DE2657114C2 - Beschleunigungssystem für ein Bündel geladener Teilchen in einer Elektronen- oder Ionenstrahlkanone - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beschleunigungssystem für ein Bündel geladener Teilchen in Elektronen- oder lonenstrahlkanonen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektronen- oder lonenstrahlkanonen mit Beschleunigungssystemen dieser Art dienen zur Elektronen- und Ionenstrahlbearbeitung von Werkstücken, z. B. zum Schweißen, Schmelzen und Metallisieren, zur Bearbeitung von Teilen mit. vorgegebenen Abmessungen sowie für andere Verfahren der Elektronenstrahltechnologie. Vorliegend gehl es insbesondere um die Erzeugung von energiereichen Bündeln geladener Teilchen mit einer Leistung von über 10 kW.

Bei einer aus DE-OS 24 33 781 bekannten Ausbildung eines Beschleunigungssystems für ein Bündel geladener Teilchen in Elektronen- und lonenstrahlkanonen ist nur eine Beschleunigungselektrode vorhanden, so daß das System nur einen Entladungsr.->um aufweist. Das Gehäuse ist als doppelwandige Röhre ausgebildet, in deren Zwischenwandraum eine elektrisch leitende Flüssigkeit strömt, welche sowohl Kühlzwecken dient, als auch durch Änderung ihrer Konzentration eine Veränderung des Widerstands ermöglicht. Im Inneren des Gehäuses sind im Abstand elektrisch leitende Ringe angeordnet, die mit dem Kühlmittel elektrisch leitend verbunden ίο sind, so daß dieses als Spannungsteiler wirkt

Wesentlich höhere Strahlleistungen werden erzielt mit Beschleunigungssystemen für Elektronen- oder lonenstrahlkanonen mit mehreren hintereinander angeordneten Beschleunigungselektroden der oberbegriff-Hch vorausgesetzten Art, bei denen als Spannungsteiler das durch eine Rohrschlange fließende Kühlmittel dient.

Zur Gewährleistung des elektrischen Kontaktes zwischen der Flüssigkeit und den Elektroden sind in dem dielektrischen Rohr öffnungen vorgesehen, in welche elektrisch leitende Hülsen eingesetzt sind, welche mit den Elektroden des Beschleunigungssystems verbunden sind. Die außenliegenden Hülsen sind an eine Speisequelle angeschlossen.

Obwohl dieses System gegenüber dem System mit einer Beschleunigungselektrode Vorteile aufweist, verursachen jedoch die Hülsen eine Vergrößerung der Abmessungen des Kühlsystems und folglich des gesamten Beschleunigungssystems, was seinerseits die Anwendungsmöglichkeiten des Beschleunigungssystems in den Einrichtungen der Elektronen- und lonenstrahltechnologie beschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verminderung der Abmessungen des Beschleunigungssystems bei Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit des Systems durch die Gewährleistung vorteilhafter Temperaturverhältnisse im Betrieb des Systems.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Bei einer solchen erfindungsgemäßen Konstruktion durchströmt das Kühlmittel unmittelbar den Körper des elektrischen ßesehleunigungssystems bei großer Kontaktfläcne zwischen dem Kühlmittel und den wärmebelastetcn Teilen des Systems. Durch die Ausbildung von zwei parallel zueinander verlaufenden und gegensinnig durchströmten Leitungswegen der Rohrschlange gelingt es außerdem, einen Wasserspanr.ungsteiler mit Zweigen von gleichem Widerstand auf der gesamten Länge des Teilers zu schaffen, was zu einem Ausgleich der Potentiale des Wassereinlaufes und -auslaufes führt und den Anschluß des Wasserspannungsteilers an das gewöhnliche Wasserleitungssystem ermöglicht.

