DE2723900C2 - Indirekt geheizter, thermisch emittierender Katodenblock für Elektronenkanonen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen indirekt geheizten, thermisch emittierenden Katodenblock für Elektronenkanonen, der eine aus einem hochemittierenden Werkstoff bestehende Scheibenkatode und einen U-förmigen Katodenbandheizer mit einem Thermoemissions-Abschnitt und parallelliegenden Stromzuführungszweigen umfaßt

Unter einer Elektronenkanone wird eine zusammengefaßte Gruppe von Elektroden verstanden, die zur Erzeugung und Bündelung eines Elektronenstrahls dienen und dessen Intensität steuern können. Die Elektronenkanone selbst ist mit einer Hochspannungs-Gleichstromquelle verbunden.

Der Erfindungsgegenstand soll zum Schweißen und Löten von Metallen sowie für andere Metallbearbeitungsverfahren verwendet werden können.

Praktische Erfahrungen haben gezeigt, daß die Betriebsbedingungen von Elektronenkanonen bei veränderlichem Restgasdruck die Anwendung von flachen Scheibenkatoden aus einem hochemittierenden Stoff benötigen. Zur Gewährleistung einer stabilen Elektronenemission muß die Katode bis zu einer Temperatur von 1800 bis 2000⁰C erwärmt werden, wobei die Gleichmäßigkeit und die Stabilität der Erwärmung mit hoher Genauigkeit aufrecht erhalten werden müssen. Dies kann nur bei einem entsprechenden Aufbau des Heizers erreicht werden, der hohen wärmetechnischen und wirtschaftlichen Anforderungen entsprechen und eine niedrige Leistungsaufnahme, eine hohe Formstabilität bei Einwirkung von thermischen Verformungskräften und eine Überhitzungsbeständigkeit bei längerem Betrieb aufweisen muß.

Die Praxis hat gezeigt, daß diesen Anforderungen in einem gewissen Maße wendeiförmige Heizer mit axialem Anschluß genügen, US-PS 34 32 714. Bei einer Steigerung der Leistung der Elektronenkanonen kann aber diese Bauart einen längeren Betrieb wegen auftretender Änderungen der Windungsabstände, Auftreten von Windungskurzschlüssen und infolge einer unregelmäßigen Erwärmung nicht gewährleisten.

Bei den großen Elektronenstrahlleistungen, die in den bekannten Elektronenkanonen mit dem erwähnten Heizer erreicht werden, führen auch geringe Abweichungen von der richtigen Wendelform und Änderungen der Windungsabstände, die bei der Herstellung und Montage des Katodenblocks unvermeidlich sind, zu einer ungleichmäßigen Erwärmung der Scheibenkatode zu einer Änderung ihrer Temperatur während des Betriebs und zu einer ungleichmäßigen Stoffabtragung von der erwärmten Katodenoberfläche.

Es sind Versuche bekannt, ein System von Isolatoren zur Abstützung der Wendel und zur Erhöhung ihrer Formstabilität einzusetzen. Diese Versuche können aber die erwähnten Schwierigkeiten nicht vollständig beseitigen und führen außerdem zu schlechteren Kühlungsbedingungen an dem Katodenblock und zu ίο einer komplizierteren Justierung der Wendel in bezug auf die Elektroden des Blocks. Wegen der großen erwärmten Wendelfläche ist es unmöglich, die Wärmeenergie im mittleren Teil der Scheibenkatode zu konzentrieren.

Aufgrund dessen konzentrierte sich die Entwicklung auf einen Bandheizer mit einem in der Nähe des Mittelpunkts der Scheibenkatode liegenden Thermoemissions-Abschnltt Praktische Erfahrungen zeigen jedoch, daß beim Betrieb eines derartigen U-förmig ausgebildeten Heizers Nachteile auftreten, die mit einer fehlenden lokalen Erwärmung und mit dem Einfluß der Wärmestrahlung auf die elektrische Festigkeit und die Zuverlässigkeit des ganzen Katodenblocks im Zusammenhang stehen. Da die Abmessungen des Katodenblocks keine Anwendung von Stromzuführungselementen mit großer Querschnittsfläche ermöglichen, kann der Wirkungsgrad eines derartigen Heizers nicht auf diesem Wege erhöht werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad des Heizers eines indirekt geheizten Katodenblocks der vorausgesetzten Art zu erhöhen, die Temperatur der Stromzuführungszweige herabzusetzen und die thermische Verformung durch eine entsprechende Änderung der Form der Stromzuführungszweige zu vermindern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die gegenseitige Erwärmung der parallelliegenden Heizerzweige um ca. 30% herabgesetzt wird, da die beiden Zweige nur längs der halben Länge jedes Zweiges mit ihrer schmalen Querschnittsseite einander zugewandt sind.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschema einer Elektronenkanone mit einem indirekt geheizten, thermisch emittierenden Katodenblock gemäß der Erfindung sowie ein zum Schweißen bestimmtes Werkstück und

Fig.2 einen Bandheizer in einer vergrößerten axonometrischen Darstellung.

