DE2844183A1

DE2844183A1 - Verfahren und einrichtung zum einstellen des kathodenheizstromes in einer elektronenstrahl-werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE2844183A1
Application number: DE2844183A
Authority: DE
Inventors: Ruprecht Hoffmann; Wilhelm Dipl Phys Dr Scheffels
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Igm Robotersysteme AG
Priority date: 1978-10-10
Filing date: 1978-10-10
Publication date: 1980-04-24
Also published as: FR2438911B1; DE2844183C2; GB2034924B; US4317983A; JPS5557387A; GB2034924A; FR2438911A1

Description

~⁴' 10411

EM 3/78

Steigerwald Strahltechnik GmbH Haderunstraße 1a, 8000 München 70

Verfahren und Einrichtung zum Einstellen des Kathodenheizstromes in einer Elektronenstrahl Werkzeugmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner bestrifft die Erfindung Einrichtungen zum Durchführen eines solchen Verfahrens.

Elektronenstrahl-Geräte, z.B. Elektronenstrahl-Werkzeugmaschinen ,(technische Elektronenstrahlgeräte zum Schweißen, Schneiden, Schmelzen, Fräsen und dergleichen) enthalten im allgemeinen ein Strahlerzeugungssystem mit einer Glühkathode, gewöhnlich einer direkt geheizten Wolframkathode, deren Temperatur abhängig vom durchzufließenden Heizstrom eingestellt wird. Ebenso sind auch indirekt geheizte Kathoden gebräuchlich, die z.B. mittels eines auf sie gerichteten Elektronenstrahls geheizt werden; bei diesen wird die Temperatur z.B. durch den Strahlstrom dieses Heiz-Strahls eingestellt. Die Einstellung der Kathodentemperatur geschieht also durch Steuerung eines "Heizstromes". Solche Bandoder Draht-Kathoden haben nur eine beschränkte Lebensdauer, da das Material verdampft und durch Ionenbeschuß zerstäubt wird, so daß die Kathode fortlaufend dünner wird und schließlich durchbrennt.

Die Lebensdauer der Kathode hängt stark von der Höhe des Vakuums im Strahlerzeugungssystem und von ihrer Betriebstemperatur ab, sie ist um so geringer, je höher der Druck und je höher die Betriebstemperatur sind.

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Die optimale Betriebstemperatur einer Kathode liegt an der unteren Grenze des Raumladungsbereiches, d.h. also bei derjenigen Temperatur, bei der die Kathode gerade etwas mehr Elektronen emittiert als durch das Feld von der Anode abgesaugt werden kann und sich dadurch vor der Kathodenoberfläche eine negative Raumladung bildet. Es ist bekannt, daß die Lebensdauer der Kathode dadurch vergrößert werden kann, daß man diese optimale Betriebstemperatur durch Messung der Heizstrom/Emissionsstrom-Kennlinie bestimmt, die beim übergang vom Sättigungsbereich in den Raumladungsbereich einen Knick hat (hierauf wird unter Bezugnahme auf Figur 1 noch näher eingegangen). Der Heizstrom wird auf diese Weise entsprechend dem Abbrand der Kathode infolge von Verdampfung und Zerstäubung stufenweise zurückgestellt.

Wegen des normalerweise nicht konstanten Vakuums im Bereich der Kathode läßt sich dieses Zurückstellen des Heizstromes nicht in Abhängigkeit von der Betriebsdauer durchführen. Auch eine optische Messung der Kathodentemperatur ist recht umständlich und aufwendig.

Um reproduzierbare Bearbeitungsergebnisse zu erzielen, werden Elektronenstrahl-Werkzeugmaschinen meist mit stabilisierter Beschleunigungsspannung und stabilisiertem Strahlstrom betrieben. Bei den bekannten Verfahren zum Einstellen des Kathodenheizstromes aufgrund der Kathodenheizstrom/Kathodenemissionsstrom-Kennlinie wird die Strahlstromregelung abgeschaltet und das Strahlerzeugungssystem mit konstanter Wehneltspannung betrieben. Der Kathodenheizstrom wird in einem bestimmten Bereich verändert und der entsprechende Verlauf des Emissions- oder Strahlstroms

