DE3532888C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1.
Zum Verdampfen von Materialien, insbesondere von Metallen in Tiegeln,
werden häufig energiereiche Elektronenstrahlen verwendet. Dabei ist es von
großer Wichtigkeit, die Elektronenstrahlen abzulenken, um verschiedene
Stellen des Metalls im Tiegel zu erreichen.
Es ist bereits eine Einrichtung zur Elektronenstrahlerwärmung von Mate
rialien bekannt, bei der eine Elektronenstrahlkanone zur Erzeugung eines
Elektronenstrahls und ein elektromagnetisches Strahlsteuersystem vorge
sehen sind. Diese Einrichtung weist einen Magnetkern in Form eines recht
eckigen Rahmens mit mindestens zwei auf gegenüberliegenden Schenkeln
angeordneten Ablenkwicklungen und zumindest zwei auf den zwei anderen
gegenüberliegenden Schenkeln angeordneten Korrektur- und Abtastwick
lungen auf (US-PS 38 14 829, DE-PS 27 19 725). Zur Regelung und Über
wachung des magnetischen Ablenksystems wird hierbei jedoch nur der Strom
durch die Ablenkspulen erfaßt bzw. die an den Ablenkspulen anstehende
Spannung.
Es ist weiterhin eine Elektronenkanone für die Erhitzung von Materialien in
einem Vakuumbehälter bekannt, die eine Elektronenstrahlquelle, eine Elektronen
strahllinse und eine Ablenkeinheit zur Ablenkung des Elektronenstrahls im
Inneren eines Behälters aufweist (DE-OS 19 55 846). Die Ablenkeinheit
weist dabei einen hufeneisenförmigen magnetisierbaren Körper auf. Über eine
Regelung des von der Ablenkeinheit erzeugten Magnetfelds ist jedoch nichts ausgesagt.
Schließlich ist auch noch eine Anordnung zur Regelung der Position eines
Elektronenstrahls mittels eines Ablenksystems bekannt, das einen magnetisier
baren Körper aufweist, der mit einer Wicklung versehen ist, die mit Strom
beaufschlagt wird, und das einen Magnetfeldsensor enthält, der einen Magnet
feld-Istwert erzeugt, welcher von einer Regeleinrichtung für die Regelung der
Position des Elektronenstrahls verarbeitet wird (DE-OS 29 36 911; EP-OS 00 25 578).
Bei Sollwertveränderungen der Regelung wird hierbei über die Messung des
durch die Ablenkspulen fließenden Stroms ein zweiter Regelkreis dadurch über
lagert, daß ein der Magnetfeldänderung dB/dt proportionales Signal erzeugt und
mit einem der Sollwertänderung dx/dt proportionalen Wert verglichen wird und
daß der Vergleichswert als zusätzliches Regelsignal für das Magnetfeld dient.
Dies bedeutet, daß der Spulenstrom als Regelgröße verwendet wird, was zu
verschiedenen Nachteilen führt. Beispielsweise kann es dann, wenn magnetisches
Material mit Hilfe des Elektronenstrahls aufgedampft wird, zu einem magneti
schen Kurzschluß kommen. Die Folge ist, daß bei gleichem Erregungsstrom die
Stärke des Magnetfelds unterschiedlich ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung
der eingangs genannten Art die effektive Stärke des
Magnetfelds, die den Elektronenstrahl beeinflußt, zu messen, mit einem
Sollwert für das Magnetfeld zu vergleichen und den Elektronenstrahl
entsprechend zu regeln.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß
die Vorgabe eines Magnetfeldverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit einen
exakt gleichen Verlauf des Ablenkfelds bewirkt, was bei modernen Anlagen
mit genauer Strahlpositionierung erforderlich ist. Die Vorgabe kann dabei
mit konventionellen Mitteln oder mit Hilfe eines Rechners erfolgen.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und
wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Anordnung;
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Regelschaltung;
Fig. 3 ein wassergekühltes Gehäuse, in dem sich ein Magnetfeldsensor be
findet;
Fig. 4 eine Seitenansicht des in der Fig. 3 gezeigten Gehäuses;
Fig. 5 die Ansicht des in der Fig. 4 dargestellten Gehäuses mit abge
nommenem Deckel;
Fig. 6 eine Beschaltung des als IC ausgebildeten Magnetfeldsensors.
