1 aus ihrer Mittellage erfolgt.
In 2 besitzt die Kathode 1 eine sich zur Stirnseite 3 verjüngende Mantelfläche. Die Windungen 25 bis 27 sind als Hohlleiter ausgebildet und können demzufolge ebenfalls wie bei dem Ausführungsbeispiel von 1 von einem Kühlmittel durchströmt werden. Die Richtungspfeile K, K' in den 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 einem Kühlmittel durchströmt werden.

Claims

Elektronenstrahlkanone zur Erzeugung eines insbesondere zum Schweißen bestimmten Elektronenstrahls, mit einer indirekt beheizten Kathode (1), die bezüglich der Hauptachse (15) der Elektronenstrahlkanone zentrierbar ist, wobei koaxial zur Mittelachse der Kathode (1) ein die Kathode (1) umschließender Spuleninduktor (2; 18) angeordnet ist, der die Kathode (1) induktiv erwärmt, und ein elektrischer Hohlleiter (17) mit geringem elektrischem Widerstand, den ein Kühlmedium durchströmt, die Windungen des Spuleninduktors (2) bildet.
Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spuleninduktor (2) eine mehrere Windungen aufweisende Spule bildet, deren Spulenmittelachse mit der Mittelachse der Kathode (1) zusammenfällt.
Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spuleninduktor (18) aus mehreren bezüglich der Mittelachse der Kathode (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.
Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ferritstäbe (22; 23; 24) mit ihren der Kathode (1) abgewandten Enden mit einem die Kathode (1) koaxial umgebenden Ferritring (28) magnetschlüssig verbunden sind.
Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 3, 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 Kathode (1) ein asymmetrisches Drehfeld an den Ferritstabinduktoren (19; 20; 21) anliegt.
Elektronenstrahlkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur radialen Nachjustierung der Kathode (1) der Spuleninduktor (2; 18) und die Kathode (1) separat drehbar exzentrisch gelagert sind.
Elektronenstrahlkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) axial nachstellbar ist.