KR100586050B1

KR100586050B1 - 하전입자빔과 관련한 개선된 장치

Info

Publication number: KR100586050B1
Application number: KR1020007003112A
Authority: KR
Inventors: 앨런샌더슨
Original assignee: 더 웰딩 인스티튜트
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1998-09-24
Publication date: 2006-06-07
Also published as: NO326142B1; GB9720350D0; DE69830664D1; BR9812505A; WO1999016101A3; EP1587129B1; TR200000750T2; EP1018137A2; EE200000153A; CA2303148C; NZ503060A; EP1018137B1; DE69830664T2; JP4200656B2; CZ2000749A3; NO20001513D0; CZ294249B6; DE69840801D1; EP1587129A1; ES2244081T3

Abstract

하전입자 방출 어셈블리가 한 극성의 하전입자를 방출하기 위한 에미터부재(5)를 구비하여 구성된다. 관형상 쉴드전극(6)이 에미터부재를 주위에서 에워싸고, 사용 중에 하전입자로서 동일 극성으로 유지된다. 관형상 가속전극(7)이 쉴드전극(6)과 동축상에 실질적으로 위치되고, 사용 중에 쉴드전극과 대향하는 전극으로 유지된다. 상기 구성은, 에미터부재(5)로부터의 하전입자를 초기에 측면 외부로 퍼지게 하고, 관형상 가속전극(7)을 통과하는 빔에 집속된다.

Description

하전입자빔과 관련한 개선된 장치{IMPROVEMENT RELATING TO CHARGED PARTICLE BEAMS}

본 발명은 하전입자 에미터 어셈블리 및 에미터에 관한 것이다. 본 발명은, 예컨대 고전력 전자빔(EB)의 발생 및 대략 10^-1mbar∼수백 mbar 범위의 압력으로 조작된 진공챔버로의 전송에 관한 것이다. 다만, 본 발명은 포지티브(正) 및 네가티브(負)로 하전된 이온에 의해 정의되는 입자를 포함하는 다른 타입의 하전입자빔에 적용될 수 있다. 편의상 전자빔만을 논의하기로 한다.

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전자빔은 에미터로부터의 자유전자의 해방 및 전기장(전계)내의 가속에 의해 쉽게 생성될 수 있다. 단지 금속의 진공 용융과 같은 용도로 사용되는 전자빔에 대해서는, 에너지 밀도 분포, 빔 휘도 및 빔 프로파일에 관한 빔의 품질은 덜 중요하다. 전형적으로, "휘도"는 전류밀도/스테라디안으로 정의된다.
다른 응용예에서는, 빔 품질이 매우 중요하고, 더욱이 안정되고 재현될 수 있어야 한다. 전자빔 용접(EBW)의 경우, 예컨대 일정한 깊이 및 폭의 깊고 좁은 용융부(fusion zone)를 반복적으로 발생시키는 능력은,

i) 빔 에너지밀도 분포,

ii) 소재(피가공물)의 표면에 관한 초점의 위치 및,

iii) 스폿(spot) 크기와 수렴각도 인자(factor)를 포함하는 빔 휘도
에 절대적으로 의존한다.

이상적으로는, 전자빔 용접에서는 확실하게 정의된 에너지 밀도분포를 달성하는 것이 중요한데, 통상 이것은 가우시안 분포의 형태를 갖는다. 또한, 깊고 좁은 용접을 수행하기 위해서는, 빔의 수렴각도를 상대적으로 치밀한 범위내에서 제어할 필요가 있다. 예컨대, 100mm∼150mm의 단면 두께에서의 강철의 용접에서는, 1°보다 큰 빔 반각(beam semi-angle)은 용접 풀의 불안정성 및 내부 결함을 야기시킨다. 한편, 거의 평행한 빔은, 이러한 두꺼운 부분을 용접하는데는 매우 적합할 수 있지만, 1mm∼10mm의 강철 단면에서 매우 좁은 용접을 발생시키는데는 적합하지 않다. 더욱이, 보다 얇은 단면 범위의 경우에는, 용접용 빔에너지분포가 보다 중요하다. 소정의 이유로, 에너지 분포가 현저한 프린지(fringe)를 포함하는 경우, 이는 용융부의 형상에 반영된다. 따라서, 가우시안 분포의 경우와 같이 거의 평행한 용융부를 달성하는 대신, 소위 "네일 헤드(nail head)" 형태를 갖는 보다 넓은 평행하지 않은 용융부가 발생된다. 동일한 용접 깊이를 위해 보다 많은 빔 전력이 요구되고, 용접 후의 측면 수축이 전체적으로 증가하며, 바닥과 비교하여 상부에서의 보다 넓은 용접폭 때문에, 평탄하지 않은 수축이 발생하여 지시된 바와 같이 구성요소의 왜곡으로 되고 있다. 정밀한 구성요소에서는, 이는 흔히 받아들여지기 어려운 것으로, 용접 크래킹(cracking)을 야기시킬 수도 있다.

마찬가지로, 특히 얇은 단면 용접에서는, 초점 스폿에서 충분한 강도를 달성하는 것이 중요하다. 거의 평행한 빔을 발생시키는 시스템에서는, 설령 프린지가 없어도 강도가 불충분하여 과도한 왜곡 및 크래킹의 위험을 수반하는 비교적 넓은 테이퍼 형상의 용융부로 된다. 거의 평행한 빔은 집속(초점조정 또는 초점맞춤)할 필요가 없는 바, 강한 포지티브 이온 중화효과가 있음에도 불구하고 진공환경에서 공간전하 퍼짐이 발생할 가능성이 있다. 따라서, 집속 렌즈로 입사하는 거의 평행한 빔에서는, 긴 거리에 걸쳐 빔을 집속하는 것이 시도되어 빔 직경이 감소한다고 해도 극히 조금밖에 감소하지 않는다. 실제로, 중전력 및 고전력에서 종종 빔 프로파일 및 강도특성은 이온-전자 상호작용에 의해 완전히 지배된다.

따라서, 잘 정의된 발산(지정된 범위내에서), 높은 휘도, 낮은 수차를 수반하고 프린지를 수반하지 않는 전자총으로부터 빔을 발사하는 것이 매우 중요하다.

트리오드(triode: 3극관)총을 이용한 높은 빔전류 범위에 대한, 매질내에서의 공간전하 퍼짐을 억제하기 위해 보다 큰 수렴각도를 달성하기 위한 하나의 가능한 수단으로서, 보다 강한 집속전계(field)를 발생시키는 전극을 채용한다. 그러나, 그리드전계가 추가적인 강력한 집속요소로 될 때, 이것은 낮은 전류에서 과도한 수렴을 초래한다. 일반적으로, 수렴각도내에서의 큰 스윙(swing)은, 높은 진공 EBW에 대해서도 바람직하지 않고, 미세한 보어 노즐이 총 영역내로의 가스 누출을 제한하도록 채용되는 감압(5×10^-1∼250mbar)이나 비진공(~1000mbar) 조작을 위한 빔 전달 시스템을 채용하는 시스템에서는 보다 큰 어려움을 일으킨다.

고전류 레벨에서의 공간전하의 퍼짐을 억제하기 위해, 보다 큰 수렴을 달성하기 위한 또 다른 방법은, 캐소드와 그리드 전극 및 애노드가 매우 근접하게 배치된 총을 설계하는 것이다. 이는, 전자가 상호 반발하는 가능성을 감소시키는 보다 짧은 축방향 거리에 걸쳐 전자의 보다 빠른 가속을 야기시킨다. 불행하게도, 이러한 구성은 전극 상에서 전기적인 표면강도(surface stress)를 증가시키고, 증가된 고전압 항복 경향을 야기시킬 수 있다.

총의 하우징의 고진공(5.10^-5∼5.10^-6mbar) 영역으로부터, 대략 5.10^-2∼1000mbar의 압력범위에 걸쳐 동작하는 작동챔버내로 전자를 추출하기 위해서, 빔이 좁은 오리피스를 통해 전달되어야 할 때, 빔 프린지의 회피 및 전자빔의 최적의 집속은 대단히 중요하다. 여기서, 작동챔버로부터 총의 하우징내로의 가스 누출 비율은, 주로 오리피스의 수 및 단간 펌프의 펌핑 능력과는 별도로 오리피스의 직경 및 길이에 의해 결정된다.

