DE2047138A1 - Steuersystem fur eine Elektronenstrahl Heizvorrichtung - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weιckmann, Dipl.-Chem. B. Huber

XI

I MÜNCHEN 27, DEN MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 483921/22

Air Reduction Company Inc.

150 East 42nd Street, New York, N.Y., V. St. A.

Steuersystem für eine Elektronenstrahl-Heizvorrichtuna

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine Elektronenstrahl-Heizvorrichtung, mit deren Hilfe eine Zielfläche ervärmt vird·

Elektronenstrahlofen in einer Vielzahl von Ausführungsformen sind brauchbare Einrichtungen zur Bearbeitung einer Vielzahl von Metallen, Legierungen oder anderen Stoffen, bei denen z.B. hohe Reinheitsgrade durch Entgasung oder durch Vermeidung einer Reaktion mit Sauerstoff und Stickstoff zu erzielen sind. Ein anderer Anvendungsfall betrifft eine Trägerschicht, die durch Verdampfung und Kondensatinn eines Materials zu überziehen ist. Die Elektronen-trahlen eignen sich dabei besonders zur Erwärmung, und zwar insofern, als es möglich ist, in eine Schmelze örtlich V'irme

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einzuführen. Elektronenstrahlofen enthalten in typischer Weise einen evakuierten Hohlraum, einen Behälter für das zu be- bzw. verarbeitende geschmolzene Material und ein Elektronenstrahl-Heizsystem mit einer oder mehreren Elektronenkanonen, und zwar in Verbindung mit den zugehörigen Ablenk- und Steuersystemen für die Richtung und Fokussierung der Elektronenstrahlen.

In Abhängigkeit von der jeweiligen Be- bzw, Verarbeitungsart kann der Behälter für das geschmolzene Material eine Vielzahl von Formen annehmen. In dem Falle, daß es erwünscht ist, das Material in dem Behälter zu verdampfen und anschließend auf einer in geeigneter Weise getragenen Trägerschicht zu deren überziehen zu kondensieren, ist ein typischer Behälter durch einen aufrechtstehenden Schmelztiegel mit offener Oberseite gebildet. Die Elektronenstrahlheizung bzw. -erwärmung ermöglicht, den Schmelztiegel selbst zu kühlen und damit zwischen dem Schmelztiegel und dem geschmolzenen Material eine Schicht aus dem verfestigten Schmelzmaterial zu bilden.. Auf diese Weise wird die Reinheit des geschmolzenen Materials geschützt, und außerdem ist es hierdurch unnötig, für die Schmelztiegelkonstruktion Stoffe zu verwenden, die eine hohe Hitzebeständigkeit besitzen.

Eine weitere Form der Bearbeitung ist die Reinigung von Metallen und Legierungen in der Weise, daß das geschmolzene Metall oder die geschmolzene Legierung über einen flachen Schmelzraum geführt wird. Dadurch, daß das betreffende Metall oder die betreffende Legierung einem Vakuum ausgesetzt wird und gleichzeitig an der Oberfläche einer Elektronenstrahlerhitzung ausgesetzt wird, ergibt sich, daß viele flüchtige Verunreinigungen und eingeschlossene Rase

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aus der Materialschmelze abgezogen -werden können. Auf diese Weise gelangt man zu einem gereinigten Erzeugnis. Andere Behälterformen können hier verwendet werden, wie sogenannte Tundischanordnungen, Rinnen und Gießpfannen, die geschmolzenes Material zwischen verschiedenen Steifen zu transportieren erlauben. Eine Elektronenstrahlerwärmung kann dabei dazu herangezogen werden, das Material in den betreffenden Behältern im geschmolzenen Zustand zu erhalten.

Während der Bearbeitung von geschmolzenem Material in I

einem Elektronenstrahlofen kann das verdampfte Material Ionisationsprobleme mit sich bringen oder die verschiedenen Teile der Elektronenstrahlkanone überziehen. Hierdurch kann der Betrieb dieser Elektronenstrahlkanone beeinträchtigt ■werden. Darüber hinaus kann der Betrieb der Elektronenstrahlkanone dadurch beeinträchtigt werden, daß von den kalten Oberflächen des Vakuumhohlraums kondensierte Materialien abplatzen und daß geschmolzenes Material aus dem Schmelztiegel verspritzt und verspratzt. Dadurch, daß man die Elektronenstrahlkanone unterhalb des das geschmolzene Material enthaltend Behälters anordnet und den Elektronenstrahl längs einer Kurvenbahn entsprechend g

einem Winkel von 180° oder einem noch größeren Winkel ablenkt, ist die Verunreinigung und Unzulänglichkeit der Elektronenstrahlkanone auf einen minimalen ¥ert herabgesetzt.

In Elektronenstrahlofen, in denen große Zielflächen zu erwärmen sind, besteht häufig der Wunsch, den Elektronenstrahl nach einem bestimmten Muster über die jeweilige Zi^,elf lache hinwegzuführen, um die Anzahl an erforderlichen Elektronenstrahlkanonen auf einen minimalen Wert herabzusetzen. Zur Erzielung der erwünschten Elektronenstrahl—

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bewegung bei einer Ab- bzw. umlenkung des Elektronenstrahls um einen größeren Kinkel als 180° werden in typischer Weise Quermagnetfelder mit veränderlicher Feldstärke verwendet· Ist ein orthogonales Abtastmuster längs einer X- und längs einer Y-Achse erwünscht, so können zwei Quermagnetfelder in der Elektronenstziahlbahn verwendet werden. Bei derartigen Magnetfeldern sind die Flußlinien dann so ausgerichtet, daß sie die Elektronenstrahlbahn im wesentlichen senkrecht kreuzen. Die betreffenden Flußlinien verlaufen dabei bezogen auf die Elektronenstrahlbahn effektiv senkrecht zueinander. ':

Die Magnetfeldstärke wird in typischer Weise dadurch verändert, daß der die Wicklungen des für die Felderzeugung verwendeten Elektromagneten durchfließende Strom verändert wird. Die Lage des Elektronenstrahls auf der Zielfläche längs der jeweiligen Achse, welche durch das jeweilige Feld gesteuert, wird, hängt dann zum Teil von dem Strom ab, der dem Elektromagneten zugeführt wird.

