DE3333686A1 - Elektronenstrahlkanone zum erwaermen von materialien, insbesondere zum schweissen - Google Patents

Description

LEYBOLD-HERAEUS GmbH
Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

" Elektronenstrahl kanone zum Erwärmen von Materialien, insbesondere zum Schweißen

• Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahl kanone zum Erwärmen von Materialien, insbesondere zum Schweißen, mit einem Strahlerzeuger mi.t Katode und Strahlformungselektrode, mit einem Hochspannungsanschluß und einem Hochspannungsisolator_s an dem der Strahlerzeuger be/estigt ist, mit mindestens einem Isoliertransformator und Schaltungselementen für die Erzeugung von HiIfsspannungen auf Hochspannungspotential j wobei Strahlerzeuger und Hochspannungsisolator von einer geerdeten metallischen Ummantelung umgeben sind und der Isoliertransformator oberhalb des Hochspannungsisolators angeordnet ist.

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Bei derartigen Elektronenstrahlkanonen bezeichnet man den Hochspannungsisolator mit seinen Zuleitungen für den Strahlerzeuger und den darüber angeordneten Isoliertransformator, der die Funktion eines HiIfsspannungswandlers hat, auch häufig als "Strahl kopf". Bei den Strahlköpfen bekannter Elektronenstrahlkanonen sind die auf negativem Hochspannungspotential liegenden Teile mit einem mit Isolieröl gefüllten Tank verbunden, auf dessen Oberseite auch der Isoliertransformator angebracht ist. In den Tank mündet eine dreiadriges Hochspannungskabel, und die Beschleunigungsspannung sowie die Hilfsspannungen für die Strahlformungselektrode (Wehnelt-Elektrode) und die Katodenheizung werden im Bereich des Strahlkopfes erzeugt und sind innerhalb des Strahlkopfes entsprechend verdrahtet. (DE-PS 1 087 295 und DE-PS 1 131 760)

Es sind auch Bauarten bekannt, die überwiegend mit einer Beschleunigungsspannung unterhalb 100 kV betrieben werden und bei denen die auf Hochspannung liegenden Potentiale über mehrere einpolige Hochspannungskabel dem Strahlkopf zugeführt werden. Die Zahl der zuzuführenden Potentiale ist abhängig von der Art der eingesetzten Elektronenstrahlerzeuger. Direkt geheizte Trioden benötigen drei Potentiale, indirekt geheizte vier Potentiale; Diodensysteme und Röntgenröhren ohne regelbare Wehneltspannung benötigen zwei Potentiale auf der Katodenseite.

üblicherweise sind die Hochspannungskabel der sicheren Montierbarkeit wegen mittels Steckeinrichtungen angeschlossen,

die zu Wartungszwecken gelöst werden können. Kabel und Steckverbindungen sind für Ströme bis"" zu 50 Ampere ausgelegt, und die einzelnen Potentiale bis zu Betriebsspannungen von 5 kV gegeneinander isoliert. Derartige Kabel sind aufgrund der notwendigen Kupferquerschnitte, der Isolationsstärken und Schutzarmierungen sehr schwer und steif, und die Steckverbindungen haben große Abmessungen und sind teuer. Solche mehrpoligen Kabel sind darüberhinaus stets Sonderanfertigungen für die Hersteller von Elektronenstrahlkanonen und haben auch aus diesem Grunde einen hohen Preis. Weitere negative Eigenschaften der mehrpoligen Kabel sind die hohe innere Kapazität der die Wehneltspannung führenden Leitung gegen das .

Katodenpotential sowie der Leitungswiderstand derjenigen Leitungen, die den Katodenheizstrom führen. Die Verluste des Heizstromkreises durch die Leitungswiderstände im Hochspannungskabel betragen bis zu 90 % der gesamten auf Hochspannungspotential transformierten Energie. Infolgedessen muß auch der Isoliertransformator entsprechend groß ausgelegt sein. Die hohe innere Kapazität beeinträchtigt die schnelle Umsteuerung der Wehneltspannung, so daß auch die Spannungsquelle für die Wehneltspannung entsprechend dimensioniert werden muß, insbesondere dann, wenn der Strahlstrom durch Impulse gesteuert werden soll, die steile Anstiegs- und Abfalls-Flanken aufweisen.

