JP4448104B2 - 電子銃の電子ビームパワー調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求項１の前置き部分による装置に関する。

電子銃は、好ましくは真空中で（ｉｎ ｖａｃｕｏ）、あらゆる種類の溶解、溶接、加工、および蒸着に主として用いられる。この場合、しばしば電子ビームのパワーをさまざまな条件に合わせる必要がある。

よく使われる電子銃は、フィラメントと、ブロックカソードと、アノードとを備えた３電極の電子銃である。一般に、１次カソードとも呼ばれるフィラメントは、タングステン製ワイヤスパイラルで構成されており、ここを電流が流れる。真空中では、熱放射によって、十分な量の電子がワイヤスパイラルの表面から放出される。フィラメントの手前に、２次カソードとも呼ばれるブロックカソードが配置される。ブロックカソードの目的は、強力な電子ビームを放出することである。

これを実現するために、ブロックカソードはフィラメントの場合よりはるかに多くの電子を放出する必要がある。この高い放出効率をブロックカソードで実現するために、フィラメントとブロックカソードとの間に電圧、いわゆるブロック電圧、を印加する。ブロック電圧の大きさは、最大３ｋＶ台である。

このブロック電圧によってフィラメントとブロックカソードとの間に電子ビームが発生し、ブロックカソードが激しく加熱される。これは、光学的に明るい発光効果として現れる。このようにブロックカソードから放電された電子は、ブロックカソードとアノードとの間に印加された電界から運動エネルギーを吸収することができる。一般に、この電界は４０ｋＶ台の電圧によって発生する。ここで、ブロックカソードは、所望のビームパワーを出力するために必要なできるだけ多くの電子を放出する必要がある。

電子の放出を一定に維持する必要がある場合は、ブロックカソードすなわち２次カソードの温度も一定に維持する必要がある。電子ビームを用いた溶接装置、溶解装置、蒸着装置において電子銃の２次カソードの放出温度を電子衝撃による加熱によって一定に維持する方法はすでに知られている（特許文献１）。この関係においては、１次カソードと２次カソードとの間の加速電圧が一定で、１次カソードのエミッション電流は１次カソードの加熱電流を介して調整される。つまり、［加熱電流］から誘導された、制御された調整変数によって調整される。１次カソードの加熱電流は、それから誘導された、制御された調整変数によって制限される。ここでは、ブロックカソードすなわち、主カソードとも呼ばれる２次カソードのエミッション電流は捕捉も調整もされない。

電子ビーム発生器の動作パラメータを調整するための公知の回路においては、個々に独立した３つの調整器をカスケード接続した調整手段がフィラメントカソードのために設けられている（特許文献２）。これらの個々に独立した調整器は、加熱電流調整器、エミッション電流調整器、およびビーム電流調整器である。

旧東ドイツ特許第７０６７４号 ドイツ国特許第２３２５８０８号 ドイツ国特許出願公開第４０３１２８６号 ドイツ国特許出願公開第１０２４２５３８号 ドイツ国特許出願公開第１９３５７１０号

高出力の電子・ビーム銃の運転は、比較的長期間にわたって一定の電圧で、かつ一定のエミッション電流で行われることが多い。ブロックカソードの熱慣性が高いために、ブロックカソードの温度変化によってパワーを急速に変化させることができない。電子ビームのパワーの急速な変化は、ウェーネルト［変調用］円筒の負バイアス電圧によって実現することも可能である。ただし、ブロックカソードの放出領域が極めて広いので、パワー制御を実現するには、ウェーネルト電圧を極めて高くする必要がある（Ｗ・ディートリッヒ、Ｈ・ランケ、およびＨ・シュトゥンプ共著『Ｓｔｒａｈｌｆｕｈｒｕｎｇ ｕｎｄ Ｌｅｉｓｔｕｎｇｓｔｅｕｅｒｕｎｇ ｖｏｎ Ｅｌｅｋｔｒｏｎｅｎｓｔｒａｈｌｋａｎｏｎｅｎ ｂｉｓ ６００ ｋＷ ｕｎｄ ｄｅｒｅｎ Ｅｉｎｓａｔｚ ｉｎ ｄｅｒ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｌｌｅｎ Ｐｒｏｄｕｋｔｉｏｎ， Ｏｐｔｉｋ』２００１年第７巻、ｐ．１１）。

カソードの動作領域が空間電荷領域の場合は、加速電圧を変化させることによってパワーの急速変化を実現することもできる。この方法の欠点は、加速電圧の変化によって電子ビーム位置が影響されないように、電子ビームの集束を変化後の加速電圧に同時に合わせる必要があることである（Ｗ・ディートリッヒら、前掲個所）。

さらに、フィラメントの加熱電流および／またはエミッション電流を調整できる調整器を備えた、電子銃用の装置が知られている（特許文献３）。この調整器は、フィラメント加熱電流調整器とエミッション電流調整器とを備え、フィラメント加熱電流の公称値とフィラメント加熱電流の瞬時値との差をフィラメント加熱電流調整器に供給し、エミッション電流の公称値とエミッション電流の瞬時値との差をエミッション電流調整器に供給する。この装置の利点は、フィラメント加熱系の調整を、状況に応じて、加熱電流またはエミッション電流によって行えることである。

また、公称電力の調整が０〜２００ｋＷで行える、電子源の電子ビームパワーの調整方法が知られている（特許文献４）。この電子源は、間接的に加熱されるカソードと、アノードと、集束電極とを備える。少なくとも２つの独立した補正素子が設けられており、それぞれの補正素子は制御パラメータとして、カソード温度パラメータ、カソード電圧パラメータ、集束電極電圧パラメータ、およびカソード・アノード間距離パラメータのうちの１つを変化させる。

最後に、副カソードから放出された電子束によって主カソードが加熱される電子銃を備えた電熱装置の動作状態を自動調整するための装置が知られている（特許文献５）。電子銃の主カソードには第１の構造ユニットから供給され、副カソードには第２の構造ユニットから供給される。また、主カソードの加熱を補正するための回路部が設けられており、この回路部は前記構造ユニットの少なくとも１つに接続されている。この公知の装置によって、電子ビーム装置の動作状態の安定性を向上させることができる。ただし、これには、ビームパワーの急速な変化は伴わない。

本発明の目的は、電子銃のビームパワーを急速に変化させることである。

この目的は、特許請求項１の特性によって達成される。

したがって、本発明は、フィラメントカソードと、ブロックカソードと、アノードとを備えた電子銃の電子ビームパワーの調整用の構成に関する。フィラメントカソードとブロックカソードとの間に第１の電圧を印加し、ブロックカソードとアノードとの間に第２の電圧を印加する。第１の閉ループ調整システムを使用してフィラメントカソードを調整することによって、ブロックカソードの最大ビームパワーに十分なフィラメント温度を有する一定の電流値にする。ブロック電力の瞬時値とブロック電力の公称値との間の差に反応するブロック電力調整器を含む第２の閉ループ調整システムは、フィラメントカソードとブロックカソードとの間の電圧を調整する。

本発明によって得られる利点は、特に、３つの調整器をカスケード接続によって設ける必要がないことである。したがって、調整がより高速になり、擾乱をよりよく管理できる。また、［閉］ループ利得が減るので、ブロック電力の小さな擾乱が出力に及ぼす影響が小さくなる。ブロック電力がさらに調整され、温度をブロック電流より良く表す。

本発明の一実施例を図面に示し、以下により詳細に説明する。

図１の右側には、電子銃が模式的に示されている。この図には、フィラメントすなわちワイヤカソード１、ブロックカソード２、アノード３、並びに坩堝４が明らかである。フィラメントカソード１からブロックカソード２に到達する電子は参照符号５で示されており、ブロックカソード２から坩堝４に到達する電子は参照符号６で示されている。フィラメントカソード１は、調整可能な電流源７に接続されている。この電流源７の電流が増加すると、フィラメントカソード１を通る電流の流れも増加するので、後者がより強く加熱され、より多くの電子を放出する。電流源７の調整は、調整器８を通じて行われる。調整器８は、ワイヤカソード１の電流を一定値に調整する。この方法によって、周囲条件が同じであれば、ワイヤカソード１の温度をほぼ一定にすることができる。

電流捕捉手段９は、フィラメントカソード１を通る電流を測定し、この方法によって取得した瞬時電流値を比較ポイント１０に供給する。比較ポイント１０では、ワイヤカソードの公称電流値１１とワイヤカソードの瞬時電流値とを比較する。瞬時電流値と公称電流値との差が調整器８に導かれる。

ブロックカソード２が最大可能な電子流６を放出するために必要な量の電子５をフィラメントカソード１が放出するように、フィラメントカソード１を流れる電流が調整される。フィラメントカソード１を通る電流が固定値に調整されるので、ブロックカソード２のエミッション電流６はフィラメントカソード１の時間挙動の影響を受けない。

フィラメントカソード１とブロックカソード２との間の電圧は、ブロック電力調整器１３によって駆動される電圧源１２から供給される。電圧源１２から供給された電流は、電流捕捉手段１４によって測定される。これは、フィラメントカソード１のエミッション電流を含んでいる。乗算器１５は、この電流に電圧源１２の電圧を掛けて電力を計算する。この電力が比較ポイント１６に供給される。比較ポイント１６は、エミッション電流調整器１７からの信号を受信する。この信号は、ブロックカソード２の公称ブロック電力信号を含んでいる。調整器１７の出力部は、ブロックカソード２の公称エミッション電流値とこのブロックカソード２の瞬時エミッション電流値との差から形成された信号を出力する。加速電圧が一定であるとき、この信号はブロック電力に対して（所定の）関係を有する。図２の曲線ＩＩを参照のこと。したがって、この信号は、ブロック電力調整器１３に対する公称値として使用できる。調整器１７は、ブロックカソード２のエミッション電流を調整するために必要である。このエミッション電流は、ブロックカソード２の放出距離の調整挙動に合わせられる。加速電圧が一定のとき、エミッション電流はブロックカソード２の温度によって決まる。

ブロックカソード２から放出される電子６の加速電圧を供給するために、電圧源１８が設けられている。ここで、アノード３と坩堝４とは同じ電位である。この電圧源１８から供給された電流は電流捕捉手段１９によって測定され、比較器２０に導かれる。比較器２０は、公称エミッション電流値または公称ビーム電流値２１に反応する。瞬時電流値と公称電流値との差が調整器１７に供給される。

電圧源１８は調整器２２によって調整され、調整されると瞬時加速電圧値と公称加速電圧値２３との差に対応する信号が応答する。この差は比較器２４によって求められる。調整器２２は加速電圧を一定値に調整する。ブロックカソード２上の端子は、ブロックカソード２とアノード３との間の電圧の瞬時値ひいては加速電圧を調整器２２の入力側の比較ポイントに導く。

ブロックカソード２からの電子放出のために、エミッション電流調整器１７の次にブロック電力調整器１３が続く。その出力によって、フィラメントカソード１とブロックカソード２との間の加速電圧すなわちブロック電圧のための電圧源１２が制御される。ブロック電流とブロック電圧とからブロック電力の瞬時値が形成され、ブロック電力調整器１３に供給される。ここで、ブロック電力はブロックカソード２の温度に直接関連付けられ、ブロックカソード２は一定の加速電圧の影響下で放出を生じる。ブロック電力調整器１３は、エミッション電流を［調整する］調整器１７に対応する方法で、ブロックカソード２のパワーを調整する。ただし、調整器１３の応答速度は、調整器１７の応答速度より極めて高速である必要がある。したがって、調整器１３のリセット時間は調整器１７より短く、利得も調整器１７とは異なる。

この構成においては、２つの調整器１７、１３だけが直列に接続されている。したがって、調整動作はより安定しており、精度をより高くするためにより大きな利得を設定することができる。サイト１１、２１、および２３における公称値は、必要な処理条件に応じて操作者が電子ビーム装置のユーザインタフェースから入力する。

図２において、本発明による調整特性ＩＩを従来の調整特性Ｉと比較している。従来の調整特性Ｉは、ブロックカソード２のエミッション電流ＩＥがフィラメントカソード１の加熱電流ＩＦに依存することを示している。これに対して、調整特性ＩＩは、ブロックカソード２の電力ＰＢがフィラメントカソード１のエミッション電流ＩＥに依存することを示している。

