NO326142B1 - Sammenstilling for utsendelse av ladede partikler, samt sveiseapparat - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder anordninger og emittere som avgir ladede partikler, spesielt en sammenstilling for utsendelse av ladede partikler, samt et sveiseapparat som omfatter en slik sammenstilling. Oppfinnelsen gjelder f.eks. generering av høyeffekts elektronstråler (EB) og overføring av disse inn i vakuumkamre som i drift har trykk i området fra omkring 10"<1>mbar opp til flere hundre mil-libar. Oppfinnelsen kan imidlertid også utøves på andre typer av stråler av ladede partikler innbefattet slike som dannes av negativt eller positivt ladede ioner.

Elektronstråler kan umiddelbart fremstilles ved frigjøring av frie elektroner fra en emitter og akselerasjon av disse i et elektrisk felt. For elektronstråler som bare brukes for slike anvendelser som vakuumsmelting av metaller, er strålekvalitet med hensyn til energidensitetsfordeling, stråle-lysstyrke og stråleprofil av liten betydning. Vanligvis defineres "lysstyrke" i denne forbindelse som strømdensi-tet/steradian.

For andre anvendelser er imidlertid strålekvalitet ytterst viktig og må dess-uten være stabil og reproduserbar. Når det gjelder elektronstrålesveising (EBW), er f.eks. evnen til gjentatt å frembringe dype smale smeltesoner av alltid én og samme dybde og bredde kritisk avhengig av:

i) stråleenergiens densitetsfordeling

ii) plasseringen av fokus i forhold til arbeidsstykkets overflate og

iii) stråle-lysstyrke som omfatter både treffpunktstørrelse og konvergensvinkel-faktorer.

For elektronisk strålesveising er det viktig å oppnå en klart definert energidensitetsfordeling og vanligvis er denne da av gaussisk form. For å utføre dyp og smal sveising må også strålens konvergensvinkel reguleres innenfor et forholdsvis smalt område. Med sveising av stål, f.eks. i seksjoner av tykkelse 100-150 mm, vil en stråle med halwinkel større enn 1 grad føre til ustabiliteter i sveisebadet og indre feil. En stråle som er tilnærmet parallell kan på den annen side være i høy grad egnet for sveising av slike tykke seksjoner, men er ikke egnet for å frembringe meget smale sveiser på stålseksjoner på 1-10 mm. Når det gjelder tynnere seksjonsdimensjoner, er spredning av sveiseenergien meget viktigere. Hvis av en eller annen grunn sveisefordelingen omfatter en vesentlig frynsekant, vil dette vise seg i sveisens smeltesone-form. I stedet for å oppnå en nesten parallell sveise-sone, slik som ved gaussisk fordeling, vil en meget bredere ikke-parallell sveise-sone med et såkalt "spikerhode"-søm bli frembrakt. Mer sveiseeffekt vil da være påkrevet for samme sveisedybde, lateral krymping etter sveising vil overalt være større, og da det vil være bredere sveisebredde oventil enn ved bunnen, vil ujevn krymping finne sted og kan føre til formforandring av komponenten slik som angitt. For presisjonskomponenter kan dette ofte ikke godtas og kan også føre til sveise-sprekker.

På lignende måte er da viktig, særlig for tynnseksjonssveising, å oppnå tilstrekkelig intensitet i fokalpunktet. For utstyr som frembringer en nesten parallell

stråle, vil utilstrekkelig intensitet, selv om den er uten kantfrynser, føre til forholdsvis brede avskrånede smeltesoner ledsaget av kraftig formforandring og atter risi-ko for oppsprekking. Nær parallelle stråler er ikke nødvendigvis fokuserbare, rom-ladningsspredning kan fremdeles opptre i vakuumomgivelser selv på tross av sterke positive ione-nøytraliseringsvirkninger. For en nesten parallell stråle som trenger inn i en fokuseringslinse som forsøker å fokusere en stråle over en lang avstand, vil således føre til liten eller ingen reduksjon av strålediameteren. Stråleprofilen og intensitetskarakteristikken kan ofte ved midlere og høyere effekter bli totalt dominert av ione/elektron-vekselvirkninger.

Det er derfor meget viktig å sende ut strålen fra elektronkanonen med en veldefinert divergens (innenfor et spesifisert område), høy strålestyrke, lav aberrasjon og uten frynsekanter.

Ett mulig middel for å oppnå høyere konvergensvinkel med det formål å bekjempe romladnings-spredning innenfor området middels til høy strålestrøm ved hjelp av en triode-kanon er å anvende elektroder som frembringer et sterkere fo-kuseringsfelt. Dette fører imidlertid til kraftig konvergens ved lav strøm når gitterfeltet blir et ytterligere kraftig fokuseringselement. Store svingninger i konvergens-vinkelen er vanligvis uønsket selv ved EBW ved høyt vakuum og oppviser større vanskeligheter i utstyr som utnytter stråleoverføring for drift ved redusert trykk (5 x 10"<1> til ~250mbar) eller ikke-vakuum (~1000mbar) hvor munnstykker med fine ut-boringsåpninger anvendes for å begrense gasslekkasje inn i kanon-området.

Enda en annen fremgangsmåte for å oppnå større konvergens, med det formål å bekjempe romladnings-spredning ved høye strømnivåer, er å utforme en kanon slik at katode, gitterelektrode og anode befinner seg i umiddelbar nærhet av hverandre. Dette fører til raskere akselerasjon av elektrodene over en kortere ak-sialavstand, hvilket reduserer muligheten for innbyrdes elektronfrastøtning. Uhel-digvis øker et slikt arrangement de elektriske overflatepåkjenninger på elektrodene og kan føre til øket tendens til høyspenningsnedbrytning.

Unngåelse av kantfrynser og optimal fokusering av elektronstrålene er ytterst viktig når vedkommende stråle må sendes gjennom smale åpninger for å trekke ut elektronene fra høyvakuumområdet (5.10"<5> - 5.10"<6>mbar. For et kanon-hus inn i arbeidskamrene som arbeider for over et trykkområde på omtrent 5.10"<2 >til lOOOmbar. Lekkasjetakten av gass fra arbeidskammeret inn i kanonhuset er først og fremst bestemt ved diameteren og lengden av vedkommende åpninger i tillegg til antall åpninger og pumpekapasiteten for mellomtrinnspumpene.

Strålefrynser har en tendens til å inneholde store effektmengder og selv for drift med lav totaleffekt (f.eks. 5kW), vil åpningsmunnstykkenes evne til å observe-re den ekstra effekt være begrenset selv om kraftig vannkjøling påføres, og til for-skjell fra elektronmikroskop-innretninger, hvor stråleeffekten er ytterst liten, vil det være upraktisk å skrelle av den uønskede frynsekant mot avskjærings diafragma. Av lignende grunner vil det være viktig å unngå en nesten parallell stråle med lav strålestyrke på grunn av den store strålediameter.

Strålekvaliteten og spørsmålet om en bestemt elektronkanon frembringer en ren stråle uten aberrasjon og med en veldefinert divergens er meget avhengig av kanons utførelse og bød da særlig katodeutførelsen og den detaljerte geometri av elektroder i umiddelbar nærhet av katoden.

De fleste elektronkanoner som anvendes for EBW er trioder. Bruk av gitter-elektroder sikrer at katodeemisjon med lav strålestrøm er begrenset til et midtparti av katoden, men nærvær av sterkt elektrisk felt frembrakt av gitteret fører til betraktelig feilfokusering av strålen.

