DE2918426A1

DE2918426A1 - Hochspannungsversorgungseinrichtung fuer leistungs-elektronenstrahlkanonen

Info

Publication number: DE2918426A1
Application number: DE19792918426
Authority: DE
Inventors: Gerd Ing Grad Deppisch; Karl-Georg Redel
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1979-05-08
Filing date: 1979-05-08
Publication date: 1980-11-20
Also published as: GB2050724A; FR2456384A1; FR2456384B1; GB2050724B; DE2918426C2; US4315195A

Description

5. April 1979 79504

LEYBOLD-HERAEUS GmbH Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

" Hochspannungsversorgungseinrichtung für Leistungs-Elektrone'nstrahlkanonen "

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsversorgungseinrichtung für Leistungs-Elektronenstrahlkanonen mit einer heizbaren Katode und einer Anode, insbesondere für Elektronenstrahl verdampfer, mit einem Hochspannungstransformator, Glättungsmitteln für die Restwel1igkeit der Speisespannung und einem im Stromkreis zur Katode angeordneten elektronischen Schaltglied, dem ein stromabhängig gesteuerter Schaltkreis für die Erzeugung einer Sperrspannung für das Schaltglied aufgeschaltet ist.

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Unter Leistungs-Elektronenstrahlkanonen werden üblicherweise solche in einem Leistungsbereich zwischen 2,0 und 300 kW verstanden. Hierfür geeignete Hochspannungsversorgungseinrichtungen haben je nach Kanonenleistung und Verwendungszweck eine Ausgangsspannung zwischen 4 und 150 kV. Derartige Hochspannungsversorgungseinrichtungen müssen aufgrund ihrer Einsatzbedingungen kurzschlußfest sein, was nachstehend nä'her erläutert werden soll.

Elektronenstrahlkanonen der genannten Art werden Uberwiegend im Vakuum, d.h. in einer Vakuumkammer betrieben, wobei

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das Vakuum besser ist als 10 mbar. Unter Normaldruck können Elektronenstrahlen wegen der unvermeidbaren Kollisionen der Elektronen mit Gasmolekülen keine Wegstrecken zurücklegen, die wesentlich größer 'als 20 bis 25 mm sind. Im Innern der Vakuumkammern, in denen sich die Elektronenstrahlkanonen befinden, kann jedoch durch die erwähnte Kollision eine Ionenbildung auftreten, die zu Spannungsüberschlägen bzw. kurzschlußähnlichen Zuständen führt. Auch die Bedampfung bzw. Ver- schmutzung von Isolatoren und anderen spannungsführenden Bauteilen, die im Vakuum begünstigt wi^d, kann zu zeitweiligen Kurzschlüssen im Hochspannungssystem führen. Eine gewisse Kurzschlußfestigkeit wird durch möglichst flinkes Abschalten der Hochspannung beim überschreiten eines vorgegebenen Stromgrenzwertes erreicht. Nach Ablauf einer gleichfalls vorgegebenen Zeit, die z.B. im Bereich von 20 bis 1.000 Millisekunden liegt und normalerweise zur Entionisierung der Entladungsstrecke ausreicht, wird die Spannung durch eine automatische Steuerung wieder zugeschaltet. Die Abschaltung kann je nach der Bauart

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der Hochspannungsversorgungseinrichtung auf verschiedene Arten erfolgen. So ist beispielsweise eine Abschaltung durch auf der Primärseite bzw. Niederspannungsseite angeordnete Relais, Schaltschütze oder Thyristoren möglich. Auf der Hochspannungsseite sind eine Abschaltung durch Schaltröhren oder eine Strombegrenzung durch Regelröhren möglich. Die hierfür verwendeten Schaltungsanordnungen sind Stand der Technik und werden daher nicht näher erläutert.

Es wurde in der Praxis festgestellt, daß unter bestimmten, nicht vermeidbaren Bedingungen in der Vakuumkammer extrem "harte" Kurzschlüsse im Stromkreis-auftreten können. Unter "harten" Kurzschlüssen sind solche Kurzschlüsse zu verstehen, die.sich durch einen steilen Stromanstieg auszeichnen. So wurden Kurzschlüsse gemessen, bei denen der Strom hinter dem als Glättungsmittel verwendeten Hochspannungssiebkondensator innerhalb von weniger als 5 Mikrosekunden auf Werte angestiegen ist, die nur durch den Innenwiderstand der Schaltröhren und den Widerstand der Hochspannungskabel begrenzt wurden. Der Innenwiderstand der Stromquelle entspricht in diesem Fall dem extrem niedrigen Innen widerstand des geladenen Siebkondensators. Ein derartiger Strom nahm innerhalb von weniger als 5 Mikrosekunden den 50- bis 100-fachen Wert des Nennstromes der Versorgungseinrichtung an.