従来の調整特性Ｉにおいては、フィラメントカソード１の加熱電流ＩＦのわずかな変化によって、ブロックカソード２のエミッション電流ＩＥが大きく変化する。たとえば、加熱電流ＩＦが４０Ａから４１Ａに増加すると、エミッション電流ＩＥが０．５Ａから１．５Ａに増加する。調整範囲は極めて狭く、調整を開始できる点はフィラメントカソード１の加熱電流が約３９Ａである点である。

これに対して、本発明による調整特性ＩＩでは、エミッション電流ＩＥの同じ変化を実現するためにブロック電力ＰＢのより広い範囲が利用される。この結果、より安定した調整挙動とより高い調整精度が得られる。

図３は、ブロックカソード２のエミッション電流の公称値ジャンプにおいて、１アンペアから２アンペアへのジャンプを１秒未満で行えることを示す。フィラメントカソード１の加熱電流が一定に維持されているとき、たとえば、ブロック電力の増加に伴う周囲温度の上昇によってブロック電圧が降下しうる。ブロック電圧の降下によって、特に高パワー時に、ブロックのアークが防止される。

本発明による調整用の構成である。 本発明によるブロック電力調整のためのエミッション電流に対するブロック電力と、独国特許第２３２５８０８号による従来の調整におけるエミッション電流に対するワイヤスパイラルの加熱電流との比較を示すグラフである。 エミッション電流のジャンプを経時的に示す。

符号の説明

１ フィラメントカソード
２ ブロックカソード
３ アノード
４ 坩堝
５、６ 電子
７ 電流源
８ 調整器
９、１４ 電流捕捉手段
１０、１６ 比較ポイント
１２、１８ 電圧源
１３ ブロック電力調整器
１５ 乗算器
１７ エミッション電流調整器
２０、２４ 比較器

Claims (6)

1. フィラメントカソードと、ブロックカソードと、アノードを備え、フィラメントカソードとブロックカソードとの間に第１の電圧が印加され、ブロックカソードとアノードとの間に第２の電力が印加され、第１及び第２の閉ループ調整システムが設けられている電子銃の電子ビームパワー調整装置において、
   ａ）第１の閉ループ調整システム（８、７）は、フィラメントカソード（１）を、ブロックカソード（２）の最大ビームパワーに十分なフィラメント温度を発生させる定電流値に調整し、
   ｂ）第２の閉ループ調整システム（１７、１３、１２）は、ブロックカソード用のブロック電力調整器（１３）を含み、前記ブロック電力調整器（１３）は、瞬時ブロック電力値と公称ブロック電力値と間の差に基づいて作動し、フィラメントカソード（１）とブロックカソード（２）との間の電圧を調整する
   ようにした
   ことを特徴とする電子ビームパワー調整装置。
2. 前記第１の閉ループ調整装置は、調整器を含み、前記調整器が公称フィラメント電流値と瞬時フィラメント電流値の間の差に基づいて作動し、制御可能な電流源（７）を駆動するようにしている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子ビームパワー調整装置。
3. フィラメントカソード（１）とブロックカソード（２）との間の第１の電圧が、前記ブロック電力調整器（１３）によって調整された電圧源（１２）から供給されることを特徴とする請求項１に記載の電子ビームパワー調整装置。
4. ブロックカソード（２）とアノード（４）との間の第２の電圧が、調整可能な電圧源（１８）から供給され、前記電圧源が、調整器（２２）に基づいて作動し、その入力部に対して公称加速電圧値と瞬時加速電圧値との差が供給されるようにしていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビームパワー調整装置。
5. 前記瞬時ブロック電力値は、フィラメントカソード（２）とアノード（４）との間の瞬時電圧とフィラメントカソード（１）の瞬時エミッション電流との掛け算を行うための乗算器（１５）から供給されることを特徴とする請求項１に記載の電子ビームパワー調整装置。
6. 前記公称ブロック電力値は、調整器（１７）によって供給され、該調整器はブロックカソード（２）のエミッション電流の公称値とブロックカソード（２）のエミッション電流の瞬時値の差に基づいて作動することを特徴とする請求項１に記載の電子ビームパワー調整装置。

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