FR2545650A1

FR2545650A1 - ELECTRON CANON AND ITS APPLICATION TO AN ELECTRON BEAM WELDING INSTALLATION

Info

Publication number: FR2545650A1
Application number: FR8307416A
Authority: FR
Inventors: Jean-Pierre Hamon; Alain Gallay
Original assignee: La Soudure Autogene Francaise
Current assignee: Lincoln Electric Company France SA
Priority date: 1983-05-04
Filing date: 1983-05-04
Publication date: 1984-11-09
Also published as: FR2545650B1

Abstract

The vacuum chamber 1 of this electron gun includes, opposite the cathode 13, a porthole 11 beyond which is arranged an elipsoidal reflector 21. An incandescent electric bulb 22 is mounted so that its filament 24 lies at one focus of this reflector, the cathode being arranged at the other focus. The cathode is thus heated by the light energy emitted by the bulb and focused by the reflector onto its rear face.

Description

La présente invention est relative aux canons à électrons du type comprenant une cathode disposée dans une chambre à vide, et des moyens de chauffage de cette cathode. The present invention relates to electron guns of the type comprising a cathode disposed in a vacuum chamber, and means for heating this cathode.

Dans les canons à électrons connus, les moyens de chauffage de la cathode, qu'ils soient directs (par effet Joule) ou indirects (filament de tungstène thermoemissif), sont disposés dans la chambre à vide, où doit régner un vide très poussé, de l'ordre de 10 5 mb. In known electron guns, the cathode heating means, whether direct (by Joule effect) or indirect (thermoemissive tungsten filament), are arranged in the vacuum chamber, where a very high vacuum must prevail, of the order of 10 5 mb.

Cette conception a deux conséquences fâcheuses : d'une part, la construction du "coeur" du canon à électrons est complexe ainsi que son dispositif d'alimentation électrique ; d'autre part, lorsque l'on doit remplacer les moyens de chauffage, il faut-intervenir dans la chambre à vide, ce qui nécessite sa mise à l'atmosphère puis le rétablissement du vide poussé. This design has two unfortunate consequences: on the one hand, the construction of the "heart" of the electron gun is complex as well as its power supply device; on the other hand, when it is necessary to replace the heating means, it is necessary to intervene in the vacuum chamber, which requires it to be vented and then the re-establishment of the high vacuum.

L'invention a pour but de fournir un canon à électrons ne présentant pas ces inconvénients, c'est-à-dire dont le coeur possède une structure simplifiée et dont les moyens de chauffage puissent être facilement remplacés. The object of the invention is to provide an electron gun which does not have these drawbacks, that is to say the core of which has a simplified structure and the heating means of which can be easily replaced.

A cet effet, l'invention a pour objet un canon à électrons du type précité, caractérisé en ce que lesdits moyens de chauffage comprennent un émetteur de radiations monté à l'extérieur de la chambre à vide, une partie de paroi de cette dernière disposee sur le trajet des rayons provenant de cet- émetteur étant transparente vis-àvis desdites radiations. To this end, the subject of the invention is an electron gun of the aforementioned type, characterized in that said heating means comprise a radiation emitter mounted outside the vacuum chamber, a wall part of the latter having on the path of the rays coming from this emitter being transparent with respect to said radiation.

Dans un mode de réalisation préféré, -l'émetteur de radiations comprend d'une part- une source de radiations-à peu près ponctuelle, par exemple le; filament d'une ampoule électrique à incandescence, et d'autre part un réflecteur -ellipsoidal à un foyer duquel est disposée ladite source et à l'autre foyer duquel se trouve la cathode. In a preferred embodiment, the radiation emitter comprises, on the one hand, a source of radiation that is approximately punctual, for example the; filament of an incandescent electric bulb, and on the other hand a reflector-ellipsoidal to a focal point of which is disposed said source and to the other focal point of which is the cathode.

L'invention a egalement pour objet une installation de soudage par faisceau d'électronas comprenant un canon à électrons tel que défini ci-dessus. The invention also relates to an electron beam welding installation comprising an electron gun as defined above.

Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un
canon à électrons conforme à l'invention ; et - la figure 2 est une vue analogue d'une partie d'une variante du
canon à électrons de la figure 1. An exemplary embodiment of the invention will now be described with reference to the accompanying drawing, in which - Figure 1 is a schematic view in longitudinal section of a
electron gun according to the invention; and - Figure 2 is a similar view of part of a variant of the
electron gun of figure 1.

Le canon à électrons représenté à la figure 1 fait partie d'une installation de soudage par faisceau d'électrons. I1 comprend essentiellement une chambre à vide 1 qui contient le coeur 2 du canon à électrons, et un dispositif de chauffage 3 extérieur à la chambre 1. Dans ce qui suit, pour la commodité de la description, on supposera que l'axe X-X de ce canon à électrons est vertical, comme représenté. The electron gun shown in Figure 1 is part of an electron beam welding installation. I1 essentially comprises a vacuum chamber 1 which contains the core 2 of the electron gun, and a heating device 3 outside the chamber 1. In the following, for the convenience of the description, it will be assumed that the axis XX of this electron gun is vertical, as shown.

La chambre à vide 1 est delimitee : - par une paroi inférieure 4 percée en son centre d'un étroit conduit
5 qui sert au passage du faisceau à électrons et qui peut être
sélectivement obturé par des moyens non représentés situés
au-dessous de la chambre 1 ; - par une paroi latérale 6 qui comporte une première ouverture 7
destinée à être reliée à un groupe de pompage non représenté, et
une deuxième ouverture 8 recevant à joint étanche un embout 9 de
raccordement électrique haute tension ; et - par une paroi supérieure comprenant un cadre périphérique 10 dans
l'ouverture circulaire duquel est monté un hublot 11, avec
interposition d'un joint d'etanchéité, ce hublot étant maintenu par
une bride 12 vissée sur le cadre 10.The vacuum chamber 1 is delimited: - by a lower wall 4 pierced in its center with a narrow duct
5 which is used for the passage of the electron beam and which can be
selectively closed by means not shown located
below bedroom 1; - by a side wall 6 which has a first opening 7
intended to be connected to a pumping unit not shown, and
a second opening 8 receiving a seal 9 with a watertight seal
high voltage electrical connection; and - by an upper wall comprising a peripheral frame 10 in
the circular opening from which a porthole 11 is mounted, with
interposition of a seal, this window being maintained by
a flange 12 screwed to the frame 10.

Le coeur 2 du canon à électrons comprend une cathode 13 et un Wenhelt 14. La cathode est constituée par une pastille cylindrique réalisée en une matière thermoemissive, par exemple en hexaborure de lanthane, et logée dans un bottier métallique qui est lui-meme monté dans un porte-cathode 15 également métallique. Ce dernier et le
Wenhelt 14 sont fixés sur un support isolant 16 de forme annuiaire qui prend appui sur un épaulement 17 de la paroi latérale 6 de la chambre à vide. Des fils électriques 18, 19 relient respectivement la cathode et le Wenhelt à l'embout 9 et, de là > à une source appropriée d'énergie électrique haute tension (non représentée).The core 2 of the electron gun comprises a cathode 13 and a Wenhelt 14. The cathode consists of a cylindrical pellet made of a thermoemissive material, for example in lanthanum hexaboride, and housed in a metal case which is itself mounted in a cathode holder 15 also metallic. The latter and the
Wenhelt 14 are fixed on an insulating support 16 of annular shape which bears on a shoulder 17 of the side wall 6 of the vacuum chamber. Electrical wires 18, 19 respectively connect the cathode and the Wenhelt to the nozzle 9 and, from there> to an appropriate source of high voltage electrical energy (not shown).