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raßl / 1 einem Wiederholungsmuster

geführt wird, wird dem Elektromagneten eine entsprechende Wiederholungs-Sfromsignalfolge zugeführt. Wird dem Elektromagneten eine dreieckig verlaufende Signalfolge zugeführt, so ergibt sich eine Elektroneilstrahlabtastung bzw. -bewegung, bei der die Elektronenstrahlbewegung sich konstant ändert. Es gibt jedoch Fälle, in denen es erwünscht ist, in bestimmte Bereiche der jeweiligen Zielfläche mehr Leistung einzuführen als in andere Bereiche. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß eine speziell geformte Signalfolge erzeugt wird, mit der die Abtastgeschwindigkeit oder -richtung des Elektronenstrahls verändert wird. Es ist jedoch häufig schwierig, eine Signalfolge mit einer komplizierten Form zusammenzusetzen, wie sie für sämtliche möglichen Erwärmungsmuster erforderlich ist.

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Zur Milderung des vorstehend aufgezeigten Problems und zur Veränderung der in bestimmte Bereiche einer Zielfläche · eingeführten Leistung ohne die Notwendigkeit der Erzeugung von komplizierten Signalfolgen sind bereits Steuersysteme entwickelt worden, die den jeweiligen Abtast- bzw« Bewegungssignalzug digital zusammensetzen. Dies erfolgt dadurch, daß · ein Treppensignalzug erzeugt wird, der eine Annäherung an den erwünschten analogen Signalzug darstellt. Bei den bisher bekannten Systemen, die nach diesem Prinzip arbeiten, ist | das Wärmemuster dadurch geändert worden, daß die Konzentration der digital bestimmten Elektronenstrahl-Auftreffstellen in einem gegebenen Abschnitt der Zielfläche im Vergleich zu anderen Bereichen der Zielfläche verändert wurde . Da lediglich eine feste Anzahl an Auftreffstellen in typischer Weise zur Verfügung steht, ist es erforderlich, die Gesamtverteilung der Positionen bzv. Stellen zu verschieben, wenn es erwünscht ist, das Wärmemuster neu zu verteilen» Mit derartigen Systemen sind jedoch einige Beschränkungen hinsichtlich der Erzielung bestimmter erwünschter Wärmemuster verbunden. Darüber hinaus bringt die Notwendigkeit der Änderung der Gesamt-Positionsver- _J

teilung zum Zvecke der'Änderung des Wärmemusters einen "

erhebliehen Grad an Unannehmlichkeit und Kompliziertheit mit sich.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Elektronenstrahl^Heizvorrichtung für die Erwärmung einer Zielfläche zu schaffen. Ferner ist ein neues Steuersystem für die Vervendung in einer Elektronenstrahl-HeizvorriGhtung zu schaffen. Durch das neu zu schaffende Steuersystem soll die durch den Elektronenstrahl auf die jeweilige Zielfläche abgegebene Bnergie in einer großen Anzahl von Mustern abgegeben werden können. Dabei soll das

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neu zu schaffende Steuersystem die jeweilige Energie auf die Zielfläche an irgendeine Stelle aus einer Vielzahl von digital bestimmten Auftreffstellen abzugeben gestatten, währenddessen eine Elektronenstrahlabtastung bzw. -ablenkbewegung entsprechend der Zeltdauer gesteuert wird, während der der Elektronenstrahl auf die betreffende Stelle gerichtet ist, .

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch ein Steuersystem für eine Elektronenstrahl-Heizvorrichtung zur Erwärmung einer Zielfläche, mit einem Signalerzeuger, der zumindest ein elektrisches Signal veränderlicher Amplitude erzeugt und damit die Elektronenstrahl-Heizvorrichtung veranlaßt, den Elektronenstrahl über die Zielfläche hinwegzuführen, wobei das elektrische Signal eine Vielzahl von diskreten Pegeln annimmt, die charakteristisch sind für eine entsprechende Vielzahl von Elektronenstrahl-Auftreffstellen auf der Zielfläche ,erfindungsgemäJB dadurch, daß der Signalerzeuger eine Steuereinrichtung zur steuerung des Zeitintervalls enthält, innerhalb dessen das elektrische Signal irgendeinen der genannten diskreten Pegel besitzt, daß die durch den Elektronenstrahl an die Zielfläche abgegebene Energie an irgendeiner Elektronenstrahl-Auftreffstelle während einer Elektronenstrahlablenkung entsprechend der Zeitdauer steuerbar ist, während der der Elektronenstrahl auf άίφ betreffende Auftreffstelle gerichtet vist_f

»
An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend

näher erläutert,

Fig. 1 zeigt fcum Teil schematisch ,zum TeJ.1 in eitlem Blockdiagramm eine die Erfindung umfassende Slektronenstrahl-Heizvorrichtung.

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Fig* 2 zeigt zum Zwecke der Erläuterung einer bestimmten Betriebsweise der Erfindung eine Folge von Elektronenstrahl-Auftreffstellen auf der Oberfläche einer Zielfläche. Fig. 3 und 4 zeigen in Kurvendiagrammen den zeitlichen Verlauf eines Elektronenstrahl-Ablenkstroms, der durch das Steuersystem gemäß der Erfindung erzeugt werden kann. Fig. 5 zeigt in einem Schaltplan eine bei der Anordnung gemäß Fig. 1 verwendbare einstellbare Impulsschaltung. Fig. 6 zeigt in einem Schaltplan einen Signalgenerator, der i bei der Anordnung gemäß Fig, 1 verwendet werden kann. Fig. 7 zeigt in einem Schaltplan einen Teil eines Steuerverstärkers, der bei der Anordnung gemäß Fig. 1 verwendet werden kann.