Zweckmäßige Weiterbildungen des Beschleunigungssystems sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch ein Beschleunigungssystem mit drei Beschleunigungselektroden und einem Kühlsystem im Querschnitt;

Fig. 2 ein U-förmiges Rohr, das zur Bildung der Rohrschlange verwendet wird-,

F i g. 3 den Anschluß der Zweige der Rohrschlange an die Kanäle der Elektroden;

F i g. 4 die elektrische Ersatzschaltung des BeschlcunigungssvMems gemäß F i g. 1:

F i g. 5 eine Elcktmnenstrahlkanonc mit einem Bcschlcunigungssystem:

F i g. 6 den Schnitt nach der Linie Vl-Vl der I ι g. 5.

Das Beschleunigungssystem gemäß F i g. 1 besteht aus einer Quelle 1 geladener Teilchen und drei Beschleunigungselektroden 2, 3 und 4. Zwischen den Beschleunigungselektroden sind vakuumdichte Hochspannungszwischenisolatoren 5 angeordnet, die gleichzeitig als Gehäuse des Beschleunigungssystems dienen. Die Elektroden 2,3 und 4 haben zentrale öffnungen 6, durch welche die geladenen Teilchen geleitet werden.

Jede Elektrode weist zwei Kanäle 7 von gleicher Länge und gleichem Querschnitt auf; durch diese Kanäle vorzugsweise runden Querschnitts strömt das Kühlmittel, meistens Leitungswasser. Auf der Außenfläche der Isolatoren 5 ist eine Rohrschlange 8 verlegt, die in dem Kühlmittelkreislauf einbezogen ist.

Die Rohrschlange wird von einem U-förmigen auf die isolatoren aufgewickelten Rohr A gebildet, wie es in F i g. 2 dargestellt ist. Dadurch werden zwei parallel zueinander verlaufende, gegensinnig durchströmte Leitungswege in Gestalt von Zweigrohrleitungen gebildet. Durch die eine Zweigrohrleitung der Rohrschlange fließt das Wasser in einer Richtung und durch die andere Zweigrohrleitung in entgegengesetzter Richtung.

Die Zweigrohrleitungen der Rohrschlange sind an die Quelle 1 der geladenen Teilchen und die Elektroden 2,3 und 4 angeschlossen, wie das aus F i g. 3 zu ersehen ist, nämlich mittels Hülsen 9, über die die Kanäle 7 der Elektroden 2,3 und 4 mit der Rohrschlange 8 verbunden sind.

In der in Fig.4 wiedergegebenen elektrischen Ersatzschaltung des Beschleunigungssystems entsprechen die Bezugszeichen 1, 2, 3, 4 und 9 den Bezugszeichen in F i g. 1 und 2. Die Länge der Abschnitte der Zweigrohrleitungen der Rohrschlange /12, /23 und /3.4 bestimmt die Länge der Kühlflüssigkeitssäule, die durch die Abschnitte zwischen den Elektroden 1-2; 2-3; 3-4 fließt.

Die Hülsen 9 sind aus einem korrosionsbeständigen, elektrisch leitenden Werkstoff, z. B. Kupfer ausgeführt und an den Elektroden auf geeignete Weise, z. B. durch Löten oder Schweißen befestigt. Die Enden der getrennten Zweige der Rohrleitungen sind dicht auf den Stutzen der Hülsen 9 aufgesetzt und an diesen auf geeignete Weise, z. B. unter Verwendung von Epoxydharz abgedichtet.

Auf diese Weise sind alle Kanäle der Elektroden mittels der dielektrischen Rohre und Hülsen verbunden und werden von gewöhnlichein Leitungswasser als Kühlmittel durchströmt, welches kontinuierlich zugeführt wird und in jeweils benachbarten Rohren in gegenläufigen Richtungen fließt. Die Wassersäulen bewirken einen elektrischen Kontakt zwischen allen Elektroden 2,3 und 4 und der Quelle 1 der geladenen Teilchen.

Wenn die hohe Beschleunigungsspannung an die Quelle t der geladenen Teilchen sowie an die Elektrode 4 des Beschleunigungssystems gelegt wird, wirken die Wassersäulen als Spannungsteiler zwischen allen Elektroden, und das elektrische Potential der Elektroden 2 und 3 stellt sich proportional den Längen der Abschnitte und der Wassersäulen zwischen den Elektroden ein.

