DE2201832A1 - Geraet zur Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Stromdichte - Google Patents

Description

DIPL.-1NG. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 14. Januar 1972

,Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Gerät zur Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Stromdichte

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Erzeugung von Elektronenstrahlen, insbesondere auf ein Gerät dieser Art zur Durchführung von Schweißarbeiten.

Heutige Elektronenstrahl-Schweißgeräte erfordern eine Kathode aus einem geeigneten Material, das auch dann eine einwandfreie Funktion gewährleistet, wenn es einem geringen Vakuum ausgesetzt wird, das noch über 1O~⁴ Torr liegt. Das bedeutet, daß auf Kathodenwerkstoffe zurückgegriffen werden muß, die nicht den besten Wirkungsgrad hinsichtlich Emission und Temperatur besitzen, sondern ein einwandfreies Arbeiten unter den gegebenen Bedingungen ermöglichen. Solche Kathoden müssen bei hohen Temperaturen betrieben werden, um Emissions-Vergiftungswirkungen der Restgase auf einem Minimum zu halten. Beispielsweise kann es notwendig sein, eine bolzenförmige oder Stiftkathode aus Wolfram bei einer Temperatur von 2500° C zu betreiben, um zu der notwendigen Emission zu gelangen. Die Temperatur des eine herkömmliche Stiftkathode umgebenden Gebiets kann in einem derartigen Anwendungsfall somit bis zu 1000° C betragen. Diese hohen Temperaturen lösen dann aber mindestens drei Probleme hinsichtlich der Ausbildung der Stützanordnung aus. Das zwischen Leitern vorgesehene Isoliermaterial muß relativ frei von einer Verdampfung oder Sublimierung von Werkstoffen des Gesamtauf-

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baus gehalten werden, um Oberflächen-Kriechströme zu begrenzen. Ferner muß das verwendete Isoliermaterial in der Lage sein, diesen hohen Temperaturen zu widerstehen, ohne zu Bruch zu gehen oder in sonstiger Weise eine nennenswerte Verringerung seiner Isoliereigenschaften zu erfahren. Schließlich dürfen sich die Bauteile infolge der hohen Temperaturgradienten nicht verziehen, weil solche Verzerrungen die Eigenschaften des Gesamtaufbaus verändern oder sogar eine vollständige Betriebsunfähigkeit hervorrufen könnten.

Bei bekannten Geräten der vorliegenden Art war die Stiftkathode innerhalb eines muffen- oder hülsenartigen Körpers angeordnet, wobei sie mittels einer an der Seite der Kathode angreifenden Stellschraube in ihrer Lage gehalten wurde. Statt dessen wurde auch versucht, die Stiftkathode mittels einer feilklobenartigen Anordnung zu halten. In beiden Fällen trat das Problem auf, daß durch eine Schweißwirkung ein gegenseitiges Haften hervorgerufen wurde, das es schwierig machte, die Lage der Kathode nach einer bestimmten Betriebsdauer zu ändern. Bei der mit einer Einstellschraube arbeitenden Ausführung wurde gelegentlich auch festgestellt, daß die Einstellschraube sich innerhalb des Gewindeloches löste oder aber auch nach kurzer Betriebsdauer festsetzte.

Bezüglich der Anordnung der elektrischen Zuleitungen zu dem Kopfteil in Verbindung mit herkömmlichen Hartlötverfahren wurde gefunden, daß das bei relativ niedrigen Temperaturen schmelzende Hartlötmaterial bei Betrieb der Gefahr einer Sublimierung ausgesetzt war, so daß sich Kriechstrecken längs der Isolierteile ausbilden konnten.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, die vorstehend aufgeführten Nachteile zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Gerät zur Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Stromdichte, mit einer innerhalb eines Gehäuses angeordneten Stiftkathode für hohe Temperaturen sowie einer die Kathode umgebenden, mittels einer Durchführungsanordnung elektrisch angeschlossenen Heizeinrichtung erfindungsgemäß dadurch ge-

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kennzeichnet, daß die Durchführungsanordnung eine Isoliermuffe und einen Stützleiter aus elektrisch leitendem Material aufweist, die im Verhältnis zu einem Kopfteil aus Metall bzw. im Verhältnis zueinander mittels Glasfritte festgelegt sind.