Der gleichfalls zum Strahlkopf gehörende Hochspannungs-Isolator, an dem der Strahlerzeuger befestigt ist, ist

ebenfalls ein wesentliches Bauteil. Bei Elektronenstrahlkanonen, die bei Beschleunigungsspannungen bis zu 150 kV betrieben werden können, haben sich als Isolatorform die Kerze oder das Rohr durchgesetzt. Bei Elektronenstrahlkanonen mit. Beschleunigungsspannungen·unterhalb 100 kV wird auch ein scheibenförmiger Hochspannungsisolator benutzt. Diese Isolatoren haben jedoch den gemeinsamen Nachteil, daß sie als Einzelbauteile mit großem Aufwand in Metallgehäuse eingebaut werden · müssen, die in den meisten Fällen auch noch der Evakuierung unterliegen, jedoch stets Leitungs- und/oder Isolationsprobleme mit sich bringen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenstrahlkanone der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, bei der der sogenannte Strahlkopf möglichst kompakt ausgebildet und lediglich über ein einpoliges Hochspannungskabel mit dem Erzeuger der Beschleunigungsspannung verbunden ist, so daß die Leitungsverluste möglichst klein gehalten werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Elektronenstrahlkanone erfindungsgemäß dadurch, daß

a) der mindestens ein' Isoliertransformator in einen Isolierkörper eingebettet ist,

b) der Isolierkörper unmittelbar auf den Hochspannungsisolator aufgesetzt ist,

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c) der die geerdete Ummantelung überragende Teil des Isolierkörpers unter Einschluß des Isoliertransformators von einer metallischen Haube umgeben ist, die mit der Ummantelung einen gemeinsamen faraday'sehen Käfig bildet, und daß

d) die Schaltungselemente für die.HiIfsspannungen gleichfalls in dem faraday'sehen Käfig angeordnet sind.

Durch die konstruktive Vereinigung des Strahlkopfes mit einer vollständigen HiIfsspannungsübertragung fällt das mehrpolige Hochspannungskabel samt mehrpoliger Steckverbindungen weg, so daß die kapazitiven und ohm'schem Leitungsverluste fast Null werden. Durch den Wegfall dieser Verluste ist die zu übertragende Leistung so gering, daß das Volumen der Isoliertransformatoren nicht mehr durch die zu übertragende Leistung bestimmt wird, sondern nur noch durch die notwendigen Isolationsabstände. Durch die Benutzung höherer Obertragungsfrequenzen, für diese Frequenzen geeigneter Transformatorenkerne und deren Einbettung in den gleichen Isolier.¹-körper kann das Gesamtvolumen der kompletten Wandlereinrichtung in einer Größe gehalten werden, die es erlaubt, diese Einrichtung unmittelbar auf den Hochspannungsisolator aufzusetzen, wodurch zwei Isol,ierabstände gegen Masse wegfallen und dadurch das Gesamtvolumen wiederum günstigt beeinflußt wird. Die Einspeisung der Isoliertransformatoren liegt dabei wie üblich auf Erdpotential. Die Zufuhr der Steuerspannungen erfolgt dabei über Mehrfachstecker auf dem Niederspannungspotential des Strahl kopfes.

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Die wesentlichen Vorteile des Erfindungsgegenstandes können wie folgt aufgegliedert werden:

- das mehrpolige, als Sonderanfertigung ausgeführte Hochspannungskabel wird nicht mehr benötigt, so daß ein handelsübliches einpoliges Kabel benutzt werden kann,

- Defekte zwischen den Potentialen des Kabels durch Überschläge in der Kanone, die zu einer Überlastung der Isolation führen, werden vermieden,

