DE2325808C2 - Schaltung zur Regelung der Betriebsparameter eines Elektronenstrahlerzeugers - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Indirekt beheizte Katoden für Elektronenstrahlsysteme gewinnen zunehmend an Bedeutung, da sie den ^J> direkt beheizten Katoden hinsichtlich Leistungsdichte und Standzeit merklich überlegen sind. Hierbei ist von Bedeutung, daß sich die Standzeit einer Katode umgekehrt proportional zu der ihr aufgezwungenen Leistungsdichte verhält Indirekt beheizte Katoden sind « auch weniger empfindlich gegenüber Einflüssen des zu bearbeitenden bzw. behandelnden Guts. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, direkt beheizte Elektronenstrahlsysteme von Hochleistungskanonen durch indirekt beheizte zu ersetzen. Ein erhebliches Hindernis auf diesem Wege ist jedoch das ungenügende Regelverhalter-der indirekt beheizbaren Kanonen.

Durch die DE-OS 19 35 710 ist bereits eine Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei der lediglich der Strahlstrom des Hauptstroms erfaßt und einem Regelsystem aufgeschaltet wird, das in Parallel· schaltung und mit gleichsinniger Wirkung die Heizung der Primärkatode sowie die Beschleunigungsspannung zwischen Primär- und Sekundärkatode beeinflußt. Nach den dort gemachten Ausführungen ist es zwar möglich, &■> einen der beiden parallelen Regelkreise wegzulassen, jedoch wird dann lediglich der Regelkreis für die Beheizung der Hilfskatode wirksam, der in Folge der Eigenart der Katode eine beträchtliche Trägheit, verbunden mit einem ungünstigen EinschwingverhaUen besitzt Eine Regelung oder gar Begrenzung des Emissionsstroms zwischen Hilfs- und Hauptkatode ist nicht vorgesehen, so daß das bekannte System sehr anfällig auf eine Überlastung und/oder eine Störung reagiert Sofern der Hauptstrahl nicht mehr aufgefangen wird oder das Meßsignal, ζ. B, durch eine Leitungsunterbrechung, nicht mehr in die Regelanordnung zurückgeführt wird, tritt automatisch el: Hochregeln der Heizleistung der Hilfskatode ein, die notwendigerweise im Extremfall bis zur Zerstörung der Hauptkatode führt Eine Stabilisierung des bekannten Regelsystems ist praktisch nicht möglich, so daß eine erhebliche Schwingungsneigung beim Auftreten von Regelungsvorgängen in Kauf genommen werden muß. Hierbei ist insbesondere von Bedeutung, daß Elektronenstrahlerzeuger für Schmelz- und Materialbearbeitungsanlagen spontanen Änderungen der Betriebsparameter unterliegen. Da bei der bekannten Schaltung der Regelkreis nur die Beschleunigungsspannung an der Hauptkatode beeinflußt ändern sich die Elektronengeschwindigkeiten und damit notwendigerweise auch die Strahlfokussierung, weil die Ablenkung von Elektronen sich bei konstantem Magnetfeld der elektromagnetischen Fokussierungslinse mit der Elektronengeschwindigkeit ändert Gerade die Strahlfokussierung für den Emissionsstrom d(-< Hauptkatode aber soll bei bestimmten Bearbeitungsvorgängen möglichst unverändert bleiben. Schließlich ist auch bei dem bekannten System keine Vorsorge für die Vermeidung von Totzeiten in den einzelnen Teiisystemen getroffen worden.

Durch die DD-PS 70 674 ist es bei einem aus Primär- und Sekundärkatode bestehenden Katodensystem bekannt, die Emissionstemperatur der Sekundärkatode konstant zu halten. Dies geschieht über den Heizstrom der Primärkatode, die von einer Transduktorschaltung beeinflußt wird. Der Widerstand der Transduktorschaltung wird außer von einem Sollwert mittels einer ersten Steuerwicklung über zwei elektrisrhe Kreise beeinflußt in denen weitere Steuerwicklungen liegen, die beide der ersten Steuerwicklung entgegenwirken. Der eine elektrische Kreis erfaßt den Heizstrom der Primärkato^ de, der andere elektrische Kreis den Emissionsstrom der Primärkatode, der zur Sekundärkatode fließt Beide elektrische Kreise sind über Stellwiderstände einstellbar und besitzen Zenerdioden, die das Regelverhalten von Zweipunktreglern besitzen. Wie aus der Funktionsbeschreibung hervorgeht, stellen die beiden elektrischen Kreise sogenannte Begrenzungsschaltungen dar, durch welche die Maximalwerte des Heiz- und Emissionsstroms der Primärkatode festgelegt werden. In der bekannten Schaltung fehlt völlig eine Erfassung und Regelung des Emissionsstroms der Hauptkatode, der für viele Fälle, insbesondere aber zur kontinuierlichen Regelung des gesamten Elektronenstrahlerzeuger unerläßlich ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art anzugeben, die sich durch gutes Stabilitätsverhalten, kurze Ansprechzeiten, geringe Regelabweichungen, die Möglichkeit der Begrenzung der einzelnen Regelgrößen und eine leichte Inbetriebnahme gegenüber dem Stande der Technik auszeichnet.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Schaltung erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale.

