DD143145A2 - METHOD AND DEVICES FOR CENTERING AN ENERGY CHARGE CARRIER BEAM - Google Patents

METHOD AND DEVICES FOR CENTERING AN ENERGY CHARGE CARRIER BEAM Download PDF

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DD143145A2
DD143145A2 DD21290779A DD21290779A DD143145A2 DD 143145 A2 DD143145 A2 DD 143145A2 DD 21290779 A DD21290779 A DD 21290779A DD 21290779 A DD21290779 A DD 21290779A DD 143145 A2 DD143145 A2 DD 143145A2
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Karl-Otto Mauer
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Mauer Karl Otto
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  • Welding Or Cutting Using Electron Beams (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtungen zur Einstellung und Kontrolle der Zentrierung eines energiereichen Ladungsträgerstrahles nach Patent 139 104. Unter den jeweiligen Bedingungen des technologischen Prozesses sollen während des gesamten Prozeßverlaufes meßbare Informationen über die Wechselwirkung zwischen dem Ladungsträgerstrahl und der am Prozeß beteiligten Materie gewonnen und zur Kontrolle und prozeßabhängigen Regelung herangezogen werden. Erfindungsgemäß wird bei Elektronenstrahlverfahren der Ionenrückstrom und bei Ionenstrahlverfahren der Elektronenrückstreustrom gemessen, wobei deren Gleichstromkomponente und/oder Amplitude und/oder Frequenz und/oder Impulslänge der Wechselstromkomponente und/oder deren Mittelwert zur Zentrierung verwendet werden. Das Verfahren und die Einrichtungen dienen in Erweiterung des Hauptpatents insbesondere der Einstell- und Kontrollgenauigkeit auch bei Prozessen mit hoher Strahlleistung.The invention relates to a method and devices for adjusting and controlling the centering of a high-energy charged carrier beam according to patent 139,104. Under the respective conditions of the technological process, measurable information on the interaction between the charged carrier beam and the material involved in the process is to be obtained throughout the entire process and used for monitoring and process-dependent regulation. According to the invention, the ion back current is measured in electron beam processes and the electron backscatter current in ion beam processes, with their direct current component and/or amplitude and/or frequency and/or pulse length of the alternating current component and/or their mean value being used for centering. The method and devices, in extension of the main patent, serve in particular to ensure adjustment and control accuracy, even in processes with high beam power.

Description

-λ- 21290 7 -λ- 21290 7

Verfahren und Einrichtungen zur Zentrierung eines energiereichen LadungsträgerstrahlesMethod and devices for centering a high-energy carrier beam

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtungen zur Einstellung und Eontrolle der Zentrierung eines energiereichen Ladungsträgerstrahles innerhalb der Strahlenkanone nach Patent 459-4OV- ;, insbesondere zum Schweißen, Schneiden, Schmelzen, Spritzen, Zerstäuben, Verdampfen sowie zur Werkstoffbearbeitung»The invention relates to a method and means for adjusting and Eontrolle the centering of a high-energy carrier beam within the gun according to patent 459-4OV- , in particular for welding, cutting, melting, spraying, sputtering, evaporation and material processing »

Charakteristik, der bekannten technischen LösungenCharacteristic, the known technical solutions

ITach Patent 439ϊοφ ist bereits bekannt, daß zur Gewinnung von Prozeßinformationen über die Wirkung des energiereichen Ladungsträgerstrahles auf den Werkstoff für Kontroll- und Regelgrößen nur bestimmte Ladungsträger und/oder Energiespektren und/oder FrequenzspektrenITach Patent 439ϊοφ is already known that for obtaining process information on the effect of the high-energy carrier beam on the material for control and controlled variables only certain charge carriers and / or energy spectra and / or frequency spectra

