DE3532888A1 - Anordnung zur regelung der ablenkung eines elektronenstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Zum Verdampfen von Materialien, insbesondere von Metallen in Tiegeln, werden häufig energiereiche Elektronenstrahlen verwendet. Dabei ist es von großer Wichtigkeit, die Elektronenstrahlen abzulenken, um verschiedene Stellen des Metalls im Tiegel zu erreichen.

Es ist bereits eine Einrichtung zur Elektronenstrahlerwärmung von Mate­ rialien bekannt, bei der eine Elektronenstrahlkanone zur Erzeugung eines Elektronenstrahls und ein elektromagnetisches Strahlsteuersystem vorge­ sehen sind. Diese Einrichtung weist einen Magnetkern in Form eines recht­ eckigen Rahmens mit mindestens zwei auf gegenüberliegenden Schenkeln angeordneten Ablenkwicklungen und zumindest zwei auf den zwei anderen gegenüberliegenden Schenkeln angeordneten Korrektur- und Abtastwick­ lungen auf (US-PS 38 14 829, DE-PS 27 19 725). Zur Regelung und Über­ wachung des magnetischen Ablenksystems wird hierbei jedoch nur der Strom durch die Ablenkspulen erfaßt bzw. die an den Ablenkspulen anstehende Spannung.

Da indessen die Speisespannung wegen temperaturbedingten Spulenwider­ standsänderungen und auch wegen zeitlichen Verzögerungen infolge der Induktivität des Systems kein proportionales Signal zum Magnetfeld dar­ stellt, wird schon seit längerer Zeit der Spulenstrom als magnetfeldpropor­ tionales Signal zur Feldregelung und/oder Feldüberwachung verwendet. Man geht hierbei davon aus, daß die Durchflutung (R=n · I) in einem Magnetkreis ein proportionales Magnetfeld erzeugt. Dies erweist sich bei einigen Anwendungen jedoch als zu ungenau, da die Magnetisierungskenn­ linie der verwendeten Materialien nicht unbedingt linear sind. Zudem ist diese Magnetisierungslinie, insbesondere bei Ferriten, stark temperatur­ abhängig. Ferner wirken sich auch Sättigungserscheinungen begrenzend aus. Von besonders großem Einfluß auf schnellveränderliche Felder sind die Schutzschirme, die um die Ablenkmittel aufgebaut werden und z. B. aus unmagnetischen Blechen aus VA-Stahl bestehen. Infolge der elektrischen Leitfähigkeit der Abschirmung entstehen Wirbelströme, die mit zunehmen­ der Frequenz das Ablenkfeld schwächen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde eine Anordnung zur Re­ gelung der Ablenkung eines Elektronenstrahls zu schaffen, bei welcher Magnetisierungskennlinien oder Abschirmungen keinen negativen Einfluß auf die Regelung ausüben.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Vorgabe eines Magnetfeldverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit einen exakt gleichen Verlauf des Ablenkfelds bewirkt, was bei modernen Anlagen mit genauer Strahlpositionierung erforderlich ist. Die Vorgabe kann dabei mit konventionellen Mitteln oder mit Hilfe eines Rechners erfolgen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelschaltung;

Fig. 3 ein wassergekühltes Gehäuse, in dem sich ein Magnetfeldsensor be­ findet;

Fig. 4 eine Seitenansicht des in der Fig. 3 gezeigten Gehäuses;

Fig. 5 die Ansicht des in der Fig. 4 dargestellten Gehäuses mit abge­ nommenem Deckel;

Fig. 6 eine Beschaltung des als IC ausgebildeten Magnetfeldsensors.