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registriert. Da sich hierbei der Strahlstrom ändert, kann dieses Verfahren nicht während eines Bearbeitungsvorganges, z.B. eines Schweißvorganges, durchgeführt werden. Um das Werkstück oder seine Halterungsvorrichtung nicht zu gefährden, muß vielmehr während der Messung der Kathodenkennlinie ein massiver Auffänger in den Strahlengang gebracht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einstellen des Strahlstromes anzugeben, das einfacher ist als das bekannte Verfahren und das während eines Bearbeitungsvorganges durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird also eine Kathodenheizstrom/Wehneltspannungs-Kennlinie bei eingeschalteter Strahlstromregelung gemessen. Da sich hierbei der Strahlstrom nicht ändert, kann die Bestimmung und damit die Einstellung des optimalen Heizstromes während eines Bearbeitungsvorganges durchgeführt werden und es sind keine Eingriffe in die Regelung und kein Einschwenken eines Auffängers in den Strahlengang erforderlich.

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und bevorzugte Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens .

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des Verfahrens

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gemäß der Erfindung und von Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm mit einer Kathodenheizstrom-Kathodenemissionsstrom-Kennlinie;

Fig. 2 ein Diagramm mit einer Kathodenheizstrom/Wehneltspannung-Kennlinie;

technischen

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines/Elektronenstrahl-. ·Gerätes und ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung; und

Fig. 4 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispieles eines Teiles der Schaltungsanordnung gemäß Figur 3.

Wenn man den Heizstrom I- einer direkt geheizten Wolframkathode 10 (Figur 3) eines Elektronenstrahlerzeugungssystems bei konstanten, auf die Kathode bezogenen Spannungen U_w bzw. U. an einer Steuer- oder Wehneltelektrode 12 bzw. einer Anode 14 von einem niedrigen Wert aus erhöht, steigt der Emissionsstrom I« der Kathode mit zunehmendem Heizstrom zuerst verhältnismäßig steil an, wie der mit S bezeichnete Teil der in Figur 1 dargestellten Kathodenheizstrom/Kathodenemissionsatrom-Kennlinie zeigt. Alle von der Kathode emittierten Elektronen werden vom Anodenfeld abgesaugt, die Kathode arbeitet also hinsichtlich des Emiesionsstroms in der Sättigung.

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Ab einem bestimmten Heizstrom I werden mehr Elektronen emittiert als vom Anodenfeld abgesaugt werden und vor der Kathode bildet sich dadurch eine Raumladung. Der Raumladungsteil R der Kennlinie verläuft flacher wie der· Sättigungsteil S und die Kennlinie hat zwischen diesen beiden Teilen einen mehr oder weniger scharfen Knick.

Der Heizstrom I , der dem Strom im Knick der Kennlinie entspricht, oder ein geringfügig höherer Strom stellen den optimalen Kathodenheizstrom dar, da der gewünschte Raumladungsbetrieb hier mit dem niedrigsten Heizstrom/ also mit der niedrigsten Kathodentemperatur erreicht wird. Wie eingangs bereits erwähnt wurde, hat dieses bekannte Verfahren zur Ermittlung des optimalen Heiz-

*
stromes I„ den Nachteil, 'daß sich der Strahlstrom ändert,

so daß das Verfahren nicht während eines Bearbeitungsvorganges durchgeführt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der optimale Heizstrom I„ aufgrund der Kathodenheizstrom/Wehneltspannung-Kennlinie 16 ermittelt, die in Figur 2 dargestellt ist. Die Kennlinie 16 hat einen ganz ähnlichen Verlauf wie die in Figur 1 dargestellte Kathodenheizstrom/Kathodenemissionsstrom-Kennlinie, da die negative Wehneltspannung bei konstantem Emissions- bzw. Strahlstrom um so höher sein muß je stärker die Kathode emittiert. Die optimale Heizspannung I₁. liegt ..wieder im Knick oder knapp oberhalb des Knickes der Kennlinie 16.

In den Figuren 3 und 4 ist schematisch ein Elektronenstrahl-' G_erat - ^{mit einem} Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß

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der Erfindung dargestellt. Von einer Elektronenstrahl-Werkzeugmaschine sind nur die bereits erwähnten drei Elektroden 10, 12 und 14 des Strahlerzeugungssystems genauer dargestellt, im übrigen kann sie in bekannter Weise konstruiert sein.

