DE2201832A1 - Geraet zur Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Stromdichte - Google Patents
Geraet zur Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher StromdichteInfo
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Description
DIPL.-1NG. KLAUS NEUBECKER
Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9
Düsseldorf, 14. Januar 1972
,Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.
Pittsburgh, Pa., V. St. A.
Gerät zur Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Stromdichte
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Erzeugung
von Elektronenstrahlen, insbesondere auf ein Gerät dieser Art zur Durchführung von Schweißarbeiten.
Heutige Elektronenstrahl-Schweißgeräte erfordern eine Kathode aus einem geeigneten Material, das auch dann eine einwandfreie Funktion
gewährleistet, wenn es einem geringen Vakuum ausgesetzt wird, das noch über 1O~4 Torr liegt. Das bedeutet, daß auf Kathodenwerkstoffe
zurückgegriffen werden muß, die nicht den besten Wirkungsgrad hinsichtlich Emission und Temperatur besitzen, sondern ein
einwandfreies Arbeiten unter den gegebenen Bedingungen ermöglichen. Solche Kathoden müssen bei hohen Temperaturen betrieben werden,
um Emissions-Vergiftungswirkungen der Restgase auf einem Minimum zu halten. Beispielsweise kann es notwendig sein, eine bolzenförmige
oder Stiftkathode aus Wolfram bei einer Temperatur von 2500° C zu betreiben, um zu der notwendigen Emission zu gelangen.
Die Temperatur des eine herkömmliche Stiftkathode umgebenden Gebiets kann in einem derartigen Anwendungsfall somit bis zu 1000° C
betragen. Diese hohen Temperaturen lösen dann aber mindestens drei Probleme hinsichtlich der Ausbildung der Stützanordnung aus. Das
zwischen Leitern vorgesehene Isoliermaterial muß relativ frei von einer Verdampfung oder Sublimierung von Werkstoffen des Gesamtauf-
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baus gehalten werden, um Oberflächen-Kriechströme zu begrenzen.
Ferner muß das verwendete Isoliermaterial in der Lage sein, diesen hohen Temperaturen zu widerstehen, ohne zu Bruch zu gehen oder in
sonstiger Weise eine nennenswerte Verringerung seiner Isoliereigenschaften zu erfahren. Schließlich dürfen sich die Bauteile infolge
der hohen Temperaturgradienten nicht verziehen, weil solche Verzerrungen die Eigenschaften des Gesamtaufbaus verändern oder sogar
eine vollständige Betriebsunfähigkeit hervorrufen könnten.
Bei bekannten Geräten der vorliegenden Art war die Stiftkathode innerhalb eines muffen- oder hülsenartigen Körpers angeordnet, wobei
sie mittels einer an der Seite der Kathode angreifenden Stellschraube in ihrer Lage gehalten wurde. Statt dessen wurde auch
versucht, die Stiftkathode mittels einer feilklobenartigen Anordnung zu halten. In beiden Fällen trat das Problem auf, daß durch
eine Schweißwirkung ein gegenseitiges Haften hervorgerufen wurde, das es schwierig machte, die Lage der Kathode nach einer bestimmten
Betriebsdauer zu ändern. Bei der mit einer Einstellschraube arbeitenden Ausführung wurde gelegentlich auch festgestellt, daß
die Einstellschraube sich innerhalb des Gewindeloches löste oder aber auch nach kurzer Betriebsdauer festsetzte.
Bezüglich der Anordnung der elektrischen Zuleitungen zu dem Kopfteil
in Verbindung mit herkömmlichen Hartlötverfahren wurde gefunden, daß das bei relativ niedrigen Temperaturen schmelzende Hartlötmaterial
bei Betrieb der Gefahr einer Sublimierung ausgesetzt war, so daß sich Kriechstrecken längs der Isolierteile ausbilden
konnten.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, die vorstehend aufgeführten
Nachteile zu vermeiden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Gerät zur Erzeugung von Elektronenstrahlen
hoher Stromdichte, mit einer innerhalb eines Gehäuses angeordneten Stiftkathode für hohe Temperaturen sowie einer die
Kathode umgebenden, mittels einer Durchführungsanordnung elektrisch
angeschlossenen Heizeinrichtung erfindungsgemäß dadurch ge-
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kennzeichnet, daß die Durchführungsanordnung eine Isoliermuffe und
einen Stützleiter aus elektrisch leitendem Material aufweist, die im Verhältnis zu einem Kopfteil aus Metall bzw. im Verhältnis zueinander
mittels Glasfritte festgelegt sind.
