DE2434830A1

DE2434830A1 - Elektronenstrahlanlage zur thermischen bearbeitung von objekten durch elektronenbeschuss

Info

Publication number: DE2434830A1
Application number: DE2434830A
Authority: DE
Inventors: Boris Grigoriewitsch Sokolow
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-07-04
Filing date: 1974-07-19
Publication date: 1976-02-05
Also published as: US4147915A; NL171210B; FR2279221B1; US4095083A; NL171210C; GB1454196A; FR2279221A1; DE2434830B2; CH568119A5; NL7409364A

Description

Dlpl.-Ir.g. Dr. jar.

Frank Arnold Mix

Patentanwalt

Frankfurt am Main 70

Gartenstraße 123

eiektedkenstrahlaniage zur theemischen beaebeitung von objekten durch elektronenbeschuss

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen der elektrothermischen und elektrophysikalischen Verfahrenstechnik und betrifft insbesondere Elektronenstrahlanlagen zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß. Sie kann zum Metallschmelzen, zur Verdampfung verschiedener Stoffe, zur Bearbeitung von Gußblöcken durch Abschmelzung, für maßgerechte Bearbeitung usw. in der Flugzeugindustrie! Hüttenindustrie, im Schiffbau und anderen Industriezweigen angewandt werden.

In den für die thermische Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß bestimmten Elektronenstrahlanlagen, vor allem in den Leistungsanlagen, ist die emittierende Katode einem intensiven Ionenbeschuß ausgesetzt und fällt schnell auso Zur Verringerung des Ionenbeschusses wird die Beschleunigungselektrode als Ionenschirm ausgeführt, der vom Gehäuse

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der Anlage isoliert wird. Unter der Wirkung des elektrischen Feldes, das von einer Speisequelle erzeugt wird, deren Pluspol mit der Beschleunxgungselektrode und Minuspol mit dem
Gehäuse der Anlage verbunden sind, hält ein bedeutender Teil von Ionen auf dem Wege zur Beschleunigungselektrode an und
erreicht die Katodenoberfläche nicht.

Ein Mangel der bekannten Elektronenstrahlanlage besteht darin, daß neben einer Verbesserung des Katodenschutzes vor
dem lonenbesehuß, diese Anlagen keinen vollständigen Schutz der Spannungsquelle vor eventuellen Entladungen in der Elektronenkanone sowie keinen ausreichenden Schutz der Beschleunigung selektrode vor Zerstörung durch die Entladungen gewährleisten können» Infolgedessen muß die Speisequelle der Elektronenstrahlanlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten
durch Elektronenbeschuß mit zusätzlichen Schutzeinrichtungen ausgestattet werden. Der Ausfall der Beschleunigungselektrode ist nicht ausgeschlossen.

Bekannt sind auch Elektronenstrahlanlagen zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß, die eine
Speisequelle und eine Vakuumkammer für die Aufnahme eines zu bearbeitenden Objekts und für die Anordnung einer Elektronenkanone enthalten, wobei die letztere für die Bündelung des
Elektronenstromes zu einem auf das Bearbeitungsobjekt gerichteten Elektronenstrahl eine Katode als Quelle des Elektronenstromes und eine Beschleunigungselektrode besitzt, die Katode

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und die Beschleunigungselektrode voneinander und von dem zu "bearbeitenden Objekt elektrisch isoliert sind, und ein Anschluß der Speisequelle mit der Katode verbunden ist, während an den anderen Anschluß das zu bearbeitende Objekt angeschaltet ist (vgl. z.B. G.F. Saboronok, T.I. Selenzew, A.S. Ronjin, B.G. Sokolow "Elektronenstrahl-Schmelzung von Metallen", Verlag "Metallurgie", Moskau, 1972, S. 16-17. 234-241, 228-232).

Ein Mangel dieser Elektronenstrahlanlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß besteht darin, daß in die Speisequelle Reaktanzspulen, Entladungsstrekken, schnellwirkenden MaximalstromselbstschaIter, Systeme zur Sperrung über Gitter eingeführt werden müssen, um die Speisequelle dieser Anlagen effektiv gegen Entladungsströme zu schützen, die bei Entladungen in der Elektronenkanone entstehen,

Ein anderer Mangel der bekannten Anlage liegt darin_s daß zur Aufrechterhaltung eines niedrigen Druckes in der Zone der Elektronenkanone zwecks Verringerung von Entladungen ein mehrstufiges Pumpsystem verwendet wird, wodurch der Aufbau der Anlage noch komplizierter wird..