Zur Energieversorgung der Kathode 10 dient ein Heizspannungsteil 20, der einen Trenntransformator mit Hochspannungsisolation zwischen Primär- und Sekundärseite sowie eine sekundärseitige Gleichrichter- und Glättungsschaltung enthält, um die Kathode 10 mit einer Heizgleichspannung ü„ zu versorgen.

Die Wehneltspannung IL, für die Wehneltelektrode 12 wird durch einen Wehneltspannungsteil 22 erzeugt. Die Hochoder Beschleunigungsspannung zwischen der Kathode 10 und der Anode 14 wird durch ein Hochspannungsteil 24 erzeugt. Der Wehneltspannungs- und der Hochspannungsteil 22 bzw. 24 können im Prinzip wie der beschriebene Heizspannungsteil 20 aufgebaut sein. Die Spannungsteile 20, 22 und 24 können sekundärseitig einen Spannungsregler enthalten, vorzugsweise erfolgt die Regelung jedoch auf der Primärseite. Im vorliegenden Fall soll der Einfachheithalber angenommen werden, daß die Energieversorgung der in Figur 3 dargestellten Schaltungsanordnung durch eine stabilisierte Wechselspannung von einer Leitung 26 erfolgt. Wechselspannungsleitungen sind in Figur 3 durch einen doppelten Strich dargestellt. Zwischen die Wechselspannungsleitung 26 und den Wehneltspannungsteil ist ein Strahlstromregler 28 geschaltet. Dem Strahlstromregler 28 wird eine Emissionsstrom-Istwertspannung U₁

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zugeführt, die durch einen Stromabgreifwiderstand 30 erzeugt wird, der in die Verbindung zwischen der positiven Ausgangsklemme des Hochspannungsteils 24 und Masse geschaltet ist. Der Strahlstromregler 28 kann einen Magnetverstärker (Transduktor) enthalten, der dem Wehneltspannungsteil 22 eine um so höhere Wechselspannung zuführt, je höher die Emissionsstrom-Istwertspannung U_T ist.
lern

Soweit beschrieben, ist die Einrichtung im Prinzip bekannt .

Für die Einstellung des optimalen Heizstromes sind zusätzlich ein Magnetverstärker 32 und ein Heiζspannungssteuerteil 34, der in Figur 4 genauer dargestellt ist, vorgesehen. Der Magnetverstärker 32 ist zwischen die Wechselspannungsleitung 26 und den Wechselspannungseingang des Heizspannungsteils 20 geschaltet und gestattet, den Heizstrom entsprechend einem Steuersignal zu steuern, das ihm über eine Leitung 36 vom Heizspannungssteuerteil 34 zugeführt wird. Dem Heizspannungssteuerteil 34 wird als Eingangssignal über eine Leitung 38 die Ausgangswechselspannung des Strahlstromreglers 28 zugeführt, die proportional der Wehneltspannung U„ ist.

Der Heizspannungssteuerteil 34 und der Magnetverstärker 32 sind in Figur 4 genauer dargestellt. Der Heizspannungssteuerteil 34 enthält einen Sägezahngenerator 40, der bei Betätigung eines Tastschalters 42 eine schnell ansteigende und dann linear abfallende, sägezahnartige Spannung 42 erzeugt, mit der der Heizstrom I„ in ent-

sprechender Weise gesteuert wird. Ferner enthält der Heizspannungssteuerteil 34 eine Schaltungsanordnung 44,

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die während des linearen Abfallens der Spannung 42 und des Heizstromes I„ die Änderung der Wehneltspannung U„ überwacht und die Änderung des Heizstromes beendet, wenn die Änderungsgeschwindigkeit der Wehneltspannung zunimmt.

Der linear abfallende Teil der Spannung 42 bewirkt, daß sich der Heizstrom von einem Wert I₀₁ (Figur 2), der

ti ι

oberhalb des Knickes 46 der Kennlinie 16 liegt, bis zu einem Wert Ιτ,ο» der unterhalb des Knickes 46 liegt, geändert werden kann. Wenn die Heizspannung I„ im Raum-

ladungsteil der Kennlinie 16 geändert wird, entspricht einer bestimmten Heizstromänderung Δ,,Ι« eine verhältnis-

I H

mäßig kleine Änderung'^ U_W1 der Wehneltspannung. Im Sättigungsbereich S verläuft die Kennlinie 16 dagegen wesentlich steiler und eine Heizstromänderung Δ-I« des gleichen Betrages wie A₁I_n erzeugt eine ver-

I Π

hältnismäßig große Wehneltspannungsänderung ^ ü_w-· Aufgrund dieser Tatsache kann der Knick 46 und damit

*
der optimale Heizstrom I„ ermittelt werden.

