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BESCHLEUNIGUNGSSYSTEM FUR EIN BÜNDEL GELADENER
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TEILCHEN IN EINER ELEKTRONEN- ODER IONENSTRAHLKANONE Die vorliegende
Erfindung betrifft Einrichtungen zur Formierung der Bündel von geladenen Teilchen,
und zwar ein Beschleunigungssystem für ein Bündel geladener Teilchen in Elektronen-
und lonenstrahlkanonen, und kann bei Anlagen zur Elektronen- und Ionenstrahlbearbei
tung von Materialen, z.B. Schweißen, Schmelzen, Metallisieren, für die Bearbeitung
von Teilen mit vorgegebenen Abmessungen sowie für die Durchführung anderer Verfahren
der Elektonenstrahltechnologie ihre Anwendung finden. Besonders zwecksmäßig kann
man die vorliegende Erfindung bei der Erzeugung (Formierung) von leistungsfähigen
(mit einer Leistung von über 10 kW) Bündeln geladener Teilchen verwenden.
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Es ist die Verwendung eines Beschleunigungssystems für ein ßündel
geladener Teilchen in Elektronen- und lonenst-rahlkanonen bekannt, welches System
eine Beschleunigungselektrode enthält, wodurch das System nur einen Ent-ladungsraum
aufweist. Es gelingt jedoch nicht in diesem Entladungsraum eine stabile Potentialdifferenz
von über 40-50 kV aufrechtzuerhalten und folglich eine ausreichende Beschleuni -gung
der Elektronen oder der lonen zu gewährleisten, was die technologischen Möglichkeiten
der Kanonen vermindert. Deshalb haben eine breite Anwendung diejenigen Elektronen-oder
Ionenstrahlkanonen erfahren, in denen mehrere hintereinander angeordnete Beschleunigungselektroden
verwendet werden, was eine bedeutende Erhöhung der Leistung der zu verwendenden
Ausiüstungen ermöglicht.
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Als Spannungsteiler verwendet man in solchen Einrich -tun en die
Flüssiskeit, welche durch die i?ohrschlange fließt und gleichzeitig als Kühlmittel
dient.
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Zur Gewährleistung des elektrischen Kontakt es zwischen der Flüssigkeit
und den Elektroden sind in dem dielektrisollen Itollr Offnungen vorgesehen, in welchen
Iiülsen aus einem elektrisch leitenden stoff eingesetzt sind, welche mittels eines
Deliebizen von den bekannten Verfahren mit den Elektroden des Beschleunigungssystems
verbunden sind. Die Xußenlieenden Ilülsen sind an eine Speisequelle angeschlossen.
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Obwohl dieses System gegenüber dem System mit- einer
Beschleunigungselektrode
Vorteile aufweist, verursachen jedoch die Hülsen eine Vergrößerung der Abmessungen
des Kühlsystems de zinrichtung, und folglich eine Vergrößerung des gesamten Beschleunigungssystems,
was seinerseits die Anwendungsmöglichkeiten des Beschleunigungssystems in den Einrichtungen
für Elektronen- und 1 onenstrahlt; echnologie beschrankt.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Verminderung der Abmessungen
des Beschleunigungssystems sowie die Er'-höhung der ßetriebszuverlässigkeit des
Systems und die Schaffung der erforderlichen Temperaturverhältnisse für den Betrieb
des Systems. Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrunde gelegt, die Rohrschlange des
Kühlsystems des Beschleunigungssystems derart auszuführen, daß die Fläche der Zusammenwirkung
zwischen dem Kühlmittel und den heiß werdenden Elementen des Beschleunigungssystems
vergrößert wird.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in dem erfin -dungsgemäßen
Beschleunigungssystem für ein Bündel geladene Teilchen zwei bifilar angeordnete
Beitungswege vorgesehen sind, wobei in dem einen Leitungsweg das Kühlmittel in einer
Richtung, und in dem anderen teitungswege dasselbe Kühlmittel gegenläufig fließt
und jede Elektrode mindestens zwei Kanäle vom gleichen Querschnitt und von gleicher
Länge aufweist, von welchen der eine Kanal mit einem Lei;-tungsweg
der
Rohrschlange und der andere Kanal mit dem anderen Leitungsweg der Rohrschlange verbunden
sind.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Konstruktion be -stehen darin,
daß sie das Durchlassen des Kühlmittels urlmittelbar auch den Körper des elektrischen
Beschleunigungssystems und dadurch eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen
dem Kühlmittel und den heiß werdenden Teilen des Systems ermöglicht; durch die bifilare
Anordnung der Win -dungen der Rohrschlange gelingt es außerdem, einen Wasserspannungsteiler
mit Zweiben von gleichem Widerstand auf der gesamten Lange des Teilers zu schaffen,
was zu einem Ausgleich der potentiale des Wassereinlaufes und - auslaufes führt
und den Anschluß des Wasserspannungsteilers an das gewöhnliche wasserleitungssystem
ermöglicht.