De ytre elektronbaner har da en kortere fokallengde enn det sterke gitterfelt på grunn av at de ligger nærmere kanten av gitterskålhullet enn de mer sentrale elektroder. Etterhvert som gitterspenning reduseres for å øke strålestrømmen vil også emisjonsområdet utvides og kan da til og med tillate at elektroner utløses fra katodekantene, hvor ugunstige geometriske trekk frembringer elektroniske beve-gelsesbaner som er radikalt forskjellige fra hovedelektronstrømningen. Det svekkede gitterfelt kombinert med øket romladning i strålen etterhvert som stråle-strømmen økes, kan i tillegg resultere til kraftig spredning av strålen og tap av primærfokus. Også tapet av primærfokus og den virtuelle bildeposisjon (som vil fremtre for den første fokuseringslinse) kan bevege seg betraktelige avstander oppover og nedover langs stråleaksen i avhengighet av strålens strømnivå.

Strålefrynser som frembringes av en slik elektronkanon, driften av primærfokus med strålestrømmen, manglende stråle-konvergeringsvinkel ved høy strøm og den relativt høye konvergensvinkel ved lav strøm, kan i ugunstig grad påvirke sveisingsatferden selv for konvensjonelt utstyr som projiserer stråler inn i kammeret med forholdsvis høyt vakuum (5 x 10'<3>mbar). For stråler som skal overføres gjennom små åpninger, kan den funksjonelle drift bli vanskelig eller til og med umulig, særlig ved høyeffektsdrift (større enn f.eks. 30kW).

I henhold til et første aspekt ved foreliggende oppfinnelse, omfatter utstyr for utsendelse av ladede partikler et emitterlegeme for å avgi ladede partikler med én polaritet, en rørformet skjermelektrode som omslutter emitterlegemet og i bruk holdes på samme polaritet som de ladede partikler, samt en rørformet akselereringselektrode som er plassert hovedsakelig koaksialt med skjermelektroden og i drift holdes på motsatt polaritet i forhold til skjermelektroden, idet arrangementet er slik at ladede partikler fra emitterlegemet innledningsvis spredes lateralt utover og derpå fokuseres til en stråle som passerer gjennom den rørformede akselereringselektrode.

Oppfinnelsen omfatter en spesiell diode-kanonkonstruksjon. En diodekanon har sammenlignet med en triode mange klare fordeler som går ut på at:

i) det er mulig hovedsakelig å eliminere aberrasjon,

ii) regulering av strålens form og kvalitet ved høy strøm kan oppnås lettere enn ved en triode,

iii) tilstrekkelig strålekonvergens kan oppnås ved høy strøm uten over-dreven konvergens ved lav strøm,

iv) når kanonen arbeider i temperaturbegrenset modus så vil stråle-strømmen under kanonens elektronutskyting ikke kunne øke ubegrenset til for-skjell fra en triodekanaon hvor nedbrytning av høyspenningen mellom kanonelekt-rodene og jord vil kunne føre til kortslutning av gitterspenningskilden og øyeblikke-lig utløsning av maksimal stråleeffekt,

v) diodekanonen krever færre ekstra tilførselskoplinger (to i tilfelle en vanlig indirekte oppvarmet diode, en i tilfelle en høyfrekvenseksitert, indirekte oppvarmet diode, en ved en indirekte oppvarmet diode), og

vi) for en diodekanon vil den elektriske kabelføring og ledningsforbin-delser være enklere, særlig for en høyfrekvenseksitert diode hvor bare én høy-spenningsforbindelse er påkrevet samt ingen ekstra tilførselsforbindelser, idet høyfrekvenseffekten vil være induktivt koplet fra en avstandsliggende høyfre-kvensantenne eller primærvikling som er plassert inne i kanonhuset.

Fravær av fokuseringsvirkningen fra gitterfeltet i en diodekanon, spesielt med en katode med liten diameter, kan den høye romladningstetthet i strålen,

særlig ved høye strømnivåer, føre til spredning av strålen og mangel på veldefinert primærfokus, og strålen kan da faktisk være utilstrekkelig kollimert til selv å passere gjennom anodehullet. En løsning for å unngå kraftig strålespredning ville naturligvis være å bruke en katode med stor diameter, men dette vil grunnleggende redusere strålens lystetthet og komplisere utstyret, samt øke omkostningene.

I henhold til oppfinnelsen skapes en utpreget svelling av elektronstrålen innledningsvis, slik at det dannes en kunstig stor strålekilde som derpå kan fokuseres med en forholdsvis høy konvergensvinkel av det elektriske hovedfelt mellom katode og anode i elektronkanonen.

Når det gjelder den endelige stråle-lysstyrke som kan oppnås i strålen ved en gitt akselerasjonsspenning, vil dette avhenge av mange faktorer, men ved høy-effekts EBW-kanoner er den meget avhengig av katodediameteren og elektronka-nonens utførelse. Grunnleggende er det meget viktig å nedsette katodediameteren til et minimum, da det overalt i fokuseringssystemet etter elektronkanonen treffpunktstørrelsen er proporsjonal med katodediameteren samt proporsjonal med kvadratroten av katodens driftstemperatur angitt i grader Kelvin.

I henhold til oppfinnelsen blir det mulig å begrense katodediameteren eller klarere uttrykt emisjonsdiameteren slik at derved stråle-lysstyrken forbedres. Begrenset katodediameter og katodens totale overflateområde såvel som dens drifts-temperaturer, vil videre redusere de ekstra behov for oppvarmingseffekt, samt også ekstra omkostninger for effektkilde og nedsetter også kanonens driftstemperatur og den termiske forvrengningspåvirkning av elektrodegeometrien. Redusert varmeoverføring til kanonen reduserer nedkjølingsbehovene, som alltid byr på vanskeligheter for en EBW-kanon som er montert i vakuum på ytterenden av en lang høyspenningsisolator, da denne isolator ikke bare er en dårlig elektrisk leder men også en dårlig varmeleder.

Katodens emisjonsområde må naturligvis være tilstrekkelig til å frembringe den påkrevde strålestrøm for en gitt levetid for katoden, da ione- erosjon, oksidering og fordampning øker med katodetemperaturen, men meget kan vinnes med å optimalisere forholdet mellom emisjonsdensitet og stråle-lysstyrke som er faktorer i innbyrdes konflikt.

I et eksempel på utførelse av foreliggende oppfinnelse, er strålefokusering i kanonområdet i nærvær av kraftig romladningsbelastning oppnådd ved hjelp av en dypt forsenket katodeskjerm-elektrode kombinert med en lang anode med liten diameter, hvis ytterende er plassert tett inntil enden av katodens skjermelektrode eller til og med godt innenfor denne. Dette frembringer en sterk fokuseringsvirking som fungerer godt ved lave, midlere og høye effektnivåer.

Strålens svelling eller laterale spredning kan oppnås på mange forskjellige måter. Én metode er å velge katodediameteren og elektrodegeometrien slik at elektrodeakselerasjonen innledningsvis er meget lav, hvilket gjør det mulig å frembringe romladnings-spredning ved å sette inn en relativt liten katode inne i en dypt forsenket katodeskjermkapsel. Hvis katodediameteren er for liten, vil dette begrense den maksimale strålestrøm for en gitt akselereringsspenning før kanonen blir romladnings-begrenset, og den innledende spredevirkning kan da bli så stor at det påfølgende konvergerende elektrostatiske felt i det mellomelektrodegap som opprettes av den generelle diametriske elektrodeform av katodeskjerm/anode blir utilstrekkelig til å refokusere strålen til en bestemt liwidde eller overkrysning. Hvis på den annen side katoden er for stor, så vil emisjonstettheten på katoden være for lav til å frembringe den påkrevde innledningsvise stråleekspansjon, og strålen vil da følgelig få utilstrekkelig etterfølgende konvergens til å kunne unngå spredning under sluttperioden av akselerasjonen. Kombinasjonen av elektrodeforming og katodestørrelse er således kritisk for en gitt akselerasjonsspenning og et visst effektdriftsområde for å kunne oppnå den beste ytelse.