Das Steuersystem gemäß der Erfindung enthält, generell gesagt, einen Signalerzeuger 11, der zumindest ein elektrisches Signal mit veränderlicher Amplitude erzeugt. Mit Hilfe dieses elektrischen Signals wird die Heizvorrichtung 12 veranlaßt, einen Elektronenstrahl über eine Zielfläche 13 hinwegzuführen. Das elektrische Signal nimmt dabei eine Vielzahl von diskreten Pegeln an, die einer entsprechenden Vielzahl von Elektronenstrahl-Auftreff- "

stellen auf der Zielfläche entsprechen. In dem Signalerzeuger sind Steuereinrichtungen 14 vorgesehen, die das Zeitintervall steuern, währenddessen das betreffende elektrische Signal den jeweiligen diskreten Pegel annimmt.

Im folgenden sei besonders auf Fig. 1 eingegangen, in der die die Erfindung umfassende Elektronenstrahl-Heizvorrichtung 12 dargestellt ist. Die dargestellte Zielfläche ist durch ein Bad einer Materialschmelze 16 gebildet, die durch Yärmeeinführung bzw. -abgabe in bzw. an ihre freiliegende Oberfläche 13 mittels eines Elektronenstrahls erwärmt wird.

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Die Umgrenzungslinie des Elektronenstrahls ist durch die gestrichelten Linien 17 angedeutet. Das Schmelzbad 16 befindet sich in einem Schmelztiegel 18, der eine Vielzahl von Kühlmitteldurchgängen 19 aufweist, durch die ein geeignetes flüssiges Kühlmittel hindurchgeleitet wird. Durch die Abkühlung des Schmelztiegels bildet sich zwischen dem Schmelzbad 16 und den Innenwänden des Schmelztiegels 18 eine Schicht 21 aus verfestigtem geschmolzenen Material. Hierdurch wird die Reinheit des geschmolzenen Materials unterstützt, und außerdem wird ein Zusammenwirken^wischen dem geschmolzenen Material und dem Schmelztiegelma^erial verhindert.

Der Elektronenstrahl 17 wird durch eine geeignete Elektronenstrahlkanone 22 erzeugt. Bei.dem dargestellten System liegt die Elektronenstrahlkanone unterhalb der Höhe der Oberfläche 13, und zwar neben dem Schmelztiegel 18. Auf diese Weise ist die Elektronenstrahlkanone vor sich entwickelnden Dämpfen und verspritzendem Material geschützt. Die dargestellte Elektronenstrahlkanone erzeugt einen Elektronenstrahl 17, dessen Querschnitt etwa ein langgestrecktes Oval ist. Ein derartiger Elektronenstrahl wird in typischer Weise als bandförmiger Elektronenstrahl bezeichnet. Derartige Elektronenstrahlen werden durch Verwendung eines langgestreckten Emitters oder Heizfadens erzeugt, von dem die Elektronen längs einer Bahn beschleunigt werden, die senkrecht oder nahezu senkrecht zu dem betreffenden Heizfaden verläuft. Eine Elektronenstrahlkanone geeigneter Konstruktion für den dargestellten Zweck ist an anderer Stelle bereits beschrieben (US-PS 3 170 019). Es dürfte einzusehen sein, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung derartiger Elektronenstrahlkanonen beschränkt ist. ■

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Der Elektronenstrahl wird mittels eines geeigneten Ablenksystems auf die Oberfläche 13 des Schmelzbades gerichtet. Das besonders dargestellte System soll dabei lediglich als ein Beispiel- für ein System angesehen werden, das imstande ist, den Elektronenstrahl in der nachstehend beschriebenen Weise abzulenken. Andere Ablenksysteme, die den Elektronenstrahl abzulenken imstande sind, sind z.B. in den US-Patentschriften 3 446 934, 3 235 647 und 3 390 angegeben. Gemäß der Erfindung können irepjiensignalzuge erzeugt werden, um derartige Ablenksysteme oder andere Arten von Ablenksystemen entsprechend zu steuern. Die Eigenschaft derartiger Signalzüge hängt natürlich von der Art des verwendeten Ablenksystems und von dem gewünschten Ablenkmuster ab.

Das dargestellte Ablenksystem umfaßt zwei Magnetpolstücke 23 und zvei weitere Magnetpolstücke 24, von denen nur eines sichtbar ist· Die Polstücke 23 werden durch den Signalerzeuger 11 gespeist, und zwar durch Abgabe eines elektrischen Stroms durch geeignete Erregerspulen 25. Das Hindurchfließen des Stroms durch die Spulen ruft ein Magnetfeld hervor, das zwischen den Polstücken 23 quer zu d$r Bahn des Elektronenstrahls 17 verläuft. Zwischen den Polstücken 24 wird in entsprechender Weise durch geeignete Erregerspulen (nic&t dargestellt) ein Magnetfeld erzeugt» Den betreffenden Erregerspulen werden dabei elektrische Signale von dem Signallerzeuger 11 zugeführt. $s- sei bemerkt, daß die Richtung der zwischen den Polstücken 23 und den Polstücken 24 verlaufenden Magnetfelder um 90° gegeneinander und in Bezug auf die Elektroneastrahlbahn vertetzt ist. Eine Veränderung der Stärke der Magnetfelder zvischen den Polstücken 23 und zwischen den Polstücken 24 kann demgemäß vorgenommen werden,

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um eine Bewegung des Elektronenstrahls längs der x-?Acfcse mä der Y-Achse zu bewirken. Durch Abgabe geeigneter Signale an die Erregerspulen für die Ablenkplatten 23 und 24 kann der Elektronenstrahl 17 in einem Master oder Raster über die Oberfläche 13 hinweggeführt bzw. abgelenkt werdeil, um dadurch die Erwärmung des geschmolzenen Materials durch Wärm-eabfabe an die betreffende Oberfläche zu bewirken. Das Magnetfeld zwischen den Plätten 24 wird um einen bestimmten Gleichspantnungspegel geändert, und zwar um eine solche Feldstärke aufrecht zu halten, daß der Elektronenstrahl längs einer gekrümmten Bahn auf die Oberfläche 13 abgelenkt ist. Das Feld zwischen den Ablenkplatten 23 und 24 hat ferner einen Fokussierungseffekt auf den Elektronenstrahl zur Folge. Demgemäß ist der Elektronenstrahl-Querschnitt auf der Zielfläche angenähert rund geformt.