In der Fig. 1 ist ein hufeisenförmiger Magnet 1 mit den beiden seitlichen Schenkeln 2, 3 und dem hinteren Schenkel 4 dargestellt. Durch diesen Mag­ neten 1 tritt ein Elektronenstrahl 5, der abgelenkt werden kann. Der nicht abgelenkte Strahl ist durchgehend gezeichnet und mit der Bezugs­ zahl 5 bezeichnet, während der nach vorne abgelenkte Elektronenstrahl die Bezugszahl 6 und der nach hinten abgelenkte Elektronenstrahl die Be­ zugszahl 7 trägt. Das Ende des abgelenkten Elektronenstrahls 5 wandert auf einer Geraden 8, wobei drei Endpunkte 9, 10, 11 dieses Strahls 5 nur beispielhaft dargestellt sind. Die Steuerung der Ablenkung des Elektro­ nenstrahls 5 erfolgt über eine Wicklung 12, die um den hinteren Schenkel 4 gewickelt und mit ihren Enden 13, 14 an eine Ablenkstufe 15 ange­ schlossen ist. Diese Ablenkstufe 15 umfaßt Sollwertgeber, Feldregler, Stromregler, Endstufe und Vorschaltwiderstände; außerdem ist sie über elektrische Leitungen 16, 17 mit einer Feldsensor-Einrichtung 18 verbun­ den, die auf der Außenseite des Schenkels angeordnet ist. In dieser Feld­ sensor-Einrichtung 18 befindet sich z. B. ein Hall-Sensor-IC SAS 231 W der Fa. Siemens sowie eine elektronische Anpassungsschaltung. Die Feld- Sensoreinrichtung 18 liefert eine Spannung, die proportional zur magneti­ schen Induktion ist, welche von dem Elektronenstrahl-Ablenksystem er­ zeugt wird.

In der Fig. 2 ist die Regeleinrichtung zur Regelung der Position des Elek­ tronenstrahls 5 noch einmal näher dargestellt. Man erkennt hierbei, daß die in der Fig. 1 gezeigte Ablenkstufe 15 einen Sollwertgeber bzw. Rech­ ner 20, einen Stromregler 21, eine Endstufe 22 und einen Vorschaltwider­ stand 23 enthält. Von der Feldsensor-Einrichtung 18 führt eine Verbin­ dung zur Verknüpfungsstelle 24, wo der vom Sollwertgeber 20 abgegebene Sollwert um den Ist-Wert der Feldsensor-Einrichtung 18 vermindert und die resultierende Größe auf einen Feldregler 25 gegeben wird. Dieser Feldregler 25 gibt aufgrund der ermittelten Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert eine Regelgröße auf die Verknüpfungsstelle 26. Von dieser Regelgröße wird eine Größe abgezogen, die als Spannung an dem Vor­ widerstand 23 abfällt.

Diese Spannung ist proportional zu dem durch die Wicklung 12 fließenden Strom. Der Widerstand 23 dient also dazu, den von der Endstufe durch die Wicklung 12 getriebenen Strom in ein als Stromistwert geeignetes Span­ nungssignal umzuwandeln.

Die Endstufe 22 bildet mit dem vorgeschalteten Stromregler 21 eine Lei­ stungsendstufe, deren Ausgangsstrom proportional zur Eingangsspannung ist.

In der Fig. 3 ist ein wassergekühltes Gehäuse 30 aus nichtmagnetischem Material dargestellt, das der Feldsensor-Einrichtung 18 gemäß Fig. 1 ent­ spricht. Während die Fig. 1 lediglich eine prinzipielle Darstellung der Feld­ sensor-Einrichtung 18 ist, stellt die Fig. 3 ein tatsächlich realisierbares Gehäuse 30 dar. Dieses Gehäuse 30 ist zylindrisch ausgebildet, wobei der mittlere zylindrische Teil zwei Wände 31, 32 aufweist, die durch teller­ förmige und überstehende Stirnwände 33, 34 abgeschlossen sind.

Das Kühlwasser, welches zwischen den Wänden 31, 32 fließt, wird über ei­ nen Stutzen 35 zugeleitet. Der eigentliche Magnetfeld-Sensor 36 bzw. die Ma­ gnetfeld-Sensor-Platine 36 befindet sich im Innern der Wand 32 , welche die Form eines Zylindermantels hat. Da der Elektronenstrahl eine sehr hohe Energie hat und außerdem die Wärmebelastung durch Strahlung vom Tiegel sehr hoch ist, ist es erforderlich, den Magnetfeld-Sensor 36 vor Über­ hitzung zu schützen. Zu diesem Zweck ist der Magnetfeld-Sensor 36 in das wassergekühlte, doppelwandige Gehäuse 30 eingebaut und an der Außenseite des Hufeisenmagneten 1 angebracht.

