ES2244081T3 - Dispositivo para emitir un haz de particulas cargadas. - Google Patents

Abstract

Un conjunto emisor de partículas cargadas incluyendo un elemento emisor (5) para emitir partículas cargadas de una polaridad; un electrodo tubular blindado (6) que rodea circunferencialmente el elemento emisor y mantenido durante el uso a la misma polaridad que las partículas cargadas; y un electrodo tubular de aceleración (7) colocado sustancialmente coaxialmente con el electrodo blindado (6) y mantenido durante el uso a la polaridad opuesta al electrodo blindado, siendo tal el conjunto que las partículas cargadas del elemento emisor (5) se difunden inicialmente lateralmente hacia fuera (9) y después se enfocan a un haz (8) que pasa a través del electrodo tubular de aceleración (7).

Description

Dispositivo para emitir un haz de partículas cargadas.

La invención se refiere a conjuntos emisores de partículas cargadas y emisores. La invención se refiere por ejemplo a la generación de haces de electrones de alta potencia (EB) y la transmisión a cámaras de vacío que operan a presiones en el rango de aproximadamente 10^{-1} mbar hasta varios cientos de milibares. Sin embargo, la invención también es aplicable a otros tipos de haces de partículas cargadas incluyendo los definidos por iones de carga negativa y positiva. Por razones de conveniencia, solamente se explicarán los haces de electrones.

Se producen fácilmente haces de electrones mediante la liberación de electrones libres de un emisor y la aceleración en un campo eléctrico. Para haces de electrones que se utilizan meramente para aplicaciones tales como fusión de metales al vacío, la calidad del haz en términos de la densidad de distribución de energía, el brillo del haz y el perfil del haz, es de poca importancia. Típicamente, "brillo" se define como densidad de corriente/estereorradián.

Para otras aplicaciones, la calidad del haz es sumamente importante y además debe ser estable y reproducible. En el caso de soldadura por haz de electrones (EBW), por ejemplo, la capacidad para producir repetidas veces zonas de fusión profundas estrechas de profundidad y anchura coherentes depende críticamente de:

(i)

la distribución de densidad de energía del haz

(ii)

la posición de enfoque con respecto a la superficie de la pieza, y

(iii)

el brillo del haz que implica factores tanto del tamaño del punto como del ángulo de convergencia.

Idealmente, para soldadura por haz de electrones, es importante lograr una densidad de distribución de energía claramente definida y ésta tiene generalmente forma gaussiana. Además, para efectuar soldadura profunda estrecha, hay que controlar el ángulo de convergencia del haz dentro de un rango relativamente estricto. Ciertamente, para la soldadura de aceros, por ejemplo en un grosor de sección de 100-150 mm, un semiángulo del haz superior a 1 grado conduce a inestabilidades del baño de soldadura y defectos internos. Por otra parte, un haz que es casi paralelo, puede ser altamente adecuado para soldar dichas secciones gruesas, pero no es adecuado para producir soldaduras muy estrechas en secciones de acero de 1-10 mm. Además, en el caso del rango de secciones más finas, la distribución de energía del haz de soldadura es mucho más importante. Si, por alguna razón, la distribución de energía incluye una franja significativa, esto se refleja en la forma de la zona de fusión de la soldadura. Así, en lugar de lograr una zona de fusión casi paralela como en el caso de la distribución gaussiana, se produce una zona de fusión no paralela mucho más ancha con la denominada característica de "cabeza de clavo". Se requiere más potencia del haz para la misma profundidad de soldadura, el encogimiento lateral después de la soldadura es generalmente mayor, y a causa de la mayor anchura de soldadura en la parte superior en comparación con la parte inferior, no se produce encogimiento uniforme dando lugar a distorsión del componente como se indica. Para componentes de precisión, esto es inaceptable a menudo y también puede conducen a fisuración de la
soldadura.

Igualmente, es importante, en particular para soldadura de secciones finas, lograr una intensidad suficiente en el punto focal. Para sistemas que producen un haz casi paralelo, incluso sin franjas, una intensidad insuficiente conduce a zonas de fusión ahusadas relativamente anchas acompañadas de distorsión excesiva y de nuevo un riesgo de fisuración. Los haces casi paralelos no son necesariamente enfocables, todavía se puede producir difusión de carga espacial en un entorno de vacío incluso a pesar de fuertes efectos de neutralización de iones positivos. Así, para un haz casi paralelo que entra en una lente de enfoque, los intentos de enfocar un haz sobre una larga distancia dan lugar a poca o nula reducción del diámetro del haz. De hecho, el perfil del haz y las características de intensidad pueden estar totalmente dominados frecuentemente, a potencias media y alta, por las interacciones iones-electrones.

Por lo tanto, es muy importante lanzar el haz del cañón electrónico con una divergencia bien definida (dentro de una banda especificada), alto brillo, baja aberración y sin franjas.

Un medio posible de lograr un mayor ángulo de convergencia para combatir la difusión de carga espacial en el rango medio a alto de corriente del haz con un cañón tríodo es emplear electrodos que producen un campo de enfoque más intenso. Sin embargo, esto conduce a excesiva convergencia a baja corriente cuando el campo de rejilla es un elemento de enfoque potente adicional. Las grandes oscilaciones del ángulo de convergencia son generalmente indeseables incluso para EBW a alto vacío y presentan mayores dificultades en un sistema que emplea un sistema de transferencia de haz para operación a presión reducida (5 x 10^{-1} a -250 mbar) o no vacío (-1000 mbar) donde se emplean boquillas de agujero fino para limitar el escape de gas a la región del cañón.

Otro método de lograr mayor convergencia, para combatir la difusión de carga espacial a altos niveles de corriente, es diseñar un cañón en el que el cátodo, electrodo de rejilla y ánodo están colocados muy cerca. Esto da lugar a aceleración más rápida de los electrones en una distancia axial más corta reduciendo la posibilidad de repulsión mutua de electrones. Por desgracia, tal disposición aumenta los esfuerzos de la superficie eléctrica en los electrodos y puede conducir a mayor tendencia a la rotura a alto voltaje.

