DE2627862A1 - Elektronenstrahler - Google Patents

Description

PATE N T A.N WALTE

DIPU—ΙΝβ. DR. IUR. DIPL-INS.

VOLKER BUSSE DIETRICH BUSSE

45 Osnabrück , 21. Juni 1976

MDSERSTRASSE 2CV24. L / Ri

SCIAKY S.A.

, quai Jules Gueade Vitry sur Seine (VaI de Marne), Prankreich

Elektronenstrahler

Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahler zur Erzeugung eines insbesondere zum Schweißen bestimmten Elektronenstrahls, bestehend aus einer mechanischen Abstützung zur koaxialen Festlegung und elektrischen Isolierung einer Kathode, eines Heizfadens, eines WehneltZylinders und einer Anode innerhalb eines Rahmens.

Die Vorteile des Schweißens mit Elektronenstrahl zur Verbindung von Blechen großer Dicke, wie sie bei der Errichtung von Druckbehältern verwendet werden, sind bekannt, da 3ie es in bezug auf andere Schweißverfahren insbesondere ermöglichen, derartige Verbindungen mit einer begrenzten Anzahl von Schweißlagen durchzuführen. Man hat festgestellt, daß es möglich wäre, zwei Bleche mit einer Dicke von 200 mm in einer einzigen Lage mittels eines Elektronenstrahlers stumpf zu verschweißen, der eine Leistungsabgabe von 100 Kilowatt hat.

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Die bekannten Elektronenstrahler der angegebenen Art sind in der Regel für einen Spannungsbereich von 150 Kilovolt ausgelegt. Die Isolierung der wirksamen Bereiche des Strahiere wird im allgemeinen in üblicher Weise derart ausgeführt, daß diese wirksamen Bereiche vollständig unter Vakuum gesetzt werden, wobei sich jedoch da3 Problem der Wärmeabfuhr von den Halteein* richtungen der Kathode und der angrenzenden Bauteile stellt oder ein*Kühlkreislauf durch ölumlauf vorgesehen sein muß.

Die verschiedenen bekannten Lösungen sind mit dem Nachteil eines großen Raumbedarfs durch große Bauweise behaftet, was für ortsfeste Anlagen bzw. eine Verwendung in Laboratorien oder Arbeitsräumen akzeptabel sein mag, nicht jedoch bei einer Verwendung solcher Strahler mit hoher Leistung in bewegbaren oder verfahr- · baren Anlagen, die für ein Verschweißen mittels Elektronenstrahls in Betrieben für den Schwerbehälterbau oder auf Baustellen erforderlich sind.

Außerdem gewährleisten die Befestigungssysteme, die zur Festlegung der Kathoden verwendet werden, und deren Formen bei den bekannten Strahlern hoher Leistung keine genaue, gegenüber Aufheizung unempfindliche Positionierung, woraus sich im Betrieb Änderungen der Parameter ergeben.

Die Erfindung schafft hier Abhilfe und erreicht dies ausgehend von einem Elektronenstrahler der eingangs angegebenen Art dadurch

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daß die Kathode von mehreren, aus elektrisch leitfähigem Material bestehenden Stangen in ihrer koaxialen Stellung gehalten ist und die Stangen an ihrem einen Ende in bezug auf den Rahmen starr befestigt sind und an ihrem anderen Ende an der seitlichen Außenwand der Kathode unter Bildung einer Klemmvorrichtung angreifen, durch die die Kathode in ihrer Stellung gehalten ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die die Kathode abstützenden Stangen über eine Endplatte eines Isolierkörpers starr in bezug auf den Rahmen befestigt, wobei die Endplatte ferner mittels Befestigungsgliedern und unter gegenseitiger Isolierung den Heizdraht und den Wehneltzylinder abstützt.