In der Fig. 1 ist ein hufeisenförmiger Magnet 1 mit den beiden seitlichen
Schenkeln 2, 3 und dem hinteren Schenkel 4 dargestellt. Durch diesen Mag
neten 1 tritt ein Elektronenstrahl 5, der abgelenkt werden kann. Der
nicht abgelenkte Strahl ist durchgehend gezeichnet und mit der Bezugs
zahl 5 bezeichnet, während der nach vorne abgelenkte Elektronenstrahl
die Bezugszahl 6 und der nach hinten abgelenkte Elektronenstrahl die Be
zugszahl 7 trägt. Das Ende des abgelenkten Elektronenstrahls 5 wandert
auf einer Geraden 8, wobei drei Endpunkte 9, 10, 11 dieses Strahls 5 nur
beispielhaft dargestellt sind. Die Steuerung der Ablenkung des Elektro
nenstrahls 5 erfolgt über eine Wicklung 12, die um den hinteren Schenkel
4 gewickelt und mit ihren Enden 13, 14 an eine Ablenkstufe 15 ange
schlossen ist. Diese Ablenkstufe 15 umfaßt Sollwertgeber, Feldregler,
Stromregler, Endstufe und Vorschaltwiderstände; außerdem ist sie über
elektrische Leitungen 16, 17 mit einer Feldsensor-Einrichtung 18 verbun
den, die auf der Außenseite des Schenkels angeordnet ist. In dieser Feld
sensor-Einrichtung 18 befindet sich z. B. ein Hall-Sensor-IC SAS 231 W
der Fa. Siemens sowie eine elektronische Anpassungsschaltung. Die Feldsensor-Einrichtung
18 liefert eine Spannung, die proportional zur magneti
schen Induktion ist, welche von dem Elektronenstrahl-Ablenksystem er
zeugt wird.
In der Fig. 2 ist die Regeleinrichtung zur Regelung der Position des Elek
tronenstrahls 5 noch einmal näher dargestellt. Man erkennt hierbei, daß
die in der Fig. 1 gezeigte Ablenkstufe 15 einen Sollwertgeber bzw. Rech
ner 20, einen Stromregler 21, eine Endstufe 22 und einen Vorschaltwider
stand 23 enthält. Von der Feldsensor-Einrichtung 18 führt eine Verbin
dung zur Verknüpfungsstelle 24, wo der vom Sollwertgeber 20 abgegebene
Sollwert um den Ist-Wert der Feldsensor-Einrichtung 18 vermindert und
die resultierende Größe auf einen Feldregler 25 gegeben wird. Dieser
Feldregler 25 gibt aufgrund der ermittelten Abweichung zwischen Soll-
und Ist-Wert eine Regelgröße auf die Verknüpfungsstelle 26. Von dieser
Regelgröße wird eine Größe abgezogen, die als Spannung an dem Vor
widerstand 23 abfällt.
Diese Spannung ist proportional zu dem durch die Wicklung 12 fließenden
Strom. Der Widerstand 23 dient also dazu, den von der Endstufe durch die
Wicklung 12 getriebenen Strom in ein als Stromistwert geeignetes Span
nungssignal umzuwandeln.
Die Endstufe 22 bildet mit dem vorgeschalteten Stromregler 21 eine Lei
stungsendstufe, deren Ausgangsstrom proportional zur Eingangsspannung ist.
In der Fig. 3 ist ein wassergekühltes Gehäuse 30 aus nichtmagnetischem
Material dargestellt, das der Feldsensor-Einrichtung 18 gemäß Fig. 1 ent
spricht. Während die Fig. 1 lediglich eine prinzipielle Darstellung der Feld
sensor-Einrichtung 18 ist, stellt die Fig. 3 ein tatsächlich realisierbares
Gehäuse 30 dar. Dieses Gehäuse 30 ist zylindrisch ausgebildet, wobei der
mittlere zylindrische Teil zwei Wände 31, 32 aufweist, die durch teller
förmige und überstehende Stirnwände 33, 34 abgeschlossen sind.