Dabei ist die Stiftkathode zusätzlich so gelagert, daß sie unter der Vorspannung einer Feder steht.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus den nachstehenden Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht eines für den Einsatz in atmosphärischer Umgebung geeigneten Elektronenstrahl-Schweißgerätes, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab eine Schnittansicht der Kathode und der Hauptstützanordnung, zusammen mit einem zugehörigen Isolator;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Kathodenanordnung;

Fig. 4 einen Querschnitt durch Fig. 3 längs der Linie IV-IV; und

Fig. 5' in weiter vergrößertem Maßstab eine Teil-Schnittansicht der elektrischen Zuleitung der Fig. 4, zusammen mit der zugehörigen Stützanordnung.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein Elektronenstrahlgerät mit einem oberen kammerartigen Abschnitt 10, einem mittleren Abschnitt 12 sowie einem unteren, ebenfalls kammerartigen Abschnitt 14. Der obere Abschnitt 10 steht unter erhöhtem Druck und ist mit einem geeigneten

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Isoliergas wie SFg gefüllt. Dort erfolgt auch die Hochspannungsspeisung. Der mittlere Abschnitt 12 weist das niedrigste Vakuum des Gerätes auf. In ihm ist eine Kathodenanordnung 16 untergebracht. Der von der Kathodenanordnung 16 erzeugte Elektronenstrahl wird durch den anschließenden unteren Abschnitt 14 gerichtet und durchläuft die aufeinanderfolgenden Pumpstufen, um schließlich durch eine am Boden des unteren Abschnittes 14 befindliche Bodenöffnung 18 in die Atmosphäre auszutreten und dort ein Werkstück zu beaufschlagen.

In Fig. 1 sind mehrere Pumpstufen sowie mehrere Pumpöffnungen gezeigt. Der Druck nimmt von Stufe zu Stufe in Richtung von der Kathodenanordnung 16 zu dem Werkstück 20 hin zu. Der Umgebungsbereich der Kathode befindet sich auf einem Druck von etwa 10~5 Torr. Die folgende Stufe weist einen Druck in der Größenordnung eines Bruchteils eines Torr auf, während sich die Endstufe auf einem Druck von etwa 200 Torr befindet. Eine magnetische Linse 24 sorgt für die Fokussierung des Elektronenstrahls.

Der von der Kathodenanordnung 16 in dem Bereich niederen Drucks erzeugte Elektronenstrahl wird durch eine Anode 17 beschleunigt, die sich im wesentlichen auf Erdpotential befindet. Die Kathodenanordnung 16 befindet sich auf einem negativen Potential von 150.000 V, während sich die anschließenden Stufen des Systems alle praktisch etwa auf Erdpotential befinden. Der Elektronenstrahl pflanzt sich durch eine öffnung in der Anode 17 fort, wird durch die magnetische Linse 24 fokussiert, um dann mehrere öffnungen zu durchsetzen, die unterschiedliche Drücke voneinander trennen, wie sie durch die verschiedenen längs eines rohrförmigen Gehäuses hinter einander angeordneten Pumpen aufrechterhalten werden. Das rohrförmige Gehäuse 26 kann aus einem geeigneten Metall wie einem nicht-magnetischen Edelstahl bestehen.

Fig. 2 zeigt die Befestigung der Kathodenanordnung 16 in einer Fassung 30. Die Fassung 30 ist an das eine Ende eines Rohrabschnittes 32 angeschlossen, dessen anderes Ende von einem konischen Isolator 34 gehalten wird. Der konische Isolator 34 besteht

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aus einem geeigneten Material wie Aluminiumoxid. Der Rohrabschnitt 32 kann aus einem geeigneten Material wie einer Kovar(R)-Legierung bestehen. Der konische Isolator 34 sorgt für Isolation und mechanische Abstützung der Kathodenanordnung 16 innerhalb des Systems. Die Kathodenanordnung 16 greift in die Fassung 30 am unteren Ende des Rohrabschnittes 32 ein und wird dort durch einen Sicherungsring 36 mit einer öffnung 38 fixiert, der einen Bestandteil der Elektronenoptik bildet.

Die Kathodenanordnung 16 ist im einzelnen mit Fig. 3 und 4 wiedergegeben. Die Kathodenanordnung 16 hat ein Kathodengehäuse 41 mit einem oberen und einem unteren topfförmigen Abschnitt 43 bzw. 45. Der obere topfförmige Abschnitt 43 geht an seiner Unterseite in einen Boden 47 über, an den der größte Teil der Kathodenanordnung durch geeignete Hilfsmittel wie Schrauben angeschlossen ist.