In der Fig. 4 ist das wassergekühlte Gehäuse 30 aus nichtmagnetischem Material in einer seitlichen Ansicht gezeigt, die einer Draufsicht in Rich­ tung des Pfeils A in Fig. 3 entspricht. Mit 37, 38, 39 sind Anschlußstecker bezeichnet, von denen insgesamt acht vorgesehen sind. Neben dem Stutzen 35, der bereits in der Fig. 3 dargestellt ist, ist ein weiterer Stutzen 40 gezeigt. Beide Stutzen 35, 40 dienen zur Wasserzufuhr bzw. -abfuhr. Die Schläuche oder Rohre, welche das Kühlwasser an die Stutzen 35, 40 heran­ führen bzw. -wegführen, sind in der Fig. 4 nicht gezeigt. Mit 41 ist ein Deckel bezeichnet, der die Anschlußstecker 37-39 trägt und der mittels Schrauben 42-45 mit dem Gehäuse 30 verbunden ist.

In der Fig. 5 ist das Gehäuse 30 in derselben Ansicht wie in Fig. 4 dar­ gestellt, wobei das Gehäuse 30 allerdings offen ist, d. h. der Deckel 41 mit den Anschlüssen 37-39 ist abgenommen. Man erkennt bei dieser Darstellung den Magnetfeldsensor bzw. die Magnetfeldsensor-Platine 36.

Die Fig. 6 zeigt die den Magnetfeldsensor betreffende Schaltungsanordnung noch einmal im Detail. Mit 50 ist der bereits oben erwähnte und als inte­ grierte Schaltung ausgebildete Hall-Sensor SAS 231 W der Fa. Siemens be­ zeichnet. Dieser Sensor 50 liegt über einer Leitung 51 sowie über einem Beschaltungswiderstand 51 an einer Gleichspannung von +15 V. Mit Hilfe eines Trimmpotentiometers 53 kann die Empfindlichkeit des Hall-Sensors 50 eingestellt werden.

Mit 54 bzw. 55 sind zwei Anpaßverstärker bezeichnet, die in ihrem Rück­ kopplungszweig jeweils einen Kondensator 56 bzw. 57 zur Störunterdrückung aufweisen. Parallel zu diesen Kondensatoren 56, 57 sind Rückkopplungswider­ stände 58, 59 geschaltet. Zusammen mit den Eingangswiderständen 60, 61 und der Rückkopplungsbeschaltung 57, 59 bildet der Anpaßverstärker 55 ei­ nen Invertier-Verstärker, d. h. er invertiert das vom Verstärker 54 kom­ mende Signal. Die Amplitude dieses vom Verstärker 54 kommenden Signals kann mit Hilfe eines Trimm-Potentiometers 62 eingestellt werden.

Ein weiteres Trimmpotentiometer 63, das zur Kompensation des von dem Sensor 50 gelieferten Gleichspannungsanteils bzw. zur Offset-Kompensation des Verstärkers 54 dient, ist über zwei in Reihe geschaltete Widerstände 64, 65 mit dem einen Eingang des Verstärkers 54 verbunden, der über einen Widerstand 66 und einen Kondensator 67 mit dem Ausgang des Sensors 50 verbunden ist.

Am Ausgang 68 steht ein Signal an, das dem Magnetfeld, das durch die Ablenkspule erzeugt wird, direkt proportional ist. Am Ausgang 69 steht dasselbe Signal noch einmal in invertierter Form an.

In der Regel wird nur einer der Ausgänge 68, 69 benutzt. Er führt zur Summationsstelle 24 vor dem Feldregler 25.

Die in der Fig. 6 dargestellte Schaltung liefert nur die Wechselanteile des Magnetfelds, da der Gleichanteil durch den Kondensator 67 zwischen dem Sensor 50 und dem Widerstand 66 unterdrückt wird.