En andre fremgangsmåte for å oppnå den kunstig dannede vide elektronkilde uten behov for høy strømtetthet på katoden omfatter frembringelse av et egnet elektrostatisk felt umiddelbart foran katoden for derved å bringe strålen til å divergere. Dette kan oppnås ved å montere katoden på toppen av et konisk- eller sylinderformet utragende legeme som står oppreist på bunnen av katodeskjerm-kapselen.

Katoden kan ha et flateområde større enn 5 mm<2>, og tillater da drift ved effektnivåer utover 10OkW.

Som beskrevet ovenfor, kan den innledende strålesvelling som frembringes ved romladnings-spredning økes ved benyttelse av et egnet elektrostatisk felt. Dette vil da øke størrelsen av den tilsynelatende strålingskilde etter den innledende strålespredning, og vil da tillate dannelse av en sterkt konvergerende stråle med veldefinert fokus over et bredt strømområde. Enda et annet mulig middel for å frembringe den innledende stråleutvidelse er å forme katodeoverflaten slik som beskrevet nedenfor, og slik at i det minste emitteren blir hovedsakelig konveks eller konisk.

Det første aspekt ved oppfinnelsen kan anvendes i sveiseapparater av forskjellige typer, innbefattet vakuumkamre som drives i trykkområdet fra 5x10"<5>mbar til 5x10~<2>mbar. Oppfinnelsen er imidlertid særlig egnet for bruk i sveiseapparater som arbeider i de midlere trykkområder, nemlig 10~<1>mbar til flere hundre mbar, samt til og med ved høye trykk og ikke-vakuum.

Typiske industrisektorer som har erfart de potensielle fordeler ved slikt utstyr er produsenter av tykkveggede rørseksjoner, rørsveisere til havs og på land, selskaper for deponering av nukleært avfall, fremstillere av effektgenereringsutstyr samt produsenter av komponenter for luftfartøyer.

Ved mange av disse anvendelser er veggtykkelsen for de materialer som skal sveises i en enkelt omgang større enn 15 mm og kan være så tykke som 150 mm eller mer. I ethvert tilfelle krever behovet for rask sveising stråleeffekt-nivåer på minst 30kW og i visse tilfeller opptil 100kW eller mer.

For alle de diodekanoner, innbefattet de som er beskrevet ovenfor, er et hovedproblem som er vedblitt stort sett uløst forut for denne oppfinnelse det forhold at sidene eller kantene av katoden avgir uønskede elektroner med fluktbaner som ikke kan styres. Tallrike metoder for å hindre at dette finner sted er blitt for-søkt med anstrengelser over flere dekader av mange forsknings- og utviklings-grupper. Én av de enkleste arrangementer er blitt beskrevet i US-patent nr. 3,878,424 (inngitt 17. juli 1973), hvor en plan diode ble foreslått for å overvinne gitterelektrodens sfæriske aberrasjonsvirkning. I dette tilfelle ble oksid (f.eks. barium-strontium-kalsium) pakket inn i et hull i en ildfast metallkatodes "oppvar-mings"-plate, som da kunne oppvarmes ved hjelp av forskjellige metoder. I en annen utførelsesvariant, ble oksid påført overflaten av en ildfast metallplate. Ved å varme opp platen til en temperatur godt over emisjonspunktet for katodeplaten av ildfast metall, ble det oppnådd kraftig emisjon av oksiden ved lavere arbeidsfunksjon, slik at kantvirkningene ble unngått. Den foreslåtte innretning kan være vel egnet for å frembringe laveffektsstråler for elektronmikroskoper hvor oksidbeleg-get eller pluggen i et hull bare er noen 100 (im i diameter, men for høyeffekts EBW-kanoner som stadig utsettes for ionebombardement, gasser og stoff i partik-kelform fra sveisedammen, ville oksidkatoder raskt bli forgiftet slik at deres emi-sjonsegenskaper ville bli ødelagt. Også når det gjelder oksidfilmen er denne vanligvis bare 50 |im tykk og ville bli raskt erodert i EBW-utstyr. Videre ville den plane katodeplate bli formforandret, hvilket ville forårsake uheldige og uforutsigbare for-andringer i stråledivergens og strålens projeksjonsretning. Forskjellig utvidelse mellom de to forskjellige materialer vil også kunne forårsake sprekkdannelse og avskrelling av emitteren.

I enda et annet forsøk på å unngå ekstra kantemisjon, er det i henhold til Bull et al, "An electrostatic electron gun", Metal Construction and B.W.J. nov. 1970 2 (11), side 490, angitt fremstilling av en indirekte oppvarmet diodekanon med sfærisk elektrode, hvor perforeringer er påført omkring en ildfast metallkatode-elektrode for å avgrense emisjonen til et sentralt område. Denne elektronkanon lider imidlertid også av termisk formforandring av det sentrale katodeområdet og perforeringen gjorde det mulig for elektroner å passere gjennom fra det primære bak-bombardement inn i hovedstrålen for der å forårsake ytterligere hovedstråle-forvrengning. En viss reduksjon i primærelektronstrømmen blir oppnådd ved å innføre ytterligere elektronbarrierer på baksiden av katodeskjermen, men katodeforvrengningen utgjorde fortsatt et problem.

Tallrike andre fremgangsmåter for å regulere kantemisjonen er blitt tatt i betraktning.

Lekkasje av primærelektroder inn i strålen kan forhindres ved montering av katoden på et sammenhengende konisk legeme, slik det vil bli beskrevet mer detaljert nedenfor.

Katoder av lignende form er også blitt sammenstilt fra to materialer som oppviser forskjellig arbeidsfunksjon, idet emitteren er utført i et lavfunksjons-materiale, slik som lantan-heksaborid, som ikke lett forgiftes under EBW, samt en ytre bærestruktur utført i et ildfast metall, slik som tantal. Et slikt arrangement er også beskrevet i EP-A-0627121. Lignende arrangementer er blitt utviklet separat og er beskrevet i GB-A-1549127, men denne bestemte kanon var klart forskjellig fra foreliggende oppfinnelsesgjenstand på mange måter.

I disse tidligere utviklingsprodukter med det formål å understøtte latanheks-aborid-brikken var det nødvendig å anbringe den på baksiden av en leppe i den ildfaste metallholder. Denne leppe vil fremdeles forstyrre det elektriske felt og resultere i vesentlig sfærisk aberrasjon hvor de ytre elektroner blir, slik som når det gjelder triodekanoner, fokusert i en kortere fokallengde enn de som befinner seg nær aksen. Leppetykkelsen kan reduseres ved omhyggelig maskinbearbeiding eller ved å plassere en tynn ildfast metallskive foran katoden, men i begge tilfeller brakte termisk formforandring leppen til å skyves utover, hvilket atter førte til eks-traordinær elektronemisjon fra baksiden av leppen eller skiven.