Ein Isolier-Ringkörper 49 ist innerhalb des oberen topfförmigen Abschnittes 43 mit dem Boden 47 verbunden. Der Isolier-Ringkörper 49 hat einen Ringabschnitt 51 aus einem geeigneten Material wie einer Kovar(R)-Legierung. In öffnungen 53, die in üinfangsrichtung über den Ringabschnitt 51 verteilt sind, sind mehrere elektrische Zuleitungen 46 abgestützt.

Fig. 5 zeigt weiter ins einzelne gehend die Befestigung einer der Zuleitungen 46 in einer öffnung 53. Eine geeignete Isoliermuffe umgibt die Zuleitung 46. Eine Dichtungslage 57 aus Glasfritte legt die Isoliermuffe 55 im Verhältnis zu der Zuleitung 46 fest, während eine Dichtungslage 59 aus Glasfritte die Isoliermuffe 55 in der öffnung 53 des Ringabschnittes 51 festlegt. Die Zuleitungen ragen durch öffnungen in dem Boden 47.

Eine Stiftkathode 40 ist in einem Gehäuse 41 untergebracht, das vorwiegend aus einem geeigneten Metall wie Kovar(R) hergestellt ist. Das Gehäuse 41 ist unter Zwischenlage einer Isolierscheibe an dem Boden 47 befestigt. Die Stiftkathoda 40 ragt über das Gehäuse 61 hinaus und durch eine öffnung in dem Boden*47.

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Das vorragende, freie Ende der Stiftkathode 40 ist von einem Heizkörper 42 umgeben. Die Stiftkathode 40 besteht aus einem geeigneten hitzebeständigen Material wie Wolfram und hat einen Durchmesser von etwa 1,5 mm und eine Länge von etwa 5 cm. Der Heizkörper 42 emittiert Elektronen, die die Stiftkathode 40 bombardieren und diese dadurch mit einer Energie versorgen, die zur Aufheizung auf eine elektronenemittierende Temperatur von etwa 2500° C ausreicht. Ein rohrförmiger Hitzeschild 44 umgibt den Heizkörper 42 und sorgt für einen besseren thermischen Wirkungsgrad. Das eine Ende des Heizkörpers 42 ist durch den Hitzeschild 44 abgestützt, der seinerseits durch drei der Zuleitungen 46 getragen ist. Der andere Anschluß des Heizkörpers 42 wird von einer Zunge 49a gehalten, die ihrerseits an einer isolierten Zuleitung 46 befestigt ist. Oberhalb des Hitzeschildes 44 befindet sich eine Kappe 48, um die Energie zu der Stiftkathode 40 zurückzuwerfen und für einen besseren thermischen Wirkungsgrad des Systems zu sorgen.

Die Stiftkathode 40 ist an ihrem einen (oberen) Ende mit einer Sicherungsscheibe 50 ausgestattet, die in einer geeigneten, in der Stiftkathode 40 vorgesehenen Nut 52 sitzt. Die Sicherungsscheibe 50 wird dabei von einer Ausnehmung 54 einer Führungsanordnung 56 aufgenommen. Diese Führungs- oder Lageranordnung 56 hat ein feststehendes Hülsenteil 58, ein bewegliches Hülsenteil 60 sowie eine Feder 62. Die Führungsanordnung 56 ist innerhalb eines Hohlraumes 64 des Gehäuses 61 angeordnet. Das feststehende Hülsenteil 58 besteht aus Graphit und sitzt in einem Hohlraum 64. Das bewegliche Hülsenteil 60 besteht ebenfalls aus Graphit und wird durch die Feder 62 von dem feststehenden Hülsenteil 58 weggedrückt, so daß die Stiftkathode 40 an einer oberen Anlagefläche 66 anschlägt. Die Stiftkathode 40 ist in der Führungsanordnung 56 mittels zweier in dem beweglichen Hülsenteil 60 mit der Sicherungsscheibe 50 bzw. in dem feststehenden Hülsenteil 58 vorgesehener Löcher geführt. Die Lage der Stiftkathode 40 wird durch die Lage der einstellbar ausgebildeten Anlagefläche 66 bestimmt. Die Anlagefläche 66 entspricht dem unteren Ende einer Einstellschraube 68, die so eine Einstellung der Lage der Stiftkathode 40 ermöglicht. Die Sicherungsscheibe 50 kann aus jedem geeigneten Metall bestehen, das

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einen relativ niedrigen Ausdehnungskoeffizienten hat, wie etwa einer Kovar(R)-Legierung. Die Anordnung der Sicherungsscheibe 50 im Innern des Hohlraums 64 bestimmt gleichzeitig den maximal zulässigen Ausdehnungskoeffizienten für die Sicherungsscheibe 50. In einigen Ausführungsfällen wird die Sicherungsscheibe durch ihren Sitz in der Ausnehmung 54 fest in der Nut 52 gehalten, so daß die Stiftkathode auf diese Weise festgelegt ist.