Hierbei können zumindest einige der Befestigungsglieder des Heizdrahtes, des WehneltZylinders und der Kathode die Endplatte des Isolierkörpers durchqueren und auf der dem Heizdraht, dem Wehneltzylinder und der Kathode gegenüberliegenden Seite der Endplatte an Stromzuführungsleiter angeschlossen sein.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Isolierkörper hohl ausgebildet, wobei zumindest einige der Befestigungsglieder der Kathode, des Heizdrahtes und des WehneltZylinders an ihren in das Innere des Hohlraums des Isolierkörpers hineinragenden Enden mit Kühlrippen versehen sind und eine Einrichtung zur Erzeugung eines über die Kühlrippen streichenden Luftstroms vorgesehen ist.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachstehenden Besehreibung in Verbindung mit der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung veranschaulicht ist. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Elektronenetrahler, Fig. 2 einen Teilschnitt des wirksamen Bereichs des

Elektronenstrahlers nach Fig. 1 in vergrößertem

Maßstab,
Fig. 3 eine Ansicht von unten auf die Kathode und deren

Befestigung am Elektronenstrahler, und Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. 3«

Die vorliegende Erfindung hat insbesondere die Schaffung einer Kathodenanordnung eines Elektronenstrahlers zur Aufgabe, die einen geringen Raumbedarf und ein geringes Gewicht aufweist, von einem die Verwendung des Elektronenstrahlers in ortsfesten Anlagen nicht beschränkenden Mittel gekühlt ist und einen erhöhten Wärmewirkungsgrad aufweist, indem z.B. nur eine Leistung von 750 Watt erforderlich ist, um einen Betrieb des Elektronenstrahlers mit 100 Kilowatt zu gewährleisten.

Gemäß der Zeichnung dient das Gestell 1 aus normalem Flußstahl als Mantel für die Fokussierspulen 2a und 2b und ist durch den Teil 3 aus rostfreiem Stahl, welcher den Kanal 4 des Elektronenstrahls ausbildet, vakuumdicht ausgeführt.

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Auf dem Gestell 1 ist ein Bundring 5 abgedichtet .befestigt, der den optischen Zielbereich 6 und einen Schieber 7 umschließt, der das Absperren der Beschleunigungszone 8 des Elektronenstrahls bewirkt, wenn die Arbeitszone der freien Luft ausgesetzt ist.

Das optische Zielsystem 6 umfaßt ein Prisma 10, das mittels des DruckluftZylinders 11 einziehbar ist, sowie ein Zielfernrohr (nicht dargestellt).

Der Schieber 7 wird mittels des Zylinders 12 betätigt. Die Zylinder 11 und 12 wirken auf das Prisma 10 bzw. den Schieber über Gestänge 13 in der Weise ein, daß sie aus dem Weg des Elektronenstrahls im Betrieb des Strahlers entfernt werden,

Der Ringbund 5 weist seitlich eine öffnung 14 auf, während die bearbeitete Fläche 15 abdichtend und lösbar die Untereinheit, nämlich den Schieber 7 und das Prisma 10 sowie deren Antriebe, aufnimmt. Da3 Gegenstück 16 ermöglicht eine einwandfreie mechanische Punktion der obigen Anordnung, indem der Überhang beseitigt wird.

Der Ringbund 5 nimmt eine Platte 17 sowie einen Rahmen 18 auf, die mittels Schrauben 19 abgedichtet befestigt sind. Die Platte bildet eine Abstützung für die Anode 20, die ihrerseits mittels eines Ringbundes 21 und eines Zwischenträgers 22 gehalten ist.

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Der Rahmen l8 besitzt eine seitliche öffnung 23 für einen Anschluß an die Pumpenanlage mittels des Leitungsflansches 24, Der Rahmen 18 nimmt ferner mit einer abgedichteten Befestigung den Isolierkörper 25 auf, der von einem Formkörper aus einem organischen Harz gebildet ist.

Der Isolierkörper 25 dient als Abstützung für eine Endplatte aus feuerfestem Werkstoff, die mittels einer Dichtung 27 abgedichtet festgelegt ist.