Zu den Nachteilen der bekannten Anlagen gehört auch die Notwendigkeit, den Wechselstrom zur Speisung von Leistungs-Elektronenkanonen zwecks Vorbeugung der Erwärmung und der Abschmelzung der Beschleunigungselektrode gleichzurichten, wobei der Aufbau der Speisequelle bedeutend komplizierter wird.

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Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenstrahlanlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß zu schaffen, in der die Speisequelle gegen Entladungen in der Elektronenkanone ohne Verwendung von kostspieligen Einrichtungen vollständig geschützt wird und Wechselspannung zur Speisung von Leistungs-Elektronenkanonen verwendet werden kann sowie die Katode vor Ioneribeschuß geschützt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Elektronenstrahlanlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß, die eine Speisequelle und eine Vakuumkammer für die Aufnahme eines zu bearbeitenden Objekts und für die Anordnung einer Elektronenkanone enthält, und in der die letztere für die Bündelung des Elektronenstromes zu einem auf das Bearbeitungsobjekt gerichteten Elektronenstrahl eine Katode als Quelle des Elektronenstromes sowie eine Beschleunigungselektrode besitzt, wobei die Katode und die Beschleunigungselektrode voneinander und von dem zu bearbeitenden Objekt elektrisch isoliert sind, und ein Anschluß der Speisequelle mit der Katode verbunden ist, während an den anderen Anschluß der Speisequelle das zu bearbeitende Objekt angeschaltet ist, erfindungsgemäß mit einer zusätzlichen Beschleunigungspannungsquelle ausgestattet wird, bei der ein Anschluß

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an die Beschleunigungselektrode und der andere Anschluß an die Katode geschaltet werden.

Zur Begrenzung des "bei einer Entladung zwischen der Katode und der Beschleunigungselektrode entstehenden Stromes ist zweckmäßig zwischen einem Anschluß der zusätzlichen Beschleunig ungs spannung s quelle und der Beschleunigungselektrode ein Widerstand eingeschaltet.

Zum Schutz der Katode vor dem Ionenbeschuß . ^v zweckmäßig als Speisequelle und Beschleunigungsspannungsquelle Gleichspannung squellen benutzt und die Beschleunigungselektrode dabei an den Pluspol der Beschleunigungsspannungsquelle angeschlossen, der Minuspol der Beschleunigungsspannungsquelle aber an die Katode und an den Minuspol der Speisequelle geschaltet, wobei die Potentialdifferenz der Beschleunigungsspannungsquelle gegenüber der Potentialdifferenz der Speisequelle um mindestens 50 Volt größer sein muß.

Die Anwendung der vorgeschlagenen Elektronenstrahlanlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß gibt die Möglichkeit, die Speisequelle gegen den bei Entladungen in der Elektronenkanone entstehenden Strom ohne Benutzung von Einrichtungen wie Reaktanzspulen, Entladungsstrecken, schnellwirkende Maximalstromselbstschalt er usw. vollständig zu schützen und dadurch die Kosten der Anlage um 10 bis 15% zu senken, auf das mehrstufige Pumpsystem zum Evakuieren der Kammer mit der Elektronenkanone zu verzichten und dadurch

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die Kosten der Anlage um weitere 10 bis 15% herabzusetzen, und für die Speisung von Leistungs-Elektronenkanonen Strom mit

Industriefrequenz zu benutzen, wobei sich eine weitere Kostenherabsetzung von 8 bis 12% für die Anlage ergibt. Somit beträgt die Senkung der Anlagenkosten insgesamt 28 bis 42%.

In der erfindungsgemäß ausgeführten Anlage wird ein stabiler Betrieb von Elektronenkanonen bei einem mindestens zweibis fünfmal größeren Druck als in bekannten Anlagen gewährleistet.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung von konkreten Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig· 1 Gesamtansicht der Elektronenstrahlanlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß gemäß der Erfindung (Längsschnitt, erste Variante);

Fig. 2 Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Elektronenstrahl· anlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronen beschuß (Längsschnitt, zweite Variante).