- Defekte an der Steckverbindung durch die hohe Heiz-Strombelastung fallen weg,

- durch die sehr viel kleinere induktive und kapazitive Kopplung zwischen den einzelnen Potentialen sind die Belastung und damit Ausfälle der HiIfsspannungserzeugung durch Wanderwellen, die durch Überschläge ausgelöst werden, wesentlich geringer,

- bei einem Ausfall der HiIfsspannungserzeugung müssen keine Hochspannungs-Oltanks geöffnet werden, sondern es ist nur der Strahlkopf abzunehmen. Dadurch wird die Elektronenstrahl kanone wartungsfreundlicher, - das Bauvolumen für die Hochspannungserzeugung, in der die HiIfsspannungserzeugung integriert ist, wird kleiner; gegebenenfalls fällt der HiIfsspannungstank vollständig fort.

Es ist dabei gemäß der weiteren Erfindung besonders vorteilhaft, wenn der Isolierkörper, in den der mindestens eine Isoliertransformator eingebettet ist, aus Gießharzmasse besteht. Dadurch ergibt sich als weiterer Vorteil :

- sowohl der Hochspannungsisolator als auch der mindestens eine Isoliertransformator können unmittelbar in ihre metallische Ummantelung bzw. Haube eingegossen werden. Dadurch wird ein Strahlkopf erhalten, der nur noch aus zwei Hauptbauteilen besteht, nämlich dem Hochspannungsisolator mit dem Hochspannungsanschluß und dem Montageflansch für den Strahlerzeuger und aus dem darauf angeflanschten mindestens einen Isoliertransformator, der auch die Hilfsspannungsübertrager enthält.

Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Schaltungselemente für die Hilfsspannungen in einer allseitig geschlossenen Kapsel aus einem ferromagnetischen Werkstoff innerhalb des faraday'sehen Käfigs untergebracht sind.

Durch die Ausführung dieser Kapsel aus magnetisch wirksamem Material wird der magnetische Durchgriff des mindestens einen Isoliertransformators auf den Strahlerzeuger soweit abgeschwächt, daß die Beeinflussung des Elektronenstrahles durch das noch vorhandene magnetische Feld unkritisch ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen. Ihre Vorteile sind - soweit notwendig - in der Detailbeschreibung näher erläutert.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 7 näher erläutert.

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Es zeigen:

Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine vollständige Elektronenstrahlkanone,

Figur 2 einen Vertikalschnitt durch deren oberen Teil, den sogenannten "Strahl kopf",

Figur 3 einen Horizontalschnitt durch den Isolierkörper mit drei eingebetteten Isoliertransformatoren ,

Figur 4 einen Vertikalschnitt durch den oberen . Teil des Strahlkopfes mit in den Hoch

spannungsisolator eingebetteten Kühlmittelkanälen ₅·.^:·

Figur 5 einen Horizontalschnitt durch den Gegenstand von Figur 4 entlang der Linie V-V,

Figur β' einen Vertikalschnitt durch den oberen Teil

des Strahl kopfes mit einem horizontal in den Isolierkörper eingeführten Hochspannungskabel , und

Figur 7 einen Vertikalschnitt analog Figur 6, jedoch

mit einem vertikal in den Isolierkörper eingeführten Hochspannungskabel.

In Figur 1 ist von einer Arbeitskammer 1 nur der obere Teil dargestellt. In der oberen Begrenzungswand ist eine Strahleintrittsöffnung 2 angeordnet, die mit der Achse A-A einer Elektronenstrahlkanone 3 fluchtet.

Die Elektronenstrahlkanone besteht hinsichtlich der Strahlerzeugung und Strahlführung aus drei wesentlichen Teilen bzw. Baugruppen, nämlich aus einem Strahlerzeuger 4 mit einer Katode 5 und einer strahlformenden Elektrode 6 (Wehnelt-Zylinder), aus einer Beschleunigungskammer 7, die

über einen Saugstutzen 8 mit einer nicht gezeigten Vakuumpumpe verbunden ist und in der eine Beschleunigungsanode 9 angeordnet ist, sowie aus einer Strahlführungskammer 10, in der - in Strahlrichtung gesehen - ein Absperrventil 11, ein Drossel körper 12, eine Justiereinrichtung 13, eine Wobbellinse 14, eine Fokussierungslinse 15, eine Sensorenanordnung 16 und eine Ablenkeinheit 17 angeordnet sind. Durch die Bauteile 13 bis 17 ist ein Stra.hlführungsrohr 18 hindurchgeflihrt.