빔의 프린지는 다량의 전력을 포함하는 경향이 있고, 전체 전력이 낮은 동작(예컨대, 5kW)에 대해서 조차 실질적인 물 냉각이 적용되더라도 오리피스 노즐에서 이 외부 전력을 흡수하는 능력은 제한되는 반면, 빔전력이 극히 작은 전자 마이크로스코프장치와 달리, 차단 격막에서 바람직하지 않은 프린지를 제거하는 것은 실용적이지 않다. 마찬가지의 이유로, 큰 빔 직경으로 인해 낮은 휘도의 거의 평행한 빔을 회피하는 것이 중요하다.

빔 품질 및 전자총이 잘 정의된 발산과 함께 순수한 수차가 없는 빔을 발생시키는가 여부는 총의 설계, 특히 캐소드 설계 및 캐소드 근방에 있는 전극의 상세한 기하학적 구조에 의존한다.

EBW에 사용되는 대부분의 전자총은 트리오드이다. 그리드 전극의 사용은 낮은 빔전류에서 캐소드 방출이 캐소드의 중심부에 제한되도록 보증하지만, 그리드에 의해 야기되는 강한 전기장의 존재가 상당한 빔 수차를 야기시킨다.

외측 전자 궤적은, 더 중앙의 전자 보다 그리드 컵 홀의 에지에 가깝기 때문에, 강한 그리드 장내에서 보다 짧은 초점길이를 갖는다. 또한, 빔전류를 증가시키기 위해서 그리드 전압을 감소시킴에 따라 방출영역이 확대되어, 불리한 기하학적 특징이 주전자흐름과 다른 전자궤도 비행경로를 발생시키는 캐소드 에지로부터 전자가 해방되도록 할 수 있다. 더욱이, 빔전류가 증가함에 따라, 빔내에서의 공간전하가 증가함과 더불어 그리드 장이 약화됨으로써 빔의 큰 퍼짐 및 1차 초점의 손실로 될 수 있다. 또한, 1차 초점 웨이스트 및 (제1초점 렌즈에 대해 명확한) 허상 위치는, 빔전류레벨에 의존하는 빔축을 상하로 상당한 거리 이동시킬 수 있다.

이러한 총에 의해 생성된 빔 프린지와, 빔전류에 의한 1차 초점의 드리프트(drift), 높은 전류에서의 빔 수렴각도의 결핍 및 낮은 전류에서의 비교적 큰 수렴각도는 비교적 높은 진공(5×10^-3mbar) 챔버내로 빔을 투사하는 통상의 시스템에 대한 용접 실시에도 악영향을 줄 수 있다. 작은 오리피스를 통해 전달될 필요가 있는 빔에 대해서는, 특히 (즉, 30kW보다 큰) 고전력 동작에 대해 조작이 어렵게 되거나 불가능하게 될 수 있다.

본 발명의 제1측면에 따르면, 하전입자 방출 어셈블리는, 한 극성의 하전입자를 방출하기 위한 에미터부재와, 이 에미터부재의 주위를 에워싸고, 사용 중에 상기 하전입자와 동일 극성으로 유지되는 관형상 쉴드전극 및, 이 쉴드전극과 실질적으로 동축상에 위치되고, 사용 중에 상기 쉴드전극과 반대의 극성으로 유지되는 관형상 가속전극을 구비하여 구성되되, 상기 에미터부재로부터의 하전입자가 초기에 측면 외측으로 퍼진 후, 상기 관형상 가속전극을 통과하는 빔에 집속되도록 된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 특정의 다이오드(2극관)총의 구성을 포함한다. 이 다이오드 총은 트리오드(3극관)총에 비해 많은 현저한 이점을 갖는다. 즉,

i) 실질적으로 수차를 제거하는 것이 가능하고,

ii) 트리오드에서 보다도 고전류에서의 빔 형상 및 품질의 제어가 좀더 쉽게 달성되며,

iii) 저전류에서의 과도한 수렴없이, 고전류에서 충분한 빔 수렴을 달성할 수 있고,

ⅳ) 총의 발사상황하에서는, 총의 전극과 접지 사이에서의 고전압의 절연파괴가 그리드 공급의 부족과 전체 빔전력의 순간적인 해방을 촉진시키는 트리오드 총과는 달리, 온도 제한 모드에서 동작할 때, 빔전류가 서지(surge)되지 않으며,

ⅴ) 다이오드 총은 보다 적은 보조 공급을 필요로 하지 않고(통상적인 간접 가열 다이오드의 경우에는 2개, RF 여기되고 간접적으로 가열되는 다이오드의 경우에는 1개, 직접 가열되는 다이오드의 경우에는 1개),

ⅵ) 다이오드 총에 대해, 특히 단지 하나의 HT 접속만을 필요로 하고 보조 공급 접속이 없는 RF 여기 다이오드에 대해서는 전기 케이블 및 접속이 보다 단순하며, RF전력은 원격으로 이격된 고주파 안테나나 총의 하우징내에 위치하는 1차 권선에 유도적으로 결합된다.

그리드 장의 집속작용이 존재하지 않고 특히 작은 직경의 캐소드를 갖춘 다이오드 총에 대해, 특히 고전류 레벨에서의 빔의 높은 공간전하밀도는 빔의 퍼짐과 잘 정의된 1차 초점의 결핍으로 되고, 실제로 빔은 애노드 홀을 통과하기에도 불충분하게 시준될 수 있다. 물론, 과도한 빔 퍼짐을 회피하기 위한 하나의 해결책으로서 큰 직경의 캐소드를 사용할 수 있지만, 이는 근본적으로 빔 휘도를 감소시키고, 장비를 복잡하게 하며, 비용을 증가시킨다.

본 발명에 있어서는, 전자빔상의 뚜렷한 스웰이 초기에 생성되고, 그에 따라 인위적으로 큰 빔소스를 만들어내며, 그 후 이 빔은 상호전극총(inter-electrode gun)내의 주요 캐소드/애노드 전기장에 의해 비교적 큰 수렴각도로 집속할 수 있다.

주어진 가속 전압에 대해 빔내에서 달성될 수 있는 궁국적인 빔 휘도에 관해서는, 이것은 많은 인자에 의존하지만, 고전력 EBW총에 대해서는 캐소드 직경 및 총 설계에 주로 의존한다. 기본적으로는, 주어진 빔 수렴각도 및 동작전압에 대해 포스트 총 집속 시스템 내의 어디에서든지 스폿 크기가 캐소드 직경에 비례하고, K°(켈빈온도)의 캐소드 동작온도의 제곱근에 비례하므로, 캐소드 직경을 최소화하는 것이 매우 중요하다.

본 발명은, 캐소드 직경이나 좀더 엄격하게는 방출 직경이 제한될 수 있도록함으로써, 빔 휘도를 향상시킨다. 더욱이, 동작온도 뿐만 아니라 캐소드직경 및 캐소드 전체 표면영역을 제한하는 것은 보조 가열전력 요구 및 보조 전원 비용을 감소시키고, 또 총의 동작온도 및 전극의 기하학적인 열적 왜곡효과를 최소화시킨다. 총의 열 입력을 감소시키면, 절연체가 전기뿐만 아니라 열이 빈약한 도전재이기 때문에, 높은 전압의 긴 절연체의 말단에 진공으로 유지되는 EBW총에 대해 항상 곤란을 나타내는 냉각을 위한 요구가 감소한다.

당연히, 이온 부식과 산화 및 증발률이 캐소드 온도와 더불어 증가하기 때문에, 캐소드 방출영역은 주어진 캐소드 생존기간(수명)에 필요한 빔전류를 생성하기에 충분해야 하지만, 충돌 방출 밀도 및 빔 휘도 인자를 최적화함으로써 대부분이 얻어질 수 있다.

본 발명의 1실시예에 있어서는, 무거운 공간전하 부하(loading)가 존재하는 총의 영역에서의 빔 집속은 길고 직경이 작은 애노드와 조합되는 깊게 홈이 파인 캐소드 쉴드전극에 의해 달성되는 바, 애노드 말단은 캐소드 쉴드전극의 단부에 위치되거나, 그 내부의 웰(well)에 인접하여 위치된다. 이는, 낮은 전력, 중간 전력 및 높은 전력 레벨에서 잘 동작하는 강한 집속작용을 야기시킨다.