Der Sägezahngenerator 40 enthält einen Kondensator 50, der über einen Arbeitskontakt 52a eines Relais 52 und einen Widerstand 54 durch eine Spannung ü_R1 aufgeladen wird. Der Widerstand 54 mit Spannung U_ß1 sind in bekannter Weise so bemessen, daß der verwendete anfängliche Teil der Ladespannungskurve praktisch linear verläuft.

Dem Kondensator 50 ist eine Reihenschaltung aus einem Arbeitskontakt 56a eines Relais 56 und eines Entladewiderstandes 58 parallelgeschaltet. Die Relais 52 und 56 haben Wicklungen 52w bzw. 54w, die in Reihe miteinander und mit dem Tastschalter 42 an eine Betriebsspan-

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nungsquelle U _? angeschlossen sind. Die Wicklung 54w des Relais 56 und der Tastschalter 42 sind durch eine Halteschaltung für das Relais 52 überbrückbar, deren zweiten Arbeitskontakt 52b des Relais 52 und einen mit diesem in Reihe geschalteten Ruhekontakt 60a eines Relais 60 enthält.

Die nicht geerdete Klemme des Kondensators 50 ist mit der Steuerelektrode eines Isolierschicht-Feldeffekttransistors 6 2 sehr hohen Eingangswiderstandes verbunden, dessen Kanal in Reihe mit einem Arbeitswiderstand 64 an eine Betriebsspannungsquelle U_R, angeschlossen ist. Die Verbindung zwischen dem Widerstand 64 und dem Kanal des Feldeffekttransistors 62 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 66 gekoppelt, dessen Ausgang über die Leitung 36 mit einer Steuerwicklung des Magnetverstärkers 32 verbunden ist.

Die Leitung 38, die die der Wehneltspannung proportionale Wechselspannung führt, ist mit einer Gleichrichterschaltung 68 verbunden, an deren Ausgang ein Differenzierglied 70 aus einem Reihenkondensator 72 und einem Parallelwiderstand 74 angeschlossen ist. An das Differenzierglied 70 ist der Eingang einer Schwellenwertschaltung angeschlossen, deren Ausgang mit einer Arbeitswicklung 6OW des Relais 60 verbunden ist.

Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen:

Bei Betätigung des Tastschalters 42 werden die Relais und 56 erregt. Der Arbeitskontakt 56a schließt, so daß der Kondensator 50 entladen wird. Gleichzeitig oder mit

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geringfügiger Verzögerung schließen der Arbeitskontakt 52a im Ladekreis des Kondensators 50 und der Arbeitskontakt 52b im Haltekreis des Relais 52, der die Wicklung 56w des Relais 56 überbrückt, so daß dieses auch dann gleich wieder abfällt, wenn der Schalter 42 nicht gleich freigegeben wird.

Der Kondensator 50 beginnt sich nun aufzuladen. Der Strom im Kanal des Feldeffekttransistors 62 und damit die Spannung am Eingang des Verstärkers 66 steigen dann linear an. Am Ausgang des invertierenden Verstärkers tritt ein linear abfallender Steuerstrom für den Magnetverstärker 32 auf, der die dem Heizspannungsteil 20 zugeführte Wechselspannung linear absinken läßt, so daß der Heizstrom entsprechend absinkt.