La evitación de franjas de haz y el enfoque óptimo de haces de electrones es sumamente importante cuando el haz se debe transmitir a través de orificios estrechos para extraer los electrones desde la región de alto vacío (5,10^{-5}-5,10^{-6} mbar) de un alojamiento de cañón a cámaras de trabajo que operan en el rango de presión aproximado de 5,10^{-2} a 1000 mbar. Aquí, la tasa de escape de gas de la cámara de trabajo al alojamiento del cañón viene determinado primariamente por el diámetro y la longitud de los orificios aparte del número de orificios y la capacidad de bombeo de las bombas interetápicas.

Las franjas del haz tienden a contener grandes cantidades de potencia e incluso para operación a baja potencia total (por ejemplo 5 kW), la capacidad de absorber esta potencia extraña en las boquillas de orificio es limitada aunque se aplique enfriamiento sustancial con agua; a diferencia de los dispositivos de microscopio electrónico, donde la potencia del haz es sumamente pequeña, no es práctico quitar la franja indeseada en diafragmas de interceptación. Por razones similares, es importante evitar un brillo bajo, cerca del haz paralelo, a causa del gran diámetro del haz.

La calidad del haz y si un cañón electrónico particular produce o no un haz no aberrado puro con una divergencia bien definida es muy dependiente del diseño del cañón y en particular el diseño del cátodo y la geometría detallada de los electrodos en la proximidad inmediata del cátodo.

La mayor parte de los cañones electrónicos usados para EBW son tríodos. El uso del electrodo de rejilla garantiza que, a baja corriente del haz, la emisión del cátodo se limite a una porción central del cátodo, pero la presencia del intenso campo eléctrico creado por la rejilla conduce a considerable aberración del haz.

Las trayectorias de electrones exteriores tienen una longitud focal más corta en el campo de rejilla intenso porque están más próximas al borde del agujero de copa de rejilla que los electrones más centrales. Además, cuando se reduce el voltaje de rejilla para aumentar la corriente del haz, la zona de emisión se expande e incluso puede permitir que se liberen electrones de los bordes de cátodo donde las características geométricas adversas producen recorridos de vuelo de la trayectoria de los electrones radicalmente diferentes al flujo principal de electrones. Además, el debilitamiento del campo de rejilla combinado con la mayor carga espacial del haz, cuando aumenta la corriente del haz, puede dar lugar a gran difusión del haz y pérdida de enfoque primario. Además, la cintura del enfoque primario y la posición de imagen virtual (evidente en la primera lente de enfoque) pueden subir y bajar distancias considerables por el eje del haz dependiendo del nivel de corriente del
haz.

Las franjas del haz producidas por dicho cañón, la deriva del enfoque primario con la corriente del haz, la falta de ángulo de convergencia del haz a alta corriente y el ángulo de convergencia relativamente alto a baja corriente, pueden afectar adversamente al rendimiento de soldadura incluso para sistemas convencionales que proyectan haces a cámaras de vacío relativamente alto (5 x 10^{-3} mbar). Para haces que hay que transmitir a través de orificios pequeños, las operaciones pueden ser difíciles o incluso imposibles, en particular para operación a alta potencia (superior, por ejemplo, a 30 kW).

Según un primer aspecto de la presente invención, un conjunto emisor de partículas cargadas incluye un elemento emisor para emitir partículas cargadas de una polaridad; un electrodo tubular blindado que rodea circunferencialmente el elemento emisor y mantenido durante el uso a la misma polaridad que las partículas cargadas; y un electrodo tubular de aceleración colocado sustancialmente coaxialmente con el electrodo blindado y mantenido durante el uso a la polaridad opuesta al electrodo blindado, siendo tal el conjunto que las partículas cargadas del elemento emisor se difundan inicialmente lateralmente hacia fuera y después se enfoquen a un haz que pasa a través del electrodo tubular de aceleración.

La invención implica una construcción especial de cañón diodo. Un cañón diodo, en comparación con un tríodo, tiene muchas ventajas claras incluyendo:

(i)

es posible eliminar virtualmente la aberración,

(ii)

el control de la forma y calidad a alta corriente del haz se logra más fácilmente que con un tríodo,

(iii)

se puede lograr suficiente convergencia del haz a alta corriente sin convergencia excesiva a baja corriente,

(iv)

en condiciones de descarga del cañón, cuando se opera en el modo de temperatura limitada, la corriente del haz no crea sobrevoltajes, a diferencia de un cañón tríodo donde la ruptura del alto voltaje entre los electrodos del cañón y tierra precipita cortocircuito del suministro de rejilla e liberación instantánea de toda la potencia del haz,

(v)

el cañón diodo requiere menos suministros auxiliares (dos en el caso de un diodo convencional calentado indirectamente; uno si se usa un diodo calentado indirectamente excitado por RF; uno si se usa un diodo calentado directamente), y

(vi)

para un cañón diodo, el cable eléctrico y las conexiones son más simples, en particular para un diodo excitado por RF donde solamente se requiere una conexión HT y no se precisan conexiones de suministro auxiliares; la potencia RF está acoplada inductivamente desde una antena de alta frecuencia espaciada a distancia o posición del devanado primario dentro del alojamiento de cañón.

Para un cañón diodo, en ausencia de la acción de enfoque del campo de rejilla, especialmente con un cátodo de diámetro pequeño, la alta densidad de carga espacial en el haz, en particular a altos niveles de corriente, puede dar lugar a difusión del haz y falta de un enfoque primario bien definido; en efecto, el haz puede ser colimado insuficientemente incluso para pasar por el agujero del ánodo. Naturalmente, una solución para evitar la excesiva difusión del haz sería emplear un cátodo de gran diámetro pero esto reduciría fundamentalmente el brillo del haz y complicaría el equipo y aumentaría los costos.

En la invención se crea inicialmente un ensanchamiento distinto en el haz de electrones creando así una fuente de haz artificialmente grande que se puede enfocar posteriormente con un ángulo de convergencia relativamente alto por el campo eléctrico principal de cátodo/ánodo en el cañón entre electrodos.

Con respecto al brillo último del haz que se puede lograr en el haz para un voltaje de aceleración dado, éste depende de muchos factores, pero para cañones EBW de alta potencia es muy dependiente del diámetro del cátodo y del diseño del cañón. Fundamentalmente, es muy importante minimizar el diámetro del cátodo, puesto que para un ángulo de convergencia y voltaje operativo dados del haz, en cualquier lugar en el sistema de enfoque después del cañón, el tamaño del punto es proporcional al diámetro del cátodo y proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura operativa del cátodo en grados Kelvin.