빔 스웰(swell)이나 측면 퍼짐은 다수의 방법으로 달성될 수 있다. 하나의 방법은, 전자 가속이 초기에는 비교적 느리게 되도록 캐소드 직경 및 전극형태를 선택하는 것으로, 강한 방사상의 외부로의 이동을 발생시키는 공간전하 퍼짐을 가능하게 한다. 이는, 깊게 홈이 파인 캐소드 쉴드 컵 내측에 비교적 작은 캐소드를 세팅함으로써 실현될 수 있다. 캐소드 직경이 너무 작으면, 총이 제한된 공간전하로 되기 전에 주어진 가속전압에 대한 최대 빔전류가 제한되고, 일반적인 캐소드 쉴드/애노드 기하학적 구조의 전극형상에 의해 생성되는 상호 전극 간격에서의 후속의 수렴 정전기장이 빔을 뚜렷한 웨이스트나 크로스오버로 다시 집속하는데 불충분하게 될수록 초기 퍼짐작용이 커지게 된다. 한편, 캐소드가 너무 크면, 캐소드에서의 방출 밀도가 너무 낮아 필요한 초기 빔 확장을 발생시키지 못하고, 그 때문에 빔은 최종적인 가속 기간동안 퍼짐을 회피하기에 실질적으로 불충분한 수렴을 갖는다. 따라서, 가장 양호한 성능을 얻기 위해서는, 주어진 가속전압 및 전력동작범위에 대해 전극 형상과 캐소드 크기의 조합이 중요한 것으로 된다.

캐소드에서의 고전류 밀도를 필요로 하지 않고 인위적으로 큰 전자소스를 달성하기 위한 제2방법은, 빔의 발산을 야기시키기 위해, 캐소드의 바로 앞에 적정한 정전기장을 발생시키는 것을 포함한다. 이는, 캐소드 쉴드 컵의 베이스에 위치된 원뿔 또는 원통형의 투사부재의 상부에 캐소드를 탑재함으로써 달성될 수 있다.

캐소드는 5mm²의 영역을 초과할 수 있는 바, 100kW의 전력범위에서의 동작을 허용한다.

상기한 바와 같이, 공간전하 퍼짐에 의해 야기되는 초기의 빔 스웰은 적절한 정전기장에 의해 강화된다. 이는, 초기의 빔 퍼짐 후에 명백한 소스의 크기를 증가시키고, 넓은 전류범위에 걸쳐 잘 정의된 초점과 함께 보다 높게 수렴된 빔을 발생할 수 있도록 허용한다. 초기 빔 확장을 촉진시키는 다른 가능한 수단은, 캐소드 표면을 이하와 같이 형성하여, 적어도 에미터가 볼록하거나 원뿔형상으로 되도록 하는 것이다.

본 발명의 제1측면은, 5×10^-5mbar∼5×10^-2mbar의 압력범위 내에서 동작하는 진공챔버를 포함하는 다양한 타입의 용접장치에 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은, 특히 10^-1mbar∼수백 mbar의 중간 압력범위는 물론, 고압력 및 비진공에서도 동작하는 용접장치와 함께 사용하기에 적절하다.

그러한 장치의 잠재적인 이익을 확인해온 전형적인 산업분야는, 두꺼운 단면의 강철 파이프 생산업자와, 육상 및 해상 파이프 용접업자, 핵폐기물 처리회사, 전력 발전장치 생산업자 및, 항공우주 구성요소 제조업자이다.

이러한 응용의 대부분에서는, 싱글 패스(single pass)로 용접해야 할 재료의 벽 두께가 15mm를 초과하고, 150mm 이상 클 수도 있다. 어느 경우에 있어서도, 빠른 용접을 위해서는 적어도 30kW의 빔전력 레벨이 요구되고, 몇몇 경우에 있어서는 100kW 또는 그 이상까지 요구된다.

상기한 모든 다이오드 총에 대해, 본 발명 이전에 해결되지 않은 채로 남아 있던 주요한 문제점은, 캐소드의 측면이나 에지가 제어할 수 없는 비행 경로를 가진 바람직하지 않은 전자를 방출한다는 사실이었다. 이것이 발생하는 것을 방지하기 위한 다수의 방법이 수십년 동안 노력 및 많은 연구개발팀에 의해 시도되었다. 가장 간단한 구성의 하나가, 그리드 전극의 구면수차 효과를 극복하기 위해 평면 다이오드가 제안된, 미국특허 제3,878,424호(1973년 7월 17일 출원)에 기재되어 있다. 이 발명에 있어서는, 산화물(예컨대, Ba-Sr-Ca)이 다양한 방법에 의해 가열될 수 있는 내열 금속 캐소드 "히터" 플레이트내의 홀내로 충전(pack)되고 있었다. 다른 변형례에서는, 산화물이 내열 금속 플레이트의 표면에 코트되었다. 플레이트를 내열 캐소드 플레이트의 방출점 이하로 가열함으로써, 보다 일함수가 낮은 산화물의 강한 방출이 일어나고, 그에 따라서 에지영향을 회피하게 된다.

제안된 장치는, 산화물 코팅이나 홀내의 플러그(plug)의 직경이 단지 수 100미크론인 전자 현미경을 위한 저전력 빔을 발생시키기에 적합하지만, 용접 풀(weld pool)로부터의 이온 충격과 가스 및 입자 형상의 물질에 연속적으로 노출되는 고출력 EBW 총에서는 산화물 캐소드가 빠르게 오염되어 그 방출특성이 파괴된다. 또한, 산화물 필름의 경우, 이는 전형적으로는 단지 50미크론 두께이므로, EBW시스템에서는 빠르게 부식된다. 더욱이, 평면 캐소드 플레이트가 왜곡되어 빔 발산 및 투사 방향에 있어서 불리한, 예측할 수 없는 변화를 발생시킨다. 2개의 다른 재료 사이의 팽창률 차이도 에미터의 크래킹(cracking) 및 스펄링(spalling)을 발생시킨다.

이질적인 에지 방출을 회피하기 위한 다른 시도에서는, Bull 등의「"an electrostatic electron gun", Metal Construction and B.W.J. Nov. 1970 2 (11), p. 490」에는 구면전극과 간접 가열된 다이오드 총이 제시되어 있는 바, 거기서는 중심영역으로 방출을 한정하기 위해 내열 금속 캐소드 전극 주위에 천공을 배치하고 있었다. 그러나, 이 총도 중앙 캐소드 영역의 열 왜곡을 받고, 천공은 전자가 1차 후방 충격으로부터 주요 빔으로 통과하는 것을 가능하게 하여 주요 빔의 왜곡효과가 더 생겼다. 1차 전자의 흐름에 있어서의 몇몇 감소는 캐소드 쉴드의 배후에 추가적인 전자장벽을 삽입함으로써 달성되고 있었지만, 캐소드 왜곡의 문제는 여전히 남아 있었다.

에지 방출을 제어하기 위한 다수의 다른 방법이 고려되고 있다.

이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 빔 내로의 1차 전자의 누출은 연속적인 원뿔형상 부재상에 캐소드를 탑재시킴으로써 방지할 수 있다.

유사한 형태의 캐소드도, 다른 일함수를 나타내는 2개의 재료로 조립되어 있고, 에미터는 란탄 헥사보라이드(lanthanum hexaboride)와 같이 EBW 중에 쉽게 오염되지 않는 일함수가 낮은 재료로 만들어지고, 탄탈과 같은 내열 금속으로 만들어진 외측의 지지구조상에 있다. 이러한 구성은 유럽특허 제EP-A-0627121호에도 기재되어 있다. 유사한 구성이 개별적으로 개발되어 영국 특허 제GB-A_1549127호에 기재되어 있지만, 이 특정의 총은 많은 점에 있어서 본 발명과는 명백히 다르다.

이들 초기의 개발에서는, 란탄 헥사보라이드 버튼을 지지하기 위해 내열 금속 홀더내의 립(lip)의 배후에 이것을 배치할 필요가 있다. 이 립은 여전히 전기장을 더욱 강하게 교란시켜 트로이드 총의 경우와 같이 외측 전자가 축 근방에 있는 전자 보다 짧은 초점 길이로 집속하는 상당한 구면수차를 발생시킨다. 립 두께는 조심스러운 매칭에 의해서나 캐소드 전방에 얇은 내열 금속 워셔를 배치함으로써 감소시킬 수 있지만, 어느 경우에 있어서도 열 왜곡이 립을 외측으로 왜곡시켜 립이나 워셔 배후로부터의 이질적인 전자 방출이 일어났다.

