DD237932A1

DD237932A1 - Elektronenkanone fuer hohe strahlleistungen

Info

Publication number: DD237932A1
Application number: DD85276845A
Authority: DD
Inventors: Alexander Von Ardenne; Guenter Jaesch; Siegfried Schiller
Original assignee: Ardenne Forschungsinst
Priority date: 1985-05-31
Filing date: 1985-05-31
Publication date: 1986-07-30
Also published as: US4665297A; DD237932B1; JPS61284036A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektronenkanone fuer hohe Strahlleistungen und findet in Grossanlagen der Vakuummetallurgie Anwendung. Die Aufgabe ist es, den Elektronenstrahl ueber den gesamten Leistungsbereich, 10 bis 100% der Nennleistung der Elektronenkanone, mit einer festen Brennweite der Strahlfuehrungslinse zu steuern. Erfindungsgemaess ist in der Elektronenkanone, bestehend aus Katode, Fokussierelektrode und verstellbarer Anode, der anodenseitige Polschuh der magnetischen Strahlfuehrungslinse mit der Anode verbunden und mit dieser axial verschiebbar. Figur

Description

Überraschenderweise wurde gefunden, daß die beschriebene Einrichtung, entgegen theoretischer Voraussagen, allein die Vorteile von fixer und bewegter Strahlführungsiinse in sich vereinigt. Die durch die beschriebene Erfindung verbesserte Führung des Elektronenstrahls basiert ganz offensichtlich auf dem Zusammenspiel von axial bewegter Anode, den aufgeführten geometrischen Verhältnissen im Bereich der Strahlerzeugung sowie der Nutzung des gasfokussierten Elektronenstrahls. Es ist vorteilhaft, wenn die Anode aus einem hochwarmfesten Material besteht und der anodenseitige Polschuh der Strahlführungsiinse, welcher die Anode trägt, ohne Wasserkühlung ausgeführt wird, um die Betriebssicherheit des Systems zu erhöhen. Ferner ist es vorteilhaft, zur Aufrechterhaltung des für die Gasfokussierung des Elektronenstrahls erforderlichen Druckes von 1 bis 3 · 1CT⁴ Torr im Anodengebiet ein Regelventil zu verwenden, das an der Zwischenkammer der Elektronenkanone angeflanscht ist.

Ausführungsbeispiel

Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Elektronenkanone im Schnitt. Die Elektronenkanone besteht aus Heizwendel 1, Katode 2, Fokussierelektrode 3, Anode 4, magnetische Strahlführungsiinse 5, erster Strömungswiderstand 6, Zwischenkammer 7, zweiter Strömungswiderstand 8, magnetische Strahlanpassungslinse 9, magnetisches Ablenksystem 10, Exzenterantrieb für die axial verstellbare Anode 11, Regelventil 12. Die Anode 4, mit einem Konuswinkel von y = 90°, istmitdemanodenseitigen Polschuh 13 derStrahlführungslinse5festverbunden. Die Drehdurchführung 11 ermöglichtübereinen Exzenterantrieb die axiale Verstellung des anodenseitigen Polschuhs 13 der Strahlführungsiinse und damit der Anode 4. Das an der Zwischenkammer 7 angeordnete Regelventil 12 ermöglicht die Einstellung eines konstanten Druckes in der Zwischenkammer, so daß im Bereich der Anode 4 ein Druck von 1 bis 3 · 10^-4 Torr herrscht.

Mittels des Heizwendeis 1 wird die Katode 2, die einen Kegelwinkel von α = 160° hat, auf Emissionstemperatur erwärmt. Die Erwärmung ist so stark, daß die zwischen Katode 2 und Anode 4 angelegte Beschleunigungsspannung einen raumladungsbegrenzten Elektronenstrom von der Katode extrahiert. Mit Hilfe der Forkussierelektrode 3, die einen Kegelwinkel von (S = 140° besitzt, wird der Elektronenstrahl formiert und tritt durch die Anode hindurch in den Bereich des wassergekühlten ersten Strömungswiderstandes 6 ein. Die Strahlführungsiinse 5 erlaubt eine verlustarme Führung des Elektronenstrahls durch die Strömungswiderstände 6 und 8. Die örtliche und zeitliche Anpassung der Leistungsdichte am Prozeßort erfolgt durch die Strahlanpassungslinse 9 und das Ablenksystem 10.