Dabei ist die Stiftkathode zusätzlich so gelagert, daß sie unter der Vorspannung einer Feder steht.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus den nachstehenden
Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der
Zeichnung zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht eines für den Einsatz in atmosphärischer Umgebung geeigneten Elektronenstrahl-Schweißgerätes,
das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 2 in vergrößertem Maßstab eine Schnittansicht der Kathode und der Hauptstützanordnung, zusammen mit einem zugehörigen
Isolator;
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Kathodenanordnung;
Fig. 4 einen Querschnitt durch Fig. 3 längs der Linie IV-IV; und
Fig. 5' in weiter vergrößertem Maßstab eine Teil-Schnittansicht der elektrischen Zuleitung der Fig. 4, zusammen mit der
zugehörigen Stützanordnung.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein Elektronenstrahlgerät mit einem oberen
kammerartigen Abschnitt 10, einem mittleren Abschnitt 12 sowie einem unteren, ebenfalls kammerartigen Abschnitt 14. Der obere Abschnitt
10 steht unter erhöhtem Druck und ist mit einem geeigneten
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Isoliergas wie SFg gefüllt. Dort erfolgt auch die Hochspannungsspeisung.
Der mittlere Abschnitt 12 weist das niedrigste Vakuum des Gerätes auf. In ihm ist eine Kathodenanordnung 16 untergebracht.
Der von der Kathodenanordnung 16 erzeugte Elektronenstrahl wird durch den anschließenden unteren Abschnitt 14 gerichtet und
durchläuft die aufeinanderfolgenden Pumpstufen, um schließlich durch eine am Boden des unteren Abschnittes 14 befindliche Bodenöffnung
18 in die Atmosphäre auszutreten und dort ein Werkstück zu beaufschlagen.
In Fig. 1 sind mehrere Pumpstufen sowie mehrere Pumpöffnungen gezeigt.
Der Druck nimmt von Stufe zu Stufe in Richtung von der Kathodenanordnung 16 zu dem Werkstück 20 hin zu. Der Umgebungsbereich
der Kathode befindet sich auf einem Druck von etwa 10~5
Torr. Die folgende Stufe weist einen Druck in der Größenordnung eines Bruchteils eines Torr auf, während sich die Endstufe auf
einem Druck von etwa 200 Torr befindet. Eine magnetische Linse 24 sorgt für die Fokussierung des Elektronenstrahls.
Der von der Kathodenanordnung 16 in dem Bereich niederen Drucks erzeugte Elektronenstrahl wird durch eine Anode 17 beschleunigt,
die sich im wesentlichen auf Erdpotential befindet. Die Kathodenanordnung 16 befindet sich auf einem negativen Potential von
150.000 V, während sich die anschließenden Stufen des Systems alle praktisch etwa auf Erdpotential befinden. Der Elektronenstrahl
pflanzt sich durch eine öffnung in der Anode 17 fort, wird durch die magnetische Linse 24 fokussiert, um dann mehrere öffnungen zu
durchsetzen, die unterschiedliche Drücke voneinander trennen, wie sie durch die verschiedenen längs eines rohrförmigen Gehäuses hinter
einander angeordneten Pumpen aufrechterhalten werden. Das rohrförmige Gehäuse 26 kann aus einem geeigneten Metall wie einem
nicht-magnetischen Edelstahl bestehen.
Fig. 2 zeigt die Befestigung der Kathodenanordnung 16 in einer Fassung 30. Die Fassung 30 ist an das eine Ende eines Rohrabschnittes
32 angeschlossen, dessen anderes Ende von einem konischen Isolator 34 gehalten wird. Der konische Isolator 34 besteht
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aus einem geeigneten Material wie Aluminiumoxid. Der Rohrabschnitt
32 kann aus einem geeigneten Material wie einer Kovar(R)-Legierung
bestehen. Der konische Isolator 34 sorgt für Isolation und mechanische Abstützung der Kathodenanordnung 16 innerhalb des Systems.
Die Kathodenanordnung 16 greift in die Fassung 30 am unteren Ende des Rohrabschnittes 32 ein und wird dort durch einen Sicherungsring
36 mit einer öffnung 38 fixiert, der einen Bestandteil der Elektronenoptik bildet.
Die Kathodenanordnung 16 ist im einzelnen mit Fig. 3 und 4 wiedergegeben.
Die Kathodenanordnung 16 hat ein Kathodengehäuse 41 mit einem oberen und einem unteren topfförmigen Abschnitt 43 bzw. 45.
Der obere topfförmige Abschnitt 43 geht an seiner Unterseite in
einen Boden 47 über, an den der größte Teil der Kathodenanordnung durch geeignete Hilfsmittel wie Schrauben angeschlossen ist.
