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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Elektronenstrahlerzeuger, insbesondere für eine Elektronenstrahlkanone
mit einer Kathode, einer Steuerelektrode und einer Anode mit einer
zentralen Bohrung für
den Durchtritt des Elektronenstrahls.
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Elektronenstrahlerzeuger der angegebenen Art
sind allgemein bekannt. Sie sind üblicherweise so ausgebildet,
daß der
Elektronenstrahl konvergierend aus der Anode austritt und einen
Fokussierungspunkt oder Crossover bildet, der von einer nachfolgenden
Elektronenoptik, beispielsweise einer Magnetlinse, abgebildet wird.
Dient der Elektronenstrahl in einer Elektronenstrahlkanone zur Bearbeitung
eines Werkstücks,
so wird durch die Wahl eines geeigneten Abbildungsverhältnisses
eine möglichst
scharf gebündelte
Abbildung des Crossovers auf dem Werkstück angestrebt, um dort eine
möglichst
hohe Energiedichte zu erzielen. Mit zunehmendem Strahlstrom verlagert
sich jedoch der Crossover in Strahlrichtung. Dadurch wird der Strahlwinkel
kleiner, wobei die Raumladungsaufspreizung zunimmt Die Gegenstandsweite
der elektronen-optischen Abbildung wird kleiner und das Abbildungsverhältnis verschlechtert
sich. Damit läßt sich
am Werkstück
keine ausreichende Fokussierung des Elektronenstrahls mehr erzielen.
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Es ist ferner allgemein bekannt,
mit einer maximalen Beschleunigungsspannung von 150 kV und einem
maximalen Dauerstrom von 7 mA (Impulsstrom bis 100 mA) einen Elektronenstrahl
von 1 kW Strahldauerleistung zu erzeugen (15 kW Impulsleistung).
Der kleinste hier erreichbare Brennfleckdurchmesser beträgt etwa
35 μm. Durch
diese enorm hohe Leistungsdichte in diesem Brennfleck (bis etwa
108 Watt/cm2) ist
es möglich,
auch härteste
und höchst schmelzende
Materialien zu bearbeiten, wodurch grundsätzlich neue Bearbeitungsmethoden
eröffnet werden.
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Es ist bereits eine Vorrichtung der
eingangs aufgeführten
Art bekannt (
DE-AS
23 36 851 , die eine Glühemissions-Elektronenquelle
mit einer Kathode zur Emission von thermischen Elektronen einer
der Kathode gegenüberliegenden
Anode umfaßt.
In dieser Druckschrift ist ferner ein Elektronenstrahl niedriger
sog. Perveanz beschrieben, wie er in Elektronenmikroskopen eingesetzt
wird, um kleinste Fleckendurchmesser sichtbar zu machen. Er definiert
den der Kathode zugewandten Winkel und die Bohrungsverhältnisse
im Wehnelt. Ferner ist in dieser Druckschrift die Lage der Emissionsfläche in der
Bohrung des Wehnelt-Zylinders angegeben. In
1 wird der typische reelle "Cross-over" zwischen Kathode
und Anode dargestellt, der bei hohem Strahlstrom die Fokussierung
beeinträchtigt.
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In der Druckschrift
DE-AS 12 48 175 ist ein Fokussierungs-
und Ablenkungssystem für
Schmelzkanonen erläutert.
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Aus der Druckschrift
DE-AS 12 32 661 ist weiterhin
ein Elektronenstrahlerzeugersystem mit Bandkathode, einer die Kathode
umgebenden Steuerelektrode und einer Anode bekannt. Ein derartiges System
soll zum elektronischen Schweißen
eingesetzt werden. Kathodenform und Kathodenhalter entsprechen in
etwa der Geometrie von Wehnelt, wobei die Anode als Kugelkalotte
ausgebildet ist. so wie sie bei Rogowski beschrieben wird. Wiederum
tritt bei diesem System ein reeller "Cross-over" auf.
