DE19730855C1

DE19730855C1 - Beam generation system for electron guns

Info

Publication number: DE19730855C1
Application number: DE1997130855
Authority: DE
Inventors: Bodo Dr Furchheim; Johann Wendl
Original assignee: SAECHSISCHE ELEKTRONENSTRAHL G; Audi AG
Current assignee: SAECHSISCHE ELEKTRONENSTRAHL G; Audi AG
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2017-07-19

Abstract

The beam generation system has a triple electrode device with a cathode (1), a control electrode (3) and an anode (4), provided with a centre bore through which the electron beam (2) is directed from the beam generation space into a beam guidance space, with a beam cross-over point (9) within the bore. The anode is provided by an anode head (5) having a central bore (8) and an anode sleeve (6) containing at least one aperture stop (7). The bore in the anode head is matched to the beam diameter and is not more than 1 mm greater in diameter than the beam diameter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahlerzeugungssystem für Elektronenkanonen für beliebige Ein satzgebiete, wie z. B. zum Schweißen, Bearbeiten und zur Oberflächenbehandlung, vor zugsweise zum Umschmelzen. Das Strahlerzeugungssystem ist für jede Leistung der Elek tronenkanone vom Axialtyp einsetzbar.The invention relates to a beam generation system for electron guns for any one areas of application, such as B. for welding, machining and surface treatment, before preferably for remelting. The beam generation system is the Elek for every performance Tron cannon of the axial type can be used.

Ein Strahlerzeugungssystem besteht aus einer direkt oder indirekt geheizten Katode, einer Fokussierelektrode und der Anode mit einer zentralen Bohrung, durch welche der Elektro nenstrahl austritt. Es ist ein sogenanntes Dreielektrodensystem.A beam generation system consists of a directly or indirectly heated cathode, one Focusing electrode and the anode with a central hole through which the electro outlet. It is a so-called three-electrode system.

Die ununterbrochene Betriebszeit von Elektronenkanonen wird außer von der Standzeit der Katode und dem konstruktiven Aufbau des Strahlerzeugungssystems auch wesentlich durch Fremdkörpereinwirkung, wie Restgasmoleküle bestimmt. Das sind Ionen und Metallpartikel aus dem elektronenstrahltechnologischen Prozeß. Im Restgas befinden sich positive Ionen, die sich im Bereich der Strahlerzeugung und Strahlführung bilden. Sie gelangen zur Katode und zerstäuben bzw. zerstören diese, was letztendlich auch zu Überschlägen im Strahler zeugungssystem führt. Um zu verhindern, daß der rückläufige Ionenstrom nach wenigen Stunden die Katode zerstört, ist es bekannt, die Katode zentrisch zu durchbohren und da hinter einen Ionenfänger anzuordnen (DD 153 280).The uninterrupted operating time of electron guns is apart from the service life of the The cathode and the structural design of the beam generation system also significantly Foreign body exposure, as determined by residual gas molecules. These are ions and metal particles from the electron beam technological process. There are positive ions in the residual gas, that form in the area of beam generation and beam guidance. You get to the cathode and atomize or destroy them, which ultimately also leads to flashovers in the spotlight generation system leads. To prevent the declining ion current after a few Hours the cathode is destroyed, it is known to pierce the cathode centrally and there to be placed behind an ion trap (DD 153 280).

Mit dieser Lösung werden aber die Ionen nicht vollständig aufgefangen und vor allem nicht die Metallpartikel aus dem Prozeßraum.With this solution, however, the ions are not completely captured, and above all not the metal particles from the process room.

Es sind eine Vielzahl von Konstruktionen des Strahlerzeugungssystems bekannt, die unter anderem auch das Beeinflussen der Ionen und Metallpartikel auf das Strahlerzeugungssy stem vermindern sollen, um die Einsatzzeit der Katoden zu erhöhen. Es werden auch die Strahlparameter entsprechend variiert. Es sind jedoch keine befriedigenden Ergebnisse er reicht worden. Sie sind alle mit erheblichem Aufwand, der in keinem günstigen Verhältnis zum Erfolg steht, verbunden. Zur Reduzierung der störenden Überschläge wurden die Ab messungen der Katode, Anode und Fokussierelektrode verändert, ebenso wie der Druck. Aber auch diese Veränderungen brachten keinen großen Erfolg zur Erhöhung der ununter brochenen Einsatzdauer (DD 237 932, DD 134 168; DD 139 184). Besonders treten die Probleme bei hohen Strahlleistungen auf, zu denen zwar Lösungen gefunden wurden, die aber andererseits technologisch und apperativ sehr aufwendig sind.A variety of constructions of the beam generating system are known, which under among other things, influencing the ions and metal particles on the beam generation system should reduce the stem in order to increase the service life of the cathodes. It will also be the Beam parameters varied accordingly. However, there are no satisfactory results been enough. They are all with considerable effort, which is out of proportion stands for success, connected. To reduce the annoying rollovers, the Ab Measurements of the cathode, anode and focusing electrode changed, as did the pressure. But even these changes did not bring much success to the increase broken operating time (DD 237 932, DD 134 168; DD 139 184). They especially kick Problems with high beam powers, for which solutions have been found that but on the other hand are technologically and apperatively very complex.

Alle bekannten Ausführungsformen von Dreielektrodensystemen bewirken, daß der Cross-over im Strahlverlauf nach der Anode gebildet wird (Schiller, Panzer, Heißig, Elektronen strahltechnologie, Verlag Technik GmbH, Berlin 1995, Abschn. 2, S. 37 ff). Daraus sind Maßnahmen zu entnehmen, die auch darauf gerichtet sind, die Einsatzzeit der Elektronen kanonen zu erhöhen. Auch hieraus sind die Mängel erkennbar, die oben genannt sind. Vor allem wird nicht vermieden, daß Ionen auf die Oberfläche der Anode und Steuerelektrode gelangen und Überschläge hervorrufen.All known embodiments of three-electrode systems cause the cross-over is formed in the beam path after the anode (Schiller, Panzer, Heißig, electrons beam technology, Verlag Technik GmbH, Berlin 1995, Section 2, p. 37 ff). Are from it Take measures that are also aimed at the time of use of the electrons to increase cannons. This also shows the shortcomings mentioned above. In front everything is not avoided that ions on the surface of the anode and control electrode arrive and cause rollovers.

Es ist weiterhin bekannt, die Anode so auszubilden, daß in dieser eine Anodenblende mit einer Anodenbohrung angeