DE3130383A1 - Steuereinrichtung fuer eine elektronenstrahlquelle - Google Patents

Abstract

1 Es ist eine Steuereinrichtung für eine Elektronenstrahlquelle vorgesehen, die als Baueinheit in bestehende Einrichtungen eingebaut werden kann. Die Steuereinrichtung besitzt eine Regelschleife, die den Elektronenstrahlstrom aus einem eingestellten Wert hält. Der Transformator und ein Teil der Steuerschaltung sind in einem Ölbad untergebracht und die Verbindung von diesem Teil nach einem äußeren Teil der Schaltung erfolgt über Lichtleiter, so dass über das Öl weder eine Stromleitung erfolgt noch Lichtbogen auftreten können.

Description

Deckblatt

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung für eine Elektronenstrahlquelle. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Steuervorrichtung für eine Elektronenstrahlschweißmaschine.

Es ist gegenwärtig üblich, dem Strom, welcher der Kathode einer Elektronenstrahlquelle zugeführt wird, über eine Reihe von Widerständen zu steuern, deren Widerstandswert durch einen Drehschalter gesteuert wird, der eine stufenweise Stromänderung ermöglicht. Eine solche Anordnung lässt einen glatten Übergang bei einer Änderung von einer Einstellung auf die andere Einstellung nicht zu.

Es ist außerdem bekannt, eine relativ glatte Veränderung dadurch herbeizuführen, dass eine Triode zwischen dem Ausgang der Strahlquelle und einem Bezugswert geschaltet wird, wobei Differenzen dazwischen den Triodenausgang ändern, wodurch das relative Potential der Strahlquelle eingestellt wird. Diese Vorrichtungen berücksichtigen jedoch nicht die Sekundäreffekte, wie beispielsweise die Gitteremission und die Kriechströme, die den tatsächlichen Strahlstrom beeinflussen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Steuerung der Elektronenstrahlquelle zu gewährleisten.

Die Erfindung geht aus von einer Steuervorrichtung für eine Elektronenstrahlquelle mit einem elektrischen Eingang, durch den eine Verbindung zwischen einer

Hochspannungsquelle und der Kathode der Elektronenstrahlquelle hergestellt wird, und mit Mitteln, durch die im Betrieb ein elektrischer Rückkopplungspfad nach der Hochspannungsquelle geschaffen wird, und mit einer Vorspannungs-Widerstandskette, die zwischen den Eingang und die Rückkopplung gelegt ist, und löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass eine Triode mit ihrer Kathode über einen Abgriff an die Widerstandskette angeschaltet ist, während ihre Anode mit dem Eingang verbunden ist, dass ein Strommonitor zwischen die Anode und die Kathode der Strahlquelle geschaltet ist, dass Mittel vorgesehen sind, um den Stromfluß im Monitor zu überwachen und ein entsprechendes Spannungssignal abzuleiten, dass ein Steuerpotential vorgesehen ist, dass eine Summierungsstufe die abgeleitete Spannung und das Steuerpotential summiert und dass Mittel vorgesehen sind, um aus der Summe ein weiteres Signal abzuleiten, wobei die Vorrichtung zur Ableitung des weiteren Signals an das Gitter der Triode angelegt ist, so dass ihr Potential relativ zum Kathodenpotential geändert wird, wie dies durch die Widerstandskette bestimmt wird, wodurch in entsprechender Weise der Stromeingang nach der Kathode der Elektronenstrahlquelle geändert wird.

Vorzugsweise besteht der Strommonitor aus einer Leuchtdiode.

Die Mittel zur Überwachung des Stromflusses im Monitor und zur Ableitung eines Spannungssignals, welches proportional hierzu ist, bestehen vorzugsweise aus einem Lichtleiter und einem Fotodetektor, wobei der Lichtleiter das von der Leuchtdiode emittierte Licht, welches ein Maß für den Stromfluß durch den Leiter ist, nach dem

Fotodetektor gelangen lässt, der das Licht in eine Spannung umwandelt, deren Größe proportional der Lichtintensität ist.

Vorzugsweise wird der Fotodetektorausgang durch einen temperaturgesteuerten Verstärker verstärkt.