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In der Druckschrift WO 81/03579 A1
ist ein Elektronenstrahlerzeuger mit hoher Konstanz für die Material
bearbeitung mit einer elektrisch beheizten Kathode sowie einer durchbohrten
Anode beschrieben. Bei dieser Anordnung werden Lochbleche mit der
notwendigen Wehnelt-Spannung und einer konstanten Kathodentemperatur
eingesetzt, da bei dieser bekannten Anordnung der Strahlenerzeuger
für einen
Festwert optimiert werden soll, während beim Gegenstand der Erfindung
im Leistungsbereich gearbeitet werden muß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Elektronenstrahlerzeuger der eingangs aufgeführten Art
zu schaffen, dessen Elektronenstrahl auch bei hohem Strahlstrom
bzw. großer
Leistungsdichte gut abgebildet und fokussiert werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch
einen Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1.
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Dadurch wird eine Anordnung mit virtuellem Crossover
geschaffen.
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Durch die vorteilhafte Ausbildung
und Anordnung von Kathode und Anode wird eine Optimierung und somit
Konzentrierung des Brennflecks erreicht Um eine weitere Veränderung
des Elektronenstrahls zu bewirken, kann darüber hinaus auch die Beschleunigungsspannung,
die Steuerspannung sowie die Emissionstemperatur der Kathode verändert werden.
Hierzu ist es vorteilhaft, daß der
kleinste virtuelle Strahldurchmesser bzw, der Fokussierungspunkt (Crossover)
des Elektronenstrahls mit Bezug auf den Strahlenverlauf des Elektronenstrahls
hinter der Emissionsfläche
der Kathode und/oder außerhalb
einer die Kathode zumindest teilweise umgebenden Steuerelektrode
(bzw. Wehnelt-Elektrode)
liegt. Hierdurch wird einmal ein paralleler Strahlenverlauf begünstigt und
zum anderen kann auf einfache Weise eine zu große Aufspreizung des Elektronenstrahls vermieden
und somit eine starke Bündelung
des Elektronenstrahls erreicht werden. Durch Vermeidung eines reellen
Cross-overs bzw. Fokussierungs punkts vor der Sreuerelektrode kann
also die Abstoßkraft
der Elektronen nicht in dem bisher bekannten Maße wirksam werden.
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Bei Elektronenstrahlanlagen ist der
Brennfleck üblicherweise
ein Bild des Fokussierungspunkts (Crossover). Durch die vorteilhafte
Ausgestaltung der Triode kann auch eine hohe Stromdichte im Fokussierungspunkt
erzielt werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Emissionsstromdichte
an der Kathode und die Beschleunigungsspannung hoch und die Temperatur
der Kathode niedrig ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist es vorteilhaft, daß die
Strahlquelle als Triode ausgebildet ist und aus einer Kathode mit
einer diese zumindest teilweise umgebenden Steuerelektrode sowie
einer nachgeschalteten, eine zylindrische Bohrung aufweisenden Anode
besteht Durch den Einsatz einer Triode kann der Elektronenstrahl
leistungslos gesteuert werden. Bei Einsatz einer Diode würde die Äquipotentiallinie
von der Kathode mit Kathodenpotential geometrisch nachgebildet werden,
so daß dann
nur noch mit der Kathodenheizung gesteuert werden kann und nicht
mehr leistungslos über
das Gitter.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist
schließlich
vorgesehen, daß das
in Richtung der Anode zeigende Ende der Steuerelektrode mit Bezug auf
die Querschnittsebene der Steuerelektrode aus zwei Kreisbogen gebildet
ist, deren Auslaufebenen in eine Gerade übergehen, die sich auf der
Mittelachse der Steuerelektrode in einem nach unten offenen Winkel β schneiden.
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Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß zur Erzeugung
des divergierenden Elektronenstrahls der Anodenlinseneffekt ausgenutzt
wird.
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Die divergierende Strahlform wird
dabei durch die Formgestalt und die Dimensionierung der Steuerelektrode
und der Anode erreicht.
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Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer anderen
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugers,
daß die
die Öffnung
bildenden Geraden der Steuerelektrode einen Winkel β zwischen
110° und
150° bzw.
zwischen 120° und 140° bilden.