En annen teknikk som er blitt delvis vellykket er å påføre den ytre ring av det frilagte materiale med lav arbeidsfunksjon med et materiale med høy arbeidsfunksjon. Katoden utført i f.eks. latan-heksaborid, ble f.eks. belagt rundt sin peri-feri med wolfram i ringform på forsiden. Skjønt denne teknikk så lovende ut til å begynne med, ble det funnet at den led av beleggtap på grunn av ionebombardement, oksidering og fordampning i drift. Det var også vanskelig å unngå skade på det tynne belegg under sammenstillingen. I tillegg forårsaket leppen på holderen, skjønt den medførte en redusert fokuseringsvirkning, likevel en aberrasjon som ikke kunne godtas.

Enda en annen teknikk som kan anvendes er å slaglodde materialbrekken med lavere arbeidsfunksjon på holderen ved bruk av et sammensatt materiale, slik som molybden-disilisid. Det var imidlertid problematisk å oppnå en ikke-porøs slaglodding av høy kvalitet uten å forurense LaB6-materialet, og selv ved de beste tilfeller hadde slagloddematerialet en tendens til sprekkdannelse i drift, på grunn av gjentatte temperaturvekslinger.

Emitterlegeme er foretrukket montert i en åpning i et bærelegeme som den er elektrisk koplet til, hvor emitterlegemet har en lavere arbeidsfunksjon enn bærelegemet, slik at emitterlegemet ved arbeidstemperatur vil sende ut ladede partikler fra sin frilagte overflate, og hvor den frilagte overflate av emitterlegemet er trukket tilbake fra eller fortrinnsvis befinner seg hovedsakelig i flukt med en utovervendt overflate av bærelegemet som omgir åpningen.

I den foretrukne utførelse av oppfinnelsen er katodematerialet med lav arbeidsfunksjon maskinbearbeidet til en "hatt"-formet utførelse som passer tett inn i et sentralt hull. Hensiktsmessig passer emitterlegemet med tett pasning inn i åpningen i bærelegemet.

En del av bærelegemet og en del av emitterlegemet kan være innbyrdes til-passet avskrånet.

Alternativt eller i tillegg kan emitterlegemet være festet til bærelegemet ved hjelp av en klype som befinner seg i inngrep med begge legemer.

I et særlig foretrukket arrangement, danner den frilagte overflate av emitterlegemet og den utovervendte overflate av bærelegemet et felles plan.

Det beskrives også en kolonnesammenstilling for ladet partikkelstråle og for montering på et evakuert kildekammer for ladet partikkelstråle en sekvens av kammeret med regulert trykk og som hvert har en innløps- og en utløpsåpning hvorigjennom en stråle av ladede partikler kan passere samt en evakuerings-åpning for forbindelse med en pumpe for å tillate regulering av trykket i vedkommende kammer, slik at trykket i påfølgende kamre øker under drift, og der evakue-ringsåpningen er forbundet med et nedstrømskammer gjennom en krets som for-løper inne i sammenstillingen forbi minst ett oppstrømskammer.

Dette gjør det mulig å utføre rask fjerning og innføring av en erstatnings-kanonsøyle for vedlikeholdsformål. Som vanlig inneholdere flertrinns pumpeutstyr sideinntrengninger for å kunne utføre pumping mellom de forskjellige munnstykke-innsnevringer. Dette innebærer en komplisert kolonnegeometri som ikke lett kan føres inn i og trekkes ut fra vakuum-kammeret. Trekket som går ut på konsentrisk pumping overvinner disse vanskeligheter og er særlig viktig ved slike anvendelser som J-rørlegging til sjøs hvor arbeidstiden har høy viktighetsgrad på grunn av de meget høye omkostninger ved leie av de store utleggingsfartøyer og det forhold at bare én rørledning kan sveises og legges ned av gangen.

Mer detaljert har dette særtrekk sammenheng med at det opprettes en rekke kamre eller porter med vakuum eller delvis vakuum i et kompakt arrangement eller utstyr. Spesielt kan denne oppfinnelsen utøves på såkalt EB-utstyr med ikke-vakuum eller redusert trykk, hvor kanonhodet omfatter flere kamre, med trykk som varierer fra vakuum i katodeområdet til nesten atmosfærisk trykk ved utgangsen-den hvor strålen løper ut i åpne omgivelser. Disse kamre må holdes på hensiktsmessige deivakuums-trykk som tillater passasje av elektronstrålen. Denne gjen-stand kunne også vært iverksatt med det siste kammer på eller til og med over atmosfæretrykk, f.eks. hvis undervannssveising skal utføres.

Slik apparatur er vanligvis kronglete til sin konstruksjon i den utstrekning den krever flere forskjellige vakuum-pumpeledninger forbundet med de forskjellige kamre i kanonhodet, og disse forbindelser begrenser tilgangen til stråleutgangs-området. Ikke bare er slik apparatur plasskrevende, men den begrensede tilgang til området av de forskjellige kamre begrenser vakuumpumpingens effektivitet. Flere vakuumledninger må derfor ha et forholdsvis stort omfang, for derved ikke ytterligere å begrense og hemme vakuumpumpingen.

Dette gir imidlertid en forholdsvis kompakt og slank utførelse av en slik kammersekvens, f.eks. av den art som kan anvendes i EB-sveisutstyr med ikke-vakuum og redusert trykk.

Det kan også anordnes flere kamre, spesielt i utgangsområdet av kanonhodet, som typisk har en diameter mindre enn 170 mm, i det minste når det gjelder den nedre eller utgangs-halvdelen av hodesammenstillingen. Bruk av vakuumledninger eller rør nær arbeidsutgangen for kanonhodet kan unngås og i tillegg kan utstyr for effektiv pumping av kamrene (som fortrinnsvis holdes på hensiktsmessige trykk fra nesten vakuum til nesten atmosfæretrykk) være anordnet.

I ett arrangement er kamrene dannet av et sett rørformede seksjoner som er anbrakt inne i et ytre rør, idet hver rørformet seksjon har en radialt utovervendt åpning, når den radialt utoverrettede åpning for hvert kammer er forskjøvet i om-kretsretningen i forhold til de radialt utoverrettede åpninger for alle de øvrige kamre, og et sett av aksialt forløpende skillevegger er anbrakt mellom de rørformede seksjoner og det ytre rør for å danne de respektive kanaler, idet hver kanal forbin-der den radialt utoverrettede åpning for et kammer med en tilsvarende evakue-ringsport.

Alternativt kan de forskjellige kamre være anordnet som en sekvens av ski-ver som er forsynt med hensiktsmessige åpninger, idet settet i sin helhet er inn-passet i det indre av en felles muffe, som er segmentert. Hvert segment tillater tilgang til sitt tilordnede kammer eller en tilsvarende portåpning med godt tverrsnitt, slik det var tilfelle med det konsentriske arrangement.

Atter igjen kan det anvendes en kombinasjon av konsentriske rørformede seksjoner og segmenterte sylindre for å oppnå hensiktsmessig effektiv vakuum-pumping ved de fastlagte trykk, samt med hensiktsmessige tilgangstverrsnitt til henholdsvis portåpningen eller kammeret.

Denne rekke av kamre kan lett demonteres for utskifting av åpningspar-tiene, som kan bli delvis blokkert på grunn av metallpartikkelsprut eller kan skades ved eventuell skjæring av elektronstrålen. Det er således gitt mulighet for sammenstilling og demontering av de konsentriske rørformede seksjoner (eller kapsler) eller eventuelt de segmenterte sylindre, samtidig som korrekt innretting av åpningene langs stråleaksen opprettholdes. Dette arrangement reduserer også lekkasjebanen mellom de kamre som i drift har partialtrykk og en omgivende atmosfære. Det skal fremholdes at i dette konsentriske arrangement befinner områdene med høyere vakuum seg innenfor områdene med partialtrykk og disse er således ikke direkte utsatt for den omgivende atmosfære, og dette minsker i høy grad virkningene av eventuelle små lekkasjer i tetningene.