Die Mittel zur Ableitung eines weiteren Signals, mit dem das Gitterpotential der Triode geändert wird, umfassen eine weitere Stromquelle, die den Ausgang der Summierungsstufe empfängt, so dass ein Stromfluß entsteht, wobei ein weiterer Strommonitor mit Lichtleiter und Fotodetektor vorgesehen sind, wobei der verstärkte Ausgang in Reihe zu dem Gitter geschaltet ist.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Elektronenstrahl-Steuerschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektifische Ansicht der Elektronenstrahl-Steuereinheit gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 weist die Elektronenstrahlquelle 10 eine Kathode 12 auf, die durch nicht dargestellte elektrische Mittel geheizt wird und über eine Leitung 16 an eine Spannungsquelle 18 angeschaltet ist. Die Spannungsquelle 18 ist in ein Ölbad 20 eingetaucht, so dass der Einfluß der Lichtbogen auf die Hochspannung vermindert wird.

Im Betrieb wird das Gitter 13 der Elektronenstrahlröhr auf ein Potential von etwa -150 kV gelegt und diese Spannung wird über die Leitung 14 zugeführt. Die Elektronen 22, die von der Kathode 12 austreten, werden durch eine Anode 24 nach einem Werkstück 26 in üblicher Weise beschleunigt und die Arbeitsschaltung wird vervollständigt über die Leitung 28, die nach dem positiven Anschluß der Spannungsquelle 18 führt.

Die Leitungen 14 und 40 sind über mehrere Vorspann-Widerstände 30 überbrückt, die einen Abgriff 32 haben, der nach der Kathode 34 einer Triode 36 führt. Die Anode 38 der Triode 36 ist bei 40 mit der Anschlußleitung 16 der Kathode 12 der Elektronenstrahlquelle verbunden.

In die Leitung 16 ist ein Strommonitor 42 in Gestalt einer Leuchtdiode eingefügt, um den Stromfluß nach der Kathode 12 anzuzeigen. Ein Lichtleiter 44 ist mit einem Ende benachbart zur Leuchtdiode 42 angeordnet und das andere Ende steht aus dem Ölbad 20 vor und endet vor einem Fotodetektor 46.

Wenn die Diode 42 gemäß dem sie durchfließenden Strom aufleuchtet, dann stellt der Fotodetektor 46 dieses Licht fest und erzeugt eine Spannung, die von der Lichtintensität abhängig ist, und liefert diese über einen Verstärker 48 und einen Widerstand 50 an eine Summierungsverbindung 52.

Die Diode 42 und der Fotodetektor 46 werden durch Temperaturänderungen beeinflusst. Deshalb muß die Diode 42 eine nicht dargestellte Kompensationsschaltung aufweisen und der Verstärker 48 muß ebenfalls kompensiert sein und eine temperaturunabhängige Verstärkung liefern.

Die andere Seite der Summierungsverbindung 52 empfängt eine Spannung von einem Stellpult 54, das durch eine Bedienungsperson gesteuert wird. Dieses weist einen Wählschalter 56 für die Signalart auf, dessen Funktion darin besteht, die Primärarbeitsweise der Vorrichtung zu wählen. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Arbeitsweisen vorgesehen, nämlich:

a) Äußerer Eingang 58. Hierdurch wird die Steuerung auf eine äußere Eingangsspannung übertragen, die beispielsweise von einem Wellenformgenerator oder einer anderen Spannungsquelle abgeleitet werden kann, die für eine Stromsteuerung geeignet ist.

b) Ein Pulsator 60. Die Impulsfrequenz ist von 1 bis 100 Hz jeweils mit einer Genauigkeit von 1 Hz einstellbar mit einer Impulsbreitensteuerung zwischen 10 % und 90 % des stetigen Zustands mit Zunahmen von 1 %. Dieser Eingang könnte auch eine Impulssteuerstufe 62 aufweisen, d. h. einen Eingang, der das Impuls/Pause-Verhältnis jeder Periode verändert, so dass dann, wenn die Vorrichtung beispielsweise benutzt wird, um eine Ring zu schweißen, das Ein/Aus-Verhältnis des Strahls zu Beginn und am Ende der Bearbeitung verändert wird, um Temperaturänderungen am Werkstück so gering wie möglich zu halten. Diese Technik vermeidet eine Rissebildung im Werkstück. Eine Vorrichtung, mit der Änderungen des Impuls/Pause-Verhältnisses erhalten werden können, ist in der GB-PS 1 331 113 beschrieben.

c) Stetiger Strahl. Bei dieser Arbeitsweise wird ein Steuerpotentiometer 64 benutzt, um den Strahlstrom zu steuern.

d) Kathodeneichung. Dabei wird die geschlossene Schleife aufgebrochen und die sich hieraus ergebende offene Schaltung verhindert, dass die Potentiometereinstellungen dem Strommesser entsprechen.