부분적으로 성공한 다른 기술은, 높은 일함수 재료로 노출된 낮은 일함수 재료의 외부 고리를 코팅하는 것이다. 예컨대, 소위 란탄 헥사보라이드로 이루어진 캐소드는 그 둘레 주변 및 전면에서 환형상으로 텅스텐으로 코팅되어 있다. 초기에는 기대를 가졌지만, 이 기술은 사용 중에 이온 손상과 산화 및 증발작용에 의한 코팅의 손실을 겪었다. 또한, 조립 중에는 얇은 코팅의 손상을 회피하는 것도 어려웠다. 더욱이, 홀더의 립은, 감소된 집속효과를 주지만, 그럼에도 불구하고 아직 허용할 수 없는 수차를 발생시켰다.

적용할 수 있는 또 다른 기술은, 일함수가 낮은 재료의 버튼을 2규소 몰리브덴과 같은 화합물을 사용하여 홀더 내에 놋쇠를 입히는 것이다. LaB₆재료를 오염시키지 않고 고품질의 비다공성 놋쇠입힘을 달성하는 것은 곤란하고, 가장 좋은 경우에도 열 사이클을 반복함으로써 놋쇠재료가 사용 중에 크랙을 발생시키는 경향이 있었다.

본 발명의 제2측면에 따르면, 하전입자 방출 어셈블리는, 상기 에미터부재가 지지부재보다 낮은 일함수를 가짐으로써, 작동온도에서 그 에미터부재가 노출된 표면으로부터 하전입자를 방출하고, 상기 에미터부재의 노출된 표면이 개구를 에워싸는 지지부재의 외측으로 면하는 표면과 실질적으로 같은 높이로 되거나 낮게 세트되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 형태에 있어서는, 일함수가 낮은 캐소드 재료가 중앙의홀에 안착되는 "모자(hat)" 형상으로 기계가공된다. 편리하게는, 에미터부재는 지지부재의 개구에 근접하여 고정되어 있다.

지지부재의 일부 및 에미터부재의 일부가 대응해서 테이퍼형상으로 될 수 있다.

대안으로 또는 추가적으로, 에미터부재는 각 부재에 결합되는 클립에 의해 지지부재에 고정될 수 있다.

특히, 바람직한 구성에 있어서는, 에미터 부재의 노출된 표면 및 지지부재의 외측으로 면하는 표면이 공통의 평면을 정의한다.

본 발명의 제3측면에 따르면, 하전입자빔 어셈블리는, 일련의 제어된 압력챔버를 갖고, 이들 챔버 각각이 하전입자빔이 통과될 수 있는 입구 및 출구와, 챔버내의 압력이 제어가능하도록 펌프에 연결하기 위한 배기포트를 가지며, 사용 중에 연속적인 챔버의 압력이 증가되는 빔 종형 어셈블리와; 상기 빔 종형 어셈블리에 결합되고, 제1측면에 기재된 하전입자 방출 어셈블리를 포함하는 배기된 하전입자빔 소스챔버를 구비하여 구성되되, 상기 배기포트가 적어도 하나의 업스트림 챔버를 통과하는 어셈블리내에서 연장되는 도관을 매개로 다운스트림 챔버에 연결된 것을 특징으로 한다.

이는, 유지보수를 위한 대체 총렬의 신속한 제거 및 삽입을 가능하게 한다. 통상적으로, 다단 펌프 시스템은 다양한 노즐 속박부(restrutions) 사이에서 펌핑을 실시하기 위한 측면 침입(intrusion)부를 포함한다. 이는 진공챔버로의 삽입 및 진공챔버로부터의 뽑아냄을 용이하게 행할 수 없는 복잡한 종형의 기하학적인 구조를 만든다. 동심 펌핑의 혁신적인 단계는 이러한 어려움을 극복하고, 대규모의 부설용 바지선의 이용에 따른 고비용의 발생 및 한번에 하나의 파이프만을 용접하여 부설할 수 있다는 사실에 기인하여, 시간이 중요하게 되는 연안(沿岸)에서의 해저 J-파이프 부설과 같은 응용에 특히 중요하다.

보다 상세하게는, 본 발명의 이러한 면은, 콤팩트한 구성 및 장치에 있어서, 일련의 진공챔버나 부분진공 챔버 또는 포트를 제공하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 총의 헤드가 다수의 챔버를 구비하고, 캐소드의 영역내의 진공으로부터 빔이 개방된 환경으로 흘러나올 수 있는 출력 단부에서의 거의 대기압까지의 범위에 있는 소위 비진공이나 감압 EB시스템에 적용될 수 있다. 이들 챔버는 전자빔이 통과하는 것을 가능하게 하는 적정한 진공 분압으로 유지되어야 한다. 또한, 이 발명은, 예컨대 수중 용접이 수행되는 등, 대기압 또는 대기압 이상에 있는 마지막 챔버에 의해 수행될 수도 있다.

이러한 장치는, 총 헤드내의 각 챔버에 연결된 다수의 다른 진공펌핑 라인을 필요로 하는 것에 관해 통상적으로 구조가 어색하고, 이들 연결은 출력 빔의 영역내에서의 접근을 제한한다. 이러한 장치는 부피가 클 뿐만 아니라 다양한 챔버의 영역내의 제한된 접근이 진공 펌핑의 효율을 제한한다. 따라서, 다수의 진공라인은 진공 펌핑을 더 제한하거나 방해하지 않도록 비교적 큰 보어로 되어야 한다.

본 발명의 이러한 측면은, 예컨대 비진공 및 감압 EB 용접시스템에서 사용될 때, 이러한 일련의 챔버의 비교적 콤팩트하고 슬림한 설계를 제공한다. 또한, 본 발명은, 헤드 어셈블리의 적어도 아래(또는 출력측) 절반부에 대해 전형적으로는 직경이 170mm 보다 작은 총 헤드의 출력영역내에 다수의 챔버를 제공할 수도 있다. 총 헤드의 동작 출력 근방에서의 진공라인이나 파이프의 사용을 회피할 수 있고, 더욱이 챔버의 효과적인 펌핑을 하기 위한 수단을 제공할 수 있다(챔버는 거의 진공으로부터 거의 대기압의 범위까지의 적절한 압력으로 유지되는 것이 바람직함).

하나의 구성에 있어서는, 챔버는 외측튜브내에 위치된 1조의 관형상 단면부와, 관형상 단면부와 외측튜브 사이에 위치되어 각각 도관을 형성하는 축상에 연장된 1조의 격벽에 의해 규정되고, 각 관형상 단면부가 방사상으로 외측으로 면하는 개구를 가지며, 각 챔버의 방사상으로 외측으로 면하는 개구가 다른 챔버 모두의 방사상으로 외측으로 면하는 개구로부터 원주모양으로 오프세트(offset)되고, 각 도관이 챔버의 방사상으로 외측으로 면하는 개구를 대응하는 배기포트와 연결하는 하전입자빔 종형 어셈블리를 제공한다.

또는, 다수의 챔버를 적당한 오리피스를 수용하는 일련의 디스크로서 배치할 수 있는 바, 이 조가 구획된 공통 슬리브내에 고정된다. 중심구성의 경우와 같이, 각 세그먼트는, 양호한 단면을 갖는 챔버나 포트 각각에 접근하는 것을 허용한다.

동심의 관형상 단면부와 구획된 원통의 조합은, 포트나 챔버 각각으로의 접근에 적절한 단면과 함께 관련된 압력에서 충분히 효율적인 진공 펌핑을 주기 위해 사용될 수 있다.

챔버의 어레이는, 금속 스패터(spatter)에 의해 부분적으로 차단될 수 있거나, 또는 전자빔으로 방해함으로써 손상될 수 있는 오리피스를 교체하기 위해 쉽게 분해할 수 있다. 따라서, 빔의 축에 오리피스의 적절한 배열을 여전히 유지하면서, 동심의 관형상 부분(또는 컵)이나 분할된 실린더를 조립 및 해체하기 위한 설비가 제작된다. 또한, 이 구성은 분압에서 동작하는 챔버와 주변의 대기압과의 사이의 누설경로를 감소시킬 수 있다. 동심구성에 있어서는, 고진공 영역이 분압 영역내에 포함되고, 따라서 주변의 대기에 직접적으로 노출되지 않으므로, 밀봉체에서의 소정의 작은 누설의 영향을 대폭적으로 감소시킨다.