Le dispositif de chauffage 3 comprend un chapeau 20, un réflecteur 21 et une ampoule électrique 22 à incandescence du type à halogène. Le réflecteur 21, réalisé par exemple en verre métallisé ou en métal brillant, recouvre toute la surface intérieure du chapeau 20 et a la forme d'une calotte d'ellipsolde de révolution ouverte vers le bas, de grand axe X-X. Cette calotte forme en fait la totalité ou un peu moins de la totalité d'un demi-ellipsoide. Le chapeau 20 est fixé de manière amovible par sa périphérie au cadre 10, par des moyens appropriés non représentés, de façon que le cercle limite du réflecteur 21 soit situé juste à l'aplomb de l'ouverture du cadre 10, les deux diamètres étant égaux. The heating device 3 comprises a cap 20, a reflector 21 and an incandescent electric bulb 22 of the halogen type. The reflector 21, made for example of metallized glass or of shiny metal, covers the entire inner surface of the cap 20 and has the shape of a cap of ellipsolde of revolution open downwards, with a major axis X-X. This cap actually forms all or a little less than the whole of a semi-ellipsoid. The cap 20 is removably attached by its periphery to the frame 10, by suitable means not shown, so that the limit circle of the reflector 21 is located just below the opening of the frame 10, the two diameters being equal.

L'ampoule 22, qui peut être une ampoule du commerce de 250W, est montée au sommet du chapeau 20 et s'étend suivant l'axe
X-X. Elle est alimentée en courant électrique basse tension par des fils 23. Son filament 24, qui est quasi-ponctuel, se trouve à l'un des foyers de l'ellipsoide défini par le réflecteur 21, et plus précisément au foyer supérieur de cet ellipsoide, c'est-à-dire celui qui se trouve dans le réflecteur ; la cathode 13, et plus précisément sa face supérieure ou face arrière destinée à être chauffée, est positionnée à l'autre foyer du même ellipsoide. Le hublot 11 est constitué d'une matière la plus transparente possible vis-à-vis du rayonnement émis par l'ampoule 22. Lorsque celle-ci est une ampoule à halogène, on peut utiliser un hublot en un borosilicate.The bulb 22, which can be a commercial bulb of 250W, is mounted at the top of the cap 20 and extends along the axis
XX. It is supplied with low-voltage electric current by wires 23. Its filament 24, which is quasi-punctual, is located at one of the foci of the ellipsoid defined by the reflector 21, and more precisely at the upper focal point of this ellipsoid , that is to say that which is in the reflector; the cathode 13, and more precisely its upper face or rear face intended to be heated, is positioned at the other focal point of the same ellipsoid. The porthole 11 is made of a material which is as transparent as possible vis-à-vis the radiation emitted by the bulb 22. When the latter is a halogen bulb, a porthole made of a borosilicate can be used.

En fonctionnement, lorsqu'on alimente l'ampoule 22 en courant électrique, celle-ci émet des rayons lumineux dans toutes les directions à partir de son filament 24. Du fait des propriétés classiques des ellipsoIdes, tous ces rayons sont réfléchis vers l'autre foyer, c'est-à-dire vers la face arrière de la cathode 13. In operation, when the bulb 22 is supplied with electric current, it emits light rays in all directions from its filament 24. Due to the conventional properties of ellipsoids, all these rays are reflected towards each other focus, that is to say towards the rear face of the cathode 13.

Celle-ci est ainsi chauffée efficacement et rapidement jusqu'à la température nécessaire pour l'émission du faisceau électronique de soudage.This is thus heated efficiently and quickly to the temperature necessary for the emission of the welding electron beam.

La cavité du chapeau 20 est à la pression atmosphérique. The cavity of the cap 20 is at atmospheric pressure.

Par suite, lorsque l'ampoule 22 doit être changée, son remplacement s'effectue très facilement, sans intervention dans la chambre à vide.Consequently, when the bulb 22 must be changed, its replacement is carried out very easily, without intervention in the vacuum chamber.

De plus, la structure du coeur 2 et de son dispositif d'alimentation électrique est considérablement simplifiée. En particulier, l'alimentation des moyens de chauffage en basse tension indépendamment du circuit haute tension utilisé pour le coeur 2 présente un grand intérêt économique.In addition, the structure of the core 2 and its electrical supply device is considerably simplified. In particular, supplying the heating means with low voltage independently of the high voltage circuit used for the core 2 is of great economic interest.

Bien que ceci ne soit pas représenté à la Fig. 1, on peut prévoir dans le chapeau 20 des ouvertures d'aération et des moyens pour créer une circulation d'air naturelle ou forcée, pour éviter un échauffement excessif dans ce chapeau. Although this is not shown in FIG. 1, one can provide in the cap 20 ventilation openings and means for creating a natural or forced air circulation, to avoid excessive heating in this cap.