Das Absinken des Heizstromes ist von einem entsprechenden Absinken der (negativen) Wehneltspannung U_w entsprechend der Kennlinie 16 begleitet. Die sich entsprechend ändernde Wechselspannung auf der Leitung 38 wird durch die Gleichrichterschaltung 68 gleichgerichtet und durch die Differenzierschaltung 70 differenziert. Solange die differentielle Änderung der Wehneltspannung verhältnismäßig klein ist (Δϋ^ in Figur 2) ist auch die Spannung am Ausgang des Differenziergliedes 70 relativ klein, so daß die Schwellenwertschaltung 76 nicht anspricht. Beim Erreichen des Kennlinienknickes 46 beginnt sich die Wehneltspannung in Abhängigkeit von der konstanten Heizstromänderung verhältnismäßig schnell zu ändern, die Ausgangsspannung des Differenziergliedes 70 steigt entsprechend an, so daß die Schwellenwertschaltung 76 anspricht und das Relais 60 erregt wird. Der Ruhekontakt 60a öffnet, das Relais 52 fällt ab und öffnet den Arbeitskontakt 52a. Hierdurch wird der Lade-

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bei

kreis für den Kondensator 50/einer Spannung unterbro-

* chen, die dem optimalen Heizstrom I„ entspricht.

Bei Verwendung eines hochwertigen Kondensators mit sehr kleinem Leckstrom und eines Isolierschicht-Feldeffekttransistors 62 mit sehr hohem Eingangswiderstand bleibt die Spannung am Kondensator 50 für viele Stunden praktisch unverändert, so daß der optimale Heizstrom-

*
wert I„ gespeichert und eingestellt bleibt.

Bei erneuter Betätigung des Tastschalters 42 wird der Kondensator 50 wieder entladen * wobei der Heizstrom ansteigt und dann anschließend in der beschriebenen Weise bis zur Ermittlung des neuen optimalen Heizstromwertes, der den inzwischen eingetretenen Änderungen der Kathode Rechnung trägt, linear abgesenkt wird.

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Claims

I)«¹. DlETSE V. DlPL. ING. PETER SCHÜTZ
DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLEK 2844183

ΪΙΛHIA-THHItESIASTItASSK 22

POSTKA Cn 800« 68 I)-S(H)O MUKNCIlHN 8«

TKLKFON 080/47000« 178911)

TKLGX 022(138 TKLEQHAMM SOMBEZ

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Steigerwald Strahltechnik GmbH Haderunstraße 1a, 8000 München 7o

Verfahren und Einrichtung zum Einstellen des Kathodenheizstromes in einer Elektronenstrahl-Werkzeugmaschine

Patentansprüche

Θ Verfahren zum Einstellen des Kathodenheizstromes eines Elektronenstrahlerzeugungssystems eines technischen· Elektronen Strahl-Gerätes, dessen Strahlstrom durch Wehneltspannungssteuerung geregelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Kathodenheizstromes aufgrund der Abhängigkeit der Wehneltspannung vom Heizstrom erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstrom/Wehneltspannungskennlinie in einem Bereich, in dem sie einen Knick hat, bestimmt wird und daß der

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POSTSCHECK MÜNCHEN Nl), 80148 800 · BANKKONTO HYPOBlNK MÜNCHEN (BLZ 7OO2OO40) KTO. 0060357878

Kathodenheizstrom auf einen Wert im Bereich des Knickes eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenheizstrom auf einen Wert etwas oberhalb des Knickes der Kennlinie eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Kennlinie und die Einstellung des Kathodenheizstromes während eines Bearbeitungsvorganges durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet/ daß die Einstellung des Kathodenheizstromes in Abständen wiederholt wird.
6. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem, das eine geheizte Kathode, eine Wehneltelektrode zur Steuerung des Strahlstroms und mindestens eine Anode enthält, und mit einem auf die Wehneltspannung wirkenden Strahlstromregler, gekennzeichnet durch

a) eine Anordnung (32, 40) zum Ändern des Kathodenheizstromes (I„) ;

b) eine Anordnung (44) zum Erfassen der sich dabei ergebenden Änderungen der Wehneltspannung (ü_w), die für eine Konstanthaltung des Strahlstromes erforderlich sind; und

c) eine Anordnung (70, 76), die auf das Verhältnis von Wehneltspannungsänderung zu KathodenStromänderung anspricht.

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7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung gemäß a) einen Sägezahngenerator (40) und eine durch diesen gesteuerte Vorrichtung (32) zum Ändern der der Kathode (10) zugeführten Energie enthält.
8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnungen gemäß b) und c) eine Differenzierschaltung (70) und eine Schwellwertschaltung (76) enthalten.
9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anordnung gemäß b) ein Wechselspannungsausgangssignal vom Strahlstromregler (28) zugeführt ist.

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