Um elektrische Signale mit sich ändernder Amplitude zu erzeugen, x&iä zwar dazu, die Heizvorrichtung zu veranlassen, den Elektronenstrahl über die Zielfläche hinwegzuführen bzw. abzulenken, enthält der dargestellte Signaler&euger 11 zwei Ablenk-Signalgeneratoren 26 und 27. Öer Querablejak-Signalgenerator 26 gibt dabei Signale über einen Kanal eines Zweikanal-Steuerverstärkers 28 an die Erregerspulen für die Polstücke 23 ab. Der Längsablenk-Signalgenerator 27 gibt entsprechende Signale über den anderem Kanal dies Verstärkers 28 für die (nicht dargestellten) Erregers piäl en äer Polstücke 24 ab. Ein ία* diesen Zweck bevorzugter Ablenie-SignalgemerätöT wird nächste'hend näher beschrieben. Es sei jedoch bemerkt, daß auch andere Schaltungsarten unter gewissen Voraus fet asungen verwendet werden können, um eine stufenförmig gich ändernde Spannung oder einen entsprechend sich ändernden Strom auf Eingangs-Steuersignale hin abzugeben«

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Demgemäß wird eine Steuerung des Elektronenstrahls längs der x- und y-Achse dadurch bewirkt, daß die Feldstärke der Ablenkfelder zwischen definierten Pegeln geändert wird.

Um Steuersignale für die Signalgeneratoren 26 und 27 zu liefern und damit die Signalgeneratoren zu veranlassen ihre Ausgangspegel zu ändern und demgemäß den Elektronenstrahl in eine neue Lage auf der Zieloberfläche zu bringen, umfaßt der Signalerzeuger eine Reihe von Impulsschaltungen 29, * deren jede mit einem ersten Impulsausgang an jeden der Ab- ^ lenk-Signalgeneratoren 26 und 27 angeschlossen ist. Ein zweiter Impulsausgang ist an eine nachfolgende Impulsschaltung angeschlossen. Die betreffenden Impulsschaltungen 29 bilden dabei einen Ringzähler. Die Einstelleigenschaft der jeweiligen Impulsschaltung 29 ermöglicht eine Einstellung der Zeitspanne zwischen der Aufnahme eines Eingangsimpulses von der unmittelbar vorhergehenden Impulsschaltung und der Erzeugung eines Ausgangssimpulses an jedem der beiden vorgesehenen Ausgänge. Die erste der Impulsschaltungen 29 ist an eine Start—Klemme 31 angeschlossen. Der Ausgang der letzten Impulsschaltung ist an den Eingang der ersten

Impulsschaltung zurückgeführt. Die Anzahl "der verwendeten ä

Impulsschaltungen entspricht der Anzahl an diskreten Zielflächenstellen, die für die Elektronenstrahlablenkung erirünscht sind. Der Ringzählerbetrieb kann dadurch eingeleitet werden, daß ein geeigneter kurzzeitiger Impuls an die 'Klemme 31 abgegeben wird. Der Ringzählerbetrieb kann dadurch angehalten werden, daß der Pluspol der nicht dargestellten Batterie abgeklemmt wird.

Bezughehniend auf Fig. 2 sei bemerkt, daß das in einem Schmelztiegel 18 enthaltene geschmolzene Material z.B.

eine rechteckförmige Zielfläche 13 bildet. Auf der Oberfläche M

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ist in Fig. 2 ein zehn Stellungen umfassendes Ablenkmuster dargestellt, das durch die mit a bis j bezeichneten Punkte festgelegt ist. Es sei in diesem Zusammenhang angenommen, daß von dem Signalgenerator 26 ein Null-Ausgangsstrom und von dem Signalgenerator 27 ein Ausgangsstrom von 2 Ampere abgegeben wird'und daß der Elektronenstrahl auf den Punkt j hierdurch eingestellt wird. Die von den Ablenksignal-Generatoren 26 und 27 zur Ablenkung des Elektronenstrahls durch die verschiedenen Stellen a bis j erforderlichen Ausgangssignale sind in Fig. 3 und A,veranschaulicht. Demgemäß ist an der Stelle a das Ausjfianejs signal des Signalgenerators 26 gleich Null, während das _;Awgangssignal des Signalgenerators 27 ein Ampere beträgt. An der Stelle b hat sich der Querablenk-Ausgangsstrom zu dem Wert 0,2 hin verschoben, während der Längsablenk-Ausgangsstrom sich zu dem Wert 1,5 hin geändert hat. Die Ausgangssignale ändern sich in dieser^Weise solange, bis der Elektronenstrahl einmal durch die Stellen a bis i und zurück zu der Stelle j geführt worden ist. Ein von der letzten Impulsschaltung zu der ersten Impulsschaltung zurückgeführtes Rückkopplungssignal kann die Folge wieder erneut umlaufen lassen. Wie noeh ersichtlich werden wird, wird jede Änderung der Strompegel durch die Ablenk-Signalgeneratoren 26 und 27 gemäß einem programmierten bzw. festgelegten Muster ausgelöst, und zwar durch Aufnahme eines Impulses von einer entsprechenden Impulsschaltung der Impulsschal tungen 29·

Um die Verweilzeit des Elektronenstrahls an irgendeiner bestimmten Stelle der bezeichneten Stellen ändern zu können, sind die Impulsschaltungen 29 durch Steuereinrichtungen einstellbar. Demgemäß kann die Dauer, während der die Ausgangssignale der Ablenk-Signalgeneratoren 26 und 27 bei