Durch die erfindungsgeinlße Schaltung wird die gestellte Aufgabe in vollem Umfang gelöst; Die Schaltung weist ein ausgezeichnetes Stabilitätsverhalten bei Eingriffen in die Betriebsparameter auf. Es erfolgt eine sofortige überschwingungsfreie Einstellung auf sprunghafte Änderungen vorgegebener Werte, Durch das bei der erfindungsgemäßen Schaltung erreichte Konstanthalten der Beschleunigungsspannung der Hauptkatode unterliegt die Strahlfokussierung keinen unerwünschten Änderungen, Die systembeding-1 ο ten Totzeiten können zwischen den in Reihe geschalteten Einzelreglern jeweils unterdrückt werden, so daß sich keine Addition der Totzeiten ergibt Jede der einzelnen Störgrößen wird für sich genommen zurückgeführt, so daß jeder der dadurch gebildeten Regelkrei- is se für sich stabilisiert werden kann.

Gegenüber dem Stande der Technik gestauet die erfindungsgemäße Kaskadenschaltung eine unabhängige Optimiemng sämtlicher drei Regelkreise. Nach einer Optimierung des ersten Regelkreises ist es möglich, auch den zweiten und danach den dritten Regelkreis zu optimieren, ohne daß nach jeder Optimierung jeweils der vorangegangene Regelkreis neu optimiert herden muß. Diese Unabhängigkeit der Regelkreise hat dynamische Vorteile, welche die inherente Trägheit der Hilfskatode bzw. deren Beheizung mehr als ausgleichen.

Außerdem ermöglicht die Kaskadenschaltung eine Begrenzung der einzelnen Regelgrößen in jedem Regelkreis. Die Begrenzung kann hierbei auch unterschiedlich sein, je nach dem Werkstoff und damit der jo Temperaturbeständigkeit der Hauptkatode. Dies ist insbesondere deswegen von Bedeutung, weil der Strahlstrom der Hilfskatode mit einer großen Energiedichte auf die Hauptkatode auftrifft, die unvermeidbar eine gewisse Wärmeträgheit besitzt Eine zu starke Beheizung führt häufig zum teilweisen Verspritzen und Verdampfen des Materials der Hauptkatode, so daß eine verkürzte Lebensdauer die Folge ist Die erfindungsgemäße Schaltung zeichnet sich zusätzlich durch eine wesentlich größere Standzeit des gesamten Katodensysteirs aus.

Die Unterdrückung der Totzeiten erfolgt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 2 dadurch, daß den Eingängen der Einzelregler je eine, vorzugsweise veränderbare Spannungsquelle zugeordnet ist deren Polarität derjenigen des rückgeführten Signals entgegengesetzt ist Die Spannungsquelle kann dabei beispielsweise von einem unter Spannung stehenden Verstellwiderstand gebildet werden. Eine andere Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 3 gekennzeichnet

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Wirkungsweise seien nachfolgend anhand der F i g. 1 und 2 näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä-Ben Schaltung einschließlich der wesentlichsten Teile eines Elektronenstrahlerzeugers in schematischer Darstellung und

F i g. 2 Diagramme von Emissionsströmen der Haupt- und Hilfskatode in Abhängigkeit von Heizstrom bzw. Emissionsstrom der Hilfskatode.