La invención permite limitar el diámetro del cátodo o más estrictamente el diámetro de emisión y así mejora el brillo del haz. Además, la limitación del diámetro del cátodo y el área superficial total del cátodo así como la temperatura operativa reduce la potencia de calentamiento auxiliar necesaria, los costos del suministro de potencia auxiliar y también minimiza la temperatura operativa del cañón y los efectos de la distorsión térmica en la geometría del electrodo. La reducción de la entrada de calor del cañón reduce a su vez los requisitos de enfriamiento que presentan invariablemente dificultades para un cañón EBW suspendido en vacío en el extremo de un aislador largo de alto voltaje puesto que el aislador no es sólo un mal conductor de electricidad sino también de calor.

Naturalmente, la zona de emisión del cátodo debe ser adecuada para producir la corriente del haz necesaria para una duración dada del cátodo, puesto que las velocidades de erosión iónica, oxidación y evaporación aumentan con la temperatura del cátodo; pero se puede lograr mucho optimizando los factores en conflicto de densidad de emisión y brillo del haz.

En un ejemplo de la presente invención, el enfoque del haz en la región de cañón en presencia de una carga espacial pesada se consigue por medio de un electrodo blindado de cátodo profundamente rebajado combinado con un ánodo largo de diámetro pequeño, cuyo extremo está situado cerca del extremo del electrodo blindado de cátodo o incluso dentro del mismo. Esto crea una acción de enfoque fuerte que funciona bien a niveles de potencia bajos, medios y altos.

El ensanchamiento del haz o difusión lateral se puede lograr de varias formas. Un método es seleccionar el diámetro del cátodo y la geometría del electrodo de tal manera que la aceleración de electrones sea inicialmente relativamente lenta, permitiendo la difusión de carga espacial para producir fuerte movimiento radial hacia fuera. Esto se consigue poniendo un cátodo relativamente pequeño dentro de una copa de blindaje de cátodo profundamente rebajada. Si el diámetro del cátodo es demasiado pequeño, esto limita la corriente máxima del haz para un voltaje de aceleración dado antes de que se limite la carga espacial del cañón y las acciones de difusión iniciales puedan ser tan grandes que el siguiente campo electrostático convergente en el intervalo entre electrodos producido por la forma general del blindaje de cátodo/geometría del ánodo sea insuficiente para reenfocar el haz a una cintura distinta o cruce. Por otra parte, si el cátodo es demasiado grande, la densidad de emisión en el cátodo es demasiado baja para producir la necesaria expansión inicial del haz y en consecuencia el haz tiene después insuficiente convergencia para evitar la difusión durante el período de aceleración final. Así, la combinación de la forma del electrodo y el tamaño del cátodo es crítica para un rango dado de voltaje de aceleración dado y operación de potencia para lograr el mejor rendimiento.

Un segundo método de lograr la fuente de electrones artificialmente grande sin necesidad de alta densidad de corriente en el cátodo implica producir un campo electrostático adecuado inmediatamente delante del cátodo para hacer que el haz diverja. Esto se puede realizar montando el cátodo encima de un elemento sobresaliente cónico o cilíndrico que sobresale de la base de la copa de blindaje del cátodo.

El cátodo puede tener un área de más de 5 mm^{2}, que permite la operación a niveles de potencia superiores a 100 kW.

Como se ha descrito anteriormente, el ensanchamiento inicial del haz creado por la difusión de carga espacial se mejora por un campo electrostático adecuado. Esto incrementa el tamaño de la fuente aparente después de la difusión inicial del haz, permitiendo producir un haz altamente convergente con un enfoque bien definido sobre un amplio rango de corrientes. Otros medios posibles de promover la expansión inicial del haz son formar la superficie del cátodo como se describe más adelante de manera que al menos el emisor sea esencialmente convexo o cónico.

El primer aspecto de la invención puede ser usado en aparatos de soldar de varios tipos incluyendo cámaras de vacío que operan en el rango de presión de 5x10^{-5} mbar a 5x10^{-2} mbar. Sin embargo, la invención es especialmente adecuada para uso con aparatos de soldar que operan a rangos de presión intermedios, 10^{-1} mbar a varios cientos de mbar, e incluso a altas presiones y no en vacío.

Los sectores industriales típicos que han identificado los beneficios potenciales de tal equipo son los productores de tubos de acero de sección gruesa, los soldadores de tubos en alta mar y en la costa, las compañías de desecho de residuos nucleares, los productores de equipos de generación de energía eléctrica y los fabricantes de componentes aeroespaciales.

Para muchas de estas aplicaciones, el grosor de pared del material a soldar en una sola pasada es superior a 15 mm y puede ser de hasta 150 mm o más. en cualquier caso, la necesidad de soldar rápidamente demanda niveles de potencia del haz de al menos 30 kW y en algunos casos hasta 100 kW o más.

Para todos los cañones diodo, incluyendo los descritos anteriormente, un problema importante en gran parte todavía sin resolver antes de esta invención era el hecho de que los lados o bordes del cátodo emitían electrones no deseados sin recorridos de vuelo controlados. Para evitarlo se han intentado numerosos métodos durante varias décadas de esfuerzo y con la participación de muchos equipos de investigación y desarrollo. Uno de los dispositivos más simples se describió en la Patente de Estados Unidos 3.878.424 (presentada el 17 de julio de 1973) en la que se propuso un diodo plano para superar el efecto de aberración esférica del electrodo de rejilla. En éste, se empaquetaba óxido (por ejemplo bario-estroncio-calcio) en un agujero en una placa metálica refractaria "calentadora" de cátodo que se podía calentar por varios métodos. En otra variante, se recubría óxido sobre la superficie de chapa metálica refractaria. Calentando la placa a una temperatura inferior al punto de emisión de la chapa de cátodo de metal refractario, se producía emisión intensa del óxido de función de trabajo inferior, evitando así efectos de borde. El dispositivo propuesto puede ser adecuado para producir haces de potencia baja para microscopios electrónicos donde el recubrimiento de óxido u obturador en un agujero tiene solamente unas 100 micras de diámetro, pero para cañones EBW de alta potencia que están sometidos continuamente a bombardeo iónico, gases y materia particulada del baño de soldadura, los cátodos de óxido se envenenarían rápidamente destruyendo sus propiedades de emisión. Además, en el caso de la película de óxido, ésta es típicamente de solamente 50 micras de grosor y se erosionaría rápidamente en un sistema EBW. Además, la chapa plana de cátodo se distorsionaría, produciendo cambios adversos e impredecibles en la divergencia del haz y la dirección de proyección del haz. La expansión diferencial entre los dos materiales diferentes también podría producir fisuración y exfoliación del emisor.