Die Elektronenstrahlanlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß besteht aus einer Vakuumkammer 1 (Fig. 1) und einer Elektronenkanone 2, unter welcher das zu bearbeitende Objekt 3 angeordnet wird. Zur Elektronenkanone 2 gehört die Katode 4-, die als Quelle des Blektronenstromes dient und aus einer Fokussierelektrode 5 sowie einer als Wolframwendel ausgebildeten Emissionselektrode 6

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"besteht, Die Katode 4 ist im Innenraum der Vakuumkammer 1 mittels einer Hohlstange 7 befestigt, mit deren Hilfe der Emissionselektrode 6 Strom zugeführt wird. Die Beschleunigungselektrode 8 der Elektronenkanone 2 ist von dem zu "bearbeitenden Objekt 3 durch einen Hochspannungsisolator 9 elektrisch getrennt·

Eine außerhalb der Vakuumkammer 1 angeordnete Hochspannung sque He 10 für 10...100 kV ist mit einem Anschluß 11 an das zu bearbeitende Objekt 3 durch das Gehäuse der Vakuumkammer 1 geschaltet· Der andere Anschluß 12, der Hochspannungsquelle 10 ist durch die Hohlstange 7 mit der Katode 4 verbunden. An die Katode 4 ist ebenfalls über die Hohlstange 7 ein Anschluß 13 einer zusätzlichen Beschleunigungsspannungsquelle 14 angeschaltet. Der andere Anschluß 15 der zusätzlichen Beschleunigungsspannungsquelle 14 ist mit der Beschleunigungselektrode 8 durch einen Hochspannungs-Durchgangsisolator 16 sowie über einen hochohmigen Widerstand 17 verbunden. Zur Heizung der Emissionselektrode 6 wird ein Transformator 18 benutzt, dessen Sekundärwicklung 19 mit einem Anschluß 20 an der Hohlstange 7 und mit dem anderen Anschluß 21 am isolierten Stromzuführungsdraht 22 liegt, der dureh die Hohlstange 7 hindurchgeht.

Der Stromkreis des Transformators 18 wird mit Hilfe eines zweipoligen Schalters 23 eingeschaltet. Die Spannung der Hochspannungsquelle 10 wird der Anlage mittels eines Schalters 24

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zugeführt und mit einem weiteren Schalter 25 wird auf die Anlage die Spannung von der zusätzlichen Beschleunigungsspannungsquelle 14 gegeben. Mit Hilfe eines Stutzens 26 wird die Vakuumkammer 1 an die in der Zeichnung nicht gezeigten Vakuumpumpen angeschlossen.

In der in Fig© 1 dargestellten Elektronenstrahlanlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß können als Speisequelle 10 und als zusätzliche Beschleunigungsspannungsquelle 14 sowohl Gleich- als auch Wechselspannungsquellen benutzt werden.

Ähnlich aufgebaut ist auch die in Fig. 2 gezeigte Elektronenstrahlanlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß, nur mit dem Unterschied, daß in dieser Anlage als Speisequelle 10 und als zusätzliche Beschleunigungsspannungsquelle 14 G-leichspannungsquellen angewandt sind. Dabei muß die von der Beschleunigungsspannungsquelle 14 erzeugte Potentialdifferenz zwischen der Katode 4 und der Beschleunigungselektrode 8 um mindestens 50 Volt größer als die Potentialdifferenz der Spannungsquelle 10 sein.

Die in Fig, 1 gezeigte Elektronenstrahlanlage zur Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß funktioniert wie folgt.

In der Vakuumkammer 1 wird das zu bearbeitende Objekt 3 angeordnet, das ein zur Schmelzung bestimmtes Metallrohstück darstellt. Durch den Stutzen 26 wird die Kammer 1 bis zum

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Rest druck von etwa 1x10 Torr evakuiert. Darauf wird mit dem Schalter 25 die Hochspannungs-Speisequelle 10 zugeschaltet. Mit Hilfe des Schalters 24 wird die zusätzliche Beschleunigungs-Spannungsquelle 14 angeschlossen, wobei die Beschleunigungsspannung der Elektronenkanone 2 zugeführt wird, in der zwischen der Fokussierelektrode 5 und der Emissionselektrode 6 einerseits sowie der Beschleunigungselektrode 8 andererseits ein elektrisches Feld entsteht, welches die Beschleunigung des Elektronenstromes und seine Fokussierung zu einem Elektronenstrahl bewirkt. Mit dem Schalter 23 wird die Netzspannung an den Transformator 18 angelegt, der einen Strom für die Erwärmung der Emissionselektrode 6 liefert. Bei der Erwärmung der letzteren bis zur Temperatur der thermischen Elektronenemission entsteht ein Elektronenstrom, der zum Elektronenstrahl 27 gebündelt wird, dessen Elektronen sich in einem von der Hochspannungs-Speisequelle 10 erzeugten Feld bewegen und das zu bearbeitende Objekt beschießen und erwärmen.

