-
-
Elektronenstrahlerzeuger, insbesondere Zweielektroden-
-
Elektronenstrahlerzeuger Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahlerzeuger,
insbesondere einen Zweielektroden-Elektronenstrahlerzeuger, bestehend aus einer
Kathode, die von einer auf kathodenpotential liegenden Fokussierelektrode umgeben
ist und einer Anode.
-
Der vorgegebene Elektronenstrahlerzeuger soll die von der Kathode
emittierten Elektronen durch beschleunigende und fokussierende elektrostatische
Felder zu einem Strahl formieren. Dieser formierte Elektronenstrahl wird durch die
Parameter im Brennfleck des Elektronenstrahlerzeugers charakterisiert. Dabei ist
Ziel der Dimensionierung des Elektronenstrahlerzeugers einen sehr kleinen Brennfleck
mit hoher Leistungsdichte zu erreichen. Die wichtigsten Brennfleckparameter sind
Durchmesser und Lage des Brennflecks
auf der Achse, Stromdichte,
Stromdichteverteilung und Strahlapertur (das ist der Sinus des Winkels, den die
Randstrahlen eines zur Achse symmetrischen Strahlenbündels mit der optischen Achse
bilden).
-
Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse eine Kathode mit
einer konkaven, konvexen oder ebenen Emissionsfläche derart im Elektronenstrahlerzeuger
anzuordnen, daß Kathode gegenüber Fokussierelektrode zurückgesetzt bzw.
-
Kathode und Fokussierelektrode bündig in einer Ebene liegen (DE-PS
12 87 699).
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einen Elektronenstrahlerzeuger der eingangs genannten Art in bezug auf
die erreichbaren Elektronenstrahlparameter, insbesondere der Öf-fnungswinkel des
von der Fokussierungslinse ausgehenden Strahles zu optimieren, um so eine schmalere
Schweißnaht zu erreichen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kathode
gegenüber der Fokussierelektrode um wenige Zehntelmillimeter zur Anode hin vorsteht.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist die Kathode einen konstanten
Abstand gegenüber der sie umgebenden Fokussierelektrode auf, wobei vorzugsweise
der Abstand wenige Zehntelmillimeter beträgt. Dabei schließt die Formulierung wenige
Zehntelmillimeter auch 0,1 mm ein.
-
Dies führt zu deutlichen Verbesserungen beim Tief schweißen großer
Querschnitte und bei der Perforation größerer Blechdicken. Die bei Diodenquellen
erzielbare hohe Absaugfeldstärke an der Kathode wird durch die T.rfindurl(l nahezu
konstant über der KciLIiodnflch( verleilt. Dadurch die EmmisionsstrcDmdichte übc'r
der Kathodenfläche ebenfalls
vorteilhaft gleichmäßig.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben, wobei auf weitere vorteilhafte Merkmale
hingewiesen wird.
-
Es veranschaulicht: Fig. 1 ein schematischer Längsschnitt durch eine
Elektronenstrahlmaschine; Fig. 2 ein schematischer Längsschnitt durch den Zweielektroden-
Elektronenstrahlerzeuger (Einzelheit Ader Fig. 1); Fig. 3 eine schematische Darstellung
mit Draufsicht der Einzelheit B der Fig. 2.
-
In Fig. 1 ist eine Elektronenstrahlmaschine in ihrer Gesamtheit mit
10 bezeichnet. Die Elektronenstrahlmaschine besteht aus der Elektronenstrahlkanone
11 mit elektrischer Versorgung und der Arbeitskammer 12 mit Vakuumpumpenstand 13
und Werkstückbewegungsvorrichtung 14. Die Bearbeitung des Werkstückes 15 findet
unter Vakuum statt.
-
Die an sich bekannte Elektronenstrahlkanone 11 weist eine Hochspannungssteckverbindung
16, einen Hochspannungsisolator 17, eine Schnellwechselpatrone 18 mit Kathode 19,
eine Fokussierelektrode 20, eine Anode 21, eine Vakuumdrossel 22, ein Strahlrohrventil
23, eine Vakuumpumpe 24, eine elektromagnetische Linse 25 und ein.Ablenksystem 26
auf.
-
In Fig. 2 ist die Einzelheit A der Elektronenstrahlmaschine 1.0 näher
veranschaulicht. Der Zweielektroden-Elektronenstrahlerzeuger 27 setzt sich aus der
Kathode 19, der Fokussierelektrode 20 und der Anode 21 zusammen. Die auf dem gleichen
Hochspannungspotential 61a des Hochspannungserzeugers 61
wie die
Kathode 19 liegende Fokussierelektrode 20 besteht bei der dargestellten Ausführungsform
aus einem zylindrischen Rohr 20a, dessen der Anode 21 zugewandtes Ende, als Flansch
28, zur Aufnahme der eigentlichen Fokussierelektrode 20, ausgebildet ist.
