DE2522072A1 - GAS DISCHARGE ELECTRON BEAM GENERATING SYSTEM FOR GENERATING AN ELECTRON BEAM WITH THE HELP OF A GLIME DISCHARGE - Google Patents
GAS DISCHARGE ELECTRON BEAM GENERATING SYSTEM FOR GENERATING AN ELECTRON BEAM WITH THE HELP OF A GLIME DISCHARGEInfo
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Description
PHN.7554PHN.7554
Va/FF/OUYS.Va / FF / OUYS.
29-4-197529-4-1975
Anm£:Jif: M.V. 'ΛΓιΗμ:,' ü!oulampenfabrieken Note : Jif: MV 'ΛΓιΗμ :,' ü! Oulampenfabrieken
Akte Na^ PHN- 7554 Anmeldung vom: -Jg^ Mal 1975File Na ^ PHN- 7554 Registration from: -Jg ^ Mal 1975
"Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystem zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mit Hilfe einer Glimmentladung" "Gas Discharge Electron Gun Generating System an electron beam with the help of a glow discharge "
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gas-The invention relates to a gas
.entladungselektronenstrahlerzeugungssystem zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mit Hilfe einer Glimmentladung, das mindestens aus einer Umhüllung und Mitteln zum Aufrechterhalten eines gasförmigen ionisierbaren Mediums innerhalb dieser Umhüllung besteht, welche Umhüllung ein Elektrodensystem enthält, das mindestens aus einer Anode und einer Kathode besteht, zwischen denen eine elektrische Spannung derart angelegt wird, dass eine Glimmentladung in dem gasförmigen ionisierbaren Medium zwischen der genannten Anode und der genannten Kathode erhalten wird, die einen Elektronenstrahl erzeugt, . während weiter Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe der Druck in der Glimmentladung automatisch dadurch.discharge electron gun for generating an electron beam with the help of a glow discharge, which consists of at least one envelope and means for Maintaining a gaseous ionizable medium is within this envelope, which envelope contains an electrode system, which consists of at least one Anode and a cathode exists, between which an electrical voltage is applied in such a way that a Glow discharge in the gaseous ionizable medium between said anode and said cathode which generates an electron beam,. while further funds are provided with their help the pressure in the glow discharge automatically thereby
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-#- PHN.- # - PHN.
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geregelt wird, dass Aenderuhgen in einem der Parameter der Glimmentladung, die die Form oder die· Intensität des Elektronenstrahls beeinflussen und die über eine der Elektroden des Elektrodensystems gemessen werden, über ein Regelnetzwerk rückgekoppelt werden, indem Aenderungen in dem zugeführten Strom gasförmigen ionisierbaren Mediums herbeigeführt werden.it is regulated that aenderuhgen in one of the parameters the glow discharge, which influence the shape or the intensity of the electron beam and which have a of the electrodes of the electrode system are measured, are fed back via a control network by Changes in the supplied stream of gaseous ionizable medium are brought about.
Ein derartiges Gasentladungselektronenstrahl erzeugungssystem ist aus der britischen Patentschrift I.O65.858 bekannt. Nach dieser Patentschrift werden die Elektronen für den Elektronenstrahl in dem ionisierten Medium in einer gelochten hohlen Kathode erzeugt und in Richtung auf das Werkstück beschleunigt. Die Anode wird nach dieser britischen Patentschrift durch das mit dem Elektronenstrahl zu bearbeitende Werkstück und/oder Teile der Umhüllung gebildet. Der Druck in der Glimmentladung wird dadurch geregelt, dass auf geringe Aenderungen in der Elektronenstrahlintensität, über Aenderungen in z.B. dem Anodenstrom gemessen, und in der Fokussierung, über -Aenderungen in z.B. dem Strom einer zwischen der Anode und der Kathode liegenden Regelelektrode gemessen, reagiert wird. Die gemessenen Aenderungen werden über ein Regelnetzwerk auf den Druck in der Glimmentladung rückgekoppelt, der durch grossere oder geringere Zufuhr gasförmigen ionisierbaren Mediums, vorzugsweise in dem die Kathode enthaltenden Teil der Umhüllung, eingestellt" wird. Ein derartiges System ist träge, weil das ionisierbareSuch a gas discharge electron beam generating system is from the British patent I.O65.858 known. According to this patent specification are the electrons for the electron beam in the ionized medium generated in a perforated hollow cathode and accelerated towards the workpiece. According to this British patent, the anode is to be processed with the electron beam Workpiece and / or parts of the envelope formed. The pressure in the glow discharge is regulated by the fact that for small changes in the electron beam intensity, measured via changes in e.g. the anode current, and in focusing, via changes in e.g. the current of one lying between the anode and the cathode Control electrode is measured, reacts. The measured changes are based on a control network the pressure in the glow discharge is fed back, the gaseous one caused by a greater or lesser supply ionizable medium, preferably in that part of the envelope containing the cathode Such a system is inert because it is ionizable
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—y- · PHN.7554-Y- · PHN.7554
Medium eine verhältnismässig lange Strecke zu der Entladung zurücklegen muss, während die freie Weglänge der Atome oder Moleküle klein ist (ungefähr 1 mm). Dies hat zur Folge, dass z.B. beim Schweissen grosse Schwankungen im Druck auftreten können, was eine Verschlechterung des Energieprofils an der Schweissstelle und somit der Schmelze mit sich bringt. Dies ergibt wieder eine schlechte Schweissung.Medium a relatively long distance to the discharge must travel while the free path of the atoms or molecules is small (about 1 mm). this As a result, large fluctuations in pressure can occur during welding, for example, which is a Worsening of the energy profile at the welding point and thus the melt with it. this again results in a bad weld.