En otra tentativa de evitar la emisión de borde extraña, Bull y otros, "An electrostatic electron gun", Metal Construction and B.W.J. Nov. 1970 2 (11), pág. 490, produjeron un cañón diodo calentado indirectamente de electrodo esférico, en el que se pusieron perforaciones alrededor de un electrodo de cátodo de metal refractario para confinar la emisión a una zona central. Este cañón, sin embargo, también experimentaba distorsión térmica de la región central del cátodo y la perforación dejaba pasar electrones desde el bombardeo trasero primario al haz principal produciendo efectos adicionales de distorsión del haz principal. Se logró una cierta reducción del flujo de electrones primarios por introducción de barreras de electrones adicionales en la parte trasera del blindaje del cátodo pero la distorsión del cátodo seguía siendo un problema.

Hemos considerado otros muchos métodos de controlar la emisión de borde.

El escape de electrones primarios al haz se puede evitar montando el cátodo en un elemento cónico continuo como se describirá con más detalle a continuación.

También se han montado cátodos de forma similar a partir de dos materiales que exhiben diferentes funciones de trabajo, donde el emisor se hace de un material de función baja tal como hexaboruro de lantano, que no se envenena fácilmente durante EBW, y una estructura de soporte exterior hecha de un metal refractario tal como tántalo. Tal disposición también se describe en EP-A-0627121. Se han desarrollado por separado dispositivos similares y se describen en GB-A-1549127 pero este cañón particular era claramente diferente de la presente invención en muchos aspectos.

En estos desarrollos de la técnica anterior, para soportar el botón de hexaboruro de lantano, había que colocarlo detrás de un labio en el soporte de metal refractario. El labio seguía perturbando fuertemente el campo eléctrico y daba lugar a aberración esférica apreciable en la que los electrones exteriores, como en el caso de cañones tríodo, se enfocaban a una longitud focal más corta que los situados cerca del eje. El grosor del labio se puede reducir mediante maquinado esmerado o colocando una arandela metálica refractaria fina delante del cátodo, pero en ambos casos la distorsión térmica hacía que el labio se distorsionase hacia fuera dando origen de nuevo a la emisión de electrones extraños desde detrás del labio o arandela.

Otra técnica que ha sido parcialmente exitosa es el recubrimiento del anillo exterior del material de función de trabajo baja expuesto con un material de función de trabajo alta. Por ejemplo, el cátodo hecho, por ejemplo, de hexaboruro de lantano, se recubrió con tungsteno alrededor de su periferia y en una forma anular en la cara frontal. Aunque inicialmente prometedora, esta técnica experimentaba pérdida del recubrimiento por daño iónico, oxidación y evaporación en servicio. También era difícil no dañar el recubrimiento fino durante el montaje. Además, el labio del soporte, aunque imparte un reducido efecto de enfoque, todavía producía, no obstante, una aberración inaceptable.

Otra técnica que se puede aplicar es soldar con suelda fuerte el botón de material de función de trabajo inferior al soporte usando un compuesto tal como disiliciuro de molibdeno. Era problemático lograr una suelda fuerte no porosa de alta calidad sin contaminar el material LaB_{6} y en los mejores casos el material de suelda fuerte tenía que fisurarse en el servicio debido al repetido ciclo térmico.

Preferiblemente, el elemento emisor se monta en un agujero de un elemento de soporte al que se conecta eléctricamente, teniendo el elemento emisor una función de trabajo más baja que el elemento de soporte por lo que a una temperatura de trabajo, el elemento emisor emite partículas cargadas de una superficie expuesta y donde la superficie expuesta del elemento emisor se retira o está preferiblemente sustancialmente a nivel con una superficie que mira hacia fuera del elemento de soporte que rodea el agujero.

En la forma preferida de la invención, el material de cátodo de función de trabajo baja se maquina a una forma de "sombrero" que encaja apretadamente en un agujero central. Convenientemente, el elemento emisor es un ajuste apretado en el agujero del elemento de soporte.

Parte del elemento de soporte y parte de la porción central del electrodo blindado pueden estar ahusadas correspondientemente.

Alternativa o adicionalmente, el elemento emisor se puede fijar al elemento de soporte por una grapa que engancha cada elemento.

En dispositivos especialmente preferidos, la superficie expuesta del elemento emisor y la superficie que mira hacia fuera del elemento de soporte definen un plano común.

Ahora se describirá algunos ejemplos de los conjuntos de generación del haz de electrones y aparato de soldar que incorporan tales conjuntos y contrastarán con conjuntos conocidos con referencia a los dibujos anexos, en los que:

La figura 1 es una vista en sección parcial de un cañón tríodo conocido que ilustra trayectorias de electrones y líneas equipotenciales.

Las figuras 2a-2d ilustran el efecto de cambiar el voltaje de polarización de rejilla en el perfil del haz y la corriente del haz para el cañón tríodo representado en la figura 1.

La figura 3 es una vista esquemática en sección longitudinal de un primer ejemplo de un cañón de haz de electrones según la presente invención.

La figura 4 es una vista esquemática en sección longitudinal de un segundo ejemplo de un cañón de haz de electrones según la invención.

La figura 5 es una vista en sección transversal de parte del conjunto de cátodo del cañón representado en la figura 4.

Las figuras 6 a 14 son vistas en sección transversal de un conjunto de diferentes dispositivos de montaje para el conjunto de cátodo.

La figura 15 es una vista en sección longitudinal de un tercer ejemplo de un cañón de haz de electrones según la invención.

La figura 16 ilustra trayectorias de electrones para una corriente de haz de 3 mA para el cañón de haz de electrones representado en la figura 15.

Las figuras 17 a 19 son vistas similares a la figura 16 pero para corrientes de haz de 166, 225 y 358 mA, respectivamente.

