DE2719725A1

DE2719725A1 - Einrichtung zur elektronenstrahlerwaermung von materialien

Info

Publication number: DE2719725A1
Application number: DE19772719725
Authority: DE
Inventors: Konstantin Nikolaevitsc Kljuev; Boris Alekseevitsch Movtschan; Viktor Aleksandrovit Timaschov
Original assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Current assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Priority date: 1976-05-03
Filing date: 1977-05-03
Publication date: 1977-11-17
Also published as: FR2350686A1; FR2350686B1; SU705699A2; DE2719725C2; US4105890A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Erwärmung von Materialien im Vakuum und betrifft insbesondere Einrichtungen zur Elektronenstrahlerwärmung von Materialien.

Die Erfindung kann auch zur Erwärmung, Schmelzung und Verdampfung von verschiedenen Materialien im Vakuum benutzt werden.

Eine Einrichtung zur Elektronenstrahlerwärmung von Materialien im Vakuum ist bereits bekannt (s. zum Beispiel USA-Patent Nr. 3 814 824)» Diese Einrichtung enthält eine Elektronenstrahlkanone zur Erzeugung eines schwach divergierenden flachen Strahls, die aus einer linearen Glühkathode, einer kathodennahen Fokussierelektrode und einer Beschleunigungsanode besteht. Die Beschleunigungsanode der Kanone ist konstruktiv mit einem an der Grundplatte angeordneten Strahlleiter verbunden, wobei in den Nuten der Grundplatte ein elektromagnetisches Elektronenstrahlsteuersystem untergebracht ist. Letzeres ist als geschlossener rechteckiger Magnetleiter ausgeführt, an dessen langen Schenkeln die Vertikalablenkwicklungen und an den kurzen Schenkeln die Korrektur- und Horizontalablenkwicklungen sitzen. Je zwei Vertikalablenkwicklungen und Korrektur- und Horizontalablenkwicklungen sind in Reihe geschaltet, wobei das Ende der einen Wicklung mit dem Anfang der anderen Wicklung verbunden ist. Der Verbindungspunkt der Vertikalblenkwicklungen zum getrennten Shunten derselben ist durch Regelwiderstände herausgeführt.

Das elektromagnetische Strahlsteuersystem gestattet es, den durch die Elektronenstrahlkanone erzeugten flachen Strahl um Winkel bis 45° unter gleichzeitiger Fokussierung und Verformung derselben zu einem zylindrischen Strahl abzulenken sowie eine Korrektur der Strahlbahn und eine Ablenkung des Strahls in der zur Vertikalablenkebene senkrechten Ebene zu bewirken.

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Die Nachfokussierung des abgelenkten Strahls zu einem zylindrischen Strahl bzw. die erforderliche Änderung der Form des an der zu erwärmenden Fläche erhaltenen Brennfleckes wird durch Änderung des Ämperewindungsverhältnisses in den Vertikalablenkwindungen mittels der Shuntregelwiderstände erreicht, wobei ein inhomogenes Magnetfeld der nötigen Form erzeugt wird.

Bei der beschriebenen Einrichtung ist die Wirksamkeit der Fokussierung des Elektronenstrahls und der Änderung der Form des Brennfelcks von dem vorgeschriebenen Ablenkwinkel des Elektronenstrahls abhängig. Wenn z. B. die Einrichtung mit relativ geringen Ablenkwinkeln (15° und weniger) arbeitet, was für eine Reihe technologischer Prozesse erforderlich ist, wird die Wirksamkeit der Fokussierung des Elektronenstrahls entsprechend auf ein Mindestmaß herabgesetzt und die Möglichkeit seiner Formänderung begrenzt. Dies ist durch die geringe Stärke der Magnetfelder der Vertikalablenkwicklungen bedingt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Elektronenstrahlerwärmung von Materialien zu schaffen, bei der das elektromagnetische Strahlsteuersystem eine Erhöhung der Wirksamkeit der Strahlfokussierung und eine Änderung der Form des Elektronenstrahls in weiten Grenzen bei wählten Strahlablenkwinkeln ermöglicht.

Elektronenstrahls in weiten Grenzen bei zwischen 0° und 45° ge-

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei der Einrichtung zur Elektronenstrahlerwärmung von Materialien, die eine Elektronenstrahlkanone zur Erzeugung eines Elektronenstrahls und ein elektromagnetisches Strahlsteuersystem enthält, das einen rechteckigen Magnetleiter mit zumindest zwei auf zwei gegenüberliegenden Schenkeln angeordneten Vertikalablenkwicklungen und zumindest zwei auf zwei anderen gegenüberliegenden Schenkeln angeordneten Korrektur- und Horizontalablenkwicklungen aufweist, gemäß der Erfindung auf jedem Schenkel des Magnetleiters zumindest eine

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Zusatzwicklung angeordnet ist, wobei die beim Stromdurchgang durch diese Zusatzwicklungen entstehenden Magnetfelder eine magnetische Quadrupollinse bilden.