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des Rückstreu- und/oder Werkstückstromes ausgewählt werden. Beim Elektronenstrahlschweißen unter Verwendung des Elektronenstromes als Prozeßmeßgröße hat .sich das Verfahren bis Strahlleistungen von ca* 10 kW "bewährt. Bei · weiterer Erhöhung der Strahlleistung nimmt die geforderte. Genauigkeit at>. ·the backscatter and / or workpiece flow can be selected. In the case of electron beam welding using the electron current as a process measuring variable, the method has proved successful up to beam powers of approximately 10 kW.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist Ziel der .Erfindung, ein Verfahren und die zugehörigen Einriebtungen zur Einstellung und Kontrolle der Zentrierung eines energiereichen Ladungstragerstrahles innerhalb der Strahlenkanone zu schaffen, welche einen hohen Grad der Reproduzierbarkeit gewährleisten, um die Zuverlässigkeit der Anlagen zu erhöhen und um die Produktivität der mit energiereichen Ladungsträgerstrahlen arbeitenden technologischen Verfahren zu steigern, insbesondere auch bei Prozessen mit hoher Strahlleistung·It is the object of the invention to provide a method and associated arrangements for adjusting and controlling the centering of a high-energy carrier beam within the gun which ensure a high degree of reproducibility in order to increase the reliability of the equipment and the productivity of high-energy Increase the charge carrier beams operating technological processes, especially in processes with high beam power ·

Das Wesen der ErfindungThe essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Einrichtungen zu schaffen, mit deren Hilfe die Zentrierung eines energiereichen Ladungstragerstrahles innerhalb der Strahlenkanone unter den jeweiligen Bedingungen des technologischen Prozesses bei einem hohen Grad der Reproduzierbarkeit eingestellt und kontrolliert werden kann, wobei das Verfahren einen automatischen Prozeßablauf gestatten und im gesamten Strahlleistungsbereich gewährleistet sein soll*The invention has for its object to provide a method and means by which the centering of a high-energy carrier beam can be set and controlled within the beam gun under the respective conditions of the technological process at a high degree of reproducibility, the method an automatic process flow allow and be guaranteed throughout the beam power range *

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Elektronenstrahlverfahren der Ionenrückstreustrom und bei Ionenstrahlverfahren der vorzugsweise Elektronenrückstreustrom gemessen wird, wobei deren Gleichstrom-According to the invention the object is achieved in that in electron beam method of the ion backscattering and in the ion beam method of preferably electron backscattering is measured, wherein the direct current

_ 3 - ζ ι ζ 9 Q /_ 3 - ζ ι ζ 9 Q /

komponente und/oder Amplitude und/oder Frequenz und/oder Impulslänge der Wechselsbromkomponenfce und/oder der Mittelwert, die erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der Stromstärke der Zentrierungsspulen für die X- und Y-Richtung eine typische Charakteristik aufweisen und den Zentrierungszustand des energiereichen Ladungsträgerstrahles innerhalb einer Strahlenkanone exakt widerspiegeln, zur Einstellung und Zontrolle der Strahlzentrierung verwendet werden»component and / or amplitude and / or frequency and / or pulse length of the Wechselbromkomponenfce and / or the average, which according to the invention, depending on the current strength of Zentrierungsspulen for the X and Y direction have a typical characteristic and the centering state of the high-energy carrier beam within a Accurately reflecting the beam gun, used to set and control the beam centering »

Die Einrichtungen zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch die Gewinnung des Rückstreustromes bestimmt« Dabei ist es erforderlich, daß die eigene Zeitkonstante des Meßsignalerfassungssystems vernachlässigbar gering ist.The means for carrying out the method according to the invention are determined by the recovery of the backscattering stream. It is necessary that the own time constant of the Meßsignalerfassungssystems is negligible.

Bei Elektronenstrahlverfahren erhält der ebene, hinreichend großflächige Kreisringauffanger mit möglichst geringem Bohrungsdurchmesser gegen Masse ein bestimmtes negatives Potential, so daß in Abhängigkeit von der Poten-Jiialhöhe Elektronen vom Auffänger weitgehend abgestoßen, Ionen jedoch angezogen werden. Bei Ionenstrahlverfahren erhält der Auffänger gegen Masse ein bestimmtes positives Potential, so daß in Abhängigkeit von der Potentialhöhe Ionen vom Auffänger weitgehend abgestoßen, Elektronen jedoch angezogen werden.In electron beam method receives the flat, sufficiently large circular collector with the lowest possible bore diameter to ground a certain negative potential, so that depending on the Poten Jiialhöhe electrons largely repelled by the interceptor, but ions are attracted. In ion beam method, the collector receives a certain positive potential to ground, so that depending on the potential level ions largely repelled by the interceptor, but electrons are attracted.