Når det gjelder arrangementet av konsentriske kapsler, kan hver del ha en integrert skruetilpasning inn i et felles basisstykke som er påført tilsvarende gjengede partier sammen med "0"-tetningsringer, hvis så ønskes. Kapslene kan være utstyrt med finner, avstandsstykker eller lignende for å opprettholde deres relative konsentrisitet i sammenstillingen.

Ved det segmenterte arrangement kan likeledes tilsvarende deler være til-passet hverandre sammen med sammentrykkbare tetninger, såvel som fastholdes mekanisk med korrekt avstand og konsentrisitet. I alle disse arrangementer er vakuum-pumpeledningene ført hovedsakelig til baksiden av kanonhodet og bort fra utgangsstrålen gjennom hensiktsmessige forbindelsesstykker til de respektive segmenter eller ringformede åpningsstykker i den kompakte sammenstilling av kamre som i drift befinner seg på forskjellige trykknivåer.

Noen eksempler på elektronstråle-genererende sammenstillinger og svei-seapparatur som omfatter slike sammenstillinger vil nå bli beskrevet og kontrast-sammenlignet med kjente sammenstillinger med henvisning til de vedføyde teg-ninger, hvorpå: fig. 1 viser et delsnitt gjennom en kjent triodekanon og anskueliggjør elektronbaner og ekvipotensiallinjer.

fig. 2a-2d viser virkningen av gitterspenningsforandring på stråleprofilen og strålestrømmen for den triodekanon som er vist i fig. 1,

fig. 3 viser skjematisk et lengdesnitt gjennom et første eksempel på en elektronstrålekanon i henhold til foreliggende oppfinnelse.

fig. 4 viser skjematisk et lengdesnitt gjennom et andre eksempel på en elektronstrålekanon i henhold til oppfinnelsen,

fig. 5 viser et tverrsnitt gjennom en del av katodesammenstillingen for den kanon som er vist i fig. 4,

fig. 6 til 14 viser tverrsnitt gjennom et sett av forskjellige håndteringsarrang-ementer for katodesammenstillingen,

fig. 15 viser et lengdesnitt gjennom et tredje eksempel på en elektronstrålekanon i henhold til oppfinnelsen,

fig. 16 viser elektronbaner for en strålestrøm på 3mA fra den elektronstrålekanon som er vist i fig. 15.

fig. 17 til 19 er skisser av samme art som figur 16, men for strålestømmer på henholdsvis 166, 225 og 358mA,

fig. 20 er en skisse som skjematisk viser et snitt gjennom et sveiseapparat hvori det inngår et eksempel på en elektronstrålekanon i henhold til oppfinnelsen,

fig. 21 viser et eksempel på et nytt arrangement av evakuerte kamre,

fig. 22 viser elektronstrålekanonen i fig. 20 samordnet med det viste arrangement av evakuerte kamre i fig. 21,

fig. 23 er en skisse av samme art som fig. 20, men som viser et annet kammerarrangement,

fig. 24 er en skisse av samme art som fig. 5, men som viser et alternativt arrangement for generering av primærelektroner,

fig. 25 er en perspektivskisse av en bortskåret del av det arrangement som er angitt i fig. 24, og

fig. 26 er et koplingsskjema som angir en krets som kan brukes ved det arrangement som er vist i fig. 24 og 25.

For å kunne forstå oppfinnelsen er det angitt et eksempel på en kjent triode-elektronstrålekanon delvis i fig. 1 med strålebetingelser 150kV x 15,3mA, samt gitterspenning -2kV. Kanonen omfatter et elektronemitterende filament 1 som omslutter en gitterkapsel 2 og ligger i avstand i flukt med en anode 3. Ekvipotensiallinjer 100 er vist i fig. 1, liksom også noen av elektronbanene 101. Som det vil innses, har de ytre elektronbaner kortere fokallengde i det sterke gitterfelt på grunn av at de ligger nærmere kanten av gitterkapslens hull enn de mere sentrale elektroner. I tillegg kan det svekkede gitterfelt kombinert med øket romladning i strålen, etterhvert som strålestrømmen økes, føre til kraftig spredning av strålen og tap av primærfokus. Også den primære fokusinnsnevring 4 har en virtuell billedposisjon som kan bevege seg betraktelige strekninger oppover og nedover langs stråleaksen i avhengighet av strålens strømnivå, slik det vil fremgå av figurene 2a-2d (med strålestrømmer "i" som vist).

Oppfinnelsen gjelder en diodekanon hvor det ikke foreligger noe gitterfelt for å frembringe noen fokuseringsvirkning. Følgelig og spesielt ved en katode med liten diameter, kan høy romladningstetthet i strålen, særlig ved høye strømnivåer, føre til spredning av strålen samt mangel på veldefinert primærfokus. I en viss ut-førelse, som er vist i fig. 3, er en katode 5 utstyrt med en dypt forsenket katode-skjermelektrode 6 mens katoden 5 er anordnet på linje med en sylinderformet anode 7 med forholdsvis stor lengdeutstrekning. Den ende av anoden 7 som er vendt mot katoden 5 befinner seg nær et plan fastlagt ved ytterendene av katodeskjermen 6 eller kan rage godt inn i det indre volum av katodeskjermen 6. Dette frembringer en sterk fokuseringsvirkning som fungerer vel ved lavt, midlere og høyt effektnivå. Strålens form er angitt ved 8 og det vil innses at elektronene innledningsvis spres ut i tverretningen for å danne en utvidelse 9 og blir derpå fokusert mot en innsnevring 10 inne i anoden 7. Virkningen av utsvellingen 9 er å frembringe en stor kunstig strålekilde som derpå kan fokusere i relativ høy konvergensvinkel av katode/elektrode-hovedfeltet i gapet mellom elektrodene. I dette tilfelle blir katoden 5 oppvarmet ved hjelp av et filament 11 på vanlig måte for å frembringe utsendelse av elektroner.

Virkningen av å anbringe katoden 5 inne i en dypt forsenket katodeskjerm-hylse 6 er at elektrodeakselerasjonen til å begynne med vil være relativt langsom slik at romladningsspredningen tillates å frembringe en sterk utoverrettet radial bevegelse.

En andre fremgangsmåte for å oppnå den kunstig forstørrede elektronkilde uten behov for høy strømtetthet ved katoden er vist i fig. 4 og går ut på å frembringe et elektrostatisk felt umiddelbart foran katoden og som forårsaker divergens i elektronstrålen. I dette tilfellet er katoden 5 montert på toppen av en konisk bærer 21 som utgjør en del av bunnen i katodeskjermen 6 og rager inn i det indre volum i skjermen 6.

Som tidligere nevnt er et problem ved kjente diodekanoner emisjon av uøn-skede elektroner fra sidene eller kantene av katoden. Fig. 5 angir et arrangement som nedsetter til et minimum eller helt unngår dette problem. Katoden 5 er her montert i en katodekonus 21 inne i en åpning 20 i et konisk fremspring 20A fra bunnen av katodeskjermen 6. På undersiden av katoden er det anbrakt i stilling et filament 22 understøttet av en filamentholder 23. Filamentet 22 er frilagt overfor katoden 5 gjennom en åpning 24 i et konusformet beskyttelseslegeme 25.