Die Strahlführungskammer 10 ist mit sämtlichen Einbauten von einem Mantelrohr 19 umgeben, das an seinem oberen und unteren Ende mit je einem Anschlußflansch 20 bzw. 21 fest verbunden ist. Am oberen Anschlußflansch 20 ist seitlich ein Drehantrieb 22 für das Absperrventil 11 befestigt.■Der Strahlerzeuger 4 ist an einem Hochspannungsisolator 23 befestigt, in dem ein·· Hochspannungsanschi uß 25 für die Stromversorgung vorgesehen ist. Auf den Hochspannungsisolator 23 ist ein Isolierkörper 24 aufgesetzt, in den zwei Isoliertransformatoren 26 und 27 eingebettet sind. Weitere Einzelheiten werden anhand von Figur 2 erläutert, in der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind:

Die Beschleunigungskammer 7 ist von einem Gehäuse 7a umgeben, welches in Richtung der Strahlführungskammer 10 (Figur 1).einen Boden 7b aufweist. Der Boden trägt in einem kreisförmigen Ausschnitt einen Zentrierflansch 28, in dem, wiederum in konzentrischer Anordnung, die Beschleunigungsanode 9 befestigt ist. Die Oberseite der

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Beschleunigungskammer 7 besitzt einen Befestigungsflansch 29, der eine kreisförmige öffnung 30 umgibt, und auf den der nachstehend noch näher erläuterte "Strahlkopf" 31 aufgesetzt ist.

Der Strahlerzeuger 4 und der ihn tragende Hochspannungsisolator 23 sind von einer metallischen, geerdeten Ummantelung 32 umgeben, zu der ein Außengehäuse 7c für die Beschleunigungskammer und ein'im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 33 gehören, in das unter Zwischenschaltung einer Bleiauskleidung 34 der aus Gießharz bestehende Hochspannüngsisolator 23 eingegossen ist. Dieser Hochspannungsisolator besitzt gleichfalls eine im wesentlichen zylindrische Außenfläche 23a und enthält auf seiner Oberseite eine Ausnehmung 23b, die in ihrem unteren Teil kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Diese Ausnehmung dient zum Einsatz des Isolierkörpers 24, der infolgedessen an den Berührungsstellenkomplementär geformt ist. Auf seiner Unterseite besitzt der Hochspannungsisolator 23 konzentrisch zum Strahlerzeuger 4 eine umlaufende Vertiefung 23c, die im Querschnitt etwa parabelförmi.g geformt ist und zur Vergrößerung des Oberflächenabstandes bzw. Isolationsabstandes dient. Im Zentrum der Vertiefung 23c besitzt der Hochspannungsisolator 23 einen Fortsatz 23d, in den ein Montageflansch eingegossen ist, der zur Befestigung des Strahlerzeugers dient. Der Montageflansch 35 trägt in seinem Innern Anschlußkontakte 36 bzw. 37, denen über Anschlußleitungen bzw. 39 das Wehnelt-Potential und der Heizstrom zugeführt

werden. Auch die Anschlußleitungen sind vakuumdicht in das Gießharz eingebettet.

Oberhalb der Ausnehmung 23c liegt in etwa diametraler Lage der Hochspannungsanschluß 29, in den ein Hoch-Spannungskabel 40 eingeführt wird, das an seinem Ende einen Stecker 41 trägt, der mit einer komplementären Steckbuchse 42 zusammenwirkt. Von hier aus führt die Hochspannung zu nur schematisch angeordneten Schaltungselementen 43 an sich bekannter Bauart, die allseitig von einer Kapsel 44 aus ferromagnetischem Werkstoff umgeben sind. Diese Kapsel ist flach und scheibenförmig ausgebildet und füllt den Querschnitt der Ausnehmung 23b in deren Bodenbereich nahezu vollständig aus. Dadurch wirkt die Kapsel 44 als Abschirmung für die von den beiden Isoliertransformatoren 26 und 27 ausgehenden Magnetfelder , so daß eine störende Beeinflussung des von der Katode nach unten ausgehenden Elektronenstrahls nicht mehr möglich ist. DieKapsel ist mechanisch an dem Isolierkörper 24 befestigt. In ihr sind die Schaltelemente für die Gleichrichtung und Siebung der Wehnelt-Spannung und des Katodenheizstroms untergebracht.