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einem gegebenen Pegel verbleiben, durch geeignete Einstellung der irpil s schaltung en 29 eingestellt werden. Im folgenden wird ein mögliches Beispiel der Anwendung der Erfindung näher erläutert, ohne daß damit jedoch eine Beschränkung der Erfindung verknüpft sein soll. Bei dem Ablenkmuster gemäß Fig. 3 und 4 kann es wünschenswert sein, daß der Elektronenstrahl an den Stellen b, c, h und e langer verweilt als an den übrigen Steifen, da die Elektronenstrahl-Punktgröße an diesen Stellen zufolge der Eigenschaft des Ablenksystems größer sein kann, und zwar unter entsprechender Verminderung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit. Dadurch, daß der Elektronenstrahl in diesen Bereichen langsamerer Wärmeübertragung länger festgehalten wird, kann eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in dem Schmelzbad erzielt werden. Demgegenüber kann die Verweilzeit, die für den Elektronenstrahl an der Stelle j erforderlich ist, relativ kurz sein, da die Wärmeverluste von dem Schmelzbad an dieser Stelle minimal sind und da der Elektronenstrahl an dieser Stelle scharf fokussiert ist. Wie aus Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, ist die Zeitspanne, während der die Signale in geeigneter Form vorliegen, um den Elektronenstrahl an die Stellen b, c, i und j abzugeben, 50% länger als die Zeitspanne, während der die Signalpegel in geeigneter Weise vorliegen, um den Elektronenstrahl an die Stellen a, d, e, f und g abzugeben. Darüber hinaus besitzen die Signale geeignete Pegel, um den Elektronenstrahl an die Stelle j für eine Dauer abzugeben, die lediglich ein Drittel der Zeitspanne beträgt, während der der Elektronenstrahl sich an den Stellen d, c, h und i befindet. Es dürfte somit einzusehen sein, daß eine Vielzahl von Veränderungen möglich sind, und zwar je nachdem gewünschten besonderen Wärme- bzw, Heizmuster. Durch die auf diese Weise vorgenommene

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Erwärmung bzw, Heizung kann die Verteiltmg der verschiedenen El«lc1^cKens1^ahl-ATaf1:reffstellen die sein; das Heizmuster kann jedoch durch geeignete Jaidarung der Zeitspaame_:, während der der Elektronenstrahl auf irgendeine Jo^tref fs teile gerichtet ist., durchgreifend geändert werden.«

Im folgenden sei die in Fig. 5 dargestellte Schaltungsanordnung näher 'betrachtet, die als eine Impulsschaltung verwendet werden kansa.. Die Impulsschaltung umfaßt einen unistabilen Multivibrator, dem eine Triggerstufe nachfolgt. Der Multivibratorteil der Impulsschaltn&ig enthält zwei Transistoren 33 und 34 vom npn-Leitfähigkeitstyp mit auf gleichem Potential liegenden Emittern. Die betreffenden Transistoren sind in typischer Multivibratorweise miteinander verbunden,, wobei der Kollektor des Transistors 33 mit der Basis des Transistors 34 über einen Kondensator 36 und der Kollektor des Transistors 34 über einen Kondensator 37 »it der Basis des Transistors 33 gekoppelt ist. Der Transistor 34 ist so vorgespannt» daß er normalerweise leitend ist und einen Strom von einer positiven Spannungskleene 38 über einen Einstellwiderstand 39 u^d einen Pestwiderstand 41 mit seiner Basis aufnimmt. Der Transistor 33 ist so vorgespanntj daß er normalerweise gesperrt ist. Hierzu dient ein Widerstand 42, der an eine negative Spaniiungsklemiiie 46 angeschlossen ist. Der Widerstand 43 verbindet die Basis des Transistors 3.3 mit dem Kollektor des Transistors 34» und der Widerstand 44 verbindet den Kollektor des Transistors 34 mit der positiven Spannungskleiime 38. Εφη Kollektorwiderstand 47 ist im Kollektorkreis des Transistors 3'3 vorgesehen. Dieser Kollektorwidferstand 44 liegt zwischen dem Kollektor des Transistors 33«: und der positiven Spararangskleraiie 38, Ein

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Abgriff des Einstellwiderstands 39 ist an die positive Spannungsklensne 38 angeschlossen. Außerdem ist der betreffende Abgriff des Widerstands 39 über einen Pilterk'ondensator 49 geerdet. Der Emitter des Transistors 34 ist über einen Filterkondensator 51 an die negative Spannungsklemme 46 angeschlossen. Die Eingangskiemme 52 des Multivibrators ist über eine Diode 53 mit der Basis des Transistors 33 verbunden.

¥ie bereits erwähnt» ist der Transistor 34 normalerweise leitend. Deshalb führt der Kollektor dieses Transistors dabei Bezugs- oder Erdpotential. Der Transistor 33 ist normalerweise so vorgespannt, daß er durch die an der negativen Spannungsklemme 46 liegende Spannung gesperrt ist. Ein Eingangsimpuls mit der neben der Eingangsklemme angedeuteten Form dient dazu, das Triggern des Multivibrators auszulösen. Dieser Impuls kann von der Startklemme (Fig. 1) oder durch Rückkopplung von der letzten Impulsschaltung (Fig. 1) geliefert werden. In jedem Fall wird ein positiver Impuls über die Diode 53 der Basis des Transistors 33 zugeführt» wodurch dieser Transistor 33 in den leitenden Zustand gelangt. Dadurch wird die Basis des Transistors 34 wirksam über den Kondensator 36 und den Transistor 33 geerdet. Der Transistor 34 wird damit in den nichtleitenden Zustand übergeführt. Am Kollektor des Transistors 34 tritt dabei ein Rechteckimpuls auf, dessen Breite durch die Abschaltzeit des Transistors 34 bestimmt ist. Die Abschaltzeit des Transistors 34 wird dabei durch die Steuereinrichtung 14 bestimmt, die ein RC-Glied ist, das aus dem Kondensator 49 und den Widerständen 39 und 41 besteht. ^T*7enn der Transistor 34 wieder in den leitenden Zustand gelangt, und zwar dadurch, daß sein Basispotential wieder positiv wird, sinkt die Kollektorspannung dieses Transistors wieder auf einen dem Erdpotential entsprechenden Wert ab. Dadurch vermag die an

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der negativen Spannungsklemme 46 vorhandene Spannung den Transistor 33 so vorzuspannen, daß dieser erneut in den nichtleitenden Zustand gelangt.