La figura 20 es una vista esquemática, en parte en sección, de un aparato de soldar que incorpora un ejemplo de un cañón de haz de electrones según la invención.

La figura 21 ilustra un ejemplo de una nueva disposición de cámaras rarificadas.

La figura 22 ilustra el cañón de haz de electrones de la figura 20 asociado con la disposición de cámaras rarificadas representada en la figura 21.

La figura 23 es una vista similar a la figura 20 pero mostrando una disposición de cámaras diferente.

La figura 24 es una vista similar a la figura 5 pero ilustrando un conjunto alternativo para generar electrones primarios.

La figura 25 es una vista en perspectiva cortada del conjunto representado en la figura 24,

Y la figura 26 es un diagrama de circuitos que ilustra un circuito para uso con el conjunto representado en las figuras 24 y 25.

Para entender la invención, un ejemplo de un cañón tríodo de haz de electrones conocido se ilustra parcialmente en la figura 1 con condiciones del haz de 150 kV x 15,3 mA, voltaje de polarización de rejilla -2 kV. El cañón incluye un filamento emisor de electrones 1 rodeado por una copa de rejilla 2 y alineado con un ánodo espaciado 3. En la figura 1 se muestran líneas equipotenciales 100 así como algunas trayectorias de electrones 101. Como se puede ver, las trayectorias de electrones exteriores tienen una longitud focal más corta en el campo de rejilla intenso porque están más próximas al borde del agujero de copa de rejilla que los electrones más centrales. Además, el campo de rejilla de debilitamiento combinado con una carga espacial incrementada en el haz, cuando se incrementa la corriente del haz, puede dar lugar a gran difusión del haz y pérdida de enfoque primario. Además, la cintura de enfoque primario 4 tiene una posición de imagen virtual que puede subir y bajar distancias considerables por el eje del haz dependiendo del nivel de corriente del haz como se puede ver en las figuras 2a-2d (con corrientes del haz "i" representadas).

La invención se refiere a un cañón diodo en el que no está presente ningún campo de rejilla para realizar una acción de enfoque. En consecuencia, especialmente con un cátodo de diámetro pequeño, la alta densidad de carga espacial en el haz, en particular a altos niveles de corriente, puede dar lugar a difusión del haz y falta de un enfoque primario bien definido. En una realización, representada en la figura 3, se ha dispuesto un cátodo 5 en un electrodo blindado de cátodo profundamente rebajado 6, estando alineado el cátodo 5 con un ánodo cilíndrico 7 que tiene una longitud relativamente larga. El extremo del ánodo 7 que mira al cátodo 5 está colocado cerca de un plano definido por el extremo del blindaje de cátodo 6 o se puede disponer dentro del volumen de blindaje de cátodo 6. Esto crea una acción de enfoque fuerte que funciona bien a niveles de potencia bajos, medios y altos. La forma del haz se ilustra en 8 y se verá que inicialmente los electrones se difunden lateralmente para formar un ensanchamiento 9 y después se enfocan hacia una cintura 10 dentro del ánodo 7. El efecto del ensanchamiento 9 es producir una fuente de haz artificialmente grande que se puede enfocar posteriormente a un ángulo de convergencia relativamente alto por el campo principal de cátodo/electrodo en el intervalo entre electrodos. En este caso, el cátodo 5 es calentado por un filamento 11 de manera convencional para producir la emisión de electrones.

El efecto de colocar el cátodo 5 dentro de una copa de blindaje de cátodo profundamente rebajada 6 es que la aceleración de electrones es inicialmente relativamente lenta permitiendo que la difusión de la carga espacial produzca un fuerte movimiento radial hacia fuera.

Un segundo método de lograr la fuente de electrones artificialmente grande sin necesidad de alta densidad de corriente en el cátodo se representa en la figura 4 e implica producir inmediatamente delante del cátodo un campo electrostático que produce divergencia del haz de electrones. En este caso, el cátodo 5 está montado encima de un soporte cónico 21 que forma parte de la base del blindaje de cátodo 6 y sobresale al volumen del blindaje 6.

Como se ha mencionado anteriormente, un problema de los cañones diodo conocidos es la emisión de electrones no deseados de los lados o bordes del cátodo. La figura 5 ilustra una disposición que minimiza o evita este problema. El cátodo 5 está montado en un cono de cátodo 21 dentro de un agujero 20 de un saliente cónico 20A de la base del blindaje de cátodo 6. Debajo del cátodo está colocado un filamento 22 soportado por un soporte de filamento 23. El filamento 22 está expuesto al cátodo 5 a través de un agujero 24 de un protector en forma de cono 25.

Esto confina los electrones primarios entre el filamento primario 22 y el cono de cátodo 21. En este ejemplo particular, la emisión de borde del cátodo de metal refractario sólido 5 se minimizó rodeando el cátodo con un cono montado sobre el blindaje de cátodo principal. La distancia de separación radial del cono al cátodo era preferiblemente del rango de 0,05 mm a 0,1 mm medida a temperatura ambiente para un botón de cátodo de 4,5 mm de diámetro. Esto redujo la emisión de borde pero no la eliminó. Poniendo el cátodo 0,3 mm detrás del cono 21, se lograron mejoras adicionales del haz, pero todavía se produjo cierta emisión de borde y aberración esférica, producidas por la discontinuidad geométrica entre el cátodo y electrodo blindado de cátodo cerca del cátodo. No obstante, este diseño de cañón produjo con éxito haces de hasta 100 kW a 150 kV de potencia y soldaduras de alta calidad cuando se proyectó a un entorno de vacío relativamente alto (5 x 10^{-3} mbar).

Una disposición alternativa del conjunto para el cátodo 5 se representa en la figura 6. En este caso, el cátodo 5 se mantiene contra un labio que mira radialmente hacia dentro 30 de un soporte de cátodo 31 que tiene una sección de espiga 32 retenida, por ejemplo, por soldadura, en la porción cilíndrica del cono de cátodo 21. El cátodo 5 se mantiene en posición por medio de un anillo de retención 33 situado y retenido en un rebaje 34 de la porción de espiga 32 y que actúa contra un separador anular 35. Para un diámetro de emisión de aproximadamente 4 mm, el grosor del labio 30 es típicamente 0,1- 0,3 mm. La discontinuidad efectiva se puede reducir colocando una arandela metálica refractaria fina 36 delante del cátodo 5, pero en ambos casos la distorsión térmica puede hacer que la arandela o labio se distorsionen hacia fuera dando lugar de nuevo a cierta emisión extraña de electrones desde detrás de la arandela o labio.