Das Kühlwasser, welches zwischen den Wänden 31, 32 fließt, wird über ei
nen Stutzen 35 zugeleitet. Der eigentliche Magnetfeld-Sensor 36 bzw. die Ma
gnetfeld-Sensor-Platine 36 befindet sich im Innern der Wand 32 , welche
die Form eines Zylindermantels hat. Da der Elektronenstrahl eine sehr
hohe Energie hat und außerdem die Wärmebelastung durch Strahlung vom
Tiegel sehr hoch ist, ist es erforderlich, den Magnetfeld-Sensor 36 vor Über
hitzung zu schützen. Zu diesem Zweck ist der Magnetfeld-Sensor 36 in das
wassergekühlte, doppelwandige Gehäuse 30 eingebaut und an der Außenseite
des Hufeisenmagneten 1 angebracht.
In der Fig. 4 ist das wassergekühlte Gehäuse 30 aus nichtmagnetischem
Material in einer seitlichen Ansicht gezeigt, die einer Draufsicht in Rich
tung des Pfeils A in Fig. 3 entspricht. Mit 37, 38, 39 sind Anschlußstecker
bezeichnet, von denen insgesamt acht vorgesehen sind. Neben dem Stutzen
35, der bereits in der Fig. 3 dargestellt ist, ist ein weiterer Stutzen 40
gezeigt. Beide Stutzen 35, 40 dienen zur Wasserzufuhr bzw. -abfuhr. Die
Schläuche oder Rohre, welche das Kühlwasser an die Stutzen 35, 40 heran
führen bzw. -wegführen, sind in der Fig. 4 nicht gezeigt. Mit 41 ist ein
Deckel bezeichnet, der die Anschlußstecker 37-39 trägt und der mittels
Schrauben 42-45 mit dem Gehäuse 30 verbunden ist.
In der Fig. 5 ist das Gehäuse 30 in derselben Ansicht wie in Fig. 4 dar
gestellt, wobei das Gehäuse 30 allerdings offen ist, d. h. der Deckel 41 mit
den Anschlüssen 37-39 ist abgenommen. Man erkennt bei dieser Darstellung
den Magnetfeldsensor bzw. die Magnetfeldsensor-Platine 36.
Die Fig. 6 zeigt die den Magnetfeldsensor betreffende Schaltungsanordnung
noch einmal im Detail. Mit 50 ist der bereits oben erwähnte und als inte
grierte Schaltung ausgebildete Hall-Sensor SAS 231 W der Fa. Siemens be
zeichnet. Dieser Sensor 50 liegt über einer Leitung 51 sowie über einem
Beschaltungswiderstand 51 an einer Gleichspannung von +15 V. Mit Hilfe
eines Trimmpotentiometers 53 kann die Empfindlichkeit des Hall-Sensors
50 eingestellt werden.
Mit 54 bzw. 55 sind zwei Anpaßverstärker bezeichnet, die in ihrem Rück
kopplungszweig jeweils einen Kondensator 56 bzw. 57 zur Störunterdrückung
aufweisen. Parallel zu diesen Kondensatoren 56, 57 sind Rückkopplungswider
stände 58, 59 geschaltet. Zusammen mit den Eingangswiderständen 60, 61
und der Rückkopplungsbeschaltung 57, 59 bildet der Anpaßverstärker 55 ei
nen Invertier-Verstärker, d. h. er invertiert das vom Verstärker 54 kom
mende Signal. Die Amplitude dieses vom Verstärker 54 kommenden Signals
kann mit Hilfe eines Trimm-Potentiometers 62 eingestellt werden.
Ein weiteres Trimmpotentiometer 63, das zur Kompensation des von dem
Sensor 50 gelieferten Gleichspannungsanteils bzw. zur Offset-Kompensation
des Verstärkers 54 dient, ist über zwei in Reihe geschaltete Widerstände
64, 65 mit dem einen Eingang des Verstärkers 54 verbunden, der über einen
Widerstand 66 und einen Kondensator 67 mit dem Ausgang des Sensors
50 verbunden ist.
Am Ausgang 68 steht ein Signal an, das dem Magnetfeld, das durch die
Ablenkspule erzeugt wird, direkt proportional ist. Am Ausgang 69 steht
dasselbe Signal noch einmal in invertierter Form an.
In der Regel wird nur einer der Ausgänge 68, 69 benutzt. Er führt zur
Summationsstelle 24 vor dem Feldregler 25.