Welcher Eingang auch immer am Schalter 54 gewählt wird, es wird immer dieser Eingang über ein Steuerpotentiometer 64, einen Verstärker 66 und einen Widerstand 68 nach der Summierungsverbindung 52 geleitet.

Der Widerstand 50 ist gegenüber dem Widerstand 68 vorgespannt, um einen Verstärkungsgrad dem Rückkopplungssignal vom Fotodetektor 46 zuzuleiten, der größer ist als vom Verstärker 66. Bei dem Ausführungsbeispiel beträgt die Verstärkung etwa 800:1.

Die beiden Eingänge der Verbindung 52 werden dem Summierungsverstärker 72 zugeführt und dann wird das Summierungssignal durch den Inverter 74 invertiert. Das invertierte Signal wird dann als Spannung der Stromsteuerstufe 76 einer weiteren Stromquelle zugeführt und die Schaltung hierfür weist eine weitere Leuchtdiode 78 auf. Fluktuationen im Stromfluß durch den Monitor 42 führen zu Fluktuationen im Stromfluß durch die Leuchtdiode 78 und führen zu sich ändernden Lichtintensitäten der Diode 78. Das emittierte Licht wird über einen weiteren Lichtleiter 80 einem weiteren Fotodetektor 82 zugeführt und in eine Spannung umgewandelt und dann über Verstärker 84 und 85 und einen Puffertransistor 86 dem Gitter 88 der Triode 36 zugeführt. Die Anordnung ist dabei derart getroffen, dass bei einem unerwünschten Stromabfall, der vom Monitor 42 festgestellt wird, das Triodengitter 88 mehr positiv gegenüber der Kathode 34 wird, so dass der Stromfluß durch die Triode 36 nach der Kathodeneingangsleitung 16 vergrößert wird. Ein unerwünschtes Ansteigen des Stromflusses durch den Monitor 42 führt dazu, dass das Gitter 88 mehr negativ gegenüber der Kathode 34 gemacht wird, so dass der Stromfluß durch die Diode 36 und daher der Stromfluß über die Leitung 16 nach der Kathode 12 vermindert wird.

Die beschriebene Steuervorrichtung ist so ausgebildet, dass sie als Einheit in bestehende Elektronenstrahl-Vorrichtungen eingesetzt werden kann, beispielsweise in solche, die zum Schweißen verwendet werden, und eine solche Baueinheit wird nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.

Ein Transformator 118 ist an der Oberseite mit Anschlüssen 90, 92 versehen, bevor er in das Ölbad 20 eingetaucht wird. Dann wird ein Unterrahmen 94 in das Bad eingefügt. Der Unterrahmen 94 besitzt einen flachen Deckel 96 mit einem Ausschnitt 98, durch den der untere Abschnitt einer Einheit 100 hindurchgeführt werden kann.

Die Einheit 100 weist einen unteren schwarzen Körper 102 auf, der die Triode 36, den Monitor 42, das Empfangsende des Lichtleiters 44, das Austrittsende des Lichtleiters 80, Fotodetektorverstärker 82, 84, 85 und den

Puffertransistor 86 enthält. Die Einheit 100 weist außerdem einen oberen schwarzen Körper 104 auf, der das Austrittsende des Lichtleiters 44, den Fotodetektor 46, dem Verstärker 48, die Widerstände 50, 68, die Summierungsverbindung 52, die Summierungsstufe 72, den Inverter 74, eine weitere Stromquelle 76, eine Leuchtdiode 78 und das Empfangsende des Lichtleiters 80 enthält.