Die Ausbildung der Einstellschraube 68, mit deren Hilfe die Lage der Stiftkathode 40 festgelegt wird, ist hinsichtlich des Ausdehnungskoeffizienten infolge der geringen Länge der Einstellschraube 68 sowie deshalb nicht zu kritisch, weil die Einstellschraube 68 in das relativ massive Gehäuse 61 eingreift, auf das sich der Temperaturanstieg nicht übermäßig auswirkt. Die beiden die Stiftkathode 40 führenden Hülsenteile 58 und 60 bilden zwei Lagen für die Stiftkathodenanordnung. Die Ausgestaltung ist so, daß bei Entfernung einer Abdeckung 65 von dem Gehäuse 61 die Stiftkathode 40 ohne Beeinträchtigung des Heizkörperaufbaus an der Vorderseite rückwärtige herausgezogen werden kann. Die Wahl des Graphitmate-,rials für die Führungsanordnung 56 ist wichtig, weil dadurch ein Aufbau geschaffen wird, der nicht an dem Gehäuse 61 haftet und an dem auch die Stiftkathode 40 nach mehrfachem Einsatz nicht haftet. Daher lassen sich die Stiftkathode 40 und notwendigenfalls auch die Stiftkathode 40 und die Führungsanordnung 56 herausnehmen und bei Bedarf auswechseln.

Bei Betrieb wird die Stiftkathode 40 mit einem negativen Potential von 150.000 V durch eine in dem oberen Abschnitt 10 angeordnete Hochspannungsversorgung beaufschlagt. Der Elektronenstrahl wird durch ein elektronenoptisches System erzeugt und aufrechterhalten, so daß die Lage der emittierenden Fläche der Stiftkathode 40 im Verhältnis zu den anderen Teilen des Aufbaus kritisch ist. Die Lage der Stiftkathode 40 kann die Form des Elektronenstrahls in starkem Maße beeinflussen. Daher ist die Lage der emittierenden Fläche der Stiftkathode 40 wesentlich, wobei die Einstellschraube 68 an der Rückseite eine genaue Einstellung ermöglicht. Nach dem ersten Zusammenbau wird die Höhe der Kathode im Verhältnis zu der

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Kappe überprüft und gemessen und innerhalb eines 1/4 Hundertstel mm eingehalten.

Der Hitzeschild 44 und die Kappe 48 sowie der Heizkörper 42 sind durch die Zuleitungen 46 abgestützt, die ihrerseits ja in dem Metall-Ringabschnitt 51 niedrigen Ausdehnungskoeffizientens gehalten sind. Für die Isolation zwischen den Zuleitungen 46 und dem Ringabschnitt 51 sorgen die Isoliermuffen 55. Die Isoliermuffe kann aus Aluminiumoxid hoher Reinheit oder einem anderen Material bestehen, das bei relativ hoher Temperatur einen hohen elektrischen Widerstand hat. Zwischen der Zuleitung 46 und der Isoliermuffe 55 ist die Dichtungslage 57 aus Glasfritte, zwischen der Isoliermuffe 55 und dem Ringabschnitt 51 die Dichtungslage 59 aus Glasfritte vorgesehen. Das Glasfritte-Material kann als Lötglas oder Glaslot geeigneter Beschaffenheit wie Pyroceram Nr. 7574 ausgebildet sein, wie es von der Corning Glass Company, Corning, New York, verkauft wird. Auf diese Weise erfolgt der Zusammenbau mittels der geeigneten, als Haftmittel wirksamen Dichtungslagen 57, 59, während für die Isolation durch die Isoliermuffe 55 gesorgt wird. Infolge der Isolation durch die Isoliermuffe 55 werden ausgezeichnete Hochtemperatur-Eigenschaften der Isolation aufrechterhalten. Oberflächenlectetröme werden auf einem Minimum gehalten, indem die Isoliermuffe 55 oben und unten über den Ringabschnitt hinausragt und durch die umgebenden Teile für eine geeignete Abschirmung gesorgt wird. Die Verwendung devitrifizierender Lötgläser als als Haftmittel wirksame Dichtungslagen 57 und 59 ermöglicht die Herstellung einer solchen Anordnung aus Teilen, die nicht mit großer Genauigkeit hergestellt werden müssen. Das ist darauf zurückzuführen, daß das devitrifizierende Glas sich noch im heißen Zustand verfestigt. Die Passung zwischen der Aluminiumoxid- Isoliermuffe 55 und den durch die Zuleitungen 46 sowie den Ringabschnitt 51 gebildeten Metallteilen braucht nicht genau zu sein, weil das Lötglas die Hohlräume ausfüllt. Das Lötglas wie bei spielsweise das erwähnte Pyroceram Nr. 7574 ist mit Nitrozellulose und Butyl-Cellosolve (R) in einer Suspension mit catchupartiger Konsistenz gemischt, die auf die Zuleitungen 46 aufgestrichen wird. Gleichfalls wird die Fritte bzw. das Lötglas auf den Metall-