El acercamiento preferido se representa en la figura 7. Como se puede ver, el material de cátodo de función de trabajo baja se maquina a forma de "sombrero" que encaja ajustadamente en un agujero central del soporte de cátodo 31 definido por el labio 30.

El maquinado de hexaboruro de lantano y otros materiales se puede llevar a cabo con técnicas láser o por erosión por chispa. Esta forma de cátodo en la que el botón de emisor 5 se mantiene en posición por una grapa en "C" de metal refractario 33 montada en la ranura 34, produce muy pocas emisiones extrañas como demostraron un detallado análisis por ordenador usando software de elementos finitos y también amplias pruebas prácticas a niveles de potencia del haz de hasta 100 kW y voltajes operativos de hasta 200 kV. La cara de botón de cátodo se pone idealmente a nivel con el borde del soporte de metal o retirada un máximo de 0,040 mm.

Las arandelas 35, 36, 37 se hacen de tántalo y se observará que la arandela de empaquetado 35 sobresale justo por encima del borde de la ranura 34, típicamente aproximadamente 0,03 mm, para que el anillo de retención de alambre de tungsteno 33 pueda mantener una fuerza de compresión.

El cátodo 5 y el soporte 31 se pueden configurar de varias formas para lograr un ajuste apretado para minimizar la emisión de borde pero evitando discontinuidades superficiales o escalones como se representa en las figuras 8 a 10. Así, en la figura 8, el borde del labio 30 y la superficie correspondiente del cátodo 5 se ahusan de forma similar. En la figura 9, el cátodo 5 tiene una porción delantera ahusada simplemente sin indentación como en los ejemplos anteriores. En la figura 10, el cátodo 5 tiene una forma frustocónica que corresponde a una forma similar para la superficie interior del soporte 31.

También se ha demostrado que es posible montar inicialmente el cátodo 5 sobresaliendo ligeramente, permitiendo después un rectificado superficial esmerado de manera que no haya discontinuidad o escalón entre el emisor y borde de soporte circundante.

Preferiblemente, el área de contacto entre el borde del botón de cátodo 5 y el soporte de metal refractario 31 se deberá minimizar como se representa, por ejemplo en las figuras 7 y 9 para reducir las pérdidas de calor.

Naturalmente, también es posible perfilar el cátodo y la cara frontal de soporte combinados para lograr una forma convexa, cónica, cóncava o reentrante cónica para lograr mejores efectos de conformación del haz, como se representa en las figuras 11 a 14, respectivamente.

El uso de botones de cátodo y el método de montaje para evitar la emisión de borde cuando se utilizan en unión con el cañón diodo, en el que se induce un ensanchamiento inicial del haz para lograr el fuerte enfoque siguiente del electrodo, ha demostrado ser altamente exitoso para operación a alto vacío, presión reducida y sin vacío. En estos dos últimos casos, la interceptación y el calentamiento de la boquilla se han reducido a niveles despreciables en una amplia gama de niveles operativos de potencia y voltaje. Además, incluso cuando la corriente del haz se regula de potencia cero a plena potencia, el cambio relativamente pequeño de la posición de enfoque primario es tal que se necesita poco o nulo ajuste en la corriente de la primera lente de enfoque que se emplea para enfocar el haz mediante los conjuntos de boquilla. Esto hace que la operación del equipo sea muy simple en comparación con los cañones diodo anteriores y especialmente los cañones tríodo donde los efectos de aberración esférica y el severo movimiento del cruce primario son características inherentes.

Una forma preferida de los electrodos se representa en la figura 15. Ésta consta de un ánodo de estrechamiento largo 40 (que tiene una longitud en el rango de 70-90 mm) con constricciones multiagujero y un blindaje de cátodo profundamente rebajado 41 (que tiene una profundidad en el rango de 30-40 mm). Un emisor de cátodo 42 está montado en un soporte cónico hueco 43 y asienta en una cavidad 44 en el blindaje de cátodo. Como se representa con más detalle en la figura 15, un filamento 45 está situado detrás del cátodo 42. Esta forma particular de electrodo produce el haz de electrones representado en el análisis por ordenador de elementos finitos representado en las figuras 16 a 19 para niveles de corriente del de 3 mA, 166 mA, 225 mA y 358 mA, respectivamente, para un voltaje de aceleración de 175 kV. A baja corriente (3 mA), la figura 16, en la ausencia de carga espacial apreciable, se crea un ensanchamiento pequeño pero distinto 46 en el haz 102 por el efecto de lente divergente creado por el cátodo sobresaliente 42 montado en el rebaje 44 en el centro del blindaje de cátodo 41. El cruce primario 47 está muy bien definido, y las trayectorias de electrones se enfocan casi a un punto del que emergen casi radialmente. Cuando se incrementa la corriente del haz (166 mA, figura 17; 225 mA, figura 18; 358 mA, figura 19), el ensanchamiento en el haz aumenta progresivamente proporcionando una fuente aparentemente cada vez más grande desde la que se puede reenfocar el haz. Se mantiene una cierta difusión y movimiento axial del haz, pero incluso a 358 mA se mantiene una cintura distinta 47 (figura 19) en el haz proporcionando un haz divergente siguiente más allá del ánodo que se puede reenfocar fácilmente a un haz de diámetro muy pequeño para el paso mediante boquillas de agujero fino.