Die beschriebenen Entladungen haben eine ganze Reihe nachteiliger Auswirkungen: Durch den steilen Stromanstieg, der

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bereits sein Maximum erreicht, bevor das vorhandene Schaltglied den Strom sperren kann, entstehen bei Hochspannungsversorgungseinrichtungen mit Schaltgliedern» die aus Schaltröhren bestehen, in diesen Schaltröhren selbst Ionisationserscheinungen, die zu einem Ausfall der Schaltröhren führen können, Ein Abschalten der Versorgungseinrichtung ist nicht mehr möglich, so daß es zum Ansprechen der Sicherungen und/oder zur Zerstörung der Schaltröhren kommt. Die beschriebenen Entladungen erlöschen andererseits sofort, wenn keine ausreichende Energie zur Aufrechterhaltung der Entladung nachgeliefert wird. Ein steiler Stromanstieg und ebenso· ein steiler Stromabfall, der beim Löschen der Entladung auftritt, rufen in benachbarten Leitungen cfurch magnetische Induktion starke Umpulse hervor, die zur Zerstörung anderer elektrischer Bauteile führen können.

Die Probleme treten bevorzugt bei Hochspannungsversorgungseinrichtungen mit auf der Hochspannungsseite angeordneten schaltenden oder strombegrenzenden Röhren auf; sie spielen jedoch auch bei Hochspannungsversorgungseinrichtungen eine Rolle, bei denen zur Abschaltung auf der Niederspannungsseite Schütze bzw. Thyristoren angeordnet sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hochspannungsversorgungseinrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei der im Kurzschlußfall steile Stromanstiege und -abfalle ebenso wirksam vermieden werden, wie das Auftreten von Oberströmen, die ein Vielfaches des Nennstromes betragen.

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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Hochspannungsversorgungsei η richtung erfindungsgemäß dadurch, daß im Stromkreis zur Katode ein Impulsschutzfilter angeordnet ist, welches aus einem parallel zur Strecke Katode/ Anode geschalteten Kondensator und einer Drossel, einer in Richtung auf die Katode gesperrten Freilaufdiode und einem Entladewiderstand besteht, wobei die Drossel in Reihe mit der Strecke Katode/Anode und die Freilaufdiode mit dem in Reihe geschalteten Entladewiderstand parallel zur Drossel geschaltet sind

Durch die genannten Merkmale wird nicht nur die gestellte Aufgabe

in vollem Umfange befriedigend gelöst, sondern das erfindungs- - gemäße Impulsschutzfilter übt eine doppelte Wirkung aus: Bei "harten" Kurzschlüssen verhindert es einen ausreichenden Energienachschub, so daß in vielen Fällen die Ionisation gelöscht wird, bevor das Schaltglied sperrt. Eine/-Sperrung ist in diesem Fall nicht mehr erforderlich. Bei länger andauernden Ionenentladungen oder Kurzschlüssen wird ein gefährlich hoher und steiler Stromanstieg im Hochspannungskreis solange verhindert, bis das Schaltglied gesperrt wird. Die in diesem Fall in der Drossel ge- " speicherte Energie wird durch die Freilaufdiode mit dem in Reihe geschalteten Entladewiderstand abgeführt.

Das Impulsschutzfilter kann sowohl vor als auch hinter dem Schaltglied angeordnet sein. In dem zuerst genannten Fall ist der ohnehin vorhandene Siebkondensator, der mit wesentlich höherer Kapa-"zität auszulegen ist, gleichzeitig Teil des Impulsschutzfilters. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, das Impulsschutzfilter möglichst nahe der Elektronenstrahl kanone anzuordnen und damit hinter dem Schaltglied.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes sei nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.

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Es zeigen:

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Figur 1 eine Schaltungsanordnung einer Hochspannungsversorgungseinrichtung in Verbindung mit einer Vakuumaufdampfanlage mit einem Elektronenstrahl verdampf er,

Figur 2 ein Diagramm, in dem der Spannungsverlauf

vom Auftreten eines harten Kurzschlusses über das Erlöschen der Entladung bis zum Wiederaufbau der Spannung ohne Ansprechen des Schaltgliedes dargestellt ist, und

Figur 3 ein Diagramm, in dem der Stromverlauf beim

Entstehen einer längerzeitigen Entladung aufgezeigt ist, die erst durch das Ansprechen des Schaltgl/iedes gelöscht wird.