Die beiden in den Isolierkörper 24 eingebetteten Isoliertransformatoren 26 und 27 weisen je eine Primärwicklung 26a bzw. 27a und eine Sekundärwicklung 26b bzw. 27b auf, die durch je einen Eisenkern-26c bzw. 27c, miteinander verbunden sind. Es ist zu erkennen, daß der Isolierkörper

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das Gehäuse 33 in der Höhe überragt. Um die an dieser Stelle vorhandene öffnung in dem faraday'sehen Käfig zu schliessen, ist der die geerdete Ummantelung 32 überragende Teil des Isolierkörpers 24 unter Einschluß der Isoliertransformatoren 26 und 27 von einer metallischen Haube 45 umgeben, die auf ihrer Oberseite Kühlrippen 45a trägt. Auf diese Weise sind die Schaltungselemente 43 gleichfalls innerhalb des faraday'sehen Käfigs untergebracht. Zur gegenseitigen Abschirmung der beiden Isoliertransformatoren 26 und sind zwischen diesen magnetische Abschirmungen 46 angeordnet.

Das Gehäuse 33 ist an seinem unteren Ende mit einem Befestigungsflansch 47 für die vakuumdichte Verbindung mit der Beschleunigungskammer 7 versehen und an seinem oberen Ende mit einem Befestigungsflansch 48 für die Verbindung mit einem Gegenflansch 45b der Haube 45* Die Befestigung geschieht über eine Reihe von auf den Umfang verteilten Schrauben 49. Durch die metallische Ausbildung der Ummantelung 32 und der Haube 45 ist der faraday'sehe Käfig geschlossen. Die oberhalb des Befestigungsflansches 29 liegenden und mit dem Gehäuse bzw. mit dem Hochspannungsisolator 23 verbundenen Teile bilden den sogenannten "Strahlkopf" 31. Im vorliegenden Fall dient der Isoliertransformator 26 als Stromwandler für den Katodenstrom und der Isoliertransformator 27 als Spannungswandler für die Wehnelt-Spannung. Auch die Kerne 26c und 27c mit den Sekundärwicklungen 26b und 27b

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befinden sich auf Hochspannungspotential. Nur. die beiden Primärwicklungen. 26a und 27a befinden sich auf Erdpotential .

Der Strahlkopf läßt sich durch Lösen der Verbindung zwischen den beiden Befestigungsflanschen 29 und 47 leicht in seiner Gesamtheit ausbauen, so daß auch der Strahlerzeuger 4 einer Wartung gut zugänglich ist. Aber auch der Isolierkörper 24 läßt sich mit seinen sämtlichen Einbauten durch Lösen der Schraube 49 getrennt abnehmen. Die elektromechanische Kontaktherstellung zwischen den Sekundärwicklungen 26b und 27b und den Anschlußleitungen 38 bzw. 39 erfolgt nach dem Aufsetzen des Isolierkörpers 24 durch nicht gezeigte enge Kanäle innerhalb des Isolierkörpers 24, durch die entsprechende, gleichfalls nicht gezeigte Kontaktschrauben betätigt werden können. Sämtliche freien Räume innerhalb des Strahlkopfes werden mit Ol gefüllt, um starke Potentialsprünge im Innern des Strahlkopfes auszuschliessen.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausbaumöglichkeit des Strahlkopfes gemäß Figur 2. Im vorliegenden Fall ist außer den beiden Isoliertransformatoren 26 und 27 ein dritter Isoliertransformator 51 vorgesehen, der gleichfalls aus einer Primärspule 51a, einer Sekundärspule 51b und einem Kern 51c besteht. Mittels des Isoliertransformators 51 ist auf Hochspannungspotential eine weitere steuerbare oder feste Spannung verfügbar, die zur Ansteuerung einer

