DE2844183C2 - Verfahren und Einrichtung zum Einstellen des Kathodenheizstromes in einem technischen Elektronenstrahl-Gerät - Google Patents

Description

a) eine Anordnung (32, 40) zum Ändern des Kathodenheizstromes f/»);

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

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

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung gemäß a) einen Sägezahngenerator (40) und eine durch diesen gesteuerte Vorrichtung (32) zum Ändern des der Kathode (10) zugeführten Stromes enthält.

8. Einrichtung nach Anspruch b. 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 Wechsclspannungsausgangssignal vom Strahlstromregler wi (28) zugeführt ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Palentanspruchs 1. !'einer betriffi die Erfindung Einrichtungen zum Durchführen ei nes solchen Verfahrens. Technische Elektronenstrahl-Gerälc, z. B. Elektronenslrahl-Werkzeugmaschinen zum Schweißen, Schneiden, Schmelzen, Fräsen und dergleichen, enthalten im allgemeinen ein Strahlerzeugungssystem mit einer Glühkathode, gewöhnlich einer direkt geheizten Wolframkathode, deren Temperatur jbhängig vom durchzufließenden Heizstrom eingestellt wird. Ebenso sind auch indirekt g8heizte 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-Slrahls eingestellt. Die Einstellung der Kathodentemperatur geschieht also durch Steuerung eines »Heizstromes«. Solche Band- oder Draht-Kathoden haben nur eine beschränkte Lebensdauer, da das Material verdampft und durch lonenbeschuß zerstäubt wird, so daß die Kathode fortlaufend dünner wird und schließlich durchbrennt.

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

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 (DE-AS 15 91 284), 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 Sättigungsbercich in den Raumladungsbereich einen Knick hai (hierauf wird unter Bezugnahme auf Fig. 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 Kiithodcnlcmperalur 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-Kcnnlinic wird die Strahlstromregelung abgeschaltet und das Strahlerzeugungssystem mit konstanter Wehneltspannung betrieben. Der Kathodenheizslrom wird in einem bestimmten Bereich verändert und der entsprechende Verlauf des Emissions- oder Strahl-Stroms registriert. Da sich hierbei der Strahlstrom ändert, kann dieses Verfahren nicht während eines Bearbcitungsvorganges. z. B. eines Schweißvorganges, durchgeführt weiden. Um das Werkstück oder seine llallcruiigsvorrichuing nicht zu gefährden, muß vielmehr wiihicnd der Messung dor Kaihodcnkennlinie ein massiver Auffänger in den Strahlengang gebracht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Einstellen des Kathodcnliei/slioms der eingangs genannten Art so weiler/.ubil-

den, daß es einfacher ist als das bekannte Verfahren und daß es während eines Bearbeitungsvorganges durchgeführt werden kann.

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

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird also eine Kathodenheizstrom/Wehnellspannung-i-Kennünie 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 Sirahlengang erforderlich.

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

Jm folgenden werden Ausführungsbeispiele des Verfahrens 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 Kathodenhcizstrom-Kathodenemissionsstroni-Kennlinic:

F i g. 2 ein Diagramm mit einer Kathodenheizstroni/ Wehneltspannung-Kennlinie;

F i g. 3 eine schematische Darstellung eines technischen Elektronenstrahl-Gerätes und ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Einrichtung iur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung; und

F i g. 4 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispicles eines Teiles der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 3.

Wenn man den Heizstrom /// einer direkt geheizten Wolframkathode 10 (Fig. 3) eines Elektronenstrahlcrzeugungssyslems bei konstanten, auf die Kathode bezogenen Spannungen Uw bzw. Ua an einer Steuer- oder Wehneltelektrode 12 bzw. einer Anode 14 von einem niedrigen Wert aus erhöht, steigt der Emissionsstrom lfm der Kathode mit zunehmendem Heizstrom zuerst verhältnismäßig steil an, wie der mil S bezeichnete Teil der in F i g. 1 dargestellten Kathodenhcizstrom/Kaihodenemissionsstrom-Kennlinie zeigt. Alle von der Kathode emittierten Elektronen werden vom Anodenfeld abgesaugt, die Kathode arbeitet also hinsichtlich des Emissionsstroms in der Sättigung.

Ab einem bestimmten Heizstrom Iu werden mehr Elektronen emittiert als vom Anodcnfeld abgesaugt werden und vor der Kathode bildet sich dadurch eine Raumladung. Der Raumladungstcil R der Kennlinie verläuft flacher als der Sättigungsteil 5, und die Kennlinie hat zwischen diesen beiden Teilen einen mehr oder weniger scharfen Knick.