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Die Rohrschlange kann zweckiaäßigerweise in Form von im Körper des
Beschleunigungssystems vorgesehenen Kanälen ausgeführt werden, wodurch eine weitere
Verminderung der Abmessungen der Einrichtung und die Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit
derselben erzielt werden kann.
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Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung anhand der
von Ausführungsbeispiels v beigefügtenzeichnungen erläutert. Es zeigen Fig.1 das
erfindungsgemäße Beschleunigungssystem mit drei Beschleunigungselektroden und einem
Kühlsystem (im QuersciLnitt);
Fig.2 ein U- förmiges Rohr, das zur
Bildung der Itohrschlange verwendet- wird; w Fig.3 einen der Abschnitte, an welchem
die Zeige der Rohrschlange mit den Kanälen der Elektrode verbunden werden; Fig.4
die elektrische Ersatzschaltung des erfindungsgemaß Beschleunigungssystems, das
in Fig.1 wiedergegeben ist; Fig.5 eine der Ausführungsformen der Elektronenstrahlkanone
mit einem Teiler der beschleunigenden Spannung, der im Körper des Beschleunigungssystems
ausgebildet ist; Fig.6 einen Schnitt nach der Linie VI-V1 der Fi.4.
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Bas in Fig.1 dargestellte Beschleunigungssystem umfaßt und eine Quelle
1 von geladenen Teilchen / drei Beschleunigungselektroden 2, 3 und 4. Die Bescllleunigungselekt-roderl
sind an vakuumdichten Hochspannungzwischenisolatoren 5 angeordnet, die gleichzeitig
als Gehäuse des Beschleunigungssystems dienen. Die Elektroden 2, 3 und 4 weisen
im Zentralteil Öffnungen 6 auf, durch welche die geladenen Teilchen geleitet werden.
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Eine jede Elektrode weist zwei Kanäle 7 von gleicher Länge und gleichem
Querschnitt auf; durch diese Kanäle, die vorzugsweise einen runden Querschnitt besitzen,
läuft das Kühlmittel, meistens Leitungswasser, durch. Draußen ist an isolatoren
5 eine liohrschlange 8 befestigt.
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Diese Rohrschlange wird von einem U- förmigen Rohr gebildet, das
in Fig.2 dargestellt ist. Das Rohr A ist auf den Isolatoren aufgewickelt und bildet
die genannte Rohrschlange, welche zwei bifilar angeordnete Leitungswege aufweist,
die von den Zweigrohrleitungen des genannten U- förmigen Rohres gebildet werden.
Durch die eine ;rohrleitung der Rohrschlange fließt das Wasser in einer Wichtung
und durch die andere Zweigrohrleitung in entgegengesetzter Richtung.
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Die Zweigrohrleitungen der Rohrschlange weisen an dem Absciinftt,
wo die Quelle der geladenen Teilchen 1 und die Elektroden 2, 3, und 4 angeordnet
sind, wie das aus Fig.3 zu ersehen ist, Öffnungen auf, in welche Hülsen 9 eingesetzt
sind, mit deren Hilfe die Kanäle 7 der Elektroden 2, 3 und 4 mit der Rohrschlange
leitungsverbunden sind.
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In der in Fig.4 wiedergegebenen elektrischen Ersatzschaltung des
Beschleunigungssystems entsprechen die Positionen 1, 2, 3, 4, und 9 denselben Positionen
in Fig.1 und 2. Die Länge der hbschnitte der Zweigrohrleitungen der Rohrschlange
11-2, und und 13-4 ist der Länge des Strahls der Kühlflüssigkeit proportional, die
durch den Abschnitt zwischen den Elektroden 1-2; 2-3; 3-4 fließt.