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Vorteilhaft ist es ferner, daß die Außenwandungen
der Anode in Richtung der Steuerelektrode geneigt verlaufend angeordnet
sind und einen Winkel δ einschlie ßen, der
kleiner als der zwischen den Geraden gebildete Winkel β ist.
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Durch Veränderungen der Beschleunigungsspannung
der Steuerelektroden-Spannung bzw. Wehnelt-Spannung und der Temperatur
sowie insbesondere der Form von Kathode und Anode und auch durch
die Lage der Durchmesser der Blenden und Polschuhformen läßt sich
in vorteilhafter Weise der Elektronenstrahl günstig beeinflussen und somit
eine Konzentrierung des Brennflecks erreichen.
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Vorteilhaft ist es außerdem,
daß der
zwischen der Geraden und der Außenwand
der Steuerelektrode gebildete Teil einen Radius aufweist, der derart
groß ist,
daß sich
eine Feldstärke
von kleiner als 50 KV/cm, insbesondere von ca. 30 KV/cm gegenüber der
Mantelfläche
der Anode einstellt Ferner ist es vorteilhaft, daß der Abstand
und die Oberflächengeometrie
der Kathode, der Steuerelektrode und der Anode so gewählt ist,
daß sich
eine Äquipotentiallinie
mit dem Kathodenpotential ausbildet, die den Pierce-Winkel einschließt und nur
eine kreisrunde Fläche
auf der Kathode zur Elektronenemission freigibt.
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Außerdem ist es vorteilhaft daß die Emissionsfläche der
Kathode in geringem Abstand zur Ebene der Öffnung der Steuerelektrode
liegt und daß der Abstand
zwischen der Emissionsfläche
der Kathode und der Ebene der Öffnung
der Steuerelektrode kleiner als 1 mm ist Von besonderer Bedeutung
ist es bei einem weiteren Ausführungsbeispiel,
daß von
einer elektronen-optischen Einrichtung bzw. von einer Magnetlinse
ein virtueller Fokussierungspunkt auf die Bearbeitungsstelle des
Werkstücks
projiziert wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist es vorteilhaft, daß die
Beeinflussung des divergierenden Elektronenstrahls durch die Formgestalt
und die Dimensionierung der Steuerelektrode und der Anode erfolgt.
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Vorteilhaft ist es ferner, daß der divergierende
Elektronenstrahl nach Passieren der Anodenbohrung einen Austrittswinkel α je nach
gewählter
Perveanz zwischen 10 bis 50 mrad aufweist.
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Es ist zwar bekannt, daß sich bei
Elektronenstrahlerzeugern kleiner Leistung in der Regel durch den
gekrümmten
Bahnverlauf der Elektronen im Bereich des reellen Cross-overs auch
die Eigenschaften eines virtuellen Cross-overs ergeben Bei Elektronenstrahlerzeugern
hoher Perveanz ist dieser Effekt jedoch nicht vorhanden.
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Unter dem Begriff "Perveanz" versteht man das
Verhältnis
des Strahlstroms I zur Beschleunigungsspannung UB.
Hierzu gilt die Formel P = I/UB
3/2.
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Der Pierce-Winkel ist von Pierce
entwickelt und nach ihm benannt worden und wird für Diodensysteme
hohes Perveanz eingesetzt Nach den physikalischen Grundlagen ist
der Pierce-Winkel 61,5° groß mit Bezug
auf die Strahlachse und stets kleiner als der Winkel β (4). Diesen Winkel ermittelt
man nach der Poisson-Regel (raumladungsbegrenzte Emission im Strahl)
und nach der Regel von Laplace für
den Bereich außerhalb
des Elektronenstrahls.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
einer Schemazeichnung näher
erläutert.
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Es zeigt
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1 den
Elektronenstrahl eines bekannten Elektronen-Strahlerzeugers,
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2 den
Elektronenstrahl bei einem Beispiel eines erfindungsgemäßen Strahlerzeugers,
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3 eine
Schnittdarstellung des Gesamtaufbaus einer Elektronenstrahlkanone
mit einem Beispiel eines erfindungsgemäßen Strahlerzeugers,
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4 eine
Teilansicht des Strahlerzeugers.