Dette inneslutter de primære elektroner mellom primærfilamentet 22 og katodekonusen 21.1 dette spesielle utførelseseksempel ble kantemisjonen fra den ildfaste metallkatode 5 i fast stoff redusert ved å omgi katoden av en konus montert på hoved-katodeskjermen. Den radiale avstand mellom konus og katode var fortrinnsvis i området 0,05 til 0,1 mm målt ved omgivelsestemperatur med en kato-debrikke som hadde en diameter på 4,5 mm. Dette reduserte kantemisjonen, men eliminerte den ikke helt. Ved å flytte katoden tilbake 0,3 mm på baksiden av konu-sen 21, ble ytterligere stråleforbedringer oppnådd, men en viss kantemisjon og sfærisk aberrasjon, frembrakt ved den geometriske diskontinuitet mellom katode og katodeskjerm-elektrode i nærheten av katoden, var fremdeles til stede. Likevel frembrakte denne kanonutførelse stråleeffekter opp til 100kW ved 150 kV samt høykvalitets sveiser ved stråleutstendelse inn i omgivelser med relativt høyt vakuum (5 x 10"<3>mbar).

Et alternativt monteringsarrangement for katoden 5 er vist fig. 6.1 dette tilfelle ligger katoden 5 an mot en radialt innoverrettet leppe 30 på en katodeholder 31 med en tappseksjon 32 som f.eks. fastholdes ved hjelp av sveising i det sylin-derformede parti av katodekonusen 21. Katoden 5 holdes i stilling ved hjelp av en sikringsbøyle 33 anbrakt og tilbakeholdt i en uttakning 34 i tappartiet 32, idet den utøver sin virkning mot et ringformet avstandsstykke 35. For en emisjonsdiameter på omtrent 4 mm, vil tykkelsen av leppen 30 typisk være 0,1-0,3 mm. Den effek-tive diskontinuitet kan reduseres ved å anbringe en tynn ildfast metallskive 36 på forsiden av katoden 5, men i begge tilfeller kan termisk formforandring bringe skiven eller leppen til forskyvning utover, hvilket atter fører til en viss ekstra elektronemisjon fra baksiden av skiven eller leppen.

Den foretrukne utførelse er vist i fig. 7. Som det vil fremgå, er katodematerialet med lav arbeidsfunksjon maskinbearbeidet til en "hatt"-lignende utforming som passer tett inn i et sentralt hull i katodeholderen 31 og som er fastlagt ved leppen 30.

Bearbeidingen av lantan-heksaborid og andre materialer kan utføres ved hjelp av laserteknikk eller gnisterosjon. Denne katodeform hvor emitterbrikken 5 holdes på plass ved hjelp av en ildfast metallklype 33 av "C"-form og montert i sporet 34 frembringer meget små ekstraemisjoner, slik det er fastlagt ved detaljert datamaskinanalyse ved bruk av programvare for elementmetoden samt også ut i fra omfattende praktiske prøver ved stråleeffekt-nivåer opp til 100kV og driftsspen-ninger opp til 200kV. Katodebrikkens overside er innstilt ideelt i flukt med kanten av metallholderen eller trukket tilbake høyst 0,040 mm.

Skivene 35, 36, 37 er utført i tantal og det bør bemerkes at pakningsskiven 35 rager ut like over kanten av sporet 34, typisk omkring 0,03 mm, for derved å bringe sikringsbøylen 33 av wolframtråd til å opprettholde en trykkraft.

Katoden 5 og holderen 31 kan utformes på mange forskjellige måter for å oppnå en tett pasning med det formål å nedsette kantemisjon til et minimum og likevel unngå overflate-diskontinuiteter eller trinndannelser, slik som vist i fig. 8 til 10.1 fig. 8 er således kanten av leppen 30 og den tilsvarende overflate av katoden 5 avskrånet på én og samme måte. I fig. 9, har katoden 5 et enkelt avskrånet fremre parti uten noen fortanning, slik som i de tidligere eksempler. I fig. 10 har katoden en stump-konisk form som tilsvarer en lignende utforming av den indre overflate av holderen 31.

Det har også vist seg mulig innledningsvis å montere katoden 5 litt frem-ragende for å muliggjøre påfølgende omsorgsfull overflatesliping, slik at det ikke forekommer noen diskontinuitet eller trinndannelse mellom emitteren og den omgivende holdekant.

Fortrinnsvis bør kontaktområdet mellom kanten av katodebrikken 5 og den ildfaste metallholder 31 gjøres så liten som mulig, slik som f.eks. vist i fig. 7 og 9, for å redusere varmetapene.

Det er naturligvis også mulig å profilere den kombinerte katode- og holder-frontflate for å oppnå konveks, konisk, konkav eller gjeninntredende konisk utforming for å oppnå forbedrede stråleformings-virkninger, slik som vist henholdsvis i fig. 11 til 14.

Bruk av katodebrikker og monteringsfremgangsmåte for å unngå kantemisjon ved bruk i sammenheng med diodekanon, og hvor en innledende strålesvelling frembringes for å oppnå den påfølgende sterke elektronfokusering, har vist seg meget vellykket ved drift i høyt vakuum, ved redusert trykk samt ikke-vakuum. I de siste to tilfeller, er munnstykkeavskjæring og oppvarming blitt redusert til neg-lisjerbare nivåer over et bredt driftsområde av effektnivåer og spenningsnivåer. Selv når strålestrømmen justeres fra null til full effekt, er videre den relativt lille for-andring av primærfokusposisjonen slik at liten eller ingen justering er nødvendig av strømmen i den første fokuseringslinse, som anvendes for å fokusere strålen gjennom munnstykke-sammenstillingene. Dette gjør driften av utstyret meget enkelt sammenlignet med tidligere diodekanoner og spesielt triodekanoner, hvor sfæriske aberrasjons-virkninger og alvorlige forskyvninger av den primære overkrysning utgjør iboende særegenskaper.

Én foretrukket form av elektrodene er vist i fig. 15. Denne består av en lang avsmalnende anode 40 (med en lengde i området 70-90 mm) med flere innsnev-ringer i utboringen, samt en katodeskjerm 41 med dyp uttakning (med en dybde i området 30-40 mm). En katodeemitter 42 er montert på en hul konisk bærer 43 som befinner seg i en brønn 44 i katodeskjermen. Som vist mer detaljert i fig. 15, er et filament 45 plassert bak katoden 42. Denne bestemte elektrodeform frembringer elektronstrålen, slik den er vist ut i fra elementanalyse utført med data-maskin og vist i fig. 16 til 19 for strålestrømnivåer på henholdsvis 3mA, 166mA, 225mA og 358mA, for en akselereringsspenning på 175kV. Ved lav strøm (3mA), fig. 16, og i fravær av vesentlig romladning opprettes det en liten men utpreget svelling 46 av strålen 102 ved den divergerende linsevirkning som dannes ved en utragende katode 42 som er montert i forsenkningen 44 i midten av katodeskjermen 41. Den primære overkrysning 47 er meget godt definert, og elektron-

banene er fokusert nesten til et punkt hvorfra de løper ut nesten radialt. Etterhvert som strålestrømmen økes (166mA, fig. 17; 225mA, fig. 18; 358mA, fig. 19), så vil svellingen på strålen i tiltagende grad øke og opprette en tilsynelatende større og større kilde hvorfra strålen kan refokuseres. En viss spredning og aksialbevegelse av strålen opprettholdes, men til og med ved 358mA foreligger det en klar innsnevring 47 (fig. 19) på strålen og som frembringer en påfølgende divergerende stråle utenfor anoden og som lett kan refokuseres til en stråle med meget liten diameter for passasje gjennom munnstykker med meget fine utboringer.