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Die ijülsen 9 sind aus einem korrosionsbeständigen elektrisch leitenden
Werkstoff, z.B. Kupter ausgeführt und
an den Elektroden mittels
eines der bekannten Verfahren, z.B., durch Löten oder Schweißen befestigt. Die bonden
der Zweige der getrennten v Rohrleitungen sind dicht auf den Gewindeteil der IIülsen
9 aufgesetzt und an diesen mittels eines der bekannten Verfahren, z.B. unter cter
Verwendung von Epoxydharz abgedichtet.
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Auf diese Weise können wir, nachdem alle Kanäle der Elektroden mittels
der dielektrischen Rohre und flüssen verbunden und mit Kühlmittel, vorzugsweise
mit gewöhnlichem Leitungswasser gefüllt worden sind, eine kontinuierliche Zuführung
des Wassers in den benachbarten Rohren in gegenläutigesl Richtungen gewährleisten
und einen elektrischen Kontakt zwischen Wasser, allen Elektroden 2, 3, und 4 und
der Quelle der geladenen Teilchen 1 verwirklichen.
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Indem wir die Beschleunigungsspannung einer Quelle von einem hohen
Potential, die in Fig .1 und 3 nicht wiedergegeben ist, an die Quelle 1 der geladenen
Teilchen sowie an die Elektrode 4 des Beschleunigungssystems anlegen, erhalten wir
den Spannungsteiler zwischen allen Elektroden, durch welche der Wasserstrahl durchläuft,
wobei die Elektroden 2 und 3 proportional den Längen der Abschnitte des Strahls
zwischen den Elektroden mit verschiedenen Spannungen gespeist werden, während die
Potentiale der Elektroden 1 und 4 unverändert bleiben.
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Da sich das Kühlmittel in den benachbarten Bohren und Kanälen gegenläuSig
bewegt, werden die Temperaturverhältnisse des gesamten Systems besonders günstig
sein.
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Der Innendurchmesser und die Länge der Rohrschlange 8 gemäß Fig.1
werden ausgehend von dem erforderlichen Widerstand, d.h. von dem Gesamtstrom des
Teilers unu dem Strom an seinen einzelnen Abschnitten, sowie auch ausgehend von
der Wärmebelastung des Teilers und den gewünschten Temperaturverhältnissen der Elektroden
der Kanone gewählt.
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Wasser aus dem Wie bekannt, ist die Leitfähigkeit vonStadtwasserleitungsnetz
nicht konstant und ändert sich in hbhängrigkeit von der Zeit, der Temperatur und
derachemischen Zusammensetzung des Wassers. Diese Änderungen der Leit fähigkeit
beeinflußen praktisch den Betrieb der Kanone nicht, weil die Verteilung der Potentiale
zwischen den Elektroden unverändert bleibt.
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Um einen Niecierschlag von Rost, Salzen usw. an den Wänden des Kanals
zu verhindern, ist an Eintritt in das Kühlsystem ein Filter 10 (Fig.1) vorgesehen.
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Es ist auch eine periodische Spülung der Kanäle mit schwachen Lösungen
von Säuren und Laugen möglich.
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Die in Fig.5 dargest;ellte Elektronenstrahlkanone mit einem Teiler
der Beschleunigungsspannung, der im Gehäuse des Beschleunigungssystems ausgelkihrt
ist, enthält eine Elektronenquelle 1l, welche die geladenen Teilchen emitiert, sowie
Beschleunigungselektroden
12, 13, 14 und 15, welche an entsprechenden
Sitzstellen innerhalb des einstückigen Gehäuses 16 angeordnet und befestigt sind.
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Das Gehäuse 16 ist aus einem elektroisolierenden Material, z.B. Keramik,
organischem Glas oder Epoxydharz ausgeführt. Der Werkstoff, aus welchem das Gehäuse
ausgeführt ist, soll außerdem vakuumdicht und fest sein.