Das durch den Betrieb des Multivibrators am Kollektor des Transistors 34 erzeugte Rechteck-Ausgangssignal wird den Ablenk-Signalgeneratoren zugeführt, wie "dies durch den Pfeil angedeutet ist. Die Form einer derartigen Wellebzw, eines derartigen Signals'ist neben dem betreffenden Pfeil' angedeutet. Die Breite der betreffenden Welle bestimmt die Dauer, während der die entsprechenden Signalgeneratoren 26 und 27 (Fig. 1) ein Ausgangssignal abgeben, das bei dem gewünschten Ausgangspegel verbleibt. Die Breite der betreffenden Welle wird durch Verändern der Stellung des Abgriffs an dem Einstellwiderstand 39 geregelt oder •gesteuert.

Neben der Abgabe des Ausgangssignals des Multivibratorteils der dargestellten Schaltung an die Ablenk-Signalgeneratoren wird das betreffende Ausgangssignal einer Triggerschaltung zugeführt, die einen Transistor 56 vom npn-Leitfähigkeitstyp enthält. Das Signal wird dabei der Basis des Transistors 56 über ein Differenzierglied zugeführt, das einen Kondensator 57 und einen Widerstand 58 enthält. Eine Diode 59 überträgt dabei den negativen Teil des jeweiligen differenzierten Impulses, und ein Koppelkondensator 61 überträgt diesen negativen Impuls zu der Basis des Transistors 56 hin. Die Verbindung zwischen der Diode 59 und dem Kondensator 61 ist über einen Widerstand 62 geerdet. Der Transistor 56 ist über den Widerstand 63» der zwischen seiner Basis und derpositiven Spannungsklemme 38 liegt, so vorgespannt, daß er normalerweise leitend ist. Der Transistor 56 f^'hrt dabei einen Strom, der von der positiven Spannungsklemme 38 über

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einen Kollektorwiderstand 64 nach Erde fließt. Dadurch tritt am Kollektor des Transistors 56 Bezugs- oder. Erdpotential auf. Auf die Aufnahme eines differenzierten Impulses an der Basis des Transistors 56 hin wird der betreffende Transistor kurzzeitig in den nichtleitenden Zustand übergeführt. Dadurch wird der Emitter veranlaßt, einen Impuls entsprechend der daneben dargestellten Wellenform abzugeben. Der Emitter ist mit der nächstfolgenden Impulsschaltung verbunden, wie dies der betreffende Pfeil |

veranaschaulicht. Im Falle der letzten Impulsschaltung ist der Ausgang zum Eingang der ersten Stufe zurückgekoppelt (Fig. 1).

Obwohl in Verbindung mit den Impuls schal tungell 29 eine besondere Schaltung gezeigt und beschrieben worden ist, dürfte einzusehen sein, daß auch irgendeine andere geeignete Schaltung verwendet werden kann. Eine derartige Schaltung sollte ein Signal variabler Dauer abgeben, damit die Verweilzeit des Elektronenstrahls an irgendeiner der gegebenen Auftreffstellen leicht steuerbar ist. Demgemäß kann die Energie gesteuert werden, die auf die Zielober- ■ fläche durch den Elektronenstrahl an irgendeiner Auftreff- ™ stelle abgegeben wird, durch die der betreffende Elektronenstrahl geführt . wird.

Im folgenden sei Fig. 6 näher betrachtet, in der ein Teil eines Signalgenerators schematisch dargestellt ist, der entweder als Querablenk-Signalgenerator 26 oder als Längsablenk-Signalgenerator 27 verwendet werden kann. Der Signalgenerator enthält eine Reihe von Transistorstufen 66, deren jede einer anderen Elektronenstrahlstelle der zehn Elektronenstrahlsteilen a bis j entspricht. Die Basis jedes Transistors 66 ist an eine der vorgesehenen Impulsschaltungen 29 ange-

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schlossen,, und zwar an den Kollektor des jeweiligen Transistors 34 (Fig. 5). Dies trifft für die entsprechenden Stufen in beiden Signalgeneratoren zu, so daß jede Impulsschaltung eine Stufe in jedem Signalgenerator steuert. Vorzugsweise ist die Verbindung der Basen der Transistoren 66 mit den entsprechenden Impulsschaltungen über eine geeignete Torschaltung geführt, durch die jegliche Störimpulse unterdrückt werden, die durch den Ringzähler erzeugt worden sind. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß von den Transistorstufen 66 jeweils nur eine arbeitet. ■

Jede Transistorstufe 66 ist mit ihrem Kollektor an eine Speisespannungsklemme 67 angeschlossen, die eine positive Spannung führt. Die Größe dieser Spannung ist gleich der maximal erwümschten Amplitude der Ausgangsspannung des Transistors 66 oder sogar noch höher als diese Amplitude. Der Emitter jedes Transistors 66 ist über einen Widerstand mit einem einstellbaren Abgriff 69 geerdet. Der einstellbare bzw. veränderliche Abgriff 69 des jeweiligen Widerstands ist mit der einen Elektrode einer Diode 71 verbunden, deren andere Elektrode an einen Lastwiderstand 72 angeschlossen ist. Auf diese Weise wird der jeweilige erdseitige Teil jedes Widerstands 68 dem Lastwiderstand 72 parallelgeschaltet. Der Kollektor jeder Transistorstufe bzw· jedes Transistors 66 ist Über einen Kondensator 65 geerdet.

Das sich über den Lastwiderstand'72 ausbildende Signal wird über einen Binstellwiderstand 73 der Basis eines Ausgangstransistors 74· zugeführt. Die Basis des Transistors 74 ist über einen Kondensator 76 geerdet. Der Kondensator 76 und der Einstellwidierstand 73 bilden ein RC-Glied, das eine einstellbare Zeitkonstante besitzt. Der Kollektor des

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Transistors 74 ist an eine Speisespannungsklemme 67 angeschlossen und über einen Kondensator 77 geerdet. Der Emitter des Transistors 74 ist über einen Widerstand 78 geerdet. Die Ausgangssignale des Signalgenerators werden an einem einstellbaren Abgriff 7.9 des Widerstands 78 abgenommen.