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In der Zeichnung ist in 3 mit 10 eine Elektronenstrahlkanone
bezeichnet, deren Gehäuse 29 eine
Vakuumkammer 26 enthält,
in der eine Steuerelektrode 2 angeordnet ist. Der obere
Teil des Gehäuses 29 bildet
den Beschleunigungsraum. An das Gehäuse 29 schließt sich
das Gehäuseteil 27 zur Aufnahme
einer Fokussierungslinse 28 an.
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Die Steuerelektrode 2 ist
in einem oberen Gehäuseteil 29 angeordnet,
das mittels eines Flansches 30 verschlossen ist. Im Gehäuseteil 29 befinden
sich Bleiabdekkungen 31 zur Aufnahme einer Hochspannungssteckereinführung 37 mit
einem an die Steuerelektrode 2 und an der Kathode angeschlossenen
Hochspannungskabel. Die Strahlquelle ist im einzelnen als Triode
ausgebildet und besteht aus einer Kathode 1 mit der diese
zumindest teilweise umgebenden Steuerelektrode 2 sowie
einer nachgeschalteten eine zylindrische Bohrung 15 aufweisenden
Anode 3. Durch den Einsatz einer Triode kann der Elektronenstrahl 4 leistungslos
gesteuert werden.
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Die Steuerelektrode 2 ist
in einem Ringflansch aufgenommen, der in einer in einem Isolator 34 vorgesehenen
Ringnut gelagert ist Wie aus 3 ferner
hervorgeht, ist unterhalb der Steuerelektrode 2 die Anode 3 angeordnet.
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Der Aufbau der Steuerelektrode 2 ist
in 4 näher veranschaulicht
Sie besteht aus einem hohlförmigen
Zylinder 36, der an seinem der Anode 3 zugewandten
Ende 17 zwei kreisbogenförmige Teile 14 aufweist,
die sich gemäß 4 auf der Längsmittelachse
der Steuerelektrode 2 schneiden.
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Wie aus 4 ferner hervorgeht, können sich
an die beiden kreisbogenförmigen
Teile 14 einenends je eine Gerade 19 und anderenends
je eine Außenwand 18 anschließen. Die
beiden Geraden 19 bilden einen nach unten offenen Winkel β zwischen 110° und 150°, vorzugsweise
zwischen 120° und 140°, und begrenzen
eine Öffnung 20.
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Wie 4 zeigt,
weist der zwischen der Geraden 19 und der Außenwand 18 der
Steuerelektrode 2 gebildete Teil 14 einen Radius 23 auf,
der derart groß ist,
daß sich
eine Feldstärke
von kleiner als 50 KV/cm insbesondere von ca. 30 KV/cm gegenüber der
Mantelfläche 22 der
Anode 3 und der daran sich anschließenden Kontur 22' des Gehäuses 29 einstellt.
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Gemäß 4 kann die Emissionsfläche 12 der
Kathode 1 mit Bezug auf die innen liegende Kante einer Öffnung 20 um
ca. 1 (max) bis 2 mm zurückgesetzt
sein, d. h. vor oder auch hinter der Öffnung 20 liegen.
In 4 ist das Maß der Zurücksetzung
mit 1 mm angedeutet Ferner liegt die Öffnung 20 zum Durchlaß des Elektronenstrahls 4 hinter
dem unteren Ende 17 der Steuerelektrode 2. In 4 ist dieses Maß mit A2 gekennzeichnet.
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Die in 3 dargestellte
Elektronenstrahlanlage ist insbesondere für Schweißverfahren entwickelt Sie kann
aber auch als Schmelz- und Verdampfungsanlage eingesetzt werden,
ohne daß hierzu
wesentliche Änderungen
an der Anlage notwendig sind.