Et eksempel på sveiseutstyr hvori det viste apparat i fig. 15 inngår, er vist i fig. 20. Elektronstrålekanonen i fig. 15 befinner seg i et evakuert hus 100. En li-kestrømsforsyning 102 er koplet til katodeskjermen 41 og katoden 42, mens en høyfrekvens-forsyning 101 er koplet over en induktor 103 til filamentet 45. Filamentet 45 oppvarmes og avgir elektroner som akselereres mot katoden 42 som da genererer en elektronstråle 104 som løper ut av vakuumkammeret 100 etter å ha passert gjennom anoden 40, nemlig inn i et kammer 105 som holdes på et trykk høyere enn det som foreligger i kammeret 100. Elektronstrålen 104 er innesluttet inne i et føringsrør 106 som strekker seg gjennom kammeret 105, idet fø-ringsrøret 106 er omgitt av en fokuseringsspole 107 og et dobbelt sett av innrettingsspoler 108. Trykket inne i kammeret 105 reguleres av en pumpe (ikke vist) som er koplet til kammeret over et rør 109. Kammeret 105 strekker seg gjennom en åpning 110 i en vegg av sveisekammeret 111. Den ende av kammeret 105 som ligger lengst fra anoden 40 er utformet som et munnstykke 112 hvorigjennom elektronstrålen 104 fokuseres slik at den trenger inn i et ytterligere kammer 113 som holdes på et høyere trykk enn trykket inne i kammeret 105 og evakueres gjennom et rør 116 som er koplet til en ytterligere pumpe (ikke vist). Kammeret 113 omfatter et munnstykke 113A på linje med munnstykket 112, og som kommuniserer med et ytterligere kammer 130 hvori det inngår en ytterligere fokuseringsspole 114 samt stråleavbøynings-spoler 115. Kammeret 130 er ventilasjonsfor-bundet med kammeret 111 gjennom en åpning 131. Et par arbeidsstykker som skal sveises, slik som stålrør 117,118, er montert på en bærer 119 inne i kammeret 111 samt med en sveiseskjøt-linje 120 i flukt med strålen 104 som da er fokusert på denne sveiseskjøt-linje. I dette tilfelle vil bæreren 119 rotere om sin akse for derved å tillate skjøt-linjen 120 å vandre gjennom elektronstrålen 104. Ved andre arrangementer (ikke vist) kan bæreren 119 holdes stasjonær mens kammeret og kanonen roteres.

Én av ulempene ved det viste arrangement i fig. 20 er at separate forbindelser må opprettes fra hver pumpe til de forskjellige kamre 105,113 med behov for at de forskjellige rør 109,116 skal strekke seg gjennom veggen av kammeret 111.

I fig. 21, er da en ny type kammerarrangement vist med delvis bortskårne

partier. Et sylinderformet rør 50 er anordnet og langs dette er det anbrakt fire veg-ger 51 -54 som danner forskjellige kamre 55-57. Hver vegg 51 -54 omfatter et sentralt anbrakt munnstykke 51A-54A (munnstykket 52A er ikke synlig i fig. 21). Disse munnstykker er anordnet på linje slik at elektronstrålen kan passere gjennom dem. Et sett av tre langstrakte separatorer 150 er montert på utsiden av røret 50 og når den sammenstilling som er vist i fig. 21 er anbrakt inne i et sylinderformet ytre rør i inngrep med separatorene 150, så vil det bli dannet forskjellige luftpas-sasjer mellom hvert par av separatorene 150 og det ytre rør.

Hvert kammer 55-57 kommuniserer med en tilordnet luftpassasje over et bortskåret avsnitt 55A-57A av røret 50. Hver av luftpassasjene kommuniserer med tilhørende evakueringspumper gjennom kanaler 59.

Ved dette arrangement er det mulig å anbringe kanalene 59 ved én ende av sammenstillingen, mens hver pumpe er forbundet med en tilhørende kanal 59 og det tilhørende kammer 55-57. Fig. 22 viser sveiseapparatet i fig. 20, men brukt sammen med et kammerarrangement av den art som er angitt i fig. 21. Elektronstrålegeneratoren er vist skjematisk ved 100' og kan ha en lignende konstruksjon som den generator 100 som er vist i fig. 20. Som tidligere, er en elektronstråle innesluttet inne i et førings-rør 106, og omkring dette er det posisjonsinnstilt en fokuseringsspole 107 og innrettingsspoler 108, som alle befinner seg inne i kammeret 55. En ytterligere fokuseringsspole 114 samt opprettningsspole 105 er anbrakt i kammeret 57. Den ytre muffe 60 hvori kammerarrangementet er montert er angitt med stiplede linjer i fig. 22. Fig. 23 viser et ytterligere eksempel på sveiseapparat sammen med et andre eksempel på et kammerarrangement. De komponenter i fig. 23 som tilsvarer lignende komponenter i fig. 20 er gitt samme henvisningstall. I dette tilfelle omfatter kammersammenstillingen en ytre muffe 140 som strekker seg gjennom åpningen 110 inn i et kammer 111. En fremre ende av muffen 140 danner kammeret 130' hvori fokuseringsspolen 114 og innrettingsspolen 115 er plassert. En vegg 141 strekker seg tvers over det fullstendige tverrsnitt av muffen 140 bg danner et sentralt munnstykke 142 som elektronstrålen 104 passerer gjennom.

En indre, sylinderformet muffe 143 understøttes inne i det bakre parti av muffen 140 for å danne kammeret 105'. Mellomrommet 144 mellom indre og ytre muffe 143,140 danner kammeret 113', som evakueres av en pumpe (ikke vist) gjennom en passasje 145. Kammeret 105' kommuniserer med denne pumpe (ikke vist) gjennom en passasje 146 som passerer gjennom muffen 140.

Det bør spesielt bemerkes at begge passasjer 145,146 er plassert på utsiden av kammeret 111 og dette gjør det da meget lettere å tilslutte pumper og således unngå alt det kompliserte ved å anordne ytterligere passasjer gjennom veggen av kammeret 111.

I alle de eksempler som er beskrevet hittil, er et filament (f.eks. filamentet 45 i fig. 23) blitt brukt for å frembringe primærelektroder som bombarderer katoden, som i sin tur genererer sekundære elektroder som danner elektronstrålen. I mange anvendelser er dette tilfredsstillende, men i visse spesielle utførelser, slik som for elektronstrålesveising hvor elektronstrålen må opprettholdes et betraktelig tidsrom, vil levertiden for filamentet være ugunstig kort. I en foretrukket utførelse er derfor filamentet erstattet med en induktivt oppvarmet primæremitter. Dette er anskueliggjort i fig. 24-26. Som tidligere er primærkatoden 5 montert på en konisk bærer 21 (slik som f.eks. angitt i fig. 5). I avstand på baksiden av katoden 5 er det anordnet en primær emitterbrikke 200 som kan være utført i et hvilket som helst egnet varmeledende keramisk materiale, slik som elantan-heksaborid, eller ildfast metall slik som wolfram eller tantal. Brikken 200 er understøttet på en tapp 201 som i sin tur holdes i stilling ved hjelp av en tappholder 202, som ved 206 er skrudd inn i en oppdelt koplingssløyfebasis 208 ved hjelp av skruen 217. En rot-skrue (ikke vist) er anordnet inne i skruen 217 og låser tappen 201 til kopper-leg-emet202.