동심 컵 구성의 경우, 각 부분은 필요에 따라 "O"링 밀봉과 함께 대응하는 스레드된 부분을 수용하는 공통 베이스상에 고정되는 통합 스크류을 가질 수 있다. 컵은 어셈블리시에 그들의 상대적인 동심성을 유지하도록 베인(vane)이나 스페이서 또는 등가물을 구비할 수 있다.

구분된 구성에 대해서와 같이, 대응하는 부품은, 적절한 공간 및 동심원을 이루어 기계적으로 유지될 뿐 아니라 압축가능한 밀봉체와 함께 고정될 수 있다. 모든 이들 구성에 있어서, 진공 펌핑라인은 다른 압력에서 동작하는 챔버의 컴팩트한 어셈블리의 각각의 세그먼트 또는 환형상 오리피스에 적절한 연결부를 통해 출력빔으로부터 이격되어 총 헤드의 후방에서 실질적으로 얻어진다.

도 1은 전자 궤적 및 등전위선을 도시하는 공지의 트리오드총의 단면을 나타낸 도면,

도 2a∼도 2d는 도 1에 나타낸 트리오드총에 대한, 빔 프로파일 및 빔전류상에서 변화하는 그리드 바이어스 전압의 효과를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 전자빔 총의 제1실시예의 개략적인 횡단면도,

도 4는 본 발명에 따른 전자빔 총의 제2실시예의 개략적인 횡단면도,

도 5는 도 4에 나타낸 총의 캐소드 어셈블리의 부분 단면도,

도 6 내지 도 14는 캐소드 어셈블리에 대한 다양한 탑재구성의 세트의 단면도,

도 15는 본 발명에 따른 전자빔 총의 제3실시예의 횡단면도,

도 16은 도 15에 나타낸 전자빔 총에서의 3mA의 빔전류에 대한 전자궤적을 도시한 도면,

도 17 내지 도 19는 빔전류 166mA과 225mA 및 358mA를 각각 제외한 빔전류에 대한 도 16과 유사한 도면,

도 20은 본 발명에 따른 전자빔 총의 실시예를 통합하는 용접장치의 부분 단면을 개략적으로 나타낸 도면,

도 21은 배기 챔버의 신규한 장치의 실시예를 나타낸 도면,

도 22는 도 21에 나타낸 배기 챔버 장치와 연관된 도 20의 전자빔 총을 도시한 도면,

도 23은 다른 챔버장치를 나타낸 도 20과 유사한 도면,

도 24는 1차 전자를 생성하기 위한 다른 실시예의 장치를 나타낸 도 5와 유사한 도면,

도 25는 도 24에 나타낸 장치의 일부 절개 사시도,

도 26은 도 24 및 도 25에 나타낸 장치와 함께 사용하기 위한 회로를 나타낸 회로도이다.

본 발명을 이해하기 위해, 빔조건이 150kV×15.3mA이고, 그리드 바이어스 전압이 -2kV인 공지의 트리오드 전자빔총이 도 1에 부분적으로 도시되어 있다. 총은 그리드 컵(grid cup; 2)에 의해 둘러싸이고, 구분된 애노드(3)와 일렬로 정렬된 전자방사 필라멘트(1)를 포함한다. 등전위선(100)이 몇몇 전자 궤적(101)과 마찬가지로 도 1에 나타내어져 있다. 도시된 바와 같이, 외측의 전자궤적은 중심의 전자보다 그리드 컵 홀의 에지에 가깝기 때문에, 강한 그리드 장내에서 보다 짧은 초점길이를 갖는다. 더욱이, 빔전류가 증가함에 따라 빔내에서 증가된 공간전하와 조합된 약해진 그리드 장은, 결과로서 빔의 커다란 퍼짐과 1차 초점의 손실로 된다. 또한, 1차 초점의 웨이스트(waist; 4)는, 도 2a∼도 2d(도시된 바와 같이 빔전류 "i"를 가짐)에 나타낸 바와 같이 빔전류레벨에 의존하여 빔축을 상하로 상당한 거리 이동시킬 수 있는 허상 위치를 갖는다.

본 발명은, 소정의 집속(초점조정 또는 초점맞춤) 동작을 제공하기 위해, 그리드 장이 존재하지 않는 다이오드총에 관한 것이다. 따라서, 특히 작은 직경의 캐소드의 경우, 빔 내에서, 특히 고전류 레벨에서의 높은 공간전하 밀도는 빔의 퍼짐 및 잘 정의된 1차 초점의 결핍으로 된다. 도 3에 나타낸 제1실시예에서는, 캐소드(5)는 깊게 홈이 파인 캐소드 쉴드전극(6) 내에 설치되고, 비교적 긴 길이를 갖는 원통형상 애노드(7)와 일렬로 정렬된다. 캐소드(5)와 면하는 애노드(7)의 단부는 캐소드 쉴드(6)의 단부에 의해 정의된 평면에 인접하게 위치되거나, 또는 캐소드 쉴드(6)의 체적내에 알맞게 설치된다. 이는, 저, 중 및 고전력 레벨에서 잘 동작하는 강한 집속 동작을 일으킨다. 빔의 형상은 참조번호 8로 나타내고, 그것은 초기에는 스웰(9)을 형성하기 위해 전자가 측면으로 퍼지며, 애노드(7)내에서 웨이스트(10)를 향해 집속됨을 알 수 있다. 스웰(9)의 효과는, 인위적으로 큰 빔 소스를 발생시키는 것인 바, 이 빔 소스는 전극 사이의 갭내에 있어서 주요 캐소드/전극 장에 의해 비교적 큰 수렴각도로 집속될 수 있다. 이 경우, 캐소드(5)는 전자를 방출하기 위해 통상적인 방법으로 필라멘트(11)에 의해 가열된다.

깊게 홈이 파여진 캐소드 쉴드 컵(6) 내측의 캐소드(5)를 세팅(setting: 설치)하는 효과는, 전자 가속이 초기에 비교적 느리다는 것이고, 이것은 강한 외측으로의 방사 이동을 발생시키기 위해 공간전하 퍼짐을 가능하게 한다.

캐소드에서 고전류밀도로 할 필요가 없는 인위적으로 큰 전자 소스를 달성하기 위한 제2방법이 도 4에 나타내어져 있고, 그 방법은 전자빔의 발산을 일으키는 캐소드의 곧바로 전단에서 정전기장을 발생하는 것을 포함한다. 이 경우, 캐소드(5)는, 캐소드 쉴드(6)의 베이스의 부분을 형성하고 쉴드(6)의 체적내로 돌출하는 원뿔형상 지지부(21)의 상부에 탑재된다.

상술한 바와 같은, 공지의 다이오드총에서의 하나의 문제점은 캐소드의 측면이나 에지로부터의 소망하지 않는 전자의 방출이다. 도 5는 이러한 문제를 최소화하거나 회피하기 위한 하나의 구성을 나타내고 있다. 캐소드(5)는 캐소드 쉴드(6)의 베이스의 원뿔형 돌출부(20A)의 개구(20)내의 캐소드 원뿔부(21)에 탑재된다. 캐소드의 아래에는 필라멘트 홀더(23)에 의해 지지되는 필라멘트(22)가 위치된다. 필라멘트(22)는 원뿔(cone)형상 보호기(25)의 개구(24)을 통해 캐소드(5)로 노출된다.

이는, 1차 필라멘트(22)와 캐소드 원뿔부(21) 사이의 1차 전자를 제한한다. 이러한 특별한 예에서는, 주요 캐소드 쉴드상에 탑재된 원뿔부의 가까운 캐소드를 에워쌈으로써 고체 내열 금속 캐소드(5)의 에지방출을 최소로 한다. 캐소드와 방사상 원뿔부의 분리거리는 4.5mm 직경의 캐소드 버튼에 대해 주변온도에서 측정된 0.05mm∼0.1mm 범위인 것이 바람직하다. 이는, 에지의 방출을 감소시키지만, 제거하지는 않는다. 캐소드를 원뿔부(21)의 0.3mm 후방에 세팅함으로써, 더 한층의 빔의 향상이 가능하지만, 캐소드 근방에서 캐소드와 캐소드 쉴드전극 사이의 기하학적인 불연속에 기인하여 몇몇 에지 방출 및 구면수차가 여전히 발생한다. 그럼에도 불구하고, 이 총의 설계는 150kV에서 100kw까지의 빔전력을 생성하고, 비교적 고진공(5×10^-3mbar) 환경내로 투사될 때 고품질의 용접을 연속하여 생성한다.

