DE2725741C3 - Elektronenstrahlerzeugungssystem mit linienförmiger Glühkatode zur Elekktronenstrahlerwärmung von Werkstoffen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlerzeugungssystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein solches System ist in der US-PS 37 01915 beschrieben.

Bei den weitgehend bekannten Bauarten von Elektronenstrahlerzeugungssystemen mit einer linienförmigen direkt geheizten Glühkathode wird die letztere in den Kathodenhaltern so befestigt, daß ihre Längsspannung entweder mit Hufe eines Hebelsystems oder mittels der federnden Siromzuführungen erreicht wird.

Bei diesen Bauarten können aber die Systeme zur Glühkathodenbefestigung keine stabile Lage der Kathode in bezug auf die an der Kathode liegende Fokussierelektrode gewährleisten, wobei sich schlechtere elektronenoptische Parameter der Eiektronenstrahlerzeugungssysteme ergeben.

So führt eine durch Abweichung der Glühkathodenlage hervorgerufene Änderung von anfänglichen Bedingungen für die Bildung des Elektronenstrahls zur Änderung des Strahlbündelungswinkels, zum Anstieg des durch Elektronenanlagerung an der Beschleunigungsanode bedingten Stromes und folglich zur Änderung der Brennfleckform an der zu erwärmenden Oberfläche und zu einer Änderung der spezifischen Elektronenstrahlleistung im Brennfleck. Derartige Änderungen der erwähnten elektronenoptischen Parameter von Elektronenstrahlerzeugungssystemen verursachen eine wesentliche Instabilität der technologischen Prozesse der Erwärmung, Schmelzung und Verdampfung von Werkstoffen.

Das eingangs genannte bekannte Elektronenstrahlerzeugungsbystem mit linienförmiger Glühkathode, das zur Elektronenstrahlerwärmung von Werkstoffen bestimmt ist, enthält einen Kathodenblock und eine Beschleunigungsanode, die miteinander mittels eines Isolators verbunden sind. Der Kathodenblock weist eine linienförmige Glühkathode auf, die in einer Nut der an der Kathode angeordneten und im Gehäuse des Kathodenblocks befestigten Fokussierelektrode liegt. Die Enden der Glühkathode sind in Kathodenhaltern befestigt, die mit Hilfe von flachen federnden Stromzuführungen mit Stromzuleitungsklemmen verbunden sind. Die letzteren befinden sich am Isolator des Kathodenblocks. Die federnden Stromzuführungen, an denen die Glühkathode des beschriebenen Elektronenstrahlerzeugungssystems mittels der Kathodenhalter befestigt ist, werden bei Erwärmung langer. Infolgedessen ändert sich etwas die Lage der Glühkathode in bezug auf die in der Kathodennähe angeordnete Fokussierelektrode. Die Änderung der Glühkathodenlage und die Durchbiegung ihres mittleren Abschnitts sind bei dieser Ausführung auch dadurch bedingt, daß der Befestigungspunkt der Glühkathode in den Kathodenhaltern bei der Verlängerung der Glühkathode infolge ihrer Erwärmung längs einem Bogen verschoben wird, dessen Radius der Länge der federnden Stromzuführungen entspricht. Bekanntlich führt eine Änderung der Kathodenlage um einige Zehntel eines Millimeters in bezug auf die kathodenseitige Fokussierelektrode zu einer beträchtlichen Änderung der Elektronenstrahlbündelung.

Bei einem bekannten Elektronenstrahlerzeugungssystem anderer Art (DE-OS 24 10 050), bei dem die Kathodenhalter starr mit den Stromzuleitungen verbunden sind, sind die nachteiligen Einflüsse durch die Ausdehnung der linienförmigen Glühkathode dadurch vermieden, daß diese in Nuten der Kathodenhalter gehalten und so geführt ist, daß sie sich in ihrer Längsrichtung bei Erwärmung frei ausdehnen kann. Die Kathodenhalter sind so ausgebildet, daß sie die Fokussierelektrode bilden.
Die erwähnten Faktoren verursachen eine wesentli-

ehe Herabsetzung der Stabilität der elektronenoptischen Parameter von Elektronenstrahlerzeugungssystemen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System der im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenen ■-, Gattung zu entwickeln bei der die Ausführung der kathodenseitigen Fokussierelektrode und der Kathodenhalter sowie die Anordnung der linienförmigen Glühkathode im Kathodenblock eine höhere Stabilität der elektronenoptischen Parameter gewährleisten. ι < >

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung gestattet es, die Stabilität der elektronenoptischen Parameter des Strahlerzeugungssystems zu erhöhen und dadurch die Reproduzierbar- r, keit der Prozeßparameter beim Schmelzen und Verdampfen von Werkstoffen im Vakuum zu gewährleisten. Die erfindungsgemäße Ausführung des Elektronenstrahlerzeugungssystems ergibt eine bedeutende Erhöhung ihrer Betriebszuverlässigkeit, vereinfacht den _>o Vorgang des Glühkathodenwechsels und ermöglicht die Benutzung der einfachsten Form von Glühkathoden, die Draht- oder Bandabschnitte aus thermisch emittierendem Werkstoff darstellen.