Ein Isolier-Ringkörper 49 ist innerhalb des oberen topfförmigen Abschnittes 43 mit dem Boden 47 verbunden. Der Isolier-Ringkörper
49 hat einen Ringabschnitt 51 aus einem geeigneten Material wie einer Kovar(R)-Legierung. In öffnungen 53, die in üinfangsrichtung
über den Ringabschnitt 51 verteilt sind, sind mehrere elektrische Zuleitungen 46 abgestützt.
Fig. 5 zeigt weiter ins einzelne gehend die Befestigung einer der Zuleitungen 46 in einer öffnung 53. Eine geeignete Isoliermuffe
umgibt die Zuleitung 46. Eine Dichtungslage 57 aus Glasfritte legt
die Isoliermuffe 55 im Verhältnis zu der Zuleitung 46 fest, während eine Dichtungslage 59 aus Glasfritte die Isoliermuffe 55 in
der öffnung 53 des Ringabschnittes 51 festlegt. Die Zuleitungen ragen durch öffnungen in dem Boden 47.
Eine Stiftkathode 40 ist in einem Gehäuse 41 untergebracht, das vorwiegend aus einem geeigneten Metall wie Kovar(R) hergestellt
ist. Das Gehäuse 41 ist unter Zwischenlage einer Isolierscheibe an dem Boden 47 befestigt. Die Stiftkathoda 40 ragt über das Gehäuse
61 hinaus und durch eine öffnung in dem Boden*47.
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Das vorragende, freie Ende der Stiftkathode 40 ist von einem Heizkörper
42 umgeben. Die Stiftkathode 40 besteht aus einem geeigneten hitzebeständigen Material wie Wolfram und hat einen Durchmesser
von etwa 1,5 mm und eine Länge von etwa 5 cm. Der Heizkörper 42 emittiert Elektronen, die die Stiftkathode 40 bombardieren und
diese dadurch mit einer Energie versorgen, die zur Aufheizung auf eine elektronenemittierende Temperatur von etwa 2500° C ausreicht.
Ein rohrförmiger Hitzeschild 44 umgibt den Heizkörper 42 und sorgt
für einen besseren thermischen Wirkungsgrad. Das eine Ende des Heizkörpers 42 ist durch den Hitzeschild 44 abgestützt, der seinerseits
durch drei der Zuleitungen 46 getragen ist. Der andere Anschluß des Heizkörpers 42 wird von einer Zunge 49a gehalten, die
ihrerseits an einer isolierten Zuleitung 46 befestigt ist. Oberhalb des Hitzeschildes 44 befindet sich eine Kappe 48, um die
Energie zu der Stiftkathode 40 zurückzuwerfen und für einen besseren thermischen Wirkungsgrad des Systems zu sorgen.
Die Stiftkathode 40 ist an ihrem einen (oberen) Ende mit einer Sicherungsscheibe
50 ausgestattet, die in einer geeigneten, in der Stiftkathode 40 vorgesehenen Nut 52 sitzt. Die Sicherungsscheibe
50 wird dabei von einer Ausnehmung 54 einer Führungsanordnung 56 aufgenommen. Diese Führungs- oder Lageranordnung 56 hat ein feststehendes
Hülsenteil 58, ein bewegliches Hülsenteil 60 sowie eine Feder 62. Die Führungsanordnung 56 ist innerhalb eines Hohlraumes
64 des Gehäuses 61 angeordnet. Das feststehende Hülsenteil 58 besteht aus Graphit und sitzt in einem Hohlraum 64. Das bewegliche
Hülsenteil 60 besteht ebenfalls aus Graphit und wird durch die Feder 62 von dem feststehenden Hülsenteil 58 weggedrückt, so daß die
Stiftkathode 40 an einer oberen Anlagefläche 66 anschlägt. Die Stiftkathode 40 ist in der Führungsanordnung 56 mittels zweier in
dem beweglichen Hülsenteil 60 mit der Sicherungsscheibe 50 bzw. in dem feststehenden Hülsenteil 58 vorgesehener Löcher geführt. Die
Lage der Stiftkathode 40 wird durch die Lage der einstellbar ausgebildeten Anlagefläche 66 bestimmt. Die Anlagefläche 66 entspricht
dem unteren Ende einer Einstellschraube 68, die so eine Einstellung der Lage der Stiftkathode 40 ermöglicht. Die Sicherungsscheibe
50 kann aus jedem geeigneten Metall bestehen, das
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einen relativ niedrigen Ausdehnungskoeffizienten hat, wie etwa
einer Kovar(R)-Legierung. Die Anordnung der Sicherungsscheibe 50
im Innern des Hohlraums 64 bestimmt gleichzeitig den maximal zulässigen
Ausdehnungskoeffizienten für die Sicherungsscheibe 50. In einigen Ausführungsfällen wird die Sicherungsscheibe durch ihren
Sitz in der Ausnehmung 54 fest in der Nut 52 gehalten, so daß die Stiftkathode auf diese Weise festgelegt ist.