In Fig. 1 ist mit 10 ein indirekt beheizbarer Elektronenstrahlerzeuger eines Typs bezeichnet, wie er für Schmelz- und Verdampfungszwecke eingesetzt wird. Die Kanone besteht aus einer direkt beheizbaren 65 Hilfskatode 11, einer indirekt beheizbaren Hauptkatode 12, einer Beschleunigur.gsanode 13 und einer Fokussieruneslinse 14. Im Betrieb sendet die Hilfskatode 11 einen Emissionsstrom /ei aus, durch den die Hauptkatode 12 auf die gewünschte Betriebstemperatur gebracht wird. Richtung und Leistung des Heizelektronenstroms

15 werden durch die Beschleunigungsspannung m zwischen Hilfs- und Hauptkatode bestimmt Die Hauptkatode 12 sendet ihrerseits unter dem Einfluß ihrer Betriebstemperatur und einer Potentialdifferenz U₂ zur Beschleunigungsanode 13 ein ElektronenbQndel

16 aus, das duröh eine elektromagnetische FokussierungsJinse 14 fokussiert wird. Die Fokussierungswirkung läßt sich durch Veränderung des an den Klemmen 49 angelegten Fokussierungsstromes beeinflussen. Das Elektronenbündel 16 trifft schließlich auf das zu behandelnde Cut 17, beispielsweise eine zu schmelzende und/oder zu verdampfende Metallmenge auf, wobei sich die Strahlenergie in Wärme umwandelt Das Gut 17 befindet sich in einem elektrisch leitenden Behälter 18, der einen Anschluß 19 für eine Leitung 20 eines Regelsystems besitzt Einzelheiten des Strahlerzeugers 10, seine Anwendung und die Einflüsse seiner Betriebsparameter sind jedoch Stand der Technik, so daß sich ein weiteres Eingehen hieraus erübrigt

Der Hilfskatode 11 ist über die Leitungen 21 und 22 ein Transformator 23 vorgeschaltet, der den Heizstrom ν* und die Heizspannung für die Hilfskatode 11 lie^fert Auf der Primärseite des Transformators 23 befindet sich zur Regelang der Heizleistung ein Thyristorsteller 24, dem die benötigten Steuerimpulse von einem Gittersteuersatz 25 zugeführt werden. Der Gittersteuersatz erhält seinerseits die erforderlichen Regelsignale von einem Heizstromregler 26. Die Heizstromversorgung erfolgt über die Anschlußklemmen 48. Ein dem Heizstromwert /* proportionales Signal wird über den Wandler 27 und die Leitung 28 auf den Mischpunkt 29 des Heizstromreglers 26 zurückgeführt Durch diese Rückführung wird erreicht, daß die Heizstromstärke und damit die Temperatur der Hilfskatode 11 auf vorgegebene Werte begrenzt werden kann. Dem rückgeführten Signal wird außerdem eine Kompensationsspannungsquellc entgegengeschaltet durch weiche die systembedingten Totzeiten der Kanone vermindert und die Ansprechgeschwindigkeiten erhöht werden. Die erforderliche Kompensationsspannungsquelle enthält im vorliegenden Fall einen Verstellwiderstand 30.

Durch Anschluß der Sekundärseite des Transformators 23 über eine Leitung 31 und der Hanptkatode 12 über eine Leitung 32 an einen Gleichrichter 34 mit Transformator 33 kann zwischen Hilfskatode 11 und Hauptkatode 12 eine Potentialdifferenz u\ erzeugt werden, die als Beschleunigungsspannung für den Heizelektronenstrom 15 dient Klemmen 35 dienen zum Anschluß des Systems in eine Spannungsversorgung.

Der Emissionsstrom /ei der Hilfskatode 11 teilt sich auch der Primärseite des Transformators 33 mit und wird auoh von dort über einen Wandler 36 und eine Leitung 37 zum Mischpunkt 38 des Emissionsstromreglers 39 zurückgeführt der dem Heizstromrtsgler 26 vorgeschaltet ist, d. h., das Ausgangssignal des Emissionsstromreglers 39 ist das Sollwertsignal für den unterlagerten Heizatromregelkreis. Durch die Rückführung des Emissionsstroms 4/ wird erreicht, daß die Emissionsstromstlrke des Hilfskatodenkreises und damit die Temperatur der Hauptkatod? 12 auf vorgegebene Werte begrenzt werden kann. Analog zur Anordnung am Eingang des Heizstromreglers 26 wird auch hier dem Mischpunkt 38 des Emissionsstromreglers 39 eine Kompensaticnsspannungsquelle mit Verstellwiderstand 43 eingeschaltet, wodurch die

Totzeit des Hauptkatodensystems eliminiert werden kann. Jede Änderung des Emissionsstroms i_e ι teilt sich damit auch sofort dem Heizsiromregler 26 mit und führt infolgedessen zur jeweils erforderlichen Vergrößerung oder Verkleinerung des Heizstroms der Hüfskatode.