Während des Betriebs wird jede Transistorstufe 66 des Signalgenerators auf die Aufnahme eines Impulses von einer entsprechenden Impulsschaltung der Impulsschaltungen 29 hin in den leitenden Zustand getriggert. Auf die. Beendigung eines solchen Impulses hin wird die betreffende Transistorstufe in den nichtleitenden Zustand übergeführt. Die Amplitude des Ausgangssignals der jeweiligen Transistorstufe 66 ist entsprechend der jeweiligen Auftreffstelle a bis j durch Einstellung des Abgriffs 69 eingestellt. Wenn die jeweilige Transistorstufe 66 eingeschaltet, d.h. in den leitenden Zustand übergeführt ist» wird ihre Amplitude auf d<^re$pL in dem betreffenden Treppen-Signalzug eingestellt, der einer Stelle der Auftreffstellen a bis j entspricht. Wenn die jeweilige Transistorstufe wieder abgeschaltet, d*h. in den nichtleitenden Zustand übergeführt wird und die nächstfolgende Stufe eingeschaltet wird, wird diese betreffende nächste Stufe auf einen Pegel eingestellt, der für den nächsten Pegel in dem Treppenfunktions-Signalzug erwünscht ist. Das aus dem einstellbaren Widerstand 73 und dem Kondensator 76 bestehende RC-Glied ermöglicht eine Einstellung der Ecken der Rechteckimpulse, die von den Transistoren 66 abgegeben werden. Auf diese Weise werden die Ecken der Impulse abgerundet, wodurch das Umschalten verlangsamt wird und Nadelimpulse in der Spulen—Last auf einen minimalen Wert herabgesenkt werden. Der veränderliche Abgriff 79 kann dabei so eingestellt werden, daß die Amplitude des Gesamt-

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Ausgangssignals des Signalgenerators in entsprechender Weise eingestellt wird. Wenn das Ende des Ausgangsimpulses einer einstellbaren Schaltung 29 mit dem Beginn des Ausgangsimpulses der nächstfolgenden Impulsschaltung zusammenfällt, fällt das Ende des Ausgangsimpulses bzw. -signals eines Transistors 66 mit dem Beginn des Ausgangssignals bzw, -impulses des nächsten Transistors bzw, der nächstfolgenden Transistorstufe zusammen. Demgemäß wird entsprechend den Einstellungen der Abgriffe 69 ein Treppen-Aus gangs signal erzeugt. ιίί,ί-

In Fig. 7 ist der Anfangsteil eines Kanals der beiden Kanäle des Steuerverstärkers 28 gemäß Pig, 1 gezeigt. Das Ausgangssignal des jeweiligen Signalgenerators wird einer Eingangsklemme der beiden Eingangsklemmen 81 des Steuerverstärkers 28 zugeführt. Die Eingangsklemme 81 dient für einen Kanal der beiden Kanäle des Steuerverstärkers; die beiden Kanäle sind dabei einander identisch. Demgemäß wird nur der Anfangsteil des einen Kanals beschrieben. Eine Anfangs-Transistorstufe 82 ist mit ihrer Basis an die Eingangsklemme 81 und mit ihrem Kollektor an eine,eine Spannung von +V1 führende Spannungsklemme 83 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 82 ist ferner über einen Kondensator 84 geerdet. Der Emitter des Transistors 82 ist über einen Widerstand 82 geerdet und außerdem an den Verbindungspunkt zweier ZENER-Dioden 87 und 88 angeschlossen. Die Kathode der ZENER-Diode 87 ist über einen Widerstand 89 an eine W2 führende Spannungsklemme 91 angeschlossen. Diese Spannungsklemme führt eine wesentlich höhere Spannung als die die Spannung +V1 führende Spannungsklemme 83, Die Ano_de der ZENER-Diode 88 ist über einen Widerstand 9*2 an eine —V2 führende Spannungsklenune 93 angeschlossen. Die Größe dieser negativen Spannung

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entspricht der der positiven Spannung V2 an der Spannungsklemme „91 . Der ZENER-Diode 87 ist ein Kondensator 94 parallelgeschaltet, und der ZENER-Diode 88 ist ein Konden- ■ sator 96 parallelgeschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen der ZENER-Diode 87 und dem Widerstand 89 ist über einen widerstand 97 mit einem Ende eines Widerstands 98 verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen der ZELJJER-Diode 88 und dom Widerstand 91 ist über einen Widerstand 99 an das andpre Ende des Widerstands 98 angeschlossen. Ein veränderlicher AbgrifP 101 an dem Widerstand 98 ist über έ einen '-'iderstand 102 an weitere Verstärkerstufen (nicht dargestellt) in dem betreffenden Kanal des Zweikanalverst'irl-cers 28 angeschlossen.

Das Ausgangssignal des Signalgenerators wird dem entsprechenden Kanal in dem Verstärker 28 zugeführt. Die Anfangs-Transistorstufe 82 dieses Verstärkers bewirkt Pnrner ninp Trennung der übrigen Schaltungsteile des Steuer- bzw, Treiberverstärkers von der Signalerzeugerschal tung. Die beiden ZENER-Diöden 87 und 88 liefern eine feste Pezugsspannung an dem Widerstand 98. Die Bezugsspannung kann demgemäß z.B. mit an dem oberen Ende des Widerstands 98 befindlichem Abgriff 101 eine Größe von *

6,2 Volt haben; bei an dem unterpn Ende des Widerstands 98 befindlichem Abgriff 101 kann die Bezugsspannung -6_#2 Volt betragen. Ist der betreffende Abgriff unmittelbar in der Mitte des Widerstands 98, so kann die Bezugsspannung Null sein. Durch geeignete Einstellung des Abgriffs 101 kann das treppenfcrmige Ausgangssignal des Signalgenerators einem erwünschten nieichspannungspegel überlagert werden, um den betreffenden Signalzug in eine gewünschte Beziehung zu Null Volt zu bringen. Obwohl das eigentliche Ausgangssignal deb Längsablenk-Signa!generators die in Fig. 3 dargestellte Form besitzt, wobei die Spannung an der stelle "a"