zweiten strahlformenden Elektrode eingesetzt werden kann, wenn beispielsweise ein Tetroden-System als Strahlerzeuger 4 eingesetzt wird. Die dritte HiIfsspannung kann auch als Anodenspannung benutzt werden, um in einem Triodensystem eine Katode mittels Elektronen indirekt auf Emissionstemperatur aufzuheizen. Zwischen den drei Isoliertransformatoren sind alsdann in etwa sternförmiger Anordnung drei Abschirmungen 46 aus einem ferromagnetischen Werkstoff vorgesehen, um die wechselseitige Beeinflussung der Induktionswirkungen zu unterdrücken.

Figur 4 zeigt wiederum einen Strahlkopf analog Figur 2, bei dem jedoch die Haube 45 weggelassen worden ist.

Der Hochspannungsisolator läßt nur die Aufnahme und Abfuhr einer bestimmten, an der Katode anfallenden Verlust- ■ leistung zu. Wird diese zu groß, so kann es durch Nachlassen der mechanischen und elektrischen Festigkeiten zu Defekten am Hochspannungsisolator und an den Isoliertransformatoren kommen. Die zulässige Wärmebelastung kann beispielsweise durch den Einsatz von Katoden mit

2Q erhöhter Heizleistung überschritten werden, beispielsweise bei Verwendung von Massivkatoden aus Wolfram für Strahlströme oberhalb 100 mA. Eine Lösung dieses Problems zeigt nun Figur 4:

In zwei Ebenen, die parallel zum Boden der Ausnehmung 23b verlaufen und damit radial zur Achse A-A, sind zwischen dem Boden und der umlaufenden Vertiefung 23c Kühlmittelkanäle 50 angeordnet, deren Verlauf in Figur 5 näher er-

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läutert wird. Die Kühlmittelkanäle bestehen aus Kunststoff und sind an der angegebenen Stelle in die Gießharzmasse des Hochspannungsisolators 23 eingegossen. Als Kühlmittel wird zum Zwecke der Vermeidung zu großer Potentialsprünge von außen beispielsweise Transformatorenöl durchgepumpt. Mittels dieser Einrichtung ist es möglich, erhebliche Wärmemengen aus dem Isolator abzuführen, so daß weder die Funktion des Hochspannungsisolators noch diejenige der Isoliertransformatoren beeinträchtigt wird.

Aus Figur 5 ist zu ersehen, daß die Kühlmittelkanäle 50 U-förmig gebogen sind, wobei die geradlinigen Teile der Schenkel etwa parallel zueinander verlaufen und die kreisförmig gebogenen Joche konzentrisch um den Mittelpunkt der Steckbuchse 42 herumgeführt sind. Die nach außen führenden Enden 50a sind zur einfacheren Herstellung der Anschlüsse radial etwas aufgefächert. Der Hochspannungsanschluß 25 verläuft in der Symmetrieebene zwischen den Kühlmittel kanälen (siehe auch Figur 4). Die parabelförmige Gestalt der umlaufenden Vertiefung 23c vereinigt in sich die Vorteile der Kompaktheit und besitzt im Hinblick auf eine Gasabgabe die kleinstmögliche Oberfläche. Vor allem aber ist die Oberfläche im Hinblick auf ihre Lage vor den in der Beschleunigungskammer 7 gestreuten Elektronen und Ionen geschützt.