Es ist zweckmäßig, die Teile der nahe an der Kathode 2-> liegenden Fokussierelektrode in bezug auf die Längsachse der Glühkathode symmetrisch anzuordnen und die Glühkathode in den Raum zwischen diesen Teilen zu legen.

Das Magnetfeld, das durch den die Glühkathode jo durchfließenden Heizstrom erzeugt wird, ändert, wie bekannt, die Richtung des von dem Elektronenstrahlerzeugungssystem erzeugten Elektronenstrahls. Bei der Leistungsregelung des Elektronenstrahlerzeugungssystems durch Änderung der Heizstromstärke ändert sich r, infolgedessen die Stabilität der Elektronenstrahlbahn, während die Pulsation der Kathodenheizspannung zu einer nicht steuerbaren Bewegung des Elektronenstrahls an der zu erwärmenden Oberfläche führt. Dieser störende Einfluß des Magnetfeldes ist bei der vorstehend genannten Weiterbildung des Strahlerzeugungssystems beseitigt.

In den die Kathodenhalter tragenden Stirnflächen der Teile der Fokussierelektrode können auch Nuten zur Aufnahme von Enden der linienförmigen Glühkathode vorgesehen werden, wobei man jeden Kathodenhalter als Einsatzstück ausführt, der das entsprechende Ende der Glühkathode berührt und es in dieser Nut mittels einer Schraube festhält.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nächstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 ein Elektronenstrahlerzeugungssystem mit linienförmiger Glühkathode zur Elektronenstrahleiwärmung (teilweise im Schnitt);

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 11-11 in F i g. 1; F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in F i g. 1; Fig.4 ein System mit linienförmiger Glühkathode, die im Raum zwischen den Teilen der nahe an der Kathode liegenden Fokussierelektrode angeordnet ist; F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in F i g. 4; F i g. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI in F i g. 4. Das Elektronenstrahlerzeugungssystem enthält einen Kathodenblock 1 (Fig. 1) und eine Beschleunigungsnnode 2, die zueinander mit Hilfe von Isolierstützen 3 verbunden sind. Zum Kathodenblock 1 gehören eine linienförmige Glühkathode 4 und eine nahe an der Kathode 4 liegende Fokussierelektrode 5. Die Fokussierelektrode 5 besteht aus zwei Teilen 6 (F j g. 2) und 7, die in einem Abstand voneinander eingebaut sind.

Jeder Teil 6 und 7 weist eine Nut 8 (F i g. 3) bzw. 9 auf. In diesen Nuten 8 und 9 ist die linienförmige Glühkathode 4 angeordnet

Der Kathodenblock 1 (Fig.2) hat auch ein Gehäuse 9, und am Gehäuseisolator 10 sind Stromzuleitungsklemmen 11 sowie zwei Paare von flachen parallelliegenden Federn 12,13 und 14,15 befestigt

Die einen Enden der flachen Federn 12,13,14,15 sind mit den Stromzuleitungsklemmen 11 mit Hilfe von Schrauben 16 verbunden. Mit ihren anderen Enden sind die Federn 12, 13 an den Stirnflächen des Teils 6 der Fokussierelektrode 5 mittels der Schrauben 17 befestigt, während die Federn 14, 15 mit ihren anderen Enden an den Stirnflächen des Teils 7 mit Hilfe von Schrauben 18 festgehalten werden. Die Durchbiegungsausschläge der Federn ί 2,13 und 14,15 sind gegeneinander gerichtet.

Die gegeneinander liegenden Stirnflächen der Teile 6, 7 der Fokussierelektrode 5 weisen Nuten 19 auf, in denen die Enden der linienförmigen Glühkathode 4 liegen. Diese Enden sind in den Nuten 19 mit Hilfe von Kathodenhaltern befestigt. Jeder Kathodenhalter ist als Einsatzstück 20 ausgeführt, welches das entsprechende Ende der linienförmigen Glühkathode 4 berührt und mittels einer Schraube 21 festhält.

Zum Unterschied von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel des Elektronenstrahlerzeugungssystems besteht die nahe an cer Kathode liegende Fokussierelektrode 5 in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 aus zwei Teilen 22, 23, die mit einem Zwischenraum eingebaut sind. In diesem Zwischenraum ist die linienförmige Glühkathode 4 angeordnet, wobei diese Teile 22, 23 in bezug auf ihre Längsachse symmetrisch liegen, wie dies in F i g. 5 dargestellt ist.