Zweckmäßig liegt eine Speisequelle mit stufenlos veränderbarem Wert und veränderbarer Polarität der Spannung vor, während die Zusatzwicklungen in Reihe geschaltet und an diese Speisequelle angeschlossen sind.

Die erfindungsgemäße Einrichtung gestattet die Umformung des Elektronenstrahls, wobei man einen langen und schmalen Brennfleck auf der Erwärmungsfiäche bei geringen Ablenkwinkeln erhält. Diese Möglichkeit der Verformung des Elektronenstrahls gestattet es, die Erfindung nicht nur in technologischen Anlagen zur Schmelzung und Verdampfung von Stoffen im Vakuum, sondern auch zur Erwärmung von sich fortbewegenden Bandmaterialien ohne Strahlabtastung zu benutzen, was das Strahlsteuersystem vereinfacht.

Zum besseren Verständnis des Wesens der Erfindung ist nachstehend die Einrichtung zur Elektronenstrahlerwärmung von,Materialien mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Elektronenstrahlerwärmung von Materialien im Querschnitt,

Fig. 2 das Prinzipschaltbild des elektromagnetischen Strahlsteuersystems der erfindungsgemäßen Einrichtung und die Form des von den Zusatzwicklungen erzeugten Magnetfeldes,

Fig. 3 die Form des Brennfelcks an der Oberfläche des anzuwärmenden Materials.

Die Einrichtung zur Elektronenstrahlerwärmung enthält eine Elektronenstrahlkanone zur Erzeugung eines schwach divergierenden flachen Elektronenstrahls, die aus einer Kathodeneinheit 1 (Fig. 1) mit einer Glühkathode 2 und einer in der Nähe derselben ange-

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Beschleunig

ordneten Fokuasierelektrode 3 besteht, und eine Beschieunigungsanode 4. Die Einrichtung enthält auch einen Strahlleiter 5, der in Form eines Kupferblocks mit Kanälen zur Wasserkühlung desselben und einer rechteckigen Öffnung zum Durchgang des flachen Strahls 7 ausgeführt ist. Über den Strahleiter 5 ist die Beschleunigungsanode 4 konstruktiv mit der Grundplatte 8 verbunden, in deren Nuten ein elektromagnetisches Steuersystem in Form eines geschlossenen rechteckigen Magnetleiters 9 untergebracht ist. An den gegenüberliegenden Schenkeln 10 (Fig. 2), 11 und 12, 13 des Magnetleiters 9 sind jeweils Vertikalablenkwicklungen 14, 15 und Korrektur- und Horizontalablenkwicklungen 16, 17 angeordnet. Auf jedem Schenkel 10, 11, 12, 13 sitzt jeweils eine Zusatzwicklung 18, 19, 20, 21.

Die Vertikalablenkwicklungen 14, 15 sind in Reihe an eine Speisequelle 22 angeschlossen. Die Korrektur- und Horizontalablenkwicklungen 16, 17 sind auch in Reihe an eine Speisequelle 23 angeschlossen. Die Zusatzwicklungen 18, 19» 20, 21 sind in Reihe an eine Speisequelle 24 mit stufenlos veränderlichem Wert und veränderlicher Polarität ihrer Spannung angeschlossen.

Die Zusatzwicklungen 18, 19, 20, 21 erzeugen quer zur Bahn des Strahls 7 jeweils Magnetfelder I_y II, III, IV, die eine magnetische Quadrupollinse bilden. Durch durchgehende Linien sind die Magnetfelder I, II, III, IV bei der einen Polarität der Spannung von der Spannungsquelle 24 und durch punktierte Linien die gleichen Felder I, II, III, IV bei der anderen Polarität dieser Spannung gezeigt.

In Fig. 3 sind die auf der Oberfläche 28 (Fig. 1) des anzuwärmenden Materials sich ergebenden Brennflecke 25, 26, 27 wiedergegeben. AB (Fig. 3) und CD sind Symmetrieachsen der Brennflecke 25, 26, 27.

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Die Arbeitsweise der Einrichtung zur Elektronenstrahlerwärmung von Materialien ist folgende.