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bereich des Ringabschnittes 51 aufgestrichen, der mit der keramischen Isoliermuffe 55 in Kontakt gebracht werden soll. Die Zuleitung 46, die Isoliermuffe 55 sowie der Ringabschnitt 51 werden mit Hilfe einer geeigneten Zusammenbaulehre zusammengesetzt, die aus einem Metall mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sein muß. Die so erhaltene Anordnung wird dann etwa eine Stunde lang bei ungefähr 800° C gebrannt (gesintert). Während dieser Brenndauer kommt es zu einem Kristallwachstum in dem devitrifizierenden Lötglas, und die Hohlräume zwischen der keramischen Isoliermuffe 55 und den Metallteilen 46, 51 werden ausgefüllt, so daß sich ein Aufbau ergibt, der bei Raumtemperatur eine große mechanische Festigkeit aufweist. Die Zuleitung 46 hat einen Durchmesser von etwa 2 mm und besteht aus einem elektrisch leitenden Material mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten wie einer Kovar(R)-Legierung.

Patentansprüche:

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Claims (10)

Patentansprüche ;

1./ Gerät zur Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Stromdichte, mit einer innerhalb eines Gehäuses angeordneten Stiftkathode für hohe Temperaturen sowie einer die Kathode umgebenden, mittels einer Durchführungsanordnung elektrisch angeschlossenen Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführungsanordnung eine Isoliermuffe (55) und einen Stützleiter aus elektrisch leitendem Material aufweist, die im Verhältnis zu einem Kopfteil aus Metall bzw. im Verhältnis zueinander mittels Glasfritte (Lötglas bzw. Glaslot) festgelegt sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermuffe (55) in bezug auf hohe Temperaturen bessere elektrische Isoliereigenschaften als die Glasfritte aufweist und die Glasfritte in der Hauptsache in einer Menge vorgesehen ist, um den Aufbau der Durchführungsanordnung zu sichern, während der Hauptanteil der elektrischen Isolation zwischen dem Kopfteil und dem Stützleiter von der Isoliermuffe (55) gebildet ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfritte devitrifiziert ist.

4. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als die Isoliermuffe (55) hat.

5. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenzstelle zwischen der Außenfläche der Isoliermuffe (55) und einer diese umgebenden Dichtungslage (59) aus Glasfritte eine Druckdichtung vorgesehen ist.

6. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützleiter zur Begrenzung der auf die Abdichtung zwischen der Innenfläche der Isoliermuffe (55) und einer daran angrenzenden Dichtungslage (57) aus Glasfritte

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einwirkenden Spannung
einen Durchmesser von weniger als 6 mm hat.

7. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 6, gekennzeichnet durch eine Feder (62) für die Längsausrichtung der Stiftkathode (40) im Verhältnis zu der Durchführungsanordnung.

8. Gerät nach Anspruch 1, wobei die Stiftkathode von einem langgestreckten Metallkörper gebildet ist, der an seinem einen Ende Elektronen emittiert und in Längsrichtung mit Wärme beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein einstellbarer Anschlagkörper an dem dem einen Ende der Stiftkathode gegenüberliegenden anderen Ende der Stiftkathode angreift.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung der Stiftkathode (40) eine Führungsanordnung (56) aus Graphit vorgesehen ist.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (62) aus hochtemperaturfestem Federmaterial besteht und die Stiftkathode (40) gegen den einstellbaren Anschlagkörper drückt.

KN/hs 3

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