Da sich das Kühlmittel in benachbarten Rohren und Kanälen gegenläufig bewegt, werden sich auf der gesamten Erstreckung der Leitungswege mittlere Temperaturen, also besonders günstige Tcmperaturverhältnisse einstellen.

Der Innendurchmesser und die Länge der Rohrschlange 8 werden linier Berücksichtigung des erforderlichen Widerstands, d. h. de, Gesamtstromsdes Teilers und des Stroms auf seinen einzelnen Abschnitten, sowie auch der VVänhebelastung des Systems und den gewünschten Temperaturverhältnissen eier Elektroden gewählt

Unschädlich sind Schwankungen der Leitfähigkeit des Wassers aus dem Stadtwasserleitungsnetz, dessen Temperatur und chemische Zusammensetzung sich bekanntlich über die Zeit ändert. Diese Änderungen der Leitfähigkeit beeinflussen jedoch praktisch den Betrieb des Beschleunigungssystems nicht, weil die Verteilung der Potentiale zwischen den Elektroden unverändert bleibt.

Um einen Niederschlag von Rost, Salzen usw. an den

Wänden der Kanäle zu verhindern, ist am Eintritt in das Kühlsystem ein Filter 10 vorgesehen. Es ist auch eine periodische Spülung der Kanäle mit schwachen Lösungen von Säuren bzw. Laugen möglich.

Die in F i g. 5 dargestellte Elektronenstrahlkanone enthält eine Elektronenquelle 11, welche die geladenen Teilchen emittiert, sowie Beschleunigungselektroden 12, 13 14 und 15, welche an entsprechenden Sitzstellen innerhalb des einstückigen Gehäuses 16 angeordnet und befestigt sind.

Das Gehäuse 16 besteht aus einem isolierenden Material, z. B. Keramik, organischem Glas oder Epoxydharz, welches außerdem vakuumdicht und fest ist.

Das Kühlsystem ist in Form einer Rohrschlange 17 ausgeführt, deren benachbarte Zweigrohrleitungen parallel zueinander verlaufen und gegensinnig durchströmt sind. Dabei wird hier die U-förmige Rohrschlange von im Körper des Gehäuses 16 ausgeführten Kanälen gebildet, die aus den Zweigrohrleitungen a und b bestehen.

Diese Kanäle haben einen konstanten Querschnitt auf der gesamten Länge der Rohrschlange, (ede der Elektroden 11, 12, 13, 14 und 15 weist wie in dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel zwei Kanäle von gleicher Länge und gleichem Querschnitt auf. Jeder von diesen Kanälen ist mit den Zweigrohrleitungen der Rohrschlange durch in dem Gehäuse 16 vorgesehene Radialkanäle 30 verbunden. In F i g. 5 sind nicht alle Radialkanäle wiedergegeben, um die Übersichtlichkeit der Zeichnung nicht zu beeinträchtigen.

In den Kanälen sind Verbindungshülsen 31 aus einem elektrisch leitenden Material angeordnet. Mittels dieser Hülsen werden die mit der Rohrschlange 17 verbundenen Radialkanäle 30 an die Kanäle der Elektroden angeschlossen. Die Anschlußstellen sind auf eine geeignete und mit dem Werkstoff des Gehäuses 16 verträgliche Weise abgedichtet, z. B. durch Löten oder unter der Verwendung eines Gummiringes. Das Kühlwasser wird durch einen Zuflußstutzen 18 zugeführt und in einen Abflußstutzen 19 entlassen.