Aufgrund des eingestellten Druckes von 1 bis 3 · 10~⁴Torr im Bereich der Anode 6 erzeugt der Elektronenstrahl ein Plasma, das zu seiner Gasfokussierung führt. Die Einstellung der Strahlleistung erfolgt über den Exzenterantrieb 11, mit dem die axiale Lage der Anode 4 so lange geändert wird, bis der geforderte Strahlstrom erreicht ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronenkanone für hohe Strahlleistungen, bestehend aus einer Katode mit einem Kegelvyinkel von 140° bis 170°, einer Fokussierelektrode mit einem Kegelwinkel von 130° bis 160° und einer axial verstellbaren Anode mit einem Kegelwinkel von 60° bis 120° sowie mit einem Druck im Anodengebiet von 1 bis 3 · 10~⁴ Torr, dadurch gekennzeichnet, daß der anodenseitige Polschuh (13) der magnetischen Strahlführungslinse (5) mit der Anode (4) fest verbunden ist und mit dieser in axialer Richtung gemeinsam verstellbar ist.
2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (4) aus hochwarmfestem Material besteht.
3. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der anodenseitige Polschuh (13) der magnetischen Strahlführungslinse (5) keine Wasserkühlung besitzt.
4. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Druckes im Anodengebiet an der Zwischenkammer (7) der Elektronenkanone ein Regelventil (12) angeordnet ist.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Elektronenkanone vom Axialtyp, die einen Elektronenstrahl sehr hoher Leistung und hoher Leistungsdichte erzeugt, und insbesondere zum Eihsatz an Großanlagen der Vakuummetallurgie für das.Schmelzen, Verdampfen und Wärmebehandeln genutzt wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Elektronenkanonen vom Axialtyp mit Nennleistungen von 60 kW bis 120OkW sind bekannt. Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Strahlerzeugung wurden Elektronenkanonen, bestehend aus indirekt geheizter Massivkatode, Fokussier- und Steuerelektrode, derart ausgebildet, daß das Potential der Fokussier- und Steuerelektrode gleich oder kleiner als das Potential des Heizwendeis ist (DD-PS 112879). Es ist auch bekannt, durch Ausnutzung der Gasfokussierung die Qualität der Führbarkeit leistungsstarker Elektronenstrahlen zu erhöhen (DD-PS 132380).

Hochleistungs-Elektronenkanonen weisen gute Betriebseigenschaften auf, wenn ihr Elektronenstrahl aus einer raumladungsbegrenzten Emission der Katode erzeugt wird. Das bedeutet, daß bei hinreichend starker Heizung der Katode die Elektronenstrahlleistung über eine Änderung der Beschleunigungsspannung gesteuert wird. Daraus resultiert der Nachteil, daß sämtliche elektrischen und magnetischen Felder, die zur Führung und Positionierung des Elektronenstrahls notwendig sind, bei Änderung der Beschleunigungsspannung nachgeführt werden müssen. Dieser Nachteil wird durch eine axial verstellbare Anode beseitigt, die eine Steuerung der Elektronenstrahlleistung bei konstanter Beschleunigungsspannung und konstanter Katodentemperatur erlaubt (DD-PS 134168).

Der Elektronenstrahl passiert auf seinem Wege zum Prozeßort u.a. die Anode und eine nachfolgend angeordnete magnetische Linse, die als Strahlführungslinse bezeichnet wird. Während die Anodenbohrung im elektronenoptischen Sinne eine Zerstreuungslinse darstellt, entspricht die magnetische Strahlführungslinse einer Sammellinse. Dem Fachmann ist bekannt und anhand elektronenoptischer Abbildungsgesetze nachweisbar, daß die im allgemeinen realisierte Kombination einer axial verstellbaren Anode mit einer fixen Strahlführungslinse Vor- und Nachteile hat. Der Vorteil ist, daß unabhängig von der jeweiligen Lage der Anode eine feste Brennweite der Linse gewählt werden kann, während sich als Nachteil eine Aperturvergrößerung des Elektronenstrahls mitzunehmendem Katoden-Anodenabstand ergibt. Dem Fachmann ist ferner bekannt und ebenfalls anhand elektronenoptischer Abbildungsgesetze nachweisbar, daß eine mit der axial verstellbaren Anode mitbewegte Strahlführungslinse ebenfalls Vor- und Nachteile aufweist. Der Vorteil ist eine Aperturverkleinerung des Elektronenstrahls mit zunehmendem Katoden-Anodenabstand, der Nachteil eine Brennweitenverlängerung, um einen möglichst gut konzentrierten Elektronenstrahl zu erhalten.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, eine Elektronenkanone hoher Strahlleistung zu schaffen, die frei von den Nachteilen bekannter Konstruktionen ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leistungsstarke Elektronenkanone mit einer Nennleistung von 6OkW bis über 1200 kW zu schaffen, deren Elektronenstrahl aus einem raumladungsbegrenzten Emissionsstrom resultiert und dessen Leistung mittels einer axial verstellbaren Anode gesteuert werden kann. Dabei soll der Elektronenstrahl über den gesamten steuerbaren Leistungsbereich, also z.B. von 10% bis 100% der Nennleistung der Elektronenkanone mit einer festen Brennweite der Strahlführungslinse erzeugt werden, ohne daß es zu einer Aperturvergrößerung kommt. Das bedeutet, daß nur die Vorteile von fixer und mitbewegter Strahlführungslinse unter Ausschließung ihrer Nachteile zum Tragen kommen sollen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Elektronenkanone, die mit konstanter Beschleunigungsspannung betrieben wird und eine axial verstellbare Anode mit einem Kegelwinkel von 60° bis 120° hat sowie eine Katode mit einem Kegelwinkel von 140° bis 170° und eine Fokussierelektrode mit einem Kegelwinkel von 130° bis 160° besitzt und die Gasfokussierung des Elektronenstrahls nutzt, dadurch gelöst, daß der anodenseitige Polschuh der Strahlführungslinse mit der Anode eine Einheit bildet, die axial bewegbar ist.