캐소드(5)에 대한 다른 탑재구성이 도 6에 나타내어져 있다. 이 경우, 캐소드(5)는, 캐소드 원뿔부(21)의 원통부분에서, 예컨대 용접에 의해 유지되는 주둥이 단면부(32)를 갖는 캐소드 홀더(31)의 방사상으로 내측에 면하는 립(30)에 대해 유지된다. 캐소드(5)는 주둥이부(32)의 홈(34)내에 위치되어 유지되고, 환형 스페이서(35)에 대해 작용하는 서클립(circlip; 33)에 의해 적소에 유지된다. 대략 4mm의 방출직경에 대해, 립(30)의 두께는 전형적으로 0.1mm∼0.3mm이다. 캐소드(5)의 전방에 얇은 내열 금속 와셔(36)를 배치함으로써, 효과적인 불연속이 감소될 수 있지만, 양쪽의 경우에 있어서 열 왜곡은 와셔나 립을 외측으로 왜곡시켜 와셔나 립(30)의 후방으로부터 몇몇 이질적인 전자 방출이 다시 일어나도록 한다.

바람직한 제안이 도 7에 나타내어져 있다. 도시된 바와 같이, 낮은 일함수의 캐소드 재료가, 립(30)에 의해 정의된 캐소드 홀더(31)의 중심 홀내에 맞추어진 "모자"형상으로 기계가공된다.

란탄 헥사보라이드및 다른 재료의 기계가공은 레이저 기술이나 스파크 부식에 의해 수행될 수 있다. 에미터 버튼(5)이 홈(34)내에 탑재된 내열 금속 "C"클립(33)에 의해 적소에 유지되는 캐소드의 이러한 형상은, 유한 요소 소프트웨어를 이용하는 상세한 컴퓨터 분석 및 100kW까지의 빔전력 레벨 및 200kV까지의 동작전압에서의 광범위한 실제 테스트에 의해 증명된 바와 같이 매우 작은 이질적인 방출을 생성한다. 캐소드 버튼 면은 금속 홀더의 에지를 갖는 이상적인 평면에 설정되거나, 최대 0.040mm 안쪽에 세트된다.

와셔(35,36,37)는 탄탈(tantalum)로 제조되고, 패킹 와셔(35)가 홈(34)의 에지 바로 위로, 전형적으로 대략 0.03mm 돌출되어 텅스텐 와이어 서클립(33)이 압축력을 유지할 수 있도록 하고 있다는 점에 주의해야 한다.

캐소드(5) 및 홀더(31)는, 도 8 내지 도 10에 나타낸 바와 같이 표면 불연속이나 단차를 회피하면서 에지 방출을 최소로 하기 위해, 딱 맞추어짐을 달성하기 위한 다수의 방법으로 형성될 수 있다. 따라서, 도 8에 있어서는 립(30)의 에지 및 캐소드(5)의 대응하는 표면이 유사한 방법으로 테이퍼모양으로 형성된다. 도 9에 있어서는, 캐소드(5)는 이전의 실시예에서와 같은 만입부가 없이 간단히 테이퍼모양으로 이루어진 선단부를 갖는다. 도 10에 있어서는, 캐소드(5)는 홀더(31)의 내측면에 대해 유사한 형상과 대응하는 프러스토 원뿔형상을 갖는다.

연속해서 신중한 표면 그라인딩(surface grinding: 표면연마)을 가능하게 하는, 약간 돌출된 캐소드(5)를 초기에 탑재시킴으로써, 에미터와 이를 둘러싸는 홀더 에지 사이에서 불연속이나 단차가 없도록 하는 것이 가능하다.

바람직하게는, 캐소드 버튼(5)의 에지와 내열 금속 홀더(31) 사이의 접촉영역은, 열손실을 줄이기 위해 예컨대 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이 최소화되어야 한다.

물론, 확장된 빔형성 효과를 달성할 수 있는 볼록한 모양이나, 원뿔모양, 오목한 모양 또는 요각의 원뿔(re-entrant conical)모양을 달성하기 위해, 도 11 내지 도 14에 각각 나타낸 바와 같이 조합된 캐소드와 홀더 전방면을 프로파일하는 것이 가능하게 된다.

캐소드 버튼의 사용과, 연속되는 강한 전극의 집속을 달성하기 위해 초기 빔의 스웰이 유도되는 다이오드총과 통합되어 사용될 때 에지 방출을 회피하기 위한 탑재방법은, 고진공과 감압 및 비진공 동작에 대해 매우 높은 연속성을 나타낸다는 것이 증명되었다. 후자의 2가지의 경우, 노즐 차단 및 가열은 광범위한 전력 및 전압 동작레벨에 걸쳐 미미한 레벨로 감소된다. 더욱이, 빔전류가 0로부터 풀전력으로 조정될 때에도, 1차 초점 위치에서의 비교적 작은 변화는 작은 조정 또는 비조정이 노즐 어셈블리를 통해 빔을 집속하기 위해 채용된 1차 집속 렌즈 전류에 대해 필요하게 되도록 한다. 이는, 이전의 다이오드총 및 트리오드총과 비교해서 특히 구면수차 효과 및 1차 크로스오버(cross-over)의 심한 이동이 고유특성인 장비의 동작을 매우 간단하게 만든다.

전극의 하나의 바람직한 형상이 도 15에 나타내어져 있다. 이는, 다중의 보어의 수축부를 갖는 가늘고 긴 애노드(40; 70∼90mm 범위의 길이를 가짐)와 깊게 홈이 파인 캐소드 쉴드(41; 30∼40mm 범위의 깊이를 가짐)로 이루어진다. 캐소드 에미터(42)는 중공의 원뿔 지지부(43)상에 탑재되어, 캐소드 쉴드의 웰(well; 44) 내에 놓여진다. 도 15에 보다 상세히 나타낸 바와 같이, 필라멘트(45)는 캐소드(42)의 후방에 위치된다. 이와 같은 특별한 전극형상은, 175kV의 가속전압에 대해 각각 3mA, 166mA, 225mA 및 358mA의 빔전류 레벨에 대해 도 16 내지 도 19에 나타낸 유한 요소 컴퓨터 분석으로 나타낸 바와 같은 전자빔을 발생시킨다. 저전류(3mA)에서 상당한 공간전하의 부재하에 있는 도 16에 있어서, 캐소드 쉴드(41)의 중앙에서 홈(44)내에 탑재된 돌출하는 캐소드(42)에 의해 생성된 발산 렌즈효과에 의해 빔(102)상에 작지만 두렷한 스웰(46)이 만들어진다. 1차 크로스오버(47)는 매우 잘 정의되고, 전자 궤적은 거의 방사상으로 나오는 한 점에 거의 집속된다. 빔전류가 증가함에 따라(도 17에서 166mA, 도 18에서 225mA, 도 19에서 358mA), 빔상의 스웰은 점진적으로 증가하여 빔이 다시 집속될 수 있는 명백하게 큰 소스를 제공한다. 빔의 몇몇 퍼짐과 축방향 이동이 지속되지만, 385mA에서도 빔상의 뚜렷한 웨이스트(47; 도 19)가 유지되어 미세한 보어 노즐을 통한 통로에 대해 용이하게 매우 작은 직경의 빔으로 다시 집속될 수 있는 애노드를 넘어 연속적인 발산 빔을 제공한다.