Den primære emitter 200 kan være montert på tappen 201 på en hvilken som helst hensiktsmessig måte, men da den koniske bærer 21 kan fokusere bak-over-emitterte elektroner fra katoden 5 inn på emitteren 200, er det fordelaktig å sikre emitteren ved hjelp av en sentral nagle som vil motta den fokuserte stråle og således forhindre skade på primæremitteren.

For å varme opp primæremitteren 200, er det anordnet en induktiv kop-lingssløyfe 203 som omgir primæremitteren og som er koplet til en elektrisk strøm-kilde, slik som angitt i fig. 26. Denne induktive koplingssløyfe 203 understøttes av en keramisk isolator 204.

Den induktive koplingssløyfe 203 er koplet til den oppdelte koplingssløyfe-basis 208. Den induktive koplingssløyfe 203 og den oppdelte koplingssløyfebasis 208 er hensiktsmessig fremstilt ved maskinbearbeiding fra en enkelt metallblokk, f.eks. av kopper.

Som vist i fig. 26, er kretsen nær den krets for effektforsyning av sammenstillingen som er vist i fig. 24 og 25, generelt slik som beskrevet i EP-A-0627121 og omfatter en tilpasningskrets 210 koplet til en høyfrekvensforsterker, idet den omfatter en induktor 211 samt en justerbar kondensator 212 forbundet med en primærvikling (antenne) 213. Antennen 213 induserer en spenning i en sekundærvik-ling 214 som er koplet til en resonanskondensator 215 samt, over den oppdelte koplingssløyfebasis 208, til den induktive koplingssløyfe 203. Sekundærviklingen 214 er også forbundet med primæremitteren 200 og hovedkatoden 5. Den spenning som dannes over induktoren 214 og kondensatoren 215 anvendes for å ak-selerere elektroner fra primæremitteren 200 til katoden 5, når katoden er positiv i forhold til primæremitteren.

Fig. 25 viser et antall gjengede hull 216 som er anordnet for å ta imot komponenter i den krets som er vist i fig. 26, slik som sekundærviklingen 214 og resonanskondensatoren 215.

Det er funnet at bruk av en induktivt oppvarmet primæremitter fører til en betraktelig øket levetid, (sammenlignet med et vanlig filament), hvilket gjør dette arrangement særskilt egnet for elektronstrålesveising.

Claims (24)

1. En sammenstilling for utsendelse av ladede partikler og som omfatter et emitterlegeme (5) for å avgi ladede partikler ved én polaritet, en rørformet skjermelektrode (6) som omkretsmessig omgir emitterlegemet og i bruk holdes på samme polaritet som de ladede partikler, samt en rørformet akselereringselektrode (7) posisjonsinntilt hovedsakelig koaksialt med skjermelektroden (6) og i bruk holdt på motsatt polaritet i forhold til skjermelektroden, idet arrangementet er slik at ladede partikler fra emitterlegemet (5) innledningsvis spres lateralt utover (9) og derpå fokuseres til en stråle (8) som passerer gjennom den rørformede akselereringselektrode (7).

2. Sammenstilling som angitt i krav 1, og hvor elektrodene (6, 7) er anordnet for å frembringe et elektrostatisk felt som innledningsvis frembringer divergens av de ladede partikler i strålen i en retning fra emitterlegemet mot den rørformede elektrode.

3. Sammenstilling som angitt i krav 2, og hvor emitteren (5) er montert på et sentralt parti (20A) av skjermelektroden (6), og som rager opp fra bunnen av skjermen.

4. Sammenstilling som angitt i krav 3, og hvor det fremspringende sentrale parti (20A) er avskrånet utover i retning mot bunnen av skjermelektroden.

5. Sammenstilling som angitt i et hvilket som helst av de forutgående krav, og som videre omfatter utstyr (22) for å bringe emitteren (5) til å emittere de ladede partikler.

6. Sammenstilling som angitt i krav 5, og hvor utstyret (22) for å bringe emitteren (5) til å emittere ladede partikler omfatter en kilde for sekundære ladede partikler anordnet for å bombardere emitteren.

7. Sammenstilling som angitt i krav 6, og hvor de ladede partikler som emitteres fra kilden (22) omfatter elektroner.

8. Sammenstilling som angitt i et hvilket som helst av de forutgående krav, og hvor de ladede partikler som emitteres av emitteren (5) omfatter elektroner.

9. Sammenstilling som angitt i et hvilket som helst av kravene 6 til 8, og hvor kilden (22) for de sekundære ladede partikler omfatter en induktivt oppvarmet, ekstra emitter.

10. Sammenstilling som angitt i et hvilket som helst av de forutgående krav, og hvor skjermelektroden (6) har en hovedsakelig sylinderformet side.

11. Sammenstilling som angitt i de forutgående krav, og hvor den rørformede elektrode akselereringselektrode (7) er avsluttet i nærheten av et plan fastlagt av skjermelektrodens kant (6).

12. Sammenstilling som angitt i et hvilket som helst av de forutgående krav, og hvor emitteren (5) omfatter et emitterlegeme montert i en åpning i et bærelegeme (21) som det er elektrisk forbundet med, og hvor emitterlegemet har en lavere arbeidsfunksjon enn bærelegemet, slik at emitterlegemet ved arbeidstemperatur avgir ladede partikler fra en frilagt overflate.

13. Sammenstilling som angitt i krav 12, og hvor den frie overflate på emitterlegemet (5) ligger hovedsakelig i flukt med eller noe tilbaketrukket fra en utovervendt overflate på det bærelegeme (21) som omgir åpningen.

14. Sammenstilling som angitt i krav 13, og hvor emitterlegemet (5) er innsatt med tett pasning i åpningen i bærelegemet.

15. Sammenstilling som angitt i krav 13 eller 14, når avhengig av krav 4, og hvor et parti av bærelegemet (21) og et parti (20A) på den sentrale del av skjermelektroden er avskrånet på innbyrdes tilsvarende måte.

16. Sammenstilling som angitt i krav 15, og hvor partiet på bærelegemet og partiet på det sentrale parti skråner innover mot den frilagte overflate av emitterlegemet (5).

17. Sammenstilling som angitt i et hvilket som helst av kravene 13 til 16, og hvor emitterlegemet (5) er festet til bærelegemet (21) ved hjelp av en klemme (33) som er i inngrep med hvert av legemene.

18. Sammenstilling som angitt i krav 17, og hvor klemmen (33) mottas i et spor (34) i bærelegemet.

19. Sammenstilling som angitt i et hvilket som helst av kravene 13 til 18, og hvor den frilagte overflate på emitterlegemet (5) og den utovervendte overflate på bærelegemet (21) danner et felles plan.

20. Sammenstilling som angitt i krav 19, og hvor den frilagte overflate på emitterlegemet (5) og den utovervendte overflate på bærelegemet (21) danner en konveks, konisk, konkav eller tilbakevendende form.

21. Sammenstilling som angitt i minst krav 12, og hvor bærelegemet (21) omfatter en konusformet seksjon.

22. Sammenstilling som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, og hvor emitterlegemet (5) omfatter lantan-heksaborid.

23. Sammenstilling som angitt i minst krav, og hvor bærelegemet (21) omfatter tantal.

24. Sveiseapparat som omfatter en sammenstilling for å emittere ladede partikler og utført i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav; en arbeidsstykke-bærer for å understøtte et arbeidsstykke anordnet for å utsettes for strålen av ladede partikler, samt utstyr for å frembringe relativ bevegelse mellom strålen av ladede partikler og arbeidsstykkebæreren.