Wie in der britischen PatentschriftAs in the British patent specification
I.145.OI3 beschrieben ist, kann die Anode auch die Form einer zylindrischen Buchse aufweisen. Dabei braucht das Werkstück, das nun nicht mehr als Anode wirkt, nicht mehr aus einem elektrisch leitenden Material zu bestehen. Die Regelelektrode kann auch in diesem Falle eine zusätzliche Elektrode sein, die zwischen der Anode und der Kathode liegt.I.145.OI3 is described, the anode can also use the Have the shape of a cylindrical socket. The workpiece no longer needs it as an anode acts to no longer consist of an electrically conductive material. The control electrode can also in this case be an additional electrode, which lies between the anode and the cathode.
' Die Erfindung bezweckt, eine Konstruktion zu schaffen, die eine schnelle Regelung gestattet und in der die Druckschwankungen minimal sind.The aim of the invention is to create a construction that allows rapid regulation and in which the pressure fluctuations are minimal.
Nach der Erfindung ist ein Gasentladungs· elektronenstrahlerzeugungssystem der im ersten Absatz genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Anode zylindrisch gestaltet ist und der Kathode gegenüber liegt und das gasförmige ionisierbare Medium in den Raum eingelassen wird, in dem die Glimmentladung stattfindet, über eine oder mehrere Oeffnungen in der Innenwand der Elektrode, über welche Elektrode auch die genannten Aenderungen gemessen werden.According to the invention, a gas discharge electron beam generating system is that in the first paragraph said type characterized in that said The anode is cylindrical and opposite the cathode lies and the gaseous ionizable medium is let into the space in which the glow discharge takes place, via one or more openings in the inner wall of the electrode, via which electrode also the mentioned changes are measured.
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; '-/I- . ρΗΝ.7552*.; '- / I-. ρΗΝ.755 2 *.
κ 29-^-1975κ 29 - ^ - 1975
Der Erfindung liegt die ErkenntnisThe invention lies in the knowledge
zugrunde, dass die zum Korrigieren der Aenderungen in einem der Parameter der Glimmentladung, die die Intensität oder die Fokussierung des Elektronenstrahls beeinflussen, erforderlichen Druckänderungen an den Stellen auftreten sollen, an denen diese Aenderungen gemessen sind, und nicht in einiger Entfernung von diesen Stellen. Das Ergebnis der Korrektur wird dann schnell wieder gemessen und rückgekoppelt, was eine schnelle Regelung zur Folge hat. Als Parameter, in denen die Aenderung beobachtet wird, können z.B. der Entladungsstrom (Strom durch die Glimmentladung), die Spannung über der Entladung oder über einem mit der Entladung in Reihe geschalteten Widerstand oder die Spannung an oder der Strom in einer zwischen der Anode und der Kathode liegenden Elektrode erwähnt werden. Wenn das Regelsystem auf Spannungsmessung basiert, können wegen des Vorschaltwiderstandes, wenn dieser gross ist, Aufschaukelungeη auftreten. Strommessung ist also zu bevorzugen.based on that which is used to correct the changes in one of the parameters of the glow discharge, which is the intensity or affect the focusing of the electron beam, required pressure changes should occur at the points where these changes are measured, and not at some distance from these places. The result of the correction will then be quickly measured again and fed back, which results in fast regulation. As a parameter in which the change is observed, e.g. the discharge current (current through the glow discharge), the Voltage across the discharge or across a resistor connected in series with the discharge or the Voltage at or the current in an electrode lying between the anode and the cathode can be mentioned. If the control system is based on voltage measurement, because of the series resistance, if this is large, Aufschaukelungeη occur. Current measurement so is preferable.