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Um eine Verkleinerung des Brennflecks
unter Berücksichtigung
der Erhöhung
der Leistungsdichte zu erreichen, können unter anderem verschiedene
Parameter verändert
werden, insbesondere die Ausgestaltung der Steuerelektrode 2,
der Anode 3, sowie der Kathode 1 und die entsprechenden
Abstände
untereinander.
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Wie aus 2 hervorgeht, beträgt der Austrittswinkel α des divergierenden
Elektronenstrahls 4 nach Passieren einer Bohrung 15 der
Anode 3 zwischen 10 und 50 mrad.
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Wie aus 4 hervorgeht, ist der Winkel δ zwischen
der Mantelfläche 22 der
Anode 3 kleiner als der zwischen den Geraden 19 gebildete
Winkel β.
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In 1 und 2 ist der Elektronenstrahlverlauf bei
einer herkömmlichen
Anordnung und bei einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung schematisch angedeutet Bei dem bekannten Elektronenstrahlerzeuger
gemäß 1 wird der Elektronenstrahl 4' in 1 zunächst gebündelt und bildet dadurch einen reellen
Strahldurchmesser bzw. einen Fokussierungspunkt (Crossover) 5,
der von der Magnetlinse 6 abgebildet wird. Mit steigendem
Strahlstrom verlagert sich der Fokussierungspunkt 5 nach
unten und die Gegenstandsweite W wird kleiner.
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Bei dem Strahlerzeuger gemäß 2 wird durch das Potential
und die vorteilhafte Ausgestaltung der Steuerelektrode 2 sowie
der Anode 3 zwischen beiden ein elektrostatisches Feld
erzeugt, durch das die aus der Kathode 1 austretenden Elektronen
zwischen Kathode 1 und Anode 3 in Form parallel
verlaufender Elektronenstrahlen die Emissionsfläche und zwischen Anode 3 und
Magnetlinse 6 in Form von divergierenden Elektronenstrahlen 4 die Anode 3 verlassen.
Der Elektronenstrahl 4 hat mit Bezug auf die Emissionsfläche einen
großen
Durchmesser. Der divergierende Elektronenstrahl 4 hat bei seinem
Eintritt in die Magnetlinse 6 die Eigenschaften eines Strahlenbündels, welches
von einem durch die Spitze des nach hinten verlängerten Strahlenkegels hinter
der Kathode 1 gebildeten, virtuellen Fokussierungspunkt
(Crossover) 5 ausgeht. Von der Magnetlinse 6 wird
daher der Elektronenstrahl 4 mit seinem virtuellen Fokussierungspunkt
(Crossover) 5 auf die Oberfläche eines Werkstücks 9 projiziert,
wodurch dort ein sehr kleiner Brennfleck mit einer hohen Strahldichte
erzielt wird. Wie die Darstellung zeigt, ergibt sich durch die Lage
des virtuellen Fokussierungspunkts (Crossover) 5 eine große Gegenstandsweite
W und damit ein optimales Abbildungsverhältnis.
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- 1
- Kathode
- 2
- Steuerelektrode
= Wehnelt-Zylinder (Triode)
- 3
- Anode
- 4
- Elektronenstrahl
gemäß 2
- 4'
- Elektronenstrahl
gemäß 1
- 5
- minimaler
Strahldurchmesser, gemäß dem Elektronenstrahl
(4) bzw. Fokussierungspunkt (crossover)
- 6
- Magnetlinse
- 9
- Werkstück 10 Elektronenstrahlkanone
- 12
- Emissionsfläche der
Kathode 1
- 14
- Teil,
kreisbogenförmig
- 15
- Bohrung
- 17
- Ende
des Wehnelt-Zylinders 14
- 18
- Außenwand
- 19
- Gerade
- 20
- Öffnung
- 22
- Mantelfläche der
Anode 3
- 23
- Gehäuseteil
- 26
- Vakuumkammer
- 27
- Gehäuseteil
- 28
- Fokussierungslinse
- 29
- Gehäuseteil
- 30
- Gehäusedeckel
- 31
- Stutzen
- 34
- Isolator
- 36
- Zylinder