Die von der linearen Glühkathode 2 (Fig. 1) ausgehenden Elektronen werden durch die kathodennahen Fokussierungselektrode 3 und die Beschleunigungsanode 4 zu einem schwach divergierenden flachen Strahl 7 formiert. Dieser Strahl passiört den Lichtleiter 5, wird dann von dem elektromagnetischen Steuersystem verformt und abgelenkt und auf die Oberfläche 28 des anzuwärmenden Materials unter einem vorgegebenen Winkel als Strahl von vorgegebener Form gerichtet.

Bei der einen Polarität der Spannung der Speisequelle 24 (Fig. 2) erzeugt der elektrische Strom der Zusatzwicklungen 18, 19 jeweils der Ablenkwicklungen 14, 15 die magnetischen Querfelder

I, II (in Fig. 2 durch durchgehende Linien gezeigt), die. eine Sammelwirkung auf den schwach divergierenden Strahl 7 (Fig. 1) ausüben. Der elektrische Strom der zusätzlichen Korrektur- und Horizontalablenkwicklungen 20 (Fig. 2), 21 erzeugt die magnetischen Querfelder III, IV (in Fig. 2 durch durchgehende Linien gezeigt), die eine Streuwirkung auf den Strahl 7 (Fig. 1|) ausüben. Infolge dieser Einwirkung der Magnetfelder I (Fig. 2),

II, III,IY auf den Elektronenstrahl 7 (Fig. 1) wird an der Oberfläche 28 des anzuwärmenden Materials ein in Richtung der Achse AB verlängerter und in Richtung der Achse CD verkürzter Brennfleck gebildet.

Bei Änderung der Polarität der Spannung von der Speisequelle 24 (Fig. 2) üben die Magnetfelder I, II (in Fig. 2 durch punktierte Linien gezeigt) der Wicklungen 18, 19 eine Streuwirkung auf den Elektronenstrahl 7 (Fig. 1) aus, während die Magnetfelder III (Fig. 2), IV der Wicklungen 20, 21 eine Sammelwirkung auf den Strahl 7 (Fig. 1) ausüben. Infolgedessen ergitrt sich auf der Oberfläche 28 des anzuwärmenden Materials ein in Richtung der Achse CD verlängerter und in Richtung der Achse AB verkürzter Brennfleck 26 (Fig. 3).

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Aus dem vorstehend Gesagten ist nun klar, daß man durch stufenlose Regelung des Spannungswertes und Änderung der Polarität der Spannung von der Speisequelle 24 (Fig. 2) nicht nur den Brennfleck 25 (Fig. 3)t 26 jeweils in Richtung der Achsen AB, CD verlängern, sondern den Elektronenstrahl 7 (Fig. 1) zu einem kreisförmigen Brennfleck 27 (Fig. 3) fokussieren kann.

Aus der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise der Einrichtung ist ersichtlich, daß die Wirkung der magnetische Quadrupollinse auf den Elektronenstrahl 7 (Fig. 1) in einem hinreichend weiten Strahlablenkwinkelbereich, d. h. von 0° bis'maximal 45° für die betreffende Konstruktion der Einrichtung, und zwar zu beiden Seiten der Längssymmetrieebene der Einrichtung erhalten bleibt.

Gleichzeitig erübrigt sich die Benutzung von Shuntwiderständen, die bei der bekannten Einrichtung zur Nachfokussierung des Elektronenstrahls und Verformung des Brennflecks dienten.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Einrichtung zur Elektronenstrahlerwärmung von Materialien, mit einer Elektronenstrahlkanone zur Erzeugung eines Elektronenstrahls und einem elektromagnetischen Strahlsteuersystem, das einen Rechteckmagnetleiter mit zumindest zwei aug gegenüberliegenden Schenkeln angeordneten Vertikalablenkwicklungen und zumindest zwei auf zwei anderen gegenüberliegenden Schenkeln angeordneten Korrektur- und Horizontalablenkwicklungen aufweist, dadurch gekennzeichnet ,

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ORIGINAL INSPECTED

daß auf jedem Schenkel des Magnetleiters (9) zumindest eine Zusatzwicklung (18, 19, 2o, 21) angeordnet ist, wobei die beim Stromdurchgang durch diese Zusatzwicklungen (18, 19_f 20, 21) entstehenden Magnetfelder (I, II, III, IV) eine magnetische Quadrupollinse bilden.
2. Einrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Speisequelle (24) mit stufenlos veränderbarem Wert und veränderlicher Polarität ihrer Spannung vorhanden ist, und daß die Zusatzwicklungen (18, 19, 20, 21) in Reihe geschaltet und an diese Speisequelle (24) angeschlossen sind.

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