Die Ausbildung der Einstellschraube 68, mit deren Hilfe die Lage der Stiftkathode 40 festgelegt wird, ist hinsichtlich des Ausdehnungskoeffizienten
infolge der geringen Länge der Einstellschraube 68 sowie deshalb nicht zu kritisch, weil die Einstellschraube 68
in das relativ massive Gehäuse 61 eingreift, auf das sich der Temperaturanstieg nicht übermäßig auswirkt. Die beiden die Stiftkathode
40 führenden Hülsenteile 58 und 60 bilden zwei Lagen für die Stiftkathodenanordnung. Die Ausgestaltung ist so, daß bei Entfernung
einer Abdeckung 65 von dem Gehäuse 61 die Stiftkathode 40 ohne Beeinträchtigung des Heizkörperaufbaus an der Vorderseite
rückwärtige herausgezogen werden kann. Die Wahl des Graphitmate-,rials
für die Führungsanordnung 56 ist wichtig, weil dadurch ein Aufbau geschaffen wird, der nicht an dem Gehäuse 61 haftet und an
dem auch die Stiftkathode 40 nach mehrfachem Einsatz nicht haftet. Daher lassen sich die Stiftkathode 40 und notwendigenfalls auch
die Stiftkathode 40 und die Führungsanordnung 56 herausnehmen und bei Bedarf auswechseln.
Bei Betrieb wird die Stiftkathode 40 mit einem negativen Potential
von 150.000 V durch eine in dem oberen Abschnitt 10 angeordnete Hochspannungsversorgung beaufschlagt. Der Elektronenstrahl wird
durch ein elektronenoptisches System erzeugt und aufrechterhalten, so daß die Lage der emittierenden Fläche der Stiftkathode 40 im
Verhältnis zu den anderen Teilen des Aufbaus kritisch ist. Die Lage
der Stiftkathode 40 kann die Form des Elektronenstrahls in starkem Maße beeinflussen. Daher ist die Lage der emittierenden
Fläche der Stiftkathode 40 wesentlich, wobei die Einstellschraube 68 an der Rückseite eine genaue Einstellung ermöglicht. Nach dem
ersten Zusammenbau wird die Höhe der Kathode im Verhältnis zu der
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Kappe überprüft und gemessen und innerhalb eines 1/4 Hundertstel mm eingehalten.
Der Hitzeschild 44 und die Kappe 48 sowie der Heizkörper 42 sind
durch die Zuleitungen 46 abgestützt, die ihrerseits ja in dem Metall-Ringabschnitt
51 niedrigen Ausdehnungskoeffizientens gehalten sind. Für die Isolation zwischen den Zuleitungen 46 und dem
Ringabschnitt 51 sorgen die Isoliermuffen 55. Die Isoliermuffe kann aus Aluminiumoxid hoher Reinheit oder einem anderen Material
bestehen, das bei relativ hoher Temperatur einen hohen elektrischen Widerstand hat. Zwischen der Zuleitung 46 und der Isoliermuffe
55 ist die Dichtungslage 57 aus Glasfritte, zwischen der
Isoliermuffe 55 und dem Ringabschnitt 51 die Dichtungslage 59 aus Glasfritte vorgesehen. Das Glasfritte-Material kann als Lötglas
oder Glaslot geeigneter Beschaffenheit wie Pyroceram Nr. 7574 ausgebildet
sein, wie es von der Corning Glass Company, Corning, New York, verkauft wird. Auf diese Weise erfolgt der Zusammenbau mittels
der geeigneten, als Haftmittel wirksamen Dichtungslagen 57,
59, während für die Isolation durch die Isoliermuffe 55 gesorgt
wird. Infolge der Isolation durch die Isoliermuffe 55 werden ausgezeichnete Hochtemperatur-Eigenschaften der Isolation aufrechterhalten.