Die schwarzen Körper 102, 104 sind durch starre Isolatoren 106, 108 im Abstand zueinander gehalten, die an ihren unteren Enden mit nicht dargestellten Verbindern versehen sind, um eine Verbindung mit den Anschlüssen 90, 92 des Transformators 118 zu ermöglichen. Der obere schwarze Körper 104 hat einen Verbindungspunkt 110 zur Aufnahme eines Steckers 112, der über ein Kabel 114 das Stellpult 54 gemäß Fig. 1 und die Einheit 100 überbrückt.

Die Verbindung der Einheit 100 mit dem Transformator wird einfach dadurch vorgenommen, dass die Einheit durch die Ausnehmung 98 eingeführt und die unteren Enden der Isolatoren 106, 108 in die jeweiligen Fassungen 90, 92 eingesteckt werden. Hierdurch wird die Hochspannung von beispielsweise 150 kV Gleichspannung an die Elektronenstrahlquelle gelegt. Hierdurch wird auch gewährleistet, dass eine Platte 116 unter dem schwarzen Körper 104 die Öffnung 98 ausfüllt, so dass das Ölbad 80 nach oben abgeschlossen ist. Der untere schwarze Körper 102 ist somit in das Ölbad eingetaucht, jedoch verbleibt der obere schwarze Körper 104 außerhalb des Ölbades. Die einzige Verbindung zwischen ihnen sind Lichtleiter 44 und 80. Daraus folgt, dass, obgleich ein elektrischer Stromfluß in dem unteren schwarzen Körper 102 einen elektrischen

Stromfluß in dem oberen schwarzen Körper 104 einleitet, keine elektrische Verbindung dazwischen vorhanden ist. Diese Verbindung wird durch Lichtsignale hergestellt. Der Apparat ist daher im Betrieb sicher.

Claims (5)

1. Steuereinrichtung für eine Elektronenstrahlquelle mit einem elektrischen Eingang, durch den eine Verbindung zwischen einer Hochspannungsquelle und der Kathode der Elektronenstahlquelle hergestellt wird, und mit Mitteln, durch die im Betrieb ein elektrischer Rückkopplungspfad nach der Hochspannungsquelle geschaffen wird, und mit einer Vorspannungs-Widerstandskette, die zwischen den Eingang und die Rückkopplung gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Triode (36) mit ihrer Kathode (34) über einen Abgriff an die Widerstandskette (30) angeschaltet ist, während ihre Anode (38) mit dem Eingang (16) verbunden ist, dass ein Strommonitor (42) zwischen die Anode (38) und die Kathode (12) der Strahlquelle geschaltet ist, dass Mittel vorgesehen sind, um den Stromfluß im Monitor (42) zu überwachen und ein entsprechendes Spannungssignal abzuleiten, dass ein Steuerpotential (64) vorgesehen ist, dass eine Summierungsstufe (70) die abgeleitete Spannung und das Steuerpotential summiert, und dass Mittel (82) vorgesehen sind, um aus der Summe ein weiteres Signal abzuleiten, wobei die Vorrichtung zur Ableitung des weiteren Signals an das Gitter (88) der Triode angelegt ist, so dass ihr Potential relativ zum Kathodenpotential geändert wird, wie dies durch die Widerstandskette (30) bestimmt wird, wodurch in entsprechender Weise der Stromeingang nach der Kathode (12) der Elektronenstrahlquelle geändert wird.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strommonitor (42) aus einer Leuchtdiode besteht.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Überwachung des Stromflusses und zur Ableitung eines Spannungssignals einen Lichtleiter (44) und einen Fotodetektor (46) aufweisen, wobei der Lichtleiter das von der Leuchtdiode infolge des Stromflusses emittierte Licht nach dem Fotodetektor überträgt, der das Licht in eine Spannung umwandelt, deren Größe proportional zur Lichtintensität ist.

4. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotodetektorausgang durch einen temperaturkompensierten Verstärker (48) gesteuert wird.

5. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Ableitung eines weiteren Signals, welches das Gitterpotential der Triode (36) ändert, eine weitere Stromquelle (76) aufweisen, die den Summierungsausgang empfängt und einen Ausgangsstrom erzeugt, wobei ein weiterer Strommonitor (78) ein Lichtleiter (80) und ein Fotodetektor (82) vorgesehen sind, wobei der verstärkte Ausgang in Reihe mit dem Gitter (88) liegt.