Der Heizstrom //*, der dem Strom im Knick der Kennlinie entspricht, oder ein geringfügig höherer Strom stellen den optimalen Kathodenhei/itrom 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 Heizstromes //* den Nachteil, daß sich der Strahlstrom ändert, so daß das Verfahren nicht während eines Bearbeitungsvorganges durchgeführt wurden kann.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der optimale Heizstrom //* aufgrund der Kathodenheizstrom/Wehneltspannung-Kcnnlinie 16 ermittelt, die in F i g. 2 dargestellt ist. Die Kennlinie 16 hat einen ganz ähnlichen Verlauf wie die in Fig. 1 dargestellle Kathodenheizstrom/Kathodenemissionssironv Kcnnlinic. da die negative Wehnelispannung bei konsianii'iu Emissions- Ivw. StrnhKirom um so höher sein muß je stärker die Kathode emittiert. Die optimale Heizspannung //* liegt wieder im Knick oder knapp oberhalb des Knickesder Kennlinie 16.

In den Fig.3 und 4 ist schematisch ein Elekironen-

Ki slrahl-Gcrät mit einem Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt. Von einer Elektronenstrahl-Wcrkzeugmaschine 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 Hei/.spannungsleil 20, der einen Trenntransforniator mit Hochspannungsisolation zwischen Primär- und Sekundä'rscitc sowie eine sekundärseilige Gleichrichier- und Glältungsschaltung enthält, um die Kathode 10 mit einer Heizgleichspannung (Λ; zu versorgen.

Die Wehneilspannung Lhv für die Wehneltelektrode 12 wird durch einen Wehneltspannungsteil 22 erzeugt.

2:> Die Hoch- oder 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

jo 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 Einfachheit halber angenommen werden, daß die Energieversorgung der in F i g. 3

n dargestellten Schaltungsanordnung durch eine stabilisierte Wechselspannung von einer Leitung 26 erfolgt. Wcchsclspannungsleitungen sind in F i g. 3 durch einen doppelten Sirich dargestellt. Zwischen die Wechselspannungslcitung 26 und den Wehncllspannungsteil 22 ist ein Strahlstroinregler 28 geschaltet. Dem Strahlslromreglcr 28 wird eine Emissionsstrom-Istwertspannung ί//,.„, zugeführt, die durch einen Stromabgreifwiderstand 30 erzeugt wird, der in die Verbindung zwischen der positiven Ausgangsklemmen des Hochspannungsieils 24 und Masse geschaltet ist. Der Strahlslromreglcr 28 kann einen Magnetverstärker (Transduktor) enthalten, der dem Wehneltspannungsteil 22 eine um so höhere Wechselspannung zuführt, je höher die Emissionsstrom-Istwertspannung L//,.,,, ist.

•ίο Soweit beschrieben, ist die Einrichtung im Prinzip bekannt.

Für die Einstellung des optimalen Heizstromes sind zusätzlich ein Magnetverstärker 32 und ein Heizspannungsstcuerlcil 34, der in F i g. 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 Heiz-

w) spannungsstcuerteil 34 zugeführt wird. Dem Heizspannungssieucrteil 34 wird als Eingangssignal über eine l.eir.'ng 38 die Ausgiingswcchselspannung des Strahlstromreglers 28 zugeführt, die proportional der Wehncltspannung Uu ist.

b^r, Der Hei/.spannungssteucrtcil 34 und der Magnetverstärker 32 sind in F i g. 4 genauer dargestellt. Der Heizspannungssleuertcil 34 enthält einen Sagezahngenerator 40, der bei Bctäliuune eines Tastschalter 42 rinn

schnell ansteigende und dann linear abfallende, sägczahnartige Spannung erzeugt, mit der der I lei/.strom /// in entsprechender Weise gesteuert wird. Kerner enthält der Heizspannungssieuerteil 34 eine Schaltungsanordnung 44, die während des linearen Abfallens der sägezahnartigen Spannung und des Heizstromes //, die Änderung der Wehneltspannung {/» überwacht und die Änderung des Heizstromes beendet, wenn die Änderungsgeschwindigkeit der Wehneltspannung zunimmt.

Der linear abfallende Teil der sagczahnartigen Spannung bewirkt, daß sich der Heizstrom von einem Wert ///1 (F i g. 2). der oberhalb des Knickes 46 der Kennlinie 16 liegt, bis zu einem Wert Im, der unterhalb des Knikkes 46 liegt, geändert werden kann. Wenn die Heizspannung /;/ im Raumladungstcil der Kennlinie !6 geändert wird, entspricht einer bestimmten Hci/.slromänderung J]In eine verhältnismäßig kleine Änderung JUw > der Wehneltspannung. Im Sättigungsbereich .S' verläuft die Kennlinie 16 dagegen wesentlich steiler und eine Heizstromänderung Jihi des gleichen Betrages wie J\Iu erzeugt eine verhältnismäßig große Wehneltspannungsänderung JUu :· Aufgrund dieser Tatsache kann der Knick 46 und damit der optimale I leizstrom //* ermittelt werden.