An der Platte 26 sind die Strahlungskathode 40, der Kathodenhalter 28 mittels dreier dichter Durchführungen 29, der Halter 30 des WehneltZylinders 32 mittels dreier dichter Durchführungen 31, wobei der Wehneltzylinder 32 seinerseits mittels der Mutter 33 gehalten ist und eine dem erzeugten Elektronenstrahl entsprechende Form besitzt, sowie der Halter 34 des Primärfadens bzw. -drahtes 35 befestigt, dessen Klemmen einerseits am Halter 34 und andererseits am Teil 36 angeschlossen sind, wobei der Halter 34 mittels der Mutter 37 und der Beilagscheibe 38 in durch die Dichtung 39 abgedichteter Weise an der Platte 26 gehalten ist.

Die Hochspannung wird mittels eines Kabels 4l mit vier Leitern 4I₁ zugeführt, die die verschiedenen wirksamen Teile des Strahlers versorgen, d.h. den primären Heizdraht mittels zweier Leiter, dgn. Hauptanschluß mit einer der drei Klemmen

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bzw. Klemmschrauben 29 des Kathodenhalters und d:en Wehneltzylinderanschlüii- \ mit einer der drei Klemmschrauben 31 für die Befestigung dessen Halters.

Die elektris6hen Verbindungen der vier Leiter H mit den entsprechenden Anschlüssen 29,31,34 und 36 sind mit Hilfe von Klemmen 42 mit Federn 42.,, die an einem aus "organischem Kunstharz geformten Halter 43 befestigt sind, elastisch ausgebildet. Der Halter 43 ist an einem Silikonisolator 44 befestigt, der den Isolierkörper des Hochspannungszuführungskabels bildet.

Der Isolator 44 und das Kabel 41 sind durch die Metallverkleidung 45 und die Kabelstopfbuchse 45.. vereinigt, wobei die Hochspannungszuführungsleitung am Rahmen 18 befestigt ist.

Die Anordnung des Kabels 41 in bezug auf den Isolator 44 bringt den Raum 46 einerseits durch die Kanäle 47 und 48 mit dem Anschlußetutzen 4g und andererseits durch den in den Halter 43 eingearbeiteten Kanal 50 mit der Zone 51 in Verbindung,

Die Verkleidung 45 bildet zwischen den Isolierkörpern 44 und 25

einen spaltförmigen Raum 52 aus, der durch die Kanäle 53 mit

der Umgebungsluft und durch den Kanal 54 mit der Zone 51 verbunden ist.

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Ein Trockenlufterzeuger 4g gibt über den Anschlußstutzen 4g einen Luftstrahl ab, der aufeinanderfolgend durch die Kanäle 48 und 47, den Raum 46 sowie den Kanal 50 strömt, die Zone 51 unter Kühlung der Rippen 31 , 2«^ und 34 der Durchführungen 31,29 und 34 bestreicht und sodann in die Umgebungsluft unter Durch3trömung des Kanals 54, des Ringraums 52 und des Kanals 53 entweicht.

Zwischen dem Kanal 50 und der Zone 51 wird der Luftstrom durch eine Leitplatte 55 gelenkt.

In den Fig. 3 und 4 ist die Kathode 40 und ihre Befestigung in bezug auf den Halter 28 dargestellt, die drei Wolfrarästangen 56 und die Metallbacken 57 umfaßt, die die Stangen 56 über Blöcke 58 aus feuerfestem Material am Halter 28 festlegen, wobei die Anordnung in bezug auf die optische Achse 59 des Strahlers rotationssymmetrisch ist.

Wie die Zeichnungen zeigen, besitzt die Kathode 40 eine Ringnut 4O₁, in der die drei mit einem gegenseitigen Winkelabstand von 120° angeordneten Stangen 56 tangential angelegt sind, um einerseits die Einspannung der Kathode zu erreichen und andererseits nur eine punktförmige Berührung der Kathode mit den Stangen herbeizuführen.

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Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strahlers ermöglicht

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es, den Temperaturanstieg der Teile, die der Kathode zugeordnet und/oder benachbart sind, herabzusetzen, so daß es möglich ist, die Abmessungen des Strahlers zu verringern und folglich bewegbare bzw. verfahrbare Schweißanlagen zu schaffen.