Claims (18)

1. Anordnung zur Regelung der Ablenkung eines Elektronenstrahls mittels eines magnetischen Ablenksystems, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mag­ netfeldsensor (18, 36, 50) an einer definierten Stelle des vom Ablenksystem erzeugten Magnetfelds vorgesehen ist, der einen Magnetfeld-Istwert des Ablenksystems erzeugt, welcher von einer Regeleinrichtung für die Rege­ lung des Ablenksystems verarbeitet wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenk­ system ein elektromagnetisches Ablenksystem ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenk­ system vorzugsweise einen hufeisenförmigen, magnetisierbaren Körper (1) aufweist, der mit einer Spule (12) versehen ist, die von einer Ablenkstufe (15) mit einem veränderlichen Strom beaufschlagbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (18, 36, 50) an der Außenseite des Ablenksystems (1, 12) angeordnet ist.

5. Anordnung nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (18, 36, 50) an der Außenseite eines Schenkels (3) des hufeisenförmigen Körpers (1) ange­ ordnet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet­ feldsensor (18, 36, 50) so angeordnet ist, daß er nur das von dem Ablenk­ system (1, 2) erzeugte Magnetfeld erfaßt und das vom Elektronenstrahl (5) selbst erzeugte ringförmige Magnetfeld unberücksichtigt läßt.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlage­ rung des Magnetfelds des Ablenksystems (1, 12) durch das Magnetfeld des Elektronenstrahls (5) mittels schaltungstechnischer Maßnahmen elimi­ niert oder kompensiert wird.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ist-Wert des Magnetfeldsensors (18, 36, 50) mit einem Sollwert verglichen wird und der Ablenkstrom des Ablenksystems (1, 12) nach Maßgabe der Differenz gegenüber dem Sollwert nachgeregelt wird.

9. Anordnung nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Magnetfeldsensors (18, 36, 50) und der Ausgang eines Sollwertgebers (20) auf eine Verknüp­ fungsstelle (24) geführt sind, daß ein Ausgang dieser Verknüpfungsstelle (24) auf einem Feldregler (25) gegeben ist, dessen Ausgang, ebenso wie der Abgriff eines vom Magnetisierungsstrom durchflossenen Widerstands (23), einer weiteren Verknüpfungsstelle (26) zugeführt ist, wobei ein Aus­ gang dieser Verknüpfungsstelle (26) einem Stromregler (21) zugeführt ist, der eine Endstufe (22) ansteuert, welche ihrerseits das Ablenksystem (1, 12) mit einem Strom beaufschlagt.

10. Anordnung nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Magnetfeldsensor (18, 36, 50) erzeugte Ausgangssignal an einem ersten Ausgang (68) unmittelbar und an einem zweiten Ausgang (69) in invertierter Form vorliegt.

11. Anordnung nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Magnetfeldsensor (18, 36, 50) ein Verstärker (54) nachgeschaltet ist, und daß sich zwischen dem Magnetfeld­ sensor (18, 36, 50) und dem Verstärker (54) ein Kondensator (67) befindet, der die Gleichanteile aus dem Ausgangssignal des Magnetfeldsensors (18, 36, 50) herausfiltert.

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet­ feldsensor ein Hall-Element enthält.

13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet­ feldsensor einen magnetfeldabhängigen Widerstand enthält.

14. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ma­ gnetfeldsensor (18, 36, 50) in einem flüssigkeitsgekühlten Gehäuse (30) be­ findet.

15. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssig­ keitsgekühlte Gehäuse (30) zwei konzentrisch zueinander angeordnete zylin­ drische Mäntel (31, 32) aufweist, zwischen denen die Kühlflüssigkeit fließt.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zylin­ drischen Mäntel (31, 32) durch End-Flansche (33, 34) abgeschlossen sind.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet­ feldsensor (18, 36, 50) in der Achse des inneren zylindrischen Mantels (32) angeordnet ist.

18. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (5) zum Verdampfen oder Erhitzen von Materialien ver­ wendet wird.