-
In dem Rohr 20a sitzt als Teil der Schnellwechselpatrone 18 die Kathodenhalterung
29 mit der Kathode 19. Dabei bildet das Rohr 20a einen Stecksitz für die Kathodenhalterung
29, die von oben in das Rohr 20a eingeschoben.
-
werden kann, bis sie sich in einer durch den Isolator 30 definierten
vorgegebenen Betriebslage befindet. Der Isolator 30 hält die Tragstücke 32 und 33.
-
Anstelle der Potentialleitung 31 kann auch vorteilhaft ein direkter
mechanischer Kontakt zwischen den Bauteilen 20a und 33 vorgesehen werden.
-
Die Kathode 19 besteht aus einem vorgeformten V-förmigen Wolframband,
dessen Schenkel 34,35 als Anschlußabschnitte dienen und dessen verbindender Steg
36 die eigentliche Emissionsfläche bildet. Die Kathode 19 sitzt auf den passend
zu ihr dachförmig abgeschrägten Kathodentragteilen 37,38 der Tragstücke 32,33 auf.
Die Anschlußabschnitte 34,35 der Kathode 19 sind auf den Kathodentragteilen 37,38
durch Klemmhebel 41,42 festgeklemmt.
-
Jeder der Klemmhebel 41,42 ist in Lagerblöcken 43,44 mittels eines
Lagerstiftes 45,46 drehbar gelagert und kann durch Anziehen einer Klemmschraube
47,48, die sich an den Tragstücken 32,33 abstüzt, gegen die aufgesetzte Kathode
19 gepreßt werden.
-
Die der Steuerung des Strahlstroms bei dem Zweielektroden-Elektronenstrahlerzeuger
27 dienende Kathodenheizung und deren Ansteuerung ist in der Fig. 2 nur schematisch
durch das Heizspannungsteil 39 dargestellt. Untersuchungen haben dabei ergeben,
daß der sprunghaften Heizstrom-
änderung der Strahlstrom in weniger
als 0,5 Sekunden folgt. Somit ist eine ausreichend schnelle Strahlstromregelung
gewährleistet.
-
Die Geometrie, der das Beschleunigungsfeld formenden, Fokussierelektrode
20, des zur Anode 21 als Radius 50,51 ausgebildeten Rohres 20a mit dem Abstandsmaß
52 von vorzugsweise 10 mm zur Fokussierelektrode 20, dem Abstandsmaß 53 von vorzugsweise
30 mm zwischen Fokussierelektrode 20 und Anode 21 und dem Maß 54 der Anode 21 von
vorzugsweise 32 mm, des Zweielektroden-Elektronenstrahlerzeugers 27 bewirkt, daß
der Elektronenstrahl 62 (Fig.1) bei 70 kV, 50 mA beispielsweise mit einem Strahlöffnungswinkel
von 1 x 10 -2 rad (Halbwinkel des Elektronenstrahl-Kegels) austritt, bei gleichzeitig
konstanter Emmisionsstromdichte. Dies wird durch die Geometrie der das Beschleunigungsfeld
formenden Elektroden, insbesondere in der um wenige Zehntelmillimeter zur Anode
21 hin gegenüber der Fokussierelektrode 20 vorstehenden Kathode 19 mit der quadratischen
Emissionsfläche 40 von wenigen Millimetern Kantenlänge,vorzugsweise 2 x 2 mm, erreicht.
-
Dabei beträgt gemäß Fig.3 das Abstandsmaß 55 zwischen Unterkante 56
der Kathode 19 und Unterkante 57 der Fokussierelektrode 20 vorzugsweise wenige Zehntel
z.B. 1/10 Millimeter.
-
Das Abstandsmaß 60 der vorzugsweise scharfkantigen seitlichen Kathodenberandung
58 zu der sie umgebenden öffnung 59 der Fokussierelektrode 20 ist konstant und beträgt
nur wenige Zehntelmillimeter, vorzugsweise 0,15 mm.
-
Die Dimensionierung der Öffnung 59 zwischen Kathode 19 und Fokussierelektrode
erfolgt dabei so, daß die Raumladung der von der Kathode emittierten Elektronen
groß genug ist, um eine Absaugung von Elektronen, die von der Kathodenrückseite
herrühren zu vermeiden.