도 15에 나타낸 장치를 통합하는 용접장치의 예가 도 20에 도시되어 있다. 도 15의 전자빔 총은 배기된 하우징(100) 내에 위치된다. DC전원(102)은 캐소드 쉴드(41) 및 캐소드(42)에 결합되는 한편, RF전원(101)은 인덕터(103)를 매개로 필라멘트(45)를 통해 결합된다. 필라멘트(45)는 가열되어 전자를 방사하는 바, 이 전자는 애노드(40)를 통과한 후에 진공챔버(100)로부터 나와 챔버(100)내에서 보다 높은 압력으로 유지되는 챔버(105)를 통과하는 전자빔(104)을 발생시키는 캐소드(42)를 향해 가속된다. 전자빔(104)은 챔버(105)를 통해 연장되는 가이드튜브(106)내에 제한되고, 가이드튜브(106)는 집속코일(107)과 정렬코일(108)의 2중 세트에 의해 포위된다. 챔버(105)내의 압력은 튜브(109)를 매개로 챔버와 결합되는 펌프(도시생략)에 의해 제어된다. 챔버(105)는 용접챔버(111)의 벽의 개구(110)를 통해 연장된다. 애노드(40)로부터 떨어진 챔버(105)의 단부는 전자빔(104)이 집속되는 노즐(112)로서 형성된다. 이것은, 챔버(105)내의 압력보다 높은 압력으로 유지되고 또 다른 펌프(도시생략)에 연결된 튜브(116)를 통해 배기되는 또 다른 챔버(113)로 들어가게 된다. 챔버(113)는 노즐(112)과 일렬로 정렬되는 노즐(113A)을 포함하고 있는 바, 또 다른 집속코일(114)과 빔 굴절코일(115)를 포함하는 또 다른 챔버(130)와 연통한다. 챔버(130)는 개구(131)을 통해 챔버(111)로 발산(vent)된다. 결합선상에 집속된 빔(104)과 일렬로 정렬된 결합선(120)을 갖는, 강철 튜브(117,118)와 같은 용접된 가공물의 쌍은 챔버(111) 내에서 지지대(119)상에 탑재된다. 이 경우, 결합선(120)을 전자빔(104)이 가로지르도록 하기 위해, 지지대(119)는 그 축에 대해 회전한다. 다른 구성(도시생략)에 있어서는, 지지대(119)가 움직이지 않고, 챔버 및 총이 회전될 수 있다.

도 20에 나타낸 구성의 단점 중 하나는, 챔버(111)의 벽을 통해 연장되기 위해 각각의 파이프(109,116)에 대해 필요성을 갖는, 분리연결이 각각의 챔버(105,113)에 대한 각 펌프로부터 만들어지지 않으면 안된다는 것이다.

도 21에는 일부분이 절개된 형상의 새로운 타입의 챔버 구성이 나타내어져 있다. 원통형 튜브(50)가 설치되고, 이것을 따라 4개의 벽(51∼54)이 위치되어 각각의 챔버(55∼57)를 규정한다. 각 벽(51∼54)은 중앙에 위치된 노즐(51A∼54A)을 포함한다(도 21에 있어서 노즐(52A)은 명확하게 되어 있지 않음). 노즐은 전자빔이 통과할 수 있도록 정렬된다. 3개의 길다란 격리대(150)의 세트는 튜브(50)의 외측에 탑재되고, 도 21에 나타낸 어셈블리가 격리대(150)와 결합하는 원통 외측 튜브내에 위치될 때, 각각의 공기통로가 격리대(150)의 각 쌍과 외측 튜브 사이에 규정된다.

각 챔버(55∼57)는 튜브(50)의 절개된 단면부(55A∼57A)를 매개로 각각의 공기통로와 연통한다. 각 공기통로는 도관(59)을 통해 각 배기펌프와 연통한다.

이 구성에 의해, 도관(59)을 어셈블리의 한 단부에 위치시키는 것이 가능하고, 각 펌프는 각 도관(59)과 대응하는 챔버(55∼57)에 연결된다.

도 22는, 도 21에 나타낸 타입의 챔버구성과 함께 사용되는 도 20의 용접장치를 설명한다. 전자빔 생성기는 100'로 개략적으로 나타내어져 있고, 도 20에 나타낸 생성기(100)와 유사한 구성을 가질 수 있다. 상기한 바와 같이, 전자빔은 가이드튜브(106)내에 제한되고, 이 튜브(106)는 집속코일(107) 및 정렬코일(108)을 챔버내에 전부 위치시킨다. 또 다른 집속코일(114) 및 정렬코일(115)이 챔버(57)내에 제공된다. 도 22에 있어서는, 내부에 챔버장치가 탑재된 외측 슬리브(60)를 점선으로 나타내고 있다.

도 23에는 챔버구성의 제2실시예와 함께 용접장치의 또 다른 실시예를 나타내고 있다. 도 20과 유사한 구성요소에 대응하는 도 23의 구성요소에는 동일 참조부호를 붙인다. 이 경우, 챔버 어셈블리는 챔버(111)내의 개구(110)를 통해 연장되는 외측 슬리브(140)를 포함한다. 슬리브(140)의 선단부는, 집속코일(114) 및 정렬코일(115)이 그 내부에 위치되는 챔버(130')를 규정한다. 벽(141)은 슬리브(140)의 전체 단면을 가로질러 연장되고, 전자빔(104)이 통과하는 중앙노즐(142)을 규정한다.

내측에서 원통형 슬리브(143)는 슬리브(140)의 후방에서 지지되어 챔버(105')를 규정한다. 내측 및 외측 슬리브(143,140) 사이의 공간(144)은 통로(145)를 매개로 펌프에 의해 배기되는 챔버(113')를 규정한다. 챔버(105')는 슬리브(140)를 통해 연장하는 통로(146)를 매개로 펌프(도시생략)와 연통된다.

특히, 양쪽의 통로(145,146)는 챔버(111)의 외측에 위치되고, 따라서 펌프에 더 쉽게 연결되므로, 챔버(111)의 벽을 통과하는 또 다른 통로를 제공하는 복잡함을 회피한다.

상기한 모든 실시예에 있어서, 필라멘트(예컨대, 도 23의 필라멘트(45))는 1차 전자를 생성하기 위해 사용되고, 이 1차 전자는 캐소드(42)를 타격하여 차례로 전자빔을 형성하는 2차 전자를 생성한다. 많은 응용에 있어서, 이것은 만족스럽지만, 전자빔이 상당한 시간동안 유지되어야 하고 전자빔 용접과 같은 소정 응용에 대해서는 필라멘트의 수명이 지나치게 짧아진다. 그러므로, 바람직한 어프로치에 있어서는, 필라멘트는 유도적으로 가열되는 1차 에미터에 의해 치환된다. 이는 도 24∼도 26에 도시되어 있다. 상기한 바와 같이, 1차 캐소드(5)는 (도 5의 실시예와 같이) 원뿔형 지지대(21)상에 탑재된다. 란탄 헥사보라이드와 같은 소정의 적절한 열도전성 세라믹이나 텅스텐 또는 탄탈과 같은 내열 금속일 수 있는 1차 에미터 디스크(200)가 캐소드(5) 후방의 일정 간격의 지점에 위치된다. 이 디스크(200)는, 스크류(217)에 의해 분할 결합루프 베이스(split coupling loop base; 208) 내로 206에서 조여진 핀홀더(202)에 의해 적소에 차례로 유지되는 핀(201)상에 지지된다. 그러브 스크류(grub screw; 도시하지 않음)는 핀(201)을 구리부재(202)내에 고정하는 스크류(217) 내측에 제공된다.

1차 에미터(200)는 임의의 편리한 방법으로 핀(201)상에 탑재될 수 있지만, 원뿔형 지지대(21)가 캐소드로부터 에미터(200)상으로 역으로 방출된 전자를 집속할 수 있기 때문에, 집속된 빔을 수신하고 따라서 1차 에미터의 손상을 회피하는 중앙 리벳(ribet)에 의해 에미터(200)를 고정하는 것이 바람직하다.

1차 에미터(200)를 가열하기 위해, 1차 에미터를 에워싸고 도 26에 나타낸 바와 같은 전기회로에 연결되는 유도결합루프(203)가 제공된다. 유도결합루프(203)는 세라믹 절연체(204)에 의해 지지된다.

유도결합루프(203)는 분할 결합루프 베이스(208)에 연결된다. 편의상, 유도결합루프(203) 및 분할 결합루프 베이스(208)는, 예컨대 구리의 단일의 금속블록으로부터 기계가공된다.

도 26에 나타낸 바와 같이, 도 24 및 도 25에 나타낸 어셈블리의 동력전달을 위한 회로는 유럽특허공보 제EP-A-0627121에 기재된 바와 같다. 그리고, RF증폭기(도시생략)에 연결되고, 1차 권선(공중선; 213)에 연결된 인덕터(211)와 조정가능한 캐패시터(212)를 포함하는 매칭회로(210)를 포함한다. 공중선(213)은, 공진 캐패시터(215)와 분할 결합루프 베이스(208)를 매개로 유도결합루프(203)에 결합된 2차 권선에 전압을 유도한다. 또한, 2차 권선(214)은 1차 에미터(200) 및 캐소드(5)에 연결된다. 캐소드가 1차 에미터에 대해 포지티브일 때, 인덕터(214) 및 캐패시터(215)를 가로질러 발생되는 전압은 1차 에미터(200)로부터 캐소드(5)로의 전자 가속을 위해 사용된다.