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In der in Fig.5 wiedergegebenen Elektronenstrahlkanone ist das Kühlsystem
in Form einer Rohrschlange 17 ausgeführt, deren benachbarte Zweigrohrleitungen bifilar
angeordnet sind; zum Unterschied von der in Fig.1 beschriebenen Rohrschlange wird
das U- förmige Rohr von den im Körper des Gehäuses 16 ausgeführten Kanälen gebildet.
Hier werden von den Zweigrohrleitungen "a" und "b" Kanäle für die Kühlflüssigkeit
gebildet.
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Diese Kanäle haben einen konstanten Querschnitt auf der gesamten
Länge der Rohrschlange. Jede von den Elektronen 11, 12, 13, 14 und 15 weist wie
in der zuerst beschriebenen Ausbildung zwei Kanäle von gleicher Länge und gleichem
Querschnitt auf. Jener von diesen Kanälen ist mit entsprechenden Zweigrohrleitungen
der Rohrschlange verbunden. Die Elektroden des Beschleunigungssystems werden mit
den entsprechenden Zweigrohrleitungen der Rohrschlange durch in einem Gehäuse 16
vorgesehene Radialkanale30 verbunden
(in Fig.5 sind nicht alle
Radialkanäle wiedergegeben, um die Darstellung anschaulich und deutlich zu machen).
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In diesen Kanälen sind Verbindungshülsen 31 aus einem elektrisch
leitenden Material angeordnet. Mittels dieser Hülsen werden die Kanäle einer Rohrschlanbe
17 an die Kanäle der Elektroden an-eschlossen.
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Die Anschlußstellen sollen mittels eines der bekannten Verfahren
in Abhängigkeit von dem werkstoff des Gehäuses 16 abgedichtet werden. Das kann man
z.B. durch Löten oder unter der Verwendung eines Gummiringes vorhehmen. Die Zuführung
des Kühlwassers wird durch einen Einlauf 18 (Fig.6) und die Ableitung des Kühlwassers
durch einen Auslauf 19 in das Abflußsystem durchgeführt.
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Die letzte (außenliegende) Beschleunigungselektrode 15 dient als
Einstellelement der Elektronenstrahlkanone, weil mittels dieser Elektrode das Beschleunigun6--'ssystem
an dem Deckel 20 der Sciiweißkammer (in den Zeichnungen nicht wiedergegeben) befestigt
wird.
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Die Beschleunigungselektro<ie 15 ist vakuumdicht an der Sitzstelle
des Gehäuses 15 und der Sitzstelle des Deckels einer Kammer 20 mittels entsprechender
Dichtungen 21 und 22 uiici Bolzen 23 und 24 befestigt.
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Die Zentrierung aller Elektroden und der Quelle der Elektronen in
bezug auf die geometrische Achse der Kanone wird nach Schablonen bei der Montage
der Kanone vor dem
Eingießen des Isolationsstoffes vorgenommen,
aus welchem das Gehäuse besteht. Das Hochspannungskabel 25 wird von der Speisequelle
durch eine im Deckel 26 vorgesenene Seitenöffnung geführt. Der Deckel 26 ist aus
einem Isolationsmaterial ausgebildet.
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Die Abdichtung des Kabels 25 wird an der Stelle, wo es in den Deckel
26 eingeführt wird, mittels eines Dicn -tingsmittels 27 verwirklicht. Der Deckel
26 wird vakuumdicht am Gehäuse 16 mittels Bolzen 28 unter der Verwendung einer Gummidichtung
29 befestigt.
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Eine solche Konstruktion der llochspannungseinführung in Verbindung
mit einer gekühlten Elektronenquelle 11 ermöglicht es, auf das Eingießen eines flüssigen
Dielektrikums oder auf das einpumpen eines Gasdielektrikums in den oberen Teil der
Kanone zu verzichten und damit die für die Einrichtung und Umstellung der Kanone
im Laufe der Arbeit erforderliche Zeit zu reduzieren, die elektrische Festigkeit,
und folglich die Betriebszuverlässigkeit der Kanone im ganzen zu erhghen. Die Kanone
ist von außen mit einer Schutzummantelung aus Blei abgedeckt, welche die im Verlauf
des Betriebes der Kanone entstehende Rontbenstrahlung absorbiert.
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L e e r s e i t e