Dem Emissionsstromrcglcr 39 für die Hüfskatode ti ist ein Strahlstromregler für die Regelung des Strahlstromes der Hauptkatode 12 vorgeschaltet, d. h. das Ausgangssignal des Strahlstromreglers 40 ist das Sollwertsignal für den unterlagerten Emissionsstromre- to gelkreis der Hüfskatode. Dem Mischpunkt 42 des Reglers 40 werden neben dem Sollwertsignal 44 ein dem Emissionsstrom /,.> der Hauptkatode 12 bzw. dem Strahlstrom des Elektronenbündels 16 entsprechendes Regelsignal über die Leitung 20 zugeführt, die über ι-, einen Widerstand 41 — zur Erzeugung eines Spannungsabfalles für die Messung — mit dem Anschluß 19 am Behälter 18 in Verbindung steht. Jede Änderung des Sollwertes der Emissionsströme der Haupt- und Hüfskstcde teilt sich dsmit sofort d^prn Erni*s!on**t^po^m- ?·> regler 39 und dem Heizstromregler 26 mit. Um durch schnelle Änderung des Sollwertsignals 44 die Katode nicht zu stark dynamisch zu beanspruchen, kann dem Mischpunkt 42 ein die Anstiegssteilheit des Sollwerts begrenzendes Glied 50 vorgeschaltet werden. :ϊ

Die Versorgung des Strahlerzeugers mit Hochspannung erfolgt über die Anschlußklemmen 45, den Dreiphasentransformator 46 und den Gleichrichtersatz 47. Bei Versorgung mehrerer Strahlerzeuger durch eine Spannungsquelle wird für das Rückführungssignal zweckmäßig ein auf der Hochspannungsseite des Tranformators angeordneter Wandler benutzt.

Fig.2 zeigt den funktionellen Zusammenhang der einzelnen Betriebsparameter des Elektronenstrahlerzeugers. F i g. 2a gibt die Abhängigkeit des Emissionsstroms iei der Hüfskatode 11 von der Höhe des Heizstromes in wieder und Fig. 2b die Abhängigkeit des Emissionsstromes i_C2 der Hauptkatode 12 vom Emissionsstrom /,/ der Hüfskatode 11. In Fig. 2c ist praktisch eine I 'Verlagerung der Kurven gemäß F i g. 2a und 2b dargestellt, nämlich die Abhängigkeit des Emissionsstromes i_e? der Hauptkatode 12 vom Heizstrom /// der Hüfskatode. Es ist erkennbar, daß die Einzelglieder des Strahlerzeugers regelungstechnisch gesehen mit Totzeiten und einem Proportionalitätsvcr halten behaftet sind. Zur Eliminierung der Totzeiten Hipnpn Hip mittels der Verstellwiderstände 30 und 43 an die Mischpunkte 29 bzw. 38 angelegten Signale, die im Falle der Fig. 2 beispielsweise jeweils den mit ^rA' bezeichneten Wert haben. Die Wirkung ist die, daß deT 0-Punkt des Koordinatensystems auf den jeweiligen Punkt @verschoben wird, was in F i g. 2c durch die zweite Ordinate 51 veranschaulicht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichrungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schakng zur Regelung der Betriebsparameter eines Elektronenstrahlerzeuger:;, insbesondere für Zwecke des Verdampfens, Schmelzens, Schweißens, Schneidens und Bohrens, bestehend aus einer unmittelbar beheizbaren Hilfskatode und aus einer mittelbar durch die Hilfskatode beheizbaren Hauptkatode mit Mitteln zur Rückführung eines dem Emissionsstrom der Hauptkatode entsprechenden Signals zu einer Regeleinrichtung für die Energieversorgung der Hilfskatode, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung für die Hilfskatode (U) aus drei in Kaskadenanordnung geschalteten Einzelreglern (26,39, 40) besteht, und is ein Signal, das dem Heizstrom der Hilfskatode (11) entspricht, einem Heizstromregler (26), ein weiteres, vom ersten getrenntes Signal, das dem Emissionsstrom der Hilfskatode (11) entspricht, einem dem Heizstromregler (26) überlagerten Emissionsstromregier (3S^ für die Regelung des Emissionsstromes der Hilfskatode (U) und schließlich ein drittes, unabhängiges Signal, das dem Emissionsstrom der Hauptkatode (12) entspricht, einem dem Emissionsstromregler (39) überlagerten Strahlstromregler (40) für die Regelung des von der Hauptkatode (12) erzeugten Strahlstroms aufgeschaltet ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Eingängen der Einzelregler (26, 39) je eine vorzugsweise veränderbare Kompensationsspannungsquelle zugeordnet ist, deren Polarität derjenigen des rückgeführten Signals entgegengesetzt ist

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mischpunkt (42) des Strahlstromreglers (40) ein die Anstieg geschwindigkeit des Sollwerts begrenzendes Glied (50) vorgeschaltet ist