Figur 6 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren 1 und 2. Hier ist das Hochspannungskabel 40 im Bereich des Hochspannungsanschlusses 25 nicht in den Hochspannungsisolator, sondern in den aus

Gießharz bestehenden Isolierkörper 24 eingeführt, und zwar diesmal oberhalb der Schaltungselemente 43. Zu diesem Zweck ist die Ausnehmung 23b etwas tiefer ausgebildet, und in dem hochstehenden Kragen 23e des Hochspannungsisolators 23 sowie in dem Gehäuse 33 ist eine durchgehende radiale Bohrung angeordnet, in die das Ende des Hochspannungskabels 40 einführbar ist. Diese radiale Bohrung setzt sich im Innern des Isolierkörpers 24 in horizontaler Richtung bis zur Steckbuchse 42· fort, wobei die Achse des Hochspannungsanschlusses 25 mit B-B bezeichnet ist und mit der Einschubrichtung übereinstimmt. Auf diese' Weise wird der Einfluß etwaiger Spitzen oder Sprünge innerhalb des elektrischen Feldes auf die Strahlgeometrie weiter reduziert. Durch die Anordnung der ferromagnetischen Kapsel 44 mit den Schaltungselementen 43 unterhalb des Hochspannungskabels wird die Abschirmwirkung weiter vervollkommnet. Es versteht sich, daß der Isolierkörper 24 mit den eingegossenen Isoliertransformatoren 26 etc. nur nach dem Herausziehen des Hochspannungskabels 40 ausgebaut werden kann.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 weicht insofern von demjenigen der Figur 6 ab, als das Hochspannungskabel 40 diesmal von oben in den Isolierkörper 24 eingeführt ist, d.h. die Achse C-C des Kabels steht senkrecht, und auch die Einschubrichtung verläuft senkrecht. Es ist in diesem Falle nicht erforderlich, den

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Hochspannungsisolator 23 und das ihn umgebende Gehäuse 33 mit einer radialen Bohrung zu versehen; diese befindet sich in der oberen Begrenzungsfläche der Haube 45.

Durch die kompakte Anordnung der einzelnen Teile innerhalb des Strahlkopfes ist das gesamte ülvolumen so klein, daß die durch die Erwärmung der Elektronenstrahlkanone im Betrieb bedingte ülausdehnung durch einen Pufferraum aufgefangen werden kann, der sich im feldfreien Raum auf Erdpotential befindet und einen Kapillaranschluß an die Außenluft besitzt.

Durch den Wegfall der Erdkapazität der Wehnelt-Spannung auf der Hochspannungsseite wird die Verlustleistung der Schaltung auf der Sekundärseite vernachlässigbar klein.

über die Isoliertransformatoren sind aus diesem Grunde Wechselspannungen mit Amplituden bis 2,5 kV und Frequenzen bis 15 kHz auf der Hochspannungsseite einfach zu erzeu.gen und gleichzurichten. Durch die hohen Frequenzen ist wiederum der Aufwand für Siebmittel zur notwendigen .Spannungsglättung ebenfalls gering. Auch dadurch kann die innere Kapazität relativ niedrig gehalten werden.

Bei voller Ausnutzung der Möglichkeiten der einzelnen Isoliertransformatoren·(Wandler) lassen sich Impulstastung, Slope-Änderungen,. Programmsteuerung<:be- ! liebiger Art etc. relativ einfach realisieren. Es ist auch möglich, zur Erzeugung der Wehnelt-Spannung im Strahlkopf zwei Isoliertransformatoren anzuordnen und parallel zu schalten. Die beiden Isoliertransformatoren

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werden dabei von derselben Elektronik mit Strömen angesteuert, die um 90 Grad phasenverschoben sind. Dadurch entsteht auf der Sekundärseite der Isoliertransformatoren bei Benutzung eines Brückengleichrichters eine sich überlappende vierpulsige Wechselspannung und selbst bei Verzicht auf jegliche Siebmittel eine Gleichspannung mit einer Restwelligkeit von 8 % bei 60 kHz.

Die Steuerung der Impulse oder Impulsgruppen und des während dieser Zeit fliessenden Strahlstromes geschieht in einfacher Weise: .Die Anzahl der Wechselspannungsimpulse pro Zeiteinheit bestimmt die Länge der Einzel impulse, und die Spannungshöhe bestimmt den fliessenden Strahlstrom. Bei entsprechender Dimensionierung der Siebmittel sind noch Strahlstromimpulse mit etwa 10 kHz Flankensteilheit bei einem Tastverhältnis von 1:1 mit einer Restwelligkeit von 2 % bei 60 kHz zu erzeugen. Das Tastverhältnis hängt lediglich von der Art der Steuerelektronik ab, die sich auf Erdpotential befindet und daher einfach ausgeführt sein kann.