Die Federn 12 ^Fig.6) und 14 sind mit ihren Enden nicht an den Stromzuleitungsklemmen 11 wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, sondern an den auf den Gehäuseisolatoren 10 angeordneten Haltern 24 mit Hilfe von Schrauben 25 befestigt.

Das beschriebene Elektronenstrahlerzeugungssystem funktioniert wie folgt.

Beim Betrieb des Elektronenstrahlerzeugungssystems erfolgt die lineare Ausdehnung der Glühkathode 4 infolge ihrer Erwärmung bis zur Betriebstemperatur (über 2000⁰C). Hierbei verschieben sich die Teile 6, 7 bzw. 22, 23 (Fig.4) unter Einwirkung der parallel befestigten flachen Federn 12, 13, 14, 15 (Fig.2, 6), planparallel längs der Achse der Glühkathode 4 und spannen diese an, wobei ihre Querverformung beseitigt wird.

Die Anordnung der Kathodenhalter an den Stirnflächen der Teile 6,7 bzw. 22,23 gewährleistet eine stabile Lage der Glühkathode in bezug auf diese Teile.

Die Magnetfelder, die von dem die beiden Teile 22,23 der Fokussierelektrode 5 durchfließenden Strom erzeugt werden, sind entgegen dem Magnetfeld gerichtet, das von dem in der Glühkathode 4 fließenden Strom erzeugt wird, und kompensieren dieses Feld teilweise. Dies wird durch die symmetrische Anordnung der Teile 22, 23 der Fokussierelektrode 5 in bezug auf die Längsachse der im Raum zwischen diesen Teilen liegenden linienförmigen Glühkathode 4 erreicht.

Piese Kompensation des Magnetfeldes verbessert die Stabilität der Elektronenstrahlbahn bei verschiedenen Heizstromstärken in der Glühkathode 4 im Falle der Leistungsregelung der Elektronenstrahlerzeugungssysteme und vermindert den Einfluß der HeizstromDulsa-

tion auf die elektronenoptischen Parameter des Elektronenstrahls.

Das vorgeschlagene Elektronenstrahlerzeugungssystem weist eine höhere Stabilität seiner elektronenoptischen Parameter auf.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahlerzeugungssystem mit linienförmiger Glühkathode zum Elektronenstrahlerwär- -, men, -schmelzen und -verdampfen von Werkstoffen, dessen Kathodenblock eine von zwei Kathodenhaltern gehalterte linienförmige Glühkathode und eine nahe an dieser angeordnete Fokussierelektrode, die in Zusammenwirkung mit einer Beschleunigungs- iu anode zur Bildung eines Elektronenstrahls aus dem Elektronenstrom bestimmt ist, der von einem dieser Beschleunigungsanode zugewandten Teil der Emissionsoberfläche der linienförmigen Glühkathode emittiert wird, deren übrige Emissionsoberfläche in ι ■> einem Abstand von dieser Fokussierelektrode angeordnet ist, sowie Stromzuleitungselemente enthält, die an einem Isolator eines Kathodenblockgehäuses und an denen wiederum die einen Enden von zwei flachen federnden Stromzuführungen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierelektrode (5) aus zwei in einem Abstand eingebauten Teilen (6, 7 bzw. 22, 23) besteht, an deren in bezug auf die Längsausdehnung der Glühkathode (4) entgegengesetzt liegenden Stirnflächen die Kathodenhalter (20,21) angeordnet sind, daß an diesen Stirnflächen der Teile (6, 7 bzw. 22, 23) der Fokussierelektrode (5) die einen Enden zweier zusätzlicher flacher Federn (12,14) befestigt sind, deren andere Enden am Gehäuseisolator (10) μ befestigt sind, und daß an den diesen Stirnflächen gegenüberliegenden Stirnflächen der Teile (6,7 bzw. 22,23) der Fokussierelektrode (5) die anderen Enden der flachen federnden Stromzuführungen (13, 15) derart befestigt sind, daß die Durchbiegungsausschlage der an verschiedenen Teilen (6,7 bzw. 22,23) der Fokussierelektrode (5) befestigten flachen federnden Stromzuführungen (13, 15) und der zusätzlichen flachen Federn (i2, 14) gegeneinander gerichtet sind.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (22, 23) der nahe an der Glühkathode (4) liegenden Fokussierelektrode (5) in bezug auf die Längsachse dieser Glühkathode (4) symmetrisch angeordnet sind und die Glühkathode (4) im Raum zwischen diesen Teilen (22, 23) liegt (F i g. 4 bis 6).

3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den die Kathodenhaltertrogen den Stirnflächen der Teile (6,7 bzw. 22, 23) der Fokussierelektrode (5) Nuten (19) zur Aufnahme von Enden der linienförmigen Glühkathode (4) vorgesehen sind und daß jeder Kathodenhalter als Einsatzstück (20) ausgeführt ist, der das entsprechende Ende der Glühkathode (4) berührt und es in dieser Nut mittels einer Schraube (21) festhält.