Un ejemplo de equipo de soldar que incorpora el aparato mostrado en la figura 15 se ilustra en la figura 20. El cañón de haz de electrones de la figura 15 está situado en un alojamiento rarificado 100. Un suministro CC 102 está acoplado al blindaje de cátodo 41 y el cátodo 42 mientras que un suministro RF 101 está acoplado mediante un inductor 103 a través del filamento 45. El filamento 45 se calienta y emite electrones que son acelerados hacia el cátodo 42 que genera un haz de electrones 104 que sale de la cámara al vacío 100 después de haber pasado por el ánodo 40, a una cámara 105 mantenida a una presión más alta que el interior de la cámara 100. El haz de electrones 104 se confina dentro de un tubo de guía 106 que se extiende a través de la cámara 105, estando rodeado el tubo de guía 106 por una bobina de enfoque 107 y un conjunto doble de bobinas de alineación 108. La presión dentro de la cámara 105 se controla por una bomba (no representada) acoplada con la cámara mediante un tubo 109. La cámara 105 se extiende a través de un agujero 110 en una pared de una cámara de soldadura 111. El extremo de la cámara 105 alejado del ánodo 40 se forma como una boquilla 112 mediante la que el haz de electrones 104 es enfocado de manera que entre en otra cámara 113 mantenida a una presión más alta que la presión dentro de la cámara 105 y rarificada mediante un tubo 116 conectado a otra bomba (no representada). La cámara 113 incluye una boquilla 113A, alineada con la boquilla 112, que comunica con otra cámara 130 que incluye otra bobina de enfoque 114 y bobinas de deflexión del haz 115. La cámara 130 está venteada a la cámara 111 a través de un agujero 131. Se monta un par de piezas a soldar, tal como tubos de acero 117, 118, en un soporte 119 dentro de la cámara 111 y con una línea de unión 120 alineada con el haz 104 que es enfocado sobre la línea de unión. En este caso, el soporte 119 girará alrededor de su eje para que la línea de unión 120 pueda atravesar el haz de electrones 104. En otras disposiciones (no representadas), el soporte 119 se puede mantener estacionario y girar la cámara y el cañón.

Uno de los inconvenientes del conjunto representado en la figura 20 es que hay que hacer conexiones separadas desde cada bomba a las cámaras respectivas 105, 113 con la necesidad de que los respectivos tubos 109, 116 se extiendan a través de la pared de la cámara 111.

En la figura 21, se representa un nuevo tipo de disposición de cámara en parte en forma cortada. Se ha dispuesto un tubo cilíndrico 50 a lo largo del que se colocan cuatro paredes 51-54 que definen cámaras respectivas 55-57. Cada pared 51-54 incluye una boquilla colocada en el centro 51A-54A (no siendo visible la boquilla 52A en la figura 21). Las boquillas están alineadas de manera que un haz de electrones pueda pasar a su través. Un conjunto de tres separadores alargados 150 está montado en el exterior del tubo 50, y cuando el conjunto representado en la figura 21 está situado dentro de un tubo cilíndrico externo enganchando los separadores 150, se definen respectivos pasos de aire entre cada par de separadores 150 y el tubo externo.

Cada cámara 55-57 comunica con un paso de aire respectivo mediante una sección cortada 55A-57A del tubo 50. Cada uno de los pasos de aire comunica con respectivas bombas de evacuación mediante conductos 59.

Con esta disposición, es posible situar los conductos 59 en un extremo del conjunto, conectándose cada bomba con un conducto respectivo 59 y la cámara correspondiente 55-57.

La figura 22 ilustra el aparato de soldar de la figura 20 pero cuando se utiliza con una disposición de cámara del tipo representado en la figura 21. El generador de haz de electrones se representa esquemáticamente en 100' y puede tener una construcción parecida al generador 100 representado en la figura 20. Como antes, se confina un haz de electrones dentro de un tubo de guía 106 alrededor del que se colocan una bobina de enfoque 107 y bobinas de alineación 108, todas dentro de la cámara 55. Otra bobina de enfoque 114 y bobinas de alineación 115 se han previsto en la cámara 57. El manguito externo 60 dentro del que se monta el dispositivo de cámara, se representa en líneas de trazos en la figura 22.

La figura 23 ilustra otro ejemplo de aparato de soldar con un segundo ejemplo de disposición de cámara. Los componentes de la figura 23 que corresponden a componentes similares en la figura 20 reciben los mismos números de referencia. En este caso, el conjunto de cámara incluye un manguito externo 140 que se extiende a través del agujero 110 en una cámara 111. Un extremo delantero del manguito 140 define la cámara 130' dentro de la que están situadas la bobina de enfoque 114 y las bobinas de alineación 115. Una pared 141 se extiende a través de toda la sección transversal del manguito 140 y define una boquilla central 142 por la que pasa el haz de electrones
104.

Un manguito cilíndrico interior 143 se soporta dentro de la sección trasera del manguito 140 para definir la cámara 105'. El espacio 144 entre los manguitos interior y exterior 143, 140 define la cámara 113' que es rarificada por una bomba (no representada) mediante un paso 145. La cámara 105' comunica con la bomba (no representada) mediante un paso 146 que se extiende a través del manguito 140.

Se notará en particular que ambos pasos 145, 146 están situados fuera de la cámara 111 haciendo así mucho más fácil conectar con bombas y evitar así la complejidad de proporcionar más pasos a través de la pared de la cámara 111.

En todos los ejemplos descritos hasta ahora, se ha usado un filamento (por ejemplo el filamento 45 en la figura 23) para generar electrones primarios que bombardean el cátodo que a su vez genera electrones secundarios que forman el haz de electrones. Esto es satisfactorio en muchas aplicaciones, pero para algunas aplicaciones, tal como soldadura con haz de electrones donde el haz de electrones se debe mantener durante un período de tiempo considerable, la duración del filamento es excesivamente corta. Por lo tanto, en un acercamiento preferido, el filamento se sustituye por un emisor primario calentado inductivamente. Esto se ilustra en las figuras 24-26. Como antes, un cátodo primario 5 está montado en un soporte cónico 21 (como en el ejemplo de la figura 5). Detrás del cátodo 5 está separado un disco emisor primario 200 que se puede hacer de cerámica conductora de calor adecuada tal como hexaboruro de lantano o metal refractario tal como tungsteno o tántalo. Este disco 200 se soporta en un pasador 201 que a su vez se mantiene en posición por un soporte de pasador 202 atornillado a 206 a una base hendida de bucle de acoplamiento 208 con el tornillo 217. Dentro del tornillo 217 se ha dispuesto un tornillo de presión (no representado) que bloquea el pasador 201 al elemento de cobre
202.

El emisor primario 200 se puede montar en el pasador 201 de cualquier manera conveniente, pero dado que el soporte cónico 21 puede enfocar electrones emitidos a la inversa del cátodo 5 al emisor 200, es preferible fijar el emisor 200 con un remache central que recibirá el haz enfocado y así no dañará el emisor primario.