Dazu ist es zweckmäßig, den Auffänger über eine niederohmige Gleichspannungsquelle und einen möglichst niederohmigen, induktivitätsarmen Widerstand bei entsprechender Polung und vernachlässigbar geringer Störspannung der Spannungsquelle mit Masse zu verbinden, die geringe, am Widerstand abfallende Prozeßmeßspannung einem hinreichend hochohmigen Breitbandverstärker, vorzugsweise einem als integrierten Schaltkreis ausgeführten Operationsverstärker, zuzuführen und besonders auf kapazitätsarme Bau- und Schaltweise zu achten, -For this purpose, it is expedient to connect the catcher via a low-impedance DC voltage source and a low-impedance, low-inductance resistor with appropriate polarity and negligible interference voltage of the voltage source to ground, the low, dropping at the resistor Prozeßmeßspannung a sufficiently high-impedance broadband amplifier, preferably designed as an integrated circuit Operational amplifier, supply and pay particular attention to low-capacitance construction and switching,

Z12 V O /Z12 V O /

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung wird eine schematische Darstellung des Auffängers und seinermumlichen Anordnung "beim Elektronenstrahlschweißen sowie das Prinzip zur Gewinnung und Verarbeitung des Prozeßmeßsignals gezeigt.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing there is shown a schematic representation of the collector and its possible arrangement in electron beam welding, as well as the principle for obtaining and processing the process measurement signal.

Der von der Strahlenkanonelerzeugte Elektronenstrahl der Strahlstromstärke Ig trifft auf die Oberfläche des im Arbeitsabstand a angeordneten Werkstückes 2 der Dikke s, daß sich mit der Schweißgeschwindigkeit ν relativ zum Elektronenstrahl bewegt. Durch entsprechende Abstimmung der einzelnen Prozeßparameter wird dabei eine Schweißnaht erzeugt. Über dem Werkstück 2 ist im Abstand 1R ein ebener Kreisringauffänger 3 für den Rückstreustrom Itj derart angeordnet, daß die elektronenoptische Achse der Strahlenkanone 1 senkrecht zur Auffängerebene durch dessen Mittelpunkt verläuft. Der Außendurchmesser des Auffängers 3 beträgt 200 mm und der Bohrungsdurchmesser etwa das zweifache des Strahldurchmessers· Der mit· Isolatoren 4 befestigte Auffänger 3 ist über eine niederohmige Spannungsquelle SQR und einen Widerstand Rp von etwa 10 bis 100 SZ mit Masse verbunden. Die mit dem Potentiometer P-D einstellbare negative Potentialhöhe für den Auffänger 3 ist von den Prozeßbedingungen abhängig und beträgt im Mittel 300 V. Am Widerstand Rp wird ein Spannungsabfall gemessen, der dem Ionenrückstreustrom Lr** direkt proportional ist· Diese Meßspannung wird von einem Operationsverstärker OV mit 10 kSB Eingangswiderstand und einer Bandbreite von 0 bis 0,5 MHz verstärkt und direkt oder über' ein Tiefpaßfilter (EPF, Bandpaßfilter BPF oder Hochpaßfilter HPF einem Amplituden-Spannungswandler ASW, Frequenz-Spannungswandler FSV/, Impulslängen-Spannungswandler LSW und/oder einem Mittelwertbildner MWB zugeführt,The beam beam strength I g produced by the beam gun produces an impact on the surface of the workpiece 2 of the thickness s arranged at the working distance a, which moves relative to the electron beam at the welding speed ν. By appropriate adjustment of the individual process parameters while a weld is generated. Above the workpiece 2 at a distance 1 R, a planar circular ring catcher 3 for the backscattering stream Itj is arranged such that the electron-optical axis of the beam gun 1 extends perpendicular to the catcher plane through the center thereof. The outer diameter of the catcher 3 is 200 mm and the bore diameter is approximately twice the beam diameter. The catcher 3 fastened with insulators 4 is connected to ground via a low-resistance voltage source SQR and a resistance Rp of approximately 10 to 100 SZ . The adjustable with the potentiometer PD negative potential height for the catcher 3 is dependent on the process conditions and is on average 300 V. At the resistor Rp, a voltage drop is measured, which is directly proportional to the ion backflow Lr ** · This measuring voltage is from an operational amplifier OV with 10 kSB input resistance and a bandwidth of 0 to 0.5 MHz amplified and directly or via 'a low-pass filter (EPF, BPF BPF or high pass filter HPF an amplitude-voltage converter ASW, frequency-voltage converter FSV /, pulse width voltage converter LSW and / or an averaging MWB supplied,

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deren Zeifckonstante nur einige Millisekunden beträgt.whose Zeifckonstante is only a few milliseconds.