Der Sägezahngenerator 40 enthält einen Kondensator 50. der über einen Arbcitskontaki 52;; eines Relais 52 und einen Widerstand 54 durch eine Spannung Un ι aufgeladen wird. Der Widerstand 54 mit Spannung i'»i 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 56;i eines Relais 56 und eines Entladewiderstandes 58 pamllelgcschaltet. Die Relais 52 und 56 haben Wicklungen 52vv bzw. 56w, die in Reihe miteinander und mil dem Tastschalter 42 an cine Bctriebsspannungsquelle Um angeschlossen sind. Die Wicklung 56 w des Relais 56 und der Tastschalter 42 sind durch eine Halteschaltung für das Relais 52 überbrückbar, deren zweiten Arbeitskontakt 526des Relais 52 und einen mit diesem in Reihe geschalteten Ruhekontakt 60a eines Relais 60 mit der Wicklung 6Ow enthält.

Die nicht geerdete Klemme des Kondensators 50 ist mit der Steuerelektrode eines Isolierschicht-Feldeffekttransistors 62 sehr hohen Eingangswiderstandes verbunden, dessen Kanal in Reihe mit einem Arbeitswiderstand 64 an eine Betriebsspannungsquellc Um angeschlossen ist. Die Verbindung zwischen dem Widersland 64 und dem Kanal des Feldeffekttransistors 62 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 66 gekoppelt, dessen Ausgang iibcr die Leitung 36 mit einer Steucrwicklung des Magnetverstärker 32 verbunden ist.

Die Leitung 38. die die der Wehneltspannung proportionale Wechselspannung führt, ist mit einer Gleichrichterschaltung 68 verbunden, an deren Ausgang ein Diffcrenzierglied 70 aus einem Reihenkondensator 72 und einem Parallelwiderstand 74 angeschlossen ist. An das Differenzierglied 70 ist der Eingang einer Schwellenwertschaltung 76 angeschlossen, deren Ausgang mit einer Arbeitswicklung 60 Wdes Relais 60 verbunden ist.

Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeilet folgendermaßen:

Bei Betätigung des Tastschalter 42 werden die Relais 52 und 56 erregt. Der Arbeitskontakt 5ha schließt, so daß der Kondensator 50 entladen wird. Gleich/eilig oder mit geringfügiger Verzögerung schließen der Arbeitskontakt 52a im Ladekreis des Kondensators 50 und der Arbcitskontaki 52h mi I laltekrcis des Relais 52. der die Wicklung 56wdcs 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

^r, Strom im Kanal des Feldeffekttransistors 62 und damit die Spannung am Eingang des Verstärkers 66 steigen dann linear an. Am Ausgang des invertierenden Verstärkers 66 tritt ein linear abfallender Steuerstrom für den Magnetverstärker 32 auf, der die dem Heizspannungs-

Ki teil 20 zugcführlc Wechselspannung linear absinken läßt, so daß der Heizstrom entsprechend absinkt.

Das Absinken des Heizstromes ist von einem entsprechenden Absinken der (negativen) Wehneltspannung Uw entsprechend der Kennlinie 16 begleitet. Die sich

i^r. entsprechend ändernde Wechselspannung auf der Leitung 38 wird durch die Gleichrichterschaltung 68 gleichgerichtet und durch die Differenzierschaltung 70 differenziert. Solange die diffcrentielle Änderung der Wehneltspannung verhältnismäßig klein ist (JUwi in F i g. 2) ist auch die Spannung am Ausgang des Differenziergliedes 70 relativ klein, so daß die Schwellenwertschaltung 76 nicht anspricht. Beim Erreichen des Kennlinienknikkcs 46 beginnt sich die Wehneltspannung in Abhängigkeit von der konstanten Heizstromänderung verhältnis-

2^r> mäßig schnell zu ändern, die Ausgangsspannung des Differcn/.icrglicdes 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

in wird der Ladekreis für den Kondensator 50 bei einer Spannung unterbrochen, die dem optimalen Heizstrom //* entspricht. Bei Verwendung eines hochwertigen Kondensators mit sehr kleinem Leckstrom und eines Isolierschicht-Feldeffekttransistors 62 mit sehr hohem

Ji Eingangswiderstand bleibt die Spannung am Kondensator 50 für viele Stunden praktisch unverändert, so daß der optimale Heizstromwert //} gespeichert und eingestellt bleibt.

Bei erneuter Betätigung des Tastschalters 42 wird der

4(i 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

4i wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   !. Verfahren zum Einstellen des Kathodenheizstromes eines Elektronenslrahler/.eugungssystems eines technischen Elektronenstrahl-Gerätcs, dessen Strahlstrom durch Wehneltspannungssteucrung geregelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Kathodenheizsiromes aufgrund der Abhängigkeit der Wehneltspannung vom Heiz- κι strom erfolgt
2. 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 Kathodenheizslrom auf einen Wert im Bereich des Knickes eingestellt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenheizslrom auf einen Wert etwas oberhalb des Knickes der Kennlinie ein- 21) gestellt wird.
4. 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. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Kathodenheizstromes in Abständen wiederholt wird. to
6. 6. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Elektronensirahlerzcugungssystem, das eine geheizte Kalhodc, eine Wehneltelektrode zur Steuerung des Sirahlstroms und mindestens eine Anode enthält, und mit einem auf J5 die Wehneltspannung wirkenden Strahlslromrcglcr, gekennzeichnet durch