In Figur 1 ist von einem Hochspannungstransformator 10 nur die Sekundärseite dargestellt, die an einen Hochspannungsgleichrichter 11 angeschlossen ist. Mit dem Ausgang des Hochspannungsgleichrichters 11 sind Glättungsmittel verbunden, die aus einer Siebdrossel 12 und einem Kondensator 13 bestehen. Durch die genannten Glättungsmittel wird die von der Netzfrequenz herrührende Restwelligkeit der Hochspannung weitgehend geglättet. Im Stromkreis ist weiterhin ein Schaltglied 14 angeordnet, welches als Schaltröhre ausgeführt ist und ein Steuergitter 15 aufweist. Dieses Steuergitter ist über eine Leitung 16 mit einem Schaltkreis 17 verbunden, von dem eine Leitung 18 zu einem Stromwandler 19 führt, der den zum Verbraucher (Elektronen-Strahlverdampfer) bzw. über das Schaltglied 14 fliessenden Strom

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erfaßt, der auch über eine Leitung 20 fließt, die einen der Ausgänge des Hochspannungsgleichrichters 11 mit Masse verbindet.

Der Schaltkreis 17 ist in der Weise ausgelegt, daß beim Auftreten eines Überstromes, der mehr als dem 1,2-fachen Wert des Nennstromes entspricht, das Steuergitter 15 innerhalb einer einstellbaren Zeit von 10 bis 50 MikroSekunden auf eine so hohe negative Spannung gegenüber der Katode der Schaltröhre gebracht wird, daß diese gesperrt ist. Der Schaltkreis 17 hebt die Sperrung nach Ablauf einer einstellbaren Zeit von 50 bis 700 Millisekunden wieder auf.

Hinter dem Schaltglied 14 ist ein Impulsschutzfilter 21 angeordnet, dessen Bauelemente innerhalb eines schraffierten Bereichs liegen. Es besteht aus einem Kondensator 22 mit einer Kapazität von 2000 bis 4000 pF, aus einer Drossel 23,-deren Induktivität in einem Bereich von 0,1 bis 1,0 Hy, aus einer in Richtung auf die Katode gesperrt geschalteten Freilaufdiode 24 und aus einem Entladewiderstand 25 besteht.

Wie gesagt, ist es auch möglich, das Impulsschutzfilter vor dem Schaltglied 14 anzuordnen, wodurch an die Stelle des Kondensators der Kondensator 13 (Siebkondensator) tritt, dessen Kapazität entsprechend höher auszulegen ist.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel führt der Ausgang der Drossel 23 über eine Leitung 26 zu zwei parallel geschalteten Symmetriewiderständen 27 und 28, die mit zwei Leitungen 29 und 30 verbunden sind, die an einen Heiztransformator 31 angeschlossen sind, von dem nur die auf Hochspannung liegende Sekundärseite dargestellt ist. Die Leitungen 29 und 30 führen mittels Durchführungsisolatoren 32 und 33 durch eine an Masse liegende Grundplatte 34 einer Vakuumkammer 35, in der ein nur gestrichelt dargestellter Elektronenstrahl verdampfer 36 angeordnet ist. Wesentliche Teile dieses Verdampfers sind die auf negativem Hochspannungspotential

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liegende heizbare Katode 37 sowie die zur Bescheinigung der aus der Katode 37 emittierten Elektronen dienende Anode 38, die auf Erdpotential angeordnet ist. Mittels der Symmetrierwiderstände 27 und 28 wird der (geringen) Heizspannung des Heiztransformators 31 eine Hochspannung überlagert. Einzelheiten des Elektronenstrahlverdampfers 36 sind Stand der Technik und beispielsweise in der DE-PS 22 06 995 beschrieben.

Der in gestrichelten Linien dargestellte Kondensator 39 verkörpert als Ersatzschaltbild die effektive Kapazität aller auf Hochspannungspotential liegender Bauteile gegen Masse an der durch "A" gekennzeichneten Stelle der Schaltungsanordnung. Je nach der Länge der Leitungen 2Γ9 und 30 und der Art des Heiztransformators 31 liegt die Kapazität des Systems zwischen 1500 und 4000 pF.