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Claims (12)

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   Ansprüche:

   Elektronenstrahl kanone zum Erwärmen von Materialien, insbesondere zum Schweißen, mit einem Strahlerzeuger mit Katode und Strahlformungselektrode, mit einem Hochspannungsanschluß und einem Hochspannungsisolator, an dem der Strahlerzeuger befestigt ist, mit mindestens einem Isoliertransformator und Schaltungselementen für die Erzeugung von HiIfsspannungen auf Hochspannungspotential, wobei Strahlerzeuger und Hochspannungsisolator von einer geerdeten metallischen Ummantelung umgeben sind und der Isoliertransformator oberhalb des Hochspannungsisolators angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) der mindestens ein Isoliertransformator (26, 27, 51) in einen Isolierkörper (24) eingebettet ist,

   b) der Isolierkörper (24) unmittelbar auf den Hochspannungsisolator (23) aufgesetzt ist,

   c) der die geerdete Ummantelung (32) überragende Teil; ■ des Isolierkörpers (24) unter Einschuß des I.soliertransformators (26, 27, 51) von einer metallischen Haube (45) umgeben ist, die mit der Ummantelung (32) einen gemeinsamen faraday'sehen Käfig bildet, und daß

   d) die Schaltungselemente (43) für die Hi1fsspannungen gleichfalls in dem faraday'sehen Käfig angeordnet sind.
2. 2. Elektronenstrahl kanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (24) aus Gießharzmasse besteht.
3. 3. Elektronenstrahl kanone nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungselemente (43) für die HiIfsspannungen in einer allseitig geschlossenen Kapsel (44).aus einem ferromagnetischen Werkstoff untergebracht sind.
4. 4. Elektronenstrahl kanone nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel (14) mit den Schaltungselementen (43) an der Trennstelle zwischen Hochspannungsisolator (23) und Isolierkörper (24) angeordnet ist.
5. 5. Elektronenstrahl kanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsanschluß (25) als·' Steckverbindung (41) ausgebildet und innerhalb des Hochspannungsisolators (23) untergebracht ist.
6. 6. Elektronenstrahl kanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsisolator (23) eine im wesentlichen zylindrische Außenfläche (23a) besitzt, im Bereich dieser Außenfläche von einem Gehäuse (33) mit einem oberen und einem unteren Anschlußflansch (48 bzw. 47) versehen ist, auf seiner Oberseite eine Ausnehmung (23b) für den Einsatz des Isolierkörpers (24) besitzt, dessen Haube (45) mit dem oberen Anschlußflansch (48) verbindbar ist, und auf seiner Unterseite konzentrisch zum Strahlerzeuger (4) eine umlaufende Vertiefung (23c) zur Vergrößerung des'Oberflächenabstandes besitzt. ■ . ■
7. 7. Elektronenstrahl kanone nach Anspruch 1_s dadurch gekennzeichnet, daß im Isolierkörper (24) mindestens zwei Isoliertransformatoren (26, 27) untergebracht sind, zwischen denen sich magnetische Abschirmungen (46) befinden.
8. 8. Elektronenstrahl kanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliertransformatoren (26, 27) mittels der Schaltungselemente (43) um 90 Grad phasenverschoben ansteuerbar sind.
9. 9. Elektronenstrahl kanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Hochspannungsisolator (23) Kühlmittel kanäle (50) angeordnet sind.
10. 10. Elektronenstrahl kanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsanschluß (25) als Steck-Verbindung (41) ausgebildet und innerhalb des Isolierkörpers (24) untergebracht ist.
11. 11. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsanschluß (25) eine horizonta Achse (B-B) aufweist.
12. 12. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsanschluß (25) eine vertikale Achse (C-G) aufweist.