Bei der Erwärmung des Objekts 3» das ein Metallrohstück darstellt, löst sich aus dem Metall, besonders beim Schmelzen dieses Rohstücks, eine große Gasmenge heraus. Beim Eindringen des Gases in die Zone der Katode 4 und der Beschleunigungs elektrode 8 entsteht die Möglichkeit einer Entladung zwischen der Katode 4 und der Beschleunigungselektrode 8· Der Entladungsstrom kann bei den bekannten Anlagen mehrere zehn-

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Ms hundert Male stärker als der Nennstrom des Elektronenstrahls 27 sein und Bauelemente der Speisequelle 10 "beschädigen sowie die Arbeitsflächen von Elektroden der Elektronenkanone 2 zerstören. Im Zeitpunkt der Entladung fällt der Widerstand der Strecke zwischen der Katode 4 und der Beschleunigung selektrode 8 sprunghaft ab, was zum schnellen Stromanstieg im elektrischen Stromkreis der Hochspannungs-Speisequelle 10 und zum eventuellen Ausfall dieser Speisequelle 10 führt. Bei der erfindungsgemäß ausgeführten Anlage ist das aber ausgeschlossen. Bei der Entstehung einer Entladung steigt der im Kreis der zusätzlichen Beschleunigungsspannungsquelle 14 über den hochohmigen Widerstand 17 fließende Strom schnell an.

Dieser Strom ruft einen Spannungsabfall am hochohmigen Widerstand 17 hervor, wobei infolgedessen an der Beschleunigungselektrode 8 ein negatives Potential erscheint, das sich dem Potential der Katode 4 nähert und die Entwicklung der elektrischen Entladung zwischen der Beschleunigungselektrode 8 und der Katode 4 begrenzt. Gleichzeitig mit der Entstehung der Entladung zwischen der Beschleunigungselektrode 8 und der Katode 4 und mit dem Stromanstieg im Kreis der zusätzlichen Beschleunigungsspannungsquelle 14 wird der Strom im Kreis der Hochspannungs-Speisequelle 10 herabgesetzt oder gänzlich unterbrochen, da die Stärke des von der Hochspannungs-Speisequelle 10 erzeugten elektrischen Feldes für den Elektronenaustritt aus der Emissionselektrode 6 nicht ausreicht und

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die Stärke des von der zusätzlichen Beschleunigungsspannungsque He 14 herrührenden elektrischen Feldes infolge des Spannungsabfalls am hochohmigen Widerstand 17 gesunken isto Nach Beendigung der Entladung fällt der Strom im Kreis der zusätzlichen BeschleunigungsspannungsqueHe 14 ab und werden die Bedingungen für den Elektronenfluß von der Emissionselektrode 6 zum Bearbeitungsobjekt 3 wiederhergestellte

Die in Fig. 2 dargestellte Elektronenstrahlanlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß funktioniert ähnlicherweise_β

Unter Einwirkung der Beschleunigungsspannung der Quelle 14 werden die Elektronen von der Katode 4 zur Beschleunigungselektrode 8 hingezogen, durchfließen den Hohlraum der Beschleunigungselektrode 8 und bombardieren das zu bearbeitende Objekt 3· Damit sich die Ionen im Raum zwischen der Beschleunigungselektrode 8 und dem zu bearbeitenden Objekt nicht zur Katode 4 wenden, muß die von der Quelle 14 zwischen der Katode 4 und der Beschleunigungselektrode 8 erzeugte Beschleunigungsspannung mindestens 50 Volt höher als die Spannung der Speisequelle 10 liegen· Da die Speisequelle 10 keine Verbindung mit der Beschleunigungselektrode 8 hat, wird die Speisequelle 10 von den in der Elektronenkanone 2 entstehenden Entladungen nicht beeinflußt. Damit die Entladungen in der Elektronenkanone 2 die Beschleunigungselektrode 8 nicht zerstören, muß der Widerstand des Stromkreises der Beschleunigungsspannungs-

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quelle 14 mehrere zehn bis hundert Kiloohm betragen» Die Lei ·"■* ungsverluste sind dabei aber unbedeutend, da im Stromkreis der Beschleunigungsspannung^quelle 14 ein schwacher Reststrom zur Beschleunigungselektrode 8 fließt.