Die Wirkungsweise der gesamten Anordnung ist folgende: Entsteht in der Vakuumkammer 35 zwischen den hochspannungsfUhrenden Bauteilen und dem Erdpotential ein "harter" Kurzschluß, der einen steilen Stromansteig zur Folge hat, so wird der Strom zunächst durch die in der Kapazität der genannten Bauteile (analog Kondensator39) gespeicherten Energie gespeist. Bei einer kapazität von 1500 bis 4000 pF und einer Spannung von 12 kV beträgt diese Energie 0,1 bis 0,3 Wattsekunden. Dies bedeutet, daß innerhalb von Mikrosekunden Stromstärken in der Größenordnung von einigen 100 Ampere auftreten können.

Messungen mit dem Katodenstrahloszi11ographen haben gezeigt, daß an der Stelle A bei derartigen Kurzschlüssen die

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Spannung in weniger als-5 MikroSekunden auf Null absinkt (Figur 2). Die gesamte Hochspannung liegt dann an der Drossel 23 an. Der Stromanstieg an der Drossel beträgt LxUx 10 A/sec 10" . Erst wenn der Sä'ttigungszustand des Eisenkerns der Drossel 23 erreicht ist, erfolgt ein bedeutend steilerer Anstieg. Dies bedeutet, daß je nach Auslegung der Induktivität der Drossel 23 der Stromanstieg zwischen 0,01 und 0,1 A/sec 10"⁶ liegt.

In vielen Fällen harter Kurzschlüsse reicht der Strom, der durch die Drossel 23 nachfließt, nicht aus, um die bestehende Entladung aufrechtzuerhalten, und diese erlischt, sobald die im System (analog Kondensator 39) gespeicherte Energie verbraucht ist. Dieser Vorgang tritt nach außen hin nicht sichtbar in Erscheinung; er kann jedoch durch einen im Punkt A angeschlossenen Katodenstrahloszillographen sichtbar gemacht werden, Der betreffende Spannungsverlauf ist in Figur 2 dargestellt. An der durch "B" gekennzeichneten Stelle der Schaltungsanordnung zeigt sich keine oder fast keine Auswirkung, weil der Stromanstieg in der Drossel 23 nur gering ist, und der Kondensator 22 kurzzeitig stabilisierend wirkt.

'Die Wahrscheinlichkeit, daß eine Ionisation in der Vakuumkammer 35 sofort wieder gelöscht wird steigt, wenn die Kapazität des Systems Analog Kondensator 39) gering gehalten wird. Bei größeren Entfernungen, z.B. bei Verwendung eines mehr als 4 m langen, zweiadrigen Kabels, ist es daher zweck-

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mäßig, das Impulsschutzfilter 21 zusammen mit dem Heiztransformator 31 und den Symmetrierwiderstä'nden 27 und 28 in unmittelbarer Nähe der Vakuumkammer 35 anzuordnen.

Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, kommen auch Entladungen bzw. Kurzschlüsse in der Vakuumkammer 35 vor, die nicht sofort gelöscht werden. In diesem Fall ergibt sich im Hinblick auf das Impulsschutzfilter 21 folgender Funktionsablauf: An der Stelle A fällt die Spannung auf Null ab. In der Drossel 23 steigt der Strom mit einer Geschwindigkeit von 0,01 bis 0,1 A/iisec an. Sobald in der Drossel 23 der 1,2-fache Wert des Nennstroms denHochspannungsversorgungseinrichtung erreicht ist, spricht der Schaltkreis 17 mit einer Zeitverzögerung von 10 'bis 50 /isec an und beaufschlagt das Steuergitter' 15 mit einer entsprechend hohen Sperrspannung, welche das Schaltglied 14 sperrt. Bezüglich der einzelnen Bauelemente ist es von Bedeutung, daß die Sperrung des Schaltgliedes 14 wirksam wird, bevor der Strom in der Drossel 23 eine Sättigung der Drossel bewirkt. Auf diese Weise 'ist sichergestellt, daß das Schaltglied 14 nicht überlastet wird und funktionsfähig bleibt.