Außerdem ermöglicht es diese Ausgestaltung, eine präzise, gegenüber Erwärmung unempfindliche Einstellung der Kathode zu erreichen.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf das oben beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, von dem ausgehend andere Ausführungsformen geschaffen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims (14)

1. Patentansprüche:

   1J Elektronenstrahler zur Erzeugung einee insbesondere zum Schweißen bestimmten Elektronenstrahls, bestehend aus einer mechanischen Abstützung zur koaxialen Festlegung und elektrischen Isolierung einer Kathode, eines Heizfadens, einee Wehneltzylinders und einer Anode innerhalb eines Rahmens, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (40) von mehreren, aus elektrisch leitfähigem Material bestehenden Stangen (56) in ihrer koaxialen Stellung gehalten ist und die Stangen an ihrem einen Ende in bezug auf den Rahmen (18) starr befestigt sind und an ihrem anderen Ende an der seitlichen Außenwand der Kathode unter Bildung einer Klemmvorrichtung angreifen, durch die die Kathode in ihrer Stellung gehalten ist.
2. 2. Strahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kathode (40) abstützenden Stangen (56) über e±n& Endplatte (26) eines Isolierkörpers (25,44) starr in bezug auf den Rahmen (18) befestigt sind und daß die Endplatte ferner mittels Befestigungsgliedern und unter gegenseitiger Isiierung den Heizdraht (35) und den Wehneltzylinder (32) abstützt,
3. 3. Strahler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Befestigungsglieder de3 Heizdrahtes (35), des WehneltZylinders (32) und der Kathod· (40) die Endplatte (26) des Isdierkörpers (25,44) durchqueren

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   und auf der dem Heizdraht, dem Wehneltzylinder und der Kathode gegenüberliegenden Seite der Endplatte an Stromzuführung3-leiter (41.,) angeschlossen sind.
4. 4. Strahler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1

   bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (25,44) hohl ausgebildet ist und zumindest einige der Befestigungsglieder (29,31,34) der Kathode (40), des Heizdrahtes (35) und des WehneltZylinders (32) an ihren in das Innere des Hohlraums des Isolierkörpers hineinragenden Enden mit Kühlrippen (29.,, 31^,34.) versehen sind und eine Einrichtung zur Erzeugung einee über die Kühlrippen streichenden Luftstroms vorgesehen ist.
5. 5. Strahler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (25,44) in seinem Hohlbereich mit einer Halteplatte (43) mit Klemmen (42) versehen ist, die einerseits an die Stromzuführungsleiter (4l.) und andererseits an die Befeetigungs- und Ver3orgung3glieder (29,31,34) angeschlossen sind.
6. 6. Strahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmen (42) der Halteplatte (43) für einen elastischen elektrischen Kontakt mit den Befestigungsgliedern mit Federn versehen sind.
7. 7. Strahler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (25,44)

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   von zwei Teilen gebildet ist, von denen der eine (44) die Halteplatte (43) für die Klemmen (42) und der andere (25) die Endplatte (26) abstützt, und daß in der Halteplatte (43) ein Kanal (50) vorgesehen ist, während zwischen den beiden Teilen des Isolierkörpers ein spaltförmiger Raum (52) für einen Kreislauf von Kühlluft über die Kühlrippen (2JJ₁,31-,3²L) gebildet ist,
8. 8. Strahler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Kathode (40) angreifenden Stangen (56) aus Wolfram bestehen.
9. 9. Strahler nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatte (26) aus feuerfestem Material besteht.
10. 10. Strahler nach einem oder mehreren der Ansprüche Ibis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (40)eine die Enden der Stangen (56) aufnehmende Umfangsnut (4O₁) aufweist.
11. 11. Strahler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß drei Stangen (56) vorgesehen sind, die mit einem gegenseitigen Abstand von 120° angeordnet sind.
12. 12. Strahler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangen (56) an der Seitenwand der Kathode (40) tangential in Anlage gehalten sind.

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13. 13· Strahler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangen (56) mit dem Befestigungsorgan an der Endplatte (26) über Blöcke (58) aus feuerfestem Material verbunden sind.
14. 14. Strahler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13j dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung für einen Kreislauf trockener Luft durch den spaltförmigen Raum (52) vorgesehen ist.

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