Comme on l'a illustré à la figure 2, la position de l'ampoule 22 peut être modifiée, pourvu que son filament 24 reste au foyer de l'ellipsoide. En particulier, comme representé, l'ampoule peut être montée avec son axe horizontal rencontrant à angle droit l'axe X-X. As illustrated in FIG. 2, the position of the bulb 22 can be modified, provided that its filament 24 remains at the focal point of the ellipsoid. In particular, as shown, the bulb can be mounted with its horizontal axis meeting the X-X axis at right angles.

D'autres variantes peuvent être envisagées. Par exemple, l'ampoule 22 peut être remplacée par une autre source de radiations quasi-ponctuelle, telle qu'une lampe à arc haute pression. Other variants can be envisaged. For example, the bulb 22 can be replaced by another source of quasi-point radiation, such as a high pressure arc lamp.

Par ailleurs, on peut chercher à augmenter la puissance lumineuse focalisée par le réflecteur 21 sur la cathode. Pour cela, on peut donner à ce réflecteur, à l'extérieur de la chambre à vide, une forme correspondant à plus de la moitié d'un ellipsoide, et/ou prévoir à l'intérieur de la chambre à vide un réflecteur auxilaire prolongeant vers le bas le réflecteur 21 et situé sur le même ellipsoide. Ces modifications peuvent bien entendu nécessiter l'utilisation d'un porte-cathode et/ou d'une cathode de formes différentes de celles représentées pour permettre au maximum de rayons réfléchis d'atteindre effectivement la cathode. Furthermore, it is possible to seek to increase the light power focused by the reflector 21 on the cathode. For this, one can give this reflector, outside the vacuum chamber, a shape corresponding to more than half of an ellipsoid, and / or provide inside the vacuum chamber an auxiliary reflector extending down the reflector 21 and located on the same ellipsoid. These modifications may of course require the use of a cathode holder and / or a cathode of shapes different from those shown to allow the maximum of reflected rays to actually reach the cathode.

D'autre part, du fait que le filament de l'ampoule 22 n'est pas parfaitement ponctuel, une certaine proportion de la puissance réfléchie n'est pas dirigée sur la cathode, dont les dimensions sont très petites. Ceci peut être corrigé en modifiant légèrement la forme du réflecteur par rapport à la forme théorique parfaitement ellipsoldale, et/ou en utilisant une forme non plane pour au moins l'une des deux faces du hublot 11. On the other hand, because the filament of the bulb 22 is not perfectly punctual, a certain proportion of the reflected power is not directed onto the cathode, the dimensions of which are very small. This can be corrected by slightly modifying the shape of the reflector compared to the perfectly ellipsoldal theoretical shape, and / or by using a non-planar shape for at least one of the two faces of the porthole 11.

Claims

1. - electron gun, of the type comprising a cathode (13) arranged in a vacuum chamber, and means (21, 24) for heating this cathode, characterized in that said heating means comprise a radiation emitter mounted outside the vacuum chamber, a wall part (11) of the latter arranged on the path of the rays coming from this emitter being transparent with respect to said radiation.

2. - electron gun according to claim 1, characterized in that the radiation emitter comprises a source of radiation (24) and means (21) for concentrating the rays towards the cathode (13).

3. - electron gun according to claim 2, characterized in that the radiation source (24) is approximately punctual, and in that said concentration means comprise an ellipsoldal reflector (21) at a focus of which said said is disposed source and the other focal point of which is the cathode (13).

4. - electron gun according to claim 3, characterized in that the reflector (21) has the shape of a part of an ellipsoid of revolution and is extended by an auxiliary reflector located on the same ellipsoid at the disposal interior of the vacuum chamber (1).

5. - electron gun according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the radiation source (24) consists of the filament of an incandescent electric bulb (22).

6. - electron gun according to claim 5, characterized in that the axis of the bulb is coincident with that (X-X) of the electron gun.

7. - electron gun according to one of claims 5 and 6, characterized in that said wall portion (11) is constituted by a window.

8. - electron gun according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises means for ensuring air circulation around the radiation emitter.

9. - Electron beam welding installation, characterized in that it comprises an electron gun according to any one of claims 1 to 8.