도 25는, 2차 권선(214) 및 공진 캐패시터(215)와 같은 도 26에 나타낸 회로의 구성요소를 수용하기 위한 다수의 미세한 홀(216)을 나타내고 있다.

유도적으로 가열된 1차 에미터를 사용함으로써, 이 구성이 전자빔 용접에 특히 적합하도록 만들어(통상적인 필라멘트와 비교해서) 수명이 현저히 증가하게 된다.

Claims

한 극성의 하전입자를 방출하기 위한 에미터부재와, 이 에미터부재의 주위를 에워싸고, 사용 중에 상기 하전입자와 동일 극성으로 유지되는 관형상 쉴드전극 및, 상기 쉴드전극과 실질적으로 동축상에 위치되고, 사용 중에 상기 쉴드전극과 반대의 극성으로 유지되는 관형상 가속전극을 구비하여 구성되되,

상기 에미터부재로부터의 하전입자가 초기에 측면 외측으로 퍼진 후, 상기 관형상 가속전극을 통과하는 빔에 집속되도록 된 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 관형상 쉴드전극 및 가속전극이, 상기 에미터부재로부터 상기 관형상 전극을 향하는 방향으로 상기 하전입자빔의 발산을 초기에 야기시키는 정전기장을 발생하도록 배치된 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제2항에 있어서, 상기 에미터가 상기 쉴드전극의 중앙부에 탑재되어 상기 쉴드전극의 베이스로부터 돌출되도록 된 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제3항에 있어서, 상기 돌출된 중앙부가 상기 쉴드전극의 베이스를 향해서 외측으로 테이퍼형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 에미터가 상기 하전입자를 방출하도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제5항에 있어서, 상기 에미터가 상기 하전입자를 방출하도록 하는 수단이, 상기 에미터를 타격하도록 배치된 2차 하전입자의 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제6항에 있어서, 상기 소스에 의해 방출된 하전입자가 전자를 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 에미터에 의해 방출된 하전입자가 전자를 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제6항에 있어서, 상기 2차 하전입자의 소스가 유도적으로 가열된 보조 에미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 쉴드전극이 실질적으로 원통모양의 측면을 갖는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 관형상 가속전극이 상기 쉴드전극의 에지에 의해 규정된 평면에 인접해서 종단되도록 된 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 에미터가, 전기적으로 연결된 지지부재의 개구내에 탑재된 에미터부재를 포함하고 있고, 이 에미터부재가 지지부재보다 낮은 일함수를 가짐으로써, 작동온도에서 상기 에미터부재가 노출된 표면으로부터 하전입자를 방출하도록 된 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제12항에 있어서, 상기 에미터부재가 지지부재보다 낮은 일함수를 가짐으로써, 작동온도에서 그 에미터부재가 노출된 표면으로부터 하전입자를 방출하고, 상기 에미터부재의 노출된 표면이 개구를 에워싸는 지지부재의 외측으로 면하는 표면과 실질적으로 같은 높이로 되거나 낮게 세트되는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제13항에 있어서, 상기 에미터부재가 상기 지지부재의 개구내에 밀접하게 고정되는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제13항에 있어서, 상기 지지부재의 부분과 상기 에미터부재의 부분이 대응해서 테이퍼형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제15항에 있어서, 상기 지지부재 및 상기 에미터부재의 부분이 상기 에미터부재의 노출된 표면을 향해 내측으로 테이퍼형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제13항에 있어서, 상기 에미터부재가 각 부재에 체결되는 클립에 의해 지지부재에 고정되는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제17항에 있어서, 상기 클립이 상기 지지부재내의 홈내에 수용되는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제13항에 있어서, 상기 에미터부재의 노출된 표면과 상기 지지부재의 외측으로 면하는 표면이 공통평면을 규정하는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제19항에 있어서, 상기 에미터부재의 노출된 표면과 상기 지지부재의 외측으로 면하는 표면이 볼록한 모양이나, 원뿔모양, 오목한 모양 또는 요각의 원뿔 형상 중 하나를 규정하는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제13항에 있어서, 상기 지지부재가 원뿔형상 단면부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제13항에 있어서, 상기 에미터부재가 작동온도로 가열될 때, 전자를 방출하는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제13항에 있어서, 상기 에미터부재가 란탄 헥사보라이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
제13항에 있어서, 상기 지지부재가 탄탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자 방출 어셈블리.
삭제
제1항에 기재된 하전입자 방출 어셈블리와, 상기 하전입자빔에 노출된 소재를 지지하기 위한 가공물 지지대 및, 상기 하전입자빔과 상기 가공물 지지대 사이의 상대이동을 야기시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접장치.
일련의 제어된 압력챔버를 갖고, 이들 챔버 각각이 하전입자빔이 통과될 수 있는 입구 및 출구와, 챔버내의 압력이 제어가능하도록 펌프에 연결하기 위한 배기포트를 가지며, 사용 중에 연속적인 챔버의 압력이 증가되는 빔 종형 어셈블리와,

상기 빔 종형 어셈블리에 결합되고, 청구항 1에 기재된 하전입자 방출 어셈블리를 포함하는 배기된 하전입자빔 소스챔버를 구비하여 구성되되,

상기 배기포트가, 적어도 하나의 업스트림 챔버를 통과하는 어셈블리내에서 연장되는 도관을 매개로 다운스트림 챔버에 연결된 것을 특징으로 하는 하전입자빔 어셈블리.
제27항에 있어서, 상기 챔버가 맞추어진 튜브에 의해 규정되고, 각 도관이 그 도관이 연결되는 튜브의 관형상 벽 및 다음 업스트림 챔버의 관형상 벽에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 어셈블리.
제28항에 있어서, 상기 맞추어진 튜브가 실질적으로 동축모양인 것을 특징으로 하는 하전입자빔 어셈블리.
제27항에 있어서, 상기 챔버가 외측튜브내에 배치된 관형상 단면부의 세트에 의해 규정되고, 각 관형상 단면부가 방사상으로 외측으로 면하는 개구를 가지며, 각 챔버의 방사상으로 외측에 면하는 개구가 모든 다른 챔버의 방사상으로 외측으로 면하는 개구로부터 주위로 오프세트되고, 축방향으로 연장되는 세트가 상기 각각의 도관을 형성하기 위해 상기 관형상 단면부와 상기 외측튜브 사이에 위치된 벽을 분할하며, 각 도관이 대응하는 배기포트를 갖는 챔버의 방사상으로 외측에 면하는 개구에 연결되는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 어셈블리.
제30항에 있어서, 상기 관형상 단면부가 실질적으로 동일한 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 어셈블리.
제28항에 있어서, 상기 맞추어진 튜브나 상기 관형상 단면부가 실질적으로 원통형상인 것을 특징으로 하전입자빔 어셈블리.
제27항에 있어서, 하나의 챔버의 입구가 다음에 인접하는 업스트림 챔버의 출구에 의해 규정되는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 어셈블리.
제27항에 있어서, 상기 입구 및 출구가 상기 빔에 대해 직선으로 둘러싸인 통로를 규정하는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 어셈블리.
삭제
제27항에 있어서, 상기 하전입자빔 소스챔버로부터 가장 먼 챔버의 압력이 대기압 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 어셈블리.
제27항에 있어서, 배기된 하전입자빔 소스챔버가,

한 극성의 하전입자를 방출하기 위한 에미터부재와, 이 에미터부재의 주위를 에워싸고, 사용 중에 상기 하전입자와 동일 극성으로 유지되는 관형상 쉴드전극 및, 상기 쉴드전극과 실질적으로 동축상에 위치되고, 사용 중에 상기 쉴드전극과 반대의 극성으로 유지되는 관형상 가속전극을 구비하여 구성되되, 상기 에미터부재로부터의 하전입자가 초기에 측면 외측으로 퍼진 후, 상기 관형상 가속전극을 통과하는 빔에 집속되도록 된 하전입자 방출 어셈블리를 구비하여 구성된 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 하전입자빔 어셈블리.