Mittels der letzten (außenliegenden) Beschleunigungselektrode 15 wird die Elektronenstrahlkanone am Deckel 20 einer Schweißkammer (in den Zeichnungen nicht wiedergegeben) befestigt. Dabei ist die Beschleunigungselektrode 15 vakuumdicht an der Sitzstelle des Gehäuses 16 und der Sitzstelle des Deckels 20 der Schweißkammer mittels entsprechender Dichtungen 21 und 22 und Schrauben 23 und 24 befestigt.

bo Die Zentrierung aller Elektroden und der Elektronenquelle in bezug auf die geometrische Achse der Kanone wii J bei der Montage der Kanone nach Schablonen vor dem Eingießen des Isohuionsstoffes des Gehäuses vorgenommen. Das Hochspannungskabel 25 wird von der

f)5 Speisequelle durch eine im isolierenden Deckel 26 vorgesehene Seilenöffnung geführt. Die Abdichtung des Kabels 25 wird an der Stelle, wo es in den Deckel 26 eingeführt wird, mittels eines Dichtungsmittels 27 ver-

wirklicht. Der Deckel 26 wird vakuumdicht am Gehäuse 16 mittels Schrauben 28 unter der Verwendung einer Gummidichtung 29 befestigt.

Eine solche Konstruktion der Hochspannungseinführung in Verbindung mit einer gekühlten Elektronenquelle 11 macht das Eingießen eines flüssigen Dielektrikums oder das Einpumpen eines Gasdielektrikunis in den oberen Teil der Kanone entbehrlich. Damit wird die für die Einrichtung und Umstellung der Kanone im Betrieb erforderliche Zeit reduziert und die elektrische Festigkeit und Betriebszuverlässigkeit erhöht. Die Kanone ist außen mit einer Schutzummantelung 32, 33 aus Blei abgedeckt, welche die im Betrieb der Kanone entstehende Röntgenstrahlung absorbiert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Beschleunigungssystem für ein Bündel geladener Teilchen in einer Elektronen- oder lonenstrahlkanone, das mehrere Beschieunigungselektroden, welche entlang der Längsachse des Bündels in einem Gehäuse aus einem elektrisch isolierenden Stoff hintereinander angeordnet sind, und eine dielektrische Rohrschlange im oder am Körper des elektrisch isolierenden Gehäuses für die Zirkulation eines Kühlmittels umfaßt, welches Kühlmittel gleichzeitig als elektrischer Leiter dient, mit den Beschleunigungselektroden elektrisch verbunden ist und als Spannungsteiler wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rohrschlange (8; 17,30) zwei parallel zueinander verlaufende Leitungswege vorgesehen sind, daß in dem einen Leitungsweg das elektrisch leitende Kühlmittel in einer Richtung und in dem anderen Leitungsweg dasselbe Kühlmittel gegenläufig fließt, und daß jede Beschleunigungselektrode (2, 3, 4; 11, 12, 13, 14, 15) zum Durchströmen des elektrisch leitenden Kühlmittels mindestens zwei Kanäle (7) vom gleichen Querschnitt und von gleicher Länge aufweist, von welchen die einen Kanäle in Reihe mit dem einen Leitungsweg der Rohrschlange und die anderen Kanäle in Reihe mit dem anderen Leitungsweg der Rohrschlange verbunden sind.

2. Beschleunigungssysleni nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrschlange (8; 17, 30) von einem auf der gesamten Länge des Beschleunigungssystems angeordne\en U-förmigen Rohr (8, 17) gebildet ist, dessen Schenkel Zweigrohrleitungen (a. b) bilden, so daß in jeweils zwei zueinander parallelen benachbarten Zweigrohrleitungen das Kühlmittel gegenläufig fließt und daß die Kanäle (7) jeder Beschleunigungselektrode (2, 3, 4; 11, 12, 13, 14, 15) jeweils mit den zwei zueinander parallelen benachbarten Zweigrohrleitungen mittels Hülsen (9; 31) verbunden sind, die an den Beschleunigungselektroden starr befestigt sind.

3. Beschleunigungssystem nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Leitungs· weg der Rohrschlange (8; 17, 30) zwischen benachbarten Beschleunigungselektroden (2,3,4; 11,12,13, 14, 15) Abschnitte gleicher Länge wie der andere Leitungsweg aufweist.