Para calentar el emisor primario 200, se ha dispuesto un bucle de acoplamiento inductivo 203 que rodea el emisor primario y está conectado a un circuito eléctrico como se representa en la figura 26. El bucle de acoplamiento inductivo 203 se soporta por un aislante de cerámica 204.

El bucle de acoplamiento inductivo 203 está conectado a la base hendida de bucle de acoplamiento 208. Convenientemente, el bucle de acoplamiento inductivo 203 y la base hendida de bucle de acoplamiento 208 se maquinan de un bloque de metal único, por ejemplo cobre.

Como se representa en la figura 26, el circuito para alimentar el conjunto representado en las figuras 24 y 25 es generalmente como el descrito en EP-A-0627121 e incluye un circuito de adaptación 210 conectado a un amplificador RF (no representado) e incluyendo un inductor 211 y condensador ajustable 212 conectados a un devanado primario (antena) 213. La antena 213 induce un voltaje en un devanado secundario 214 acoplado a un condensador resonante 215 y, mediante la base hendida de bucle de acoplamiento 208, al bucle de acoplamiento inductivo 203. El devanado secundario 214 también está conectado al emisor primario 200 y al cátodo principal 5. El voltaje generado a través del inductor 214 y el condensador 215 se utiliza para acelerar electrones desde el emisor primario 200 al cátodo 5 cuando el cátodo es positivo con respecto al emisor primario.

La figura 25 ilustra varios agujeros roscados 216 que son tienen la finalidad de alojar componentes de los circuitos representados en la figura 26 tal como el devanado secundario 214 y el condensador resonante 215.

Se ha hallado que la utilización de un emisor primario calentado inductivamente da lugar a un tiempo de duración considerablemente incrementado (en comparación con un filamento convencional) haciendo que esta disposición sea especialmente adecuada para soldadura con haz de electrones.

Claims (24)

1. Un conjunto emisor de partículas cargadas incluyendo un elemento emisor (5) para emitir partículas cargadas de una polaridad; un electrodo tubular blindado (6) que rodea circunferencialmente el elemento emisor y mantenido durante el uso a la misma polaridad que las partículas cargadas; y un electrodo tubular de aceleración (7) colocado sustancialmente coaxialmente con el electrodo blindado (6) y mantenido durante el uso a la polaridad opuesta al electrodo blindado, siendo tal el conjunto que las partículas cargadas del elemento emisor (5) se difunden inicialmente lateralmente hacia fuera (9) y después se enfocan a un haz (8) que pasa a través del electrodo tubular de aceleración (7).

2. Un conjunto según la reivindicación 1, donde los electrodos (6, 7) están dispuestos para generar un campo electrostático que produce inicialmente divergencia del haz de partículas cargadas en una dirección desde el elemento emisor hacia el electrodo tubular.

3. Un conjunto según la reivindicación 2, donde el elemento emisor (5) está montado en una porción central (20A) del electrodo blindado (6), que sobresale de una base del blindaje.

4. Un conjunto según la reivindicación 3, donde la porción central sobresaliente (20A) se ahusa hacia fuera hacia la base del electrodo blindado.

5. Un conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, incluyendo además medios (22) para hacer que el elemento emisor (5) emita las partículas cargadas.

6. Un conjunto según la reivindicación 5, donde los medios (22) para hacer que el elemento emisor (5) emita partículas cargadas incluye una fuente de segundas partículas cargadas dispuesta para bombardear el emisor.

7. Un conjunto según la reivindicación 6, donde las partículas cargadas emitidas por la fuente (22) incluyen electrones.

8. Un conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las partículas cargadas emitidas por el elemento emisor (5) incluyen electrones.

9. Un conjunto según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, donde la fuente (22) de segundas partículas cargadas incluye un emisor auxiliar calentado inductivamente.

10. Un conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el electrodo blindado (6) tiene un lado sustancialmente cilíndrico.

11. Un conjunto según las reivindicaciones anteriores, donde el electrodo tubular de aceleración (7) termina junto a un plano definido por el borde del electrodo blindado (6).

12. Un conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el elemento emisor (5) está montado en un agujero de un elemento de soporte (21) al que está conectado eléctricamente, teniendo el elemento emisor una función de trabajo inferior que el elemento de soporte por lo que a una temperatura de trabajo, el elemento emisor emite partículas cargadas desde una superficie expuesta.

13. Un conjunto según la reivindicación 12, donde la superficie expuesta del elemento emisor (5) está a nivel con o retirada de una superficie que mira hacia fuera del elemento de soporte (21) que rodea el agujero.

14. Un conjunto según la reivindicación 13, donde el elemento emisor (5) es un ajuste apretado en el agujero del elemento de soporte (21).

15. Un conjunto según la reivindicación 13 o la reivindicación 14, en cuanto dependientes de la reivindicación 4, donde parte del elemento de soporte (21) y parte (20A) de la porción central (20A) del electrodo blindado están ahusadas correspondientemente.

16. Un conjunto según la reivindicación 15, donde dichas partes ahusadas se ahusan hacia dentro hacia la superficie expuesta del elemento emisor (5).

17. Un conjunto según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, donde el elemento emisor (5) está fijado al elemento de soporte (21) por una grapa (33) que engancha cada elemento.

18. Un conjunto según la reivindicación 17, donde la grapa (33) se recibe en una ranura (34) en el elemento de soporte.

19. Un conjunto según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 18, donde la superficie expuesta del elemento emisor (5) y la superficie que mira hacia fuera del elemento de soporte (21) definen un plano común.

20. Un conjunto según la reivindicación 19, donde la superficie expuesta del elemento emisor (5) y la superficie que mira hacia fuera del elemento de soporte (21) definen una de una forma convexa, cónica, cóncava o reentrante.

21. Un conjunto según al menos la reivindicación 12, donde el elemento de soporte (21) incluye una sección en forma de cono.

22. Un emisor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el elemento emisor (5) incluye hexaboruro de lantano.

23. Un emisor según al menos la reivindicación 12, donde el elemento de soporte (21) incluye tántalo.

24. Aparato de soldar incluyendo un conjunto emisor de partículas cargadas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores; un soporte de pieza para soportar una pieza expuesta al haz de partículas cargadas; y medios para producir el movimiento relativo entre el haz de partículas cargadas y el soporte de pieza.