Die dem jeweiligen Gleichstrom und/oder der Amplitude, Frequenz und/oder Impulslänge der Wechselstromkomponente und/oder dem Mittelwert entsprechende Spannung wird von einem analog oder digital arbeitenden Spannungsmesser SM zur Kontrolle angezeigt und/oder bei automatischem Betrieb vorzugsweise von einem Prozeßrechner PE verarbeitet, der wie bei Handbetrieb auf die Elektronenstrahlzentrierung einwirkt«.The voltage corresponding to the respective DC current and / or the amplitude, frequency and / or pulse length of the AC component and / or the mean value is displayed by an analog or digitally operating voltmeter SM for checking and / or preferably processed by a process computer PE during automatic operation as in manual mode affects the Elektronenstrahlzentrierung «.

Claims (2)

212 9 0 7 Erfindungsansprueh212 9 0 7 Invention claim 1# Verfahren zur Einstellung und. Kontrolle der Zentrierung eines energiereichen Ladungsträgerstrahles innerhalb der Strahlenkanone nach p&-6e*tt i39-fOfy- , vorzugsweise unter Verwendung einer höheren Strahlj-leistung, insbesondere zum Schweißen, Schneiden, Schmelzen, Spritzen, Zerstäuben, Verdampfen sowie zur Werkstoffbearbeitung, gekennzeichnet dadurch, daß bei Elektronenstrahlverfahren der Ionenrückstreustrom (Ig) und bei Ionenstrahlverfahren vorzugsweise der Elektronen-rückstreustrom gemessen wird, wobei deren Gleichstromkomponente und/oder Amplitude und/ oder Frequenz und/oder Impulslänge der Wechselstromkomponente und/oder deren Mittelwert zur Zentrierung verwendet werdeno 1 # Procedure for setting and. Controlling the centering of a high- energy carrier beam within the beam gun after p & e.times.139-fOfy , preferably using a higher beam power, in particular for welding, cutting, melting, spraying, sputtering, evaporation and material processing, characterized in that in electron beam methods, the ion backscattering (Ig) and ion beam method, preferably the electron backscattering is measured, wherein the DC component and / or amplitude and / or frequency and / or pulse length of the AC component and / or their average value are used for centering o 2· Einrichtung zur Einstellung und Kontrolle der Zentrierung eines energiereichen Ladungsträgerstrahles innerhalb der Strahlenkanone nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Auffänger (3) jeweils über eine niederohmige Gleichspannungsquelle (SQR) und einen niederohmigen, induktivitätsarmen Widerstand (Rd) "bei entsprechender Polung und bei. vernachlässigbar geringer Störspannung der Gleichspannungsquelle (SQtO mit Masse verbunden ist, wobei die geringe am Widerstand (Rr) abfallende Prozeßmeßspannung jeweils mit einem hochohmigen Breitbandverstärker, vorzugsweise einen als integrierten Schaltkreis ausgeführten Operationsverstärker (OV), gekoppelt ist«.2 · Device for adjusting and controlling the centering of a high-energy carrier beam within the gun according to item 1, characterized in that the catcher (3) in each case via a low-impedance DC voltage source (SQ R ) and a low-resistance, low-inductance resistor (Rd) "with appropriate polarity and at negligibly small interference voltage of the DC voltage source (SQtO) is connected to ground, wherein the small drop across the resistor (Rr) Prozeßmeßspannung each with a high-impedance broadband amplifier, preferably an executed as an integrated circuit operational amplifier (OV) is coupled. Hierzu-1 Seite ZeichnungenFor this purpose-1 page drawings
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4564738A (en) * 1983-11-14 1986-01-14 Sciaky Bros., Inc. Method for alignment of an electron beam to the adjacent faces of segments of rock drill bits

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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