In einer nicht dargestellten Anlage zum Schweißen von Metallen umfaßt eine Elektronenkanone einen indirekt geheizten, thermisch emittierenden Katodenblock 1 und eine Anode 2 (Fig. 1), die zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 3 dienen. In der Strahlrichtung sind ferner eine elektromagnetische Linse 4 und ein Zentriersystem 5 angeordnet, während sich dahinter ein zu schweißendes Werkstück 6 befindet.

Der indirekt geheizte, thermisch emittierende Katodenblock 1 umfaßt einen aus Tantal hergestellten U-förmigen Bandheizer 7, de>" in der Nähe einer aus Lanthanhexaborid bestehenden Scheibenkatode 8 liegt. Gleichachsig mit dieser ist eine Steuerelektrode 9 eingebaut. Die Steuerelektrode 9 dient zur Regelung der Elektronenstrahlintensität.
Der Bandheizer 7 weist zwei parallelliegende

Stromzuführungszweige 10 und 11 auf, die jeweils in ihrem mittleren Teil derart verdreht sind, daß die Querschnitte ihrer beiden Hälften rechtwinklig zueinander liegen.

Ein Thermoemissions-Abschnitt 12 des Sandheizers 7 ist unter einem rechten Winkel an die erwähnten Parallelzweige 10 und 11 angeschlossen und liegt parallel zur Scheibenkatode 8. Die anderen Enden der Zweige 10 und 11 sind mit einem in der Zeichnung nicht gezeigten Halter verbunden.

Die Elektronen werden von der Scheibenkatode 8 emittiert, die von dem Bandheizer 7 erwärmt wird. Die Erwärmung der Scheibenkatode 8 erfolgt durch den Beschüß durch einen Elektronenstrom, der vom Thermoemissionsabschnitt 12 des Bandheizers 7 emittiert wird. Die Erwärmungstemperatur erreicht 2200⁰C. An die Scheibenkatode 8 wird in bezug auf den Bandheizer 7 ein positives Potential angelegt, das die Elektronengeschwindigkeit vergrößert und somit die Intensität des Elektronenbeschusses der Scheibenkatode 8 erhöht. Die Scheibenkatode 8 wird sowohl durch den Aufprall des Elektronenflusses als auch durch Wärmestrahlung des Bandheizers 7 erhitzt Unter der Einwirkung der hohen Wärmestrahlungstemperatur und des Elektronenbeschusses beginnt der Werkstoff der Scheibenkatode 8 zu verdampfen und gelangt zum Thermoemissions-Abschnitt 12 des Bandheizers 7, wobei er diesen aktiviert und den Widerstand gegen den Elektronenaustritt von seiner Oberfläche herabsetzt Da der Querschnitt der Hä'.fte des jeweiligen Bandbrennerzweiges 10 bzw. Ii rechtwinklig zum Querschnitt seiner anderen Hälfte liegt, wird die gegenseitige Erwärmung der Zweige 10 und 11 vermindert, weil die Querschnitte dieser Zweige 10 und 11 etwa in der halben Länge jedes Zweiges mit der schmalen Seite einander zugewandt sind. Hierbei strahlt die schmale Seitenfläche des jeweiligen Zweiges 10 bzw. 11 eine wesentlich kleinere Wärmeenergie auf den anderen

ίο Zweig aus als die breite Seite des jeweiligen Zweiges 10 bzw. 11.

Praktisch verringert sich der Wärmeaustausch zwischen den Zweigen 10 und 11 um 30%. Die breite Seite des erwähnten Querschnitts des jeweiligen Zweiges 10 bzw. 11 wird hierbei unbehindert gekühlt, da sie die Strahlungsenergie an den umgebenden Raum frei abgeben kann.

Gleichzeitig mit der Herabsetzung der Erwärmungstemperatur des Katodenblocks 1 erhöhen sich die Formbeständigkeit des Bandheizers 7 und die Stabilität der Erwärmung der Scheibenkatode 8.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Lebensdauer des Bandheizers bis zu 12 Stunden verlängert, während die Leistungsaufnahme des Bandheizers bis zu 70 W herabgesetzt wird. Die Verringerung der gegenseitigen Wärmeübertragung infolge der Wärmestrahlung der Heizer-Stromzuführungszweige ergibt eine dreimal kleinere thermische Verformung des Bandheizers 7 während seines Betriebs.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Indirekt geheizter, thermisch emittierender Katodenblock für Elektronenkanonen, der eine aus einem hochemittierenden Werkstoff bestehende Scheibenkatode und einen U-förmigen Katodenbandheizer mit einem Thermoemissibns-Abschnitt und paralJelliegenden Stromzuführungszweigen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verbindung mit einem Halter bestimmten Enden der Stromzuführungszweige (10, 11) in einer Ebene liegen, die senkrecht auf den anderen Enden dieser Zweige (10,11) steht, die an den Thermoemissions-Abschnitt (12) des Katodenbandheizers (7) angeschlossen sind, so daß die Zweige (10,11) über einen Teil ihrer Länge mit den Schmalseiten zueinander gerichtet sind.