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bei Null Volt liegt, was durch entsprechende Einstellung des Abgriffs 101 in dem entsprechenden Kanal des Steuerverstärkers erfolgt, kann ein Gleichstrom-Bezugspegel von 1 Ampere erhalten v/erden. Durch diesen Bezugspegel wird der Signalzug in die gewünschte Lage verschoben, wie dies Fig. 3'erkennen läßt. In entsprechender Weise kann durch Überlagerung des Ausgangssignals des Querablenksignalgenerators auf einer negativen Bezugsgleichspannung der in Pig, 4 dargestellte Signalzug' erhalten werden, bei dem negative Signalbereiche vorhanden sind, obwohl von den Transistorstufen 66 des Signalgenerators !lediglich ein positives Ausgangssignal abgegeben wird (Fig. 6),

Die in dem betreffenden Kanal des Steuerverstärkers gemäß Fig. 7 nicht näher dargestellten Verstärkungsstufen können von irgendeiner geeigneten Art sein; sie werden hier nich näher beschrieben. So können z.B. geeignete Reihen von Verstärkungsstufen vorgesehen sein, die mit einer doppelten Transistor-Gegentaktausgangsstufe abschließen. Geeignete Schaltungen zur Vornahme der er-, forderlichen Verstärkung sind für sich bekannt.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit einem System beschrieben worden ist, bei dem ein Ringzähler mit Steuer— stufen, die Impulse von einstellbarer Breite abzugeben vermögen, zur Steuerung des Ablenksystems Über einen Signalgenerator und einen Verstärker vorgesehen ist, kann es auch möglich sein, zufriedenstellend arbeitende Systeme anzuheben, bei denen die Ablenkspulen unmittelbar von dem Ringzahler gesteuert werden. In einem solchen System ist dann die Impulsbreite, die die sogenannte Verweilzeit bestimmt, d.h. die Zeitspanne, während der der Elektronenstrahl auf irgendeine der Auftreffstellen

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gerichtet ist, einstellbar.

Es dürfte somit ersichtlich sein, daß durch die Erfindung eine verbesserte Elektronenstrahl-Heizvorrichtung mit einem verbesserten Steuersystem geschaffen worden ist, das die Energie zu steuern gestattet, die durch den Elektronenstrahl auf eine Zieloberfläche abgegeben wird. Die Elektronenstrahlablenkung wird dabei digital bewirkt, wobei das Heizmuster auf einfache Weise geändert werden kann, indem die Verweilzeit des Elektronenstrahls bei den jeweiligen Auftreffstellen, längs welcher er bewegt wird, verändert wird, ohne daß das Verteilungsmuster derartiger Stellen geändert wird.

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Claims (1)

Patentansprüche

1. Steuersystem für eine Elektronenstrahl-Heizvorrichtung zur Erwärmung einer Zielfläche, mit einem Signalerzeuger, der zumindest ein elektrisches Signal veränderlicher Amplitude erzeugt und damit die Elektronenstrahl- Heizvorrichtung veranlaiBt, einen Elektronenstrahl über die Zielfläche hinwegzuführen, wobei das elektrische Signal,eine VieI₁Z.aliA /von, diskreten Pegeln annimmt, die charakteristisch sind für eine entsprechende Vielzahl von Elektronenstrahl-Auftreffstellen auf der Zielfläche, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalerzeuger (11) eine Steuereinrichtung (1,4) zur Steuerung des Zeitinterva-1-ls enthält, innerhalb dessen das elektrische Signal irgendeinen der genannten diskreten Pegel besitzt,/daß die durch den Elektronenstrahl (17) an die Zielfläche (13) abgegebene Energie an irgendeiner Elektronenstrahl-Auftreffstelle (a-j) während einer Elektronenstrahlablenkung entsprechend der Zeitdauer steuerbar ist, während der der Elektronenstrahl (17) auf die betreffende Auftreffstelle (a-j) gerichtet ist.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalerzeiiger (11) zwei Signalgeneratoren (26,27) enthält, die Koordinaten-Signale erzeugen, deren jedes eine Vielzahl von diskreten Pegeln annimmt, und daß die Steuereinrichtung (.14) die Zeitintervalle für beide Signale zu ändern gestattet.

3. Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Signalerzeiiger (11) eine Vielzahl von Impulsschal tungen (29) zugehörig ist, die nacheinander

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"betätigbar sind und die Signalgen^ratoren (26,27) veranlao^n, din Amplitude dos jeweiligen Signals nacheinander ν ^n pinem diskreten Pegel auf einen nächsten r^gol zu ändern,

Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, A-y. _r]r-_r ^ignal^rze-jger (11 ) einen Ringzähler (29) aus 2c-ine v<-n mono stabil en Kippstufen (29) enthält, η ]■ <\<~ <>i.n^r> Einrichtung (39) zur Veränderung 7>2uor ihrr.r Ausgangsimpulse enthalt.

Steuersyst^n nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, '•a'-· 'if-r r;ign il^rz^ug^r (11) zvei Slignalgeneratoren (,°C,?7) zur rJrz^U'jung von Ablenksignalen enthält, daß jonr-r oignalgenerator (P6,27) eine gesonderte Stufe zur Erzeugung eines dislcreten Ausgangspegels aus

rapine von diskreten Ausgangspegeln enthält, daß Vielzahl von Impulsschaltungen (29) nacheinander bct'itigbar ist, und zwar derart, daß aufeinanderfolgend die Stufen jedes Signalgenerators (?6,27) aktiviert werden, und daß die Steuereinrichtung (14) ein RO-^lied (39,49,41) in jeder Impulsschaltung (2y) enthäLt.

6. Steuersystem nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet, dan der Signalerzeuger (11) einen zweikanaligen Steuerverstärker (28) enthält, dessen Kanäle mit den Signalgeneratoren (26,27) verbunden sind.

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