Die in der Fig. 6 dargestellte Schaltung liefert nur die Wechselanteile des
Magnetfelds, da der Gleichanteil durch den Kondensator 67 zwischen dem
Sensor 50 und dem Widerstand 66 unterdrückt wird.
Claims (15)
1. Anordnung zur Regelung der Position eines Elektronenstrahls mittels eines
Ablenksystems, das einen magnetisierbaren Körper aufweist, der mit einer
Wicklung versehen ist, die mit Strom beaufschlagt wird, und das einen Magnet
feldsensor enthält, der einen Magnetfeld-Istwert erzeugt, welcher von einer
Regeleinrichtung für die Regelung der Position des Elektronenstrahls verarbeitet
wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (18, 36, 50) an der
vom Elektronenstrahl abgewandten Außenseite des magnetisierbaren Körpers
(1, 3) vorgesehen ist und daß der Ist-Wert des
Magnetfeldsensors (18, 36, 50) mit einem Sollwert für das Magnetfeld
verglichen wird und der Ablenkstrom des Ablenksystems (1, 12) nach
Maßgabe der Differenz gegenüber dem Sollwert nachgeregelt wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisier
bare Körper (1) hufeisenförmig ausgebildet ist.
3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Magnetfeldsensor (18, 36, 50) an der Außenseite des einen Schenkels (3) des
hufeisenförmigen Körpers (1) angeordnet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeld
sensor (18, 36, 50) so angeordnet ist, daß er nur das vom Ablenksystem (1,
12) erzeugte Magnetfeld erfaßt und das vom Elektronenstrahl (5) selbst erzeugte
ringförmige Magnetfeld unberücksichtigt läßt.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerung
des Magnetfelds des Ablenksystems (1, 12) durch das Magnetfeld des Elektronen
strahls (5) mittels schaltungstechnischer Maßnahmen eliminiert oder kompen
siert wird.
6. Anordnung nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Magnetfeldsensors (18, 36, 50)
und der Ausgang eines Sollwertgebers (20) für das Magnetfeld auf eine Verknüpfungsstelle (24)
geführt sind, daß ein Ausgang dieser Verknüpfungsstelle (24) auf einen Feld
regler (25) gegeben ist, dessen Ausgang, ebenso wie der Abgriff eines vom
Magnetisierungsstrom durchflossenen Widerstands (23), einer weiteren Verknüp
fungsstelle (26) zugeführt ist, wobei ein Ausgang dieser weiteren Verknüpfungsstelle
(26) einem Stromregler (21) zugeführt ist, der eine Endstufe (22) ansteuert,
welche ihrerseits das Ablenksystem (1, 12) mit einem Strom beaufschlagt (Fig. 2).
7. Anordnung nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Magnetfeldsensor (18, 36, 50) er
zeugte Ausgangssignal an einem ersten Ausgang (68) unmittelbar und an einem
zweiten Ausgang (69) in invertierter Form vorliegt (Fig. 6).
8. Anordnung nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Magnetfeldsensor (18, 36, 50) ein Verstärker
(54) nachgeschaltet ist, und daß sich zwischen dem Magnetfeldsensor (18, 36,
50) und dem Verstärker (54) ein Kondensator (67) befindet, der die Gleich
anteile aus dem Ausgangssignal des Magnetfeldsensors (18, 36, 50) herausfiltert (Fig. 6).
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeld
sensor ein Hall-Element enthält.
10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeld
sensor einen magnetfeldabhängigen Widerstand enthält.
11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Magnet
feldsensor (18, 36, 50) in einem flüssigkeitsgekühlten Gehäuse (30) befindet.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssigkeits
gekühlte Gehäuse (30) zwei konzentrisch zueinander angeordnete zylindrische
Mäntel (31, 32) aufweist, zwischen denen die Kühlflüssigkeit fließt.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen
Mäntel (31, 32) durch End-Flansche (33, 34) abgeschlossen sind.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet
feldsensor (18, 36, 50) in der Achse des inneren zylindrischen Mantels (32)
angeordnet ist.
15. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronen
strahl (5) zum Verdampfen oder Erhitzen von Materialien verwendet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19853532888 DE3532888A1 (de) | 1985-09-14 | 1985-09-14 | Anordnung zur regelung der ablenkung eines elektronenstrahls |
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DE3532888A1 DE3532888A1 (de) | 1987-04-02 |
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