Im Augenblick des Sperrens des Schaltgliedes 14 ist die Drossel 23 durch den fliessenden Strom auf ein bestimmtes Energiepotential aufgeladen. Um zu verhindern, daß der Energieinhalt der Drossel 23 in Folge der Stromunterbrechung durch das Schaltglied 14 in einen Hochspannungsimpul umgewandelt wird, sind die Freilaufdiode 24 und der Entladewiderstand

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in der in Figur 1 dargestellten Schaltungsweise vorgesehen. Die Freilaufdiode 15 ist in der Weise ausgelegt, daß ihre Sperrspannungen der Nennspannung der Hochspannungsversorgungseinrichtung entspricht. Der Entladewiderstand 15 ist in der Weise ausgelegt, daß die Energie der Drossel innerhalb der Sperrzeit des Schaltgliedes 14, d.h. zwischen 50 und 700 Millisekunden, größtenteils abgebaut wird. Die unterschiedlichen Werte hängen von der Art der Anlage und der Einstellung ab.

Der Verlauf des Stromes im Punkt A ist anhand des Diagramms in Figur 3 dargestellt. Während dos störungsfreien Betriebs der Anlage hat der Emissionsstrom der Katode den mit a bezeichneten stationären Verlauf. Zum Zeitpunkt tj setzt ein Entladungsvorgang in der-Vakuumkammer 35 ein, der den Strom auf die angegebene Weise ansteigen läßt. Zum Zeitpunkt t^ spricht der Schaltkreis 17 in Folge der vorgewählten Einstellung an und sperrt das Schaltglied 14 zum Zeitpunkt tg. Nunmehr beginnt die Drossel 23 sich zu entladen. Der fliessende Strom ist durch den gekrümmten Teil b der Kurve gekennzeichnet. Der Sättigungsstrom der Drossel 23 ist durch die gestrichelte horizontale Linie c gekennzeichnet, die durch den Ordinatenwert 3 A verläuft. Es ist zu erkennen, daß der Maximalwert des Stroms einen ausreichenden Abstand vom Sättigungsstrom einhält.

Im vorstehenden Zusammenhang wurde die Funktion des Impulsschutzfilters 21 an einem Ausführungsbeispiel mit einer Schaltröhre als Schaltglied 14 beschrieben, für die der Er-

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findungsgegenstand bevorzugt verwendet werden soll. Selbstverständlich kann das Impulsschutzfilter auch im Zusammenhang mit Hochspannungsversorgungseinrichtungen mit anderen Kurzschlußabschaltvorrichtungen mit Erfolg verwendet werden. In einem solchen Fall wirkt sich vor allem diejenige Funktion vorteilhaft aus, die zu einer vorzeitigen Löschung von "harten" Kurzschlüssen führt. Bei längerzeitigen Entladungen oder Kurzschlüssen ist es nicht zu vermeiden, daß die Energie des Kondensators 13 entladen wird. Auch in diesem

Falle kann die Drossel 23 Stromstösse mit steiler Flanke

abfangen und dadurch Schäden vermeiden. Bei derartigen Versorgungseinrichtungen empfiehlt es sich, die Drossel 23 entsprechend größer zu dimensionieren und im Eisenkern beispielsweise an Stelle eines geraden Luftspaltes einen ab- gestuften oder abgeschrägten Luftspalt vorzusehen, um den Übergang in die Sättigung nicht sprunghaft sondern allmählich zu vollziehen.

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Claims

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PATENTANSPROCHE:

Hochspannungsversorgungseinrichtung für Leistungs-EIektronenstrahlkanonen mit einer heizbaren Katode und einer Anode, insbesondere für Elektronenstrahlverdampfer, mit einem Hochspannungstransformator, Glä'ttungsmi tteln für die Restwelligkeit der Speisespannung und einem im Stromkreis zur Katode angeordneten elektronischen Schaltglied, dem ein stromabhängig gesteuerter Schaltkreis für die Erzeugung einer Sperrspannung für das Schaltglied aufgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis zur Katode (37) ein Impulsschutzfilter (21) angeordnet ist, welches aus einem parallel zur Strecke Katode/Anode geschalteten Kondensator (22 bzw. 13) und einer Drossel (23), einer in Richtung auf die Katode (37) gesperrten Freilaufdiode (24) und einem Entladewiderstand (25) besteht, wobei die Drossel (23) in Reihe mit der Strecke Katode/Anode und die Freilaufdiode (24) mit dem in-Reihe.geschalteten Entladewiderstand (25) parallel zur Drossel (23) geschaltet ist. '
2. Hochspannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Impulsschutzfilter (21) hinter dem Schaltglied (14) angeordnet ist.

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