Wenn die Zufuhr gasförmigen ionisierbaren Mediums in der Elektrode stattfindet, ist die Ansprechzeit sehr kurz (+_ 1 msec). Ein Vorteil bei Anwendung der Anode als Regelelektrode besteht darin,~ dass das Gaszufuhrsystem auf Erdpotential betrieben werden kann. Die Zufuhr gasförmigen ionisierbaren Mediums muss über eine Leitung mit einem genügend kleinen Strömungswiderstand erfolgen, um eine VerzögerungIf the supply of gaseous ionizable medium takes place in the electrode, the Response time very short (+ _ 1 msec). One advantage of using the anode as a control electrode is that ~ that the gas supply system can be operated on earth potential. The supply of gaseous ionizable The medium must take place via a line with a sufficiently small flow resistance to avoid a delay
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: -jT- PHN.: -jT- PHN.
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iii der Regelung zu vermeiden. Auch muss das Regelventil in unmittelbarer Nähe der Elektrode angeordnet sein.iii to avoid the scheme. Also needs the control valve be arranged in the immediate vicinity of the electrode.
Die genannte Regelelektrode kann dieSaid control electrode can
Form eines Zylinders, eines Gitters oder einer Platte mit einer Oeffnung aufweisen. Die Zufuhr gasförmigen ionisierbaren Mediums erfolgt hier über eine oder mehrere Oeffnungen in der Innenwand dieser Elektrode oder, falls die Elektrode gitterf8rmig ist, über eine oder mehrere Oeffnungen in dem-Ring, in dem dieses Gitter befestigt ist.Shape of a cylinder, grid or plate have with an opening. The supply of gaseous ionizable medium takes place here via an or several openings in the inner wall of this electrode or, if the electrode is lattice-shaped, via one or several openings in the ring in which this grid is attached.
Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below, for example with reference to the drawing. It demonstrate:
Figuren 1 und 3 schematisch. Ausführungs — beispiele der Erfindung, undFigures 1 and 3 schematically. Embodiment - examples of the invention, and
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie H-II der Fig.. 1.FIG. 2 shows a section along the line H-II in FIG. 1.
In Fig. 1 ist ein AusführungsbeispielIn Fig. 1 is an embodiment
eines Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystems zum Erzeugen eines Elektronenstrahls 1 dargestellt. Dieses Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystem ist aus einer Umhüllung 2 aufgebaut, in der ein bestimmter Druck (+. 0,1 bis 0,01 Torr) mittels einer Pumpe 15 . aufrechterhalten wird. Ueber ein Regelventil 3 wird ein gasformiges ionisierbares Medium aus dem Behälter G in das Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystem über die Oeffnungen in der Innenwand der Anode 5 eingelassen. In einiger Entfernung von der Anode 5a gas discharge electron gun for generating an electron beam 1 is shown. This Gas discharge electron gun is constructed from an envelope 2 in which a certain Pressure (+. 0.1 to 0.01 torr) by means of a pump 15. is maintained. A gaseous ionizable medium is discharged from the container via a control valve 3 G into the gas discharge electron beam generation system via the openings in the inner wall of the anode 5 let in. Some distance from the anode 5
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PHN.7554 29-4-1975PHN.7554 29-4-1975
liegt eine Kathode 6. Wird ein genügend grosser Spannungsunterschied zwischen der Anode 5 und der Kathode 6, z.B. 10 bis 100 kV, angelegt, so wird . zwischen diesen Elektroden eine Glimmentladung erhalten. Die Ionen aus dieser Glimmentladung prallen auf die Kathode 6, wenn diese ein negatives Potential in bezug auf die Anode 5 aufweist, und lösen aus dieser Kathode Elektronen aus, die durch die Form des elektrischen Feldes zwischen der Anode 5 und der Kathode zu einem Elektronenstrahl 1 zusammengefügt werden, mit dem Bearbeitungen am Werkstück 11 durchgeführt werden können. Die Spannung zwischen der Anode 5 und der Kathode 6 wird von einer Speisequelle 16 über einen Begrenzungswiderstand 12 und einen Messwiderstand 13 geliefert. Aenderungen in dem Strom werden von einem Voltmeter V dadurch detektiert, dass die Spannung über dem Messwiderstand 13 gemessen wird und dass ein Vergleich mit der Bezugsspannung V ■ in der Vergleichsschaltung 9 stattfindet. ■ Ueber einen elektromechanischen Wandler 10, der das Regelventil 3 betätigt, wird über eine Druckänderung in dem Raum zwischen der Anode 5 und der Kathode 6 zurückgeregelt. Der Strom wird seinen ursprünglichen Wert wieder annehmen, Derartige Aenderungen in der Spannung können durch z.B. aus dem Werkstück 11 freiwerdendes Gas oder Metalldampf während der Bearbeitung mit dem Elektronenstrahl 1 erhalten werden. Dadurch wird sich der Druck in der Entladung ändern und ändert sich die Gaszusammensetzung in demis a cathode 6. If a sufficiently large voltage difference between the anode 5 and the Cathode 6, e.g. 10 to 100 kV, is applied. a glow discharge is obtained between these electrodes. The ions from this glow discharge collide with the cathode 6 when it has a negative potential with respect to the anode 5, and solve from this Cathode electrons from the shape of the electric field between the anode 5 and the cathode be combined to form an electron beam 1, with the machining operations are carried out on the workpiece 11 can. The voltage between the anode 5 and the cathode 6 is from a supply source 16 via a Limiting resistor 12 and a measuring resistor 13 are supplied. Changes in the stream are made by one Voltmeter V is detected by the fact that the voltage is above the measuring resistor 13 is measured and that a comparison with the reference voltage V ■ in the comparison circuit 9 takes place. ■ About an electromechanical Converter 10, which actuates control valve 3, is activated via a pressure change in the space between anode 5 and the cathode 6 regulated back. The stream will assume its original value again, such changes in the voltage can be caused by e.g. from the Workpiece 11 released gas or metal vapor during machining with the electron beam 1 can be obtained. This will increase the pressure in the discharge change and changes the gas composition in the
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• -?- phn.7552*• -? - phn.755 2 *
. 29-4-1975. 29-4-1975
Raum zwischen der Anode und der Kathode, wodurch ein anderer Strom durch die Entladung fliessen wird. Dies übt wieder Einfluss auf die Form und die Intensität des Elektronenstrahls und somit auf die Qualität der Bearbeitung aus.Space between the anode and the cathode, whereby another current will flow through the discharge. this again has an influence on the shape and intensity of the electron beam and thus on the quality of the processing the end.
Eine sehr schnelle (1 msec) Korrektur ist möglich, wenn diese über die Zufuhr gasförmigen ionisierbaren Mediums durch Oeffnungen 7 in der Anode vorgenommen wird, die mit einem Kanal 8 in Verbindung stehen, der mit dem Behälter G verbunden ist.A very fast (1 msec) correction is possible if this is gaseous via the supply ionizable medium through openings 7 in the anode is made, which are in communication with a channel 8 which is connected to the container G.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt längsFig. 2 shows a longitudinal cross section
der I^inie H-II der Fig. 1. Das über das Regelventil aus dem Behälter G zugeftihrte ionisierbare Medium wird über den Kanal 8 und die Oeffnungen 7 in die Anode eingelassen.the I ^ line H-II of Fig. 1. That via the control valve from the container G supplied ionizable medium is via the channel 8 and the openings 7 in the Recessed anode.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystems nach der Erfindung. Darin ist eine zusätzliche Elektrode 14 zwischen der Anode 5 und der Kathode 6 angebracht,die als Regelelektrode verwendet wird. Diese Elektrode kann die Form eines Zylinders oder einer flachen Platte mit einer Oeffnung in der Mitte aufweisen. Die Innenwand dieses Zylinders oder dieser Oeffnung ist, gleich wie bei der Anode 5 in Fig. 1, mit einer oder mehreren Oeffnungen 7 zum Zuführen gasformigen ionisierbaren Mediums aus einem mit einem Behälter G verbundenen Kanal 8 versehen. Die Regelung erfolgt auf nahezu gleiche Weise wie bei dem BeispielFig. 3 shows another embodiment of the gas discharge electron gun according to the invention. An additional electrode 14 is attached between the anode 5 and the cathode 6, which is used as a control electrode. This electrode can be in the shape of a cylinder or a have a flat plate with an opening in the middle. The inner wall of this cylinder or this one The opening is, as in the case of the anode 5 in FIG. 1, with one or more openings 7 for supply Gaseous ionizable medium from a channel 8 connected to a container G is provided. The regulation is done in much the same way as in the example
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.-¥- PHN..- ¥ - PHN.
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nach Fig, 1. Oiese Regelelektrode ist über den Messwiderstand 13 mit der Anode 5 verbunden. Als Parameter der gemessen wird, kann auch, die Spannung über der Entladung oder die Spannung an der Regelelektrode gewählt werden.according to Fig, 1. This control electrode is across the measuring resistor 13 connected to the anode 5. The voltage across the can also be used as a parameter to be measured Discharge or the voltage at the control electrode can be selected.
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