Die zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß bestimmte Elektronenstrahlanlage kann zur Schmelzung, Schweißung und Verdampfung von Metallen und Nichtmetallen, zur Bearbeitung der Oberfläche von Gußblöcken durch Abschmelzung und zur maßgerechten Bearbeitung von Stoffen angewandt werden.

Die Anwendung dieser Elektronenstrahlanlage ermöglicht den vollständigen Schutz von Hochspannungsquellen großer Leistung vor elektrischen Entladungen mit Hilfe einer zusätzlichen Beschleunigungsspannungsquelle 14 von einer mehrere hundert Male kleineren Leistung.

Der Entladungstrom (im Stromkreis der Hochspannungs- -Speisequelle 10 und der Hauptspeisequelle) steigt in dieser Anlage nicht über den Elektronenstrahl-Nennstrom an, wobei Beschädigungen oder Zerstörung der Elektrodenoberfläche in der Elektronenkanone ausgeschlossen sind.

Insofern die Begrenzung des Entladungsstromes in dieser Anlage im Anfangsstadium der Entladungsentwicklung erfolgt, funktioniert die Elektronenkanone der Anlage stabil auch bei zwei- bis fünfmal größeren Druckwerten in der Vakuumkammer als

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der für einen stabilen Betrieb der Elektronenkanone in der bekannten Anlage erforderliche Druck. Die Elektronenstrahlanlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß hat infolge der kleineren Anzahl von Stufen der Luftevakuierung aus der Vakuumkammer 1 ein vereinfachtes Vakuumpumpsystem .

In der beschriebenen Anlage können von einer Hochspannungs- -Speisequelle 10 mehrere Elektronenkanonen gespeist werden, wobei die Elektronenkanonen nach Wunsch getrennt gesteuert werden können, ohne daß die Betriebsbedingungen jeder einzelnen Kanone beeinflußt werden.

Zum ersten Mal ergibt sich auch die Möglichkeit, für die Speisung von Leistungs-Elektronenstrahlanlagen in einem weiten Umfang Wechselstrom zu benutzen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

t 1.)Elektronenstrahlanlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß, die eine Speisequelle und eine Vakuumkammer für die Aufnahme eines zu bearbeitenden Objekts und für die Anordnung einer Elektronenkanone enthält, und in der die letztere für die Bündelung des Elektronenstromes zu einem auf das Bearbeitungsobjekt gerichteten Elektronenstrahl eine Katode, als Quelle des Elektronenstromes sowie eine Beschleunigungselektrode besitzt, wobei die Katode und die Beschleunigungselektrode voneinander und von dem zu bearbeitenden Objekt elektrisch isoliert sind, und ein Anschluß der Speisequelle mit der Katode verbunden ist, während an den anderen Anschluß der Speisequelle das zu bearbeitende Objekt geschaltet ist, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Beschleunigungsspannungsquelle (14), bei der ein Anschluß (13) an die Katode (4) und der andere Anschluß (15) an die Beschleunigungselektrode (8) angeschlossen sind.
2. Elektronenstrahlanlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Anschluß (15) der zusätzlichen Beschleunigungsspannungs quelle (14) und der Beschleunigungselektrode (8) ein Widerstand (17) liegt.

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3. Elektronenstrahlanlage zur thermischen Bearbeitung von Objekten durch Elektronenbeschuß nach Anspruch 1, in der als Speisequelle (10) und als Beschleunigungsspannungsquelle (14) Gleichspannungsquellen benutzt -werden, dadurch gekennzeichnet , daß die Beschleunigungselektrode (8) an den Pluspol (15) der Beschleunigungsspannungsquelle (14) angeschlossen ist und der Minuspol (13) der Beschleunigungsspannungsquelle (14) mit der Katode (4) und mit dem Minuspol (12) der Speisequelle (10) verbunden ist_? wobei die von der Beschleunigungsspannungsquelle (14) zwischen der Katode (4) und der Beschleunigungselektrode (8) erzeugte Potentialdifferenz gegenüber der Potentialdifferenz der Speisequelle (10) um mindestens 50 Volt größer ist»

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