Oberflächenlectetröme werden auf einem Minimum gehalten, indem die Isoliermuffe 55 oben und unten über den Ringabschnitt
hinausragt und durch die umgebenden Teile für eine geeignete Abschirmung gesorgt wird. Die Verwendung devitrifizierender Lötgläser
als als Haftmittel wirksame Dichtungslagen 57 und 59 ermöglicht
die Herstellung einer solchen Anordnung aus Teilen, die nicht mit großer Genauigkeit hergestellt werden müssen. Das ist
darauf zurückzuführen, daß das devitrifizierende Glas sich noch im
heißen Zustand verfestigt. Die Passung zwischen der Aluminiumoxid- Isoliermuffe 55 und den durch die Zuleitungen 46 sowie den Ringabschnitt
51 gebildeten Metallteilen braucht nicht genau zu sein, weil das Lötglas die Hohlräume ausfüllt. Das Lötglas wie bei
spielsweise das erwähnte Pyroceram Nr. 7574 ist mit Nitrozellulose und Butyl-Cellosolve (R) in einer Suspension mit catchupartiger
Konsistenz gemischt, die auf die Zuleitungen 46 aufgestrichen wird. Gleichfalls wird die Fritte bzw. das Lötglas auf den Metall-
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bereich des Ringabschnittes 51 aufgestrichen, der mit der keramischen
Isoliermuffe 55 in Kontakt gebracht werden soll. Die Zuleitung 46, die Isoliermuffe 55 sowie der Ringabschnitt 51 werden mit
Hilfe einer geeigneten Zusammenbaulehre zusammengesetzt, die aus
einem Metall mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sein muß. Die so erhaltene Anordnung wird dann etwa eine Stunde
lang bei ungefähr 800° C gebrannt (gesintert). Während dieser Brenndauer kommt es zu einem Kristallwachstum in dem devitrifizierenden
Lötglas, und die Hohlräume zwischen der keramischen Isoliermuffe 55 und den Metallteilen 46, 51 werden ausgefüllt, so daß
sich ein Aufbau ergibt, der bei Raumtemperatur eine große mechanische Festigkeit aufweist. Die Zuleitung 46 hat einen Durchmesser
von etwa 2 mm und besteht aus einem elektrisch leitenden Material mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten wie einer Kovar(R)-Legierung.
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Claims (10)
1./ Gerät zur Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Stromdichte, mit einer innerhalb eines Gehäuses angeordneten Stiftkathode
für hohe Temperaturen sowie einer die Kathode umgebenden, mittels einer Durchführungsanordnung elektrisch angeschlossenen
Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführungsanordnung eine Isoliermuffe (55) und einen Stützleiter
aus elektrisch leitendem Material aufweist, die im Verhältnis zu einem Kopfteil aus Metall bzw. im Verhältnis zueinander
mittels Glasfritte (Lötglas bzw. Glaslot) festgelegt sind.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermuffe
(55) in bezug auf hohe Temperaturen bessere elektrische Isoliereigenschaften als die Glasfritte aufweist und die
Glasfritte in der Hauptsache in einer Menge vorgesehen ist, um den Aufbau der Durchführungsanordnung zu sichern, während der
Hauptanteil der elektrischen Isolation zwischen dem Kopfteil und dem Stützleiter von der Isoliermuffe (55) gebildet ist.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfritte devitrifiziert ist.
4. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Metall einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als die Isoliermuffe (55) hat.
5. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4, dadurch
gekennzeichnet, daß an der Grenzstelle zwischen der Außenfläche der Isoliermuffe (55) und einer diese umgebenden Dichtungslage
(59) aus Glasfritte eine Druckdichtung vorgesehen ist.
6. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützleiter zur Begrenzung der auf
die Abdichtung zwischen der Innenfläche der Isoliermuffe (55) und einer daran angrenzenden Dichtungslage (57) aus Glasfritte
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einwirkenden Spannung
einen Durchmesser von weniger als 6 mm hat.
einen Durchmesser von weniger als 6 mm hat.
7. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 6, gekennzeichnet
durch eine Feder (62) für die Längsausrichtung der Stiftkathode (40) im Verhältnis zu der Durchführungsanordnung.
8. Gerät nach Anspruch 1, wobei die Stiftkathode von einem langgestreckten
Metallkörper gebildet ist, der an seinem einen Ende Elektronen emittiert und in Längsrichtung mit Wärme beaufschlagt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein einstellbarer Anschlagkörper an dem dem einen Ende der Stiftkathode gegenüberliegenden
anderen Ende der Stiftkathode angreift.
9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung
der Stiftkathode (40) eine Führungsanordnung (56) aus Graphit vorgesehen ist.
10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (62) aus hochtemperaturfestem Federmaterial besteht und die
Stiftkathode (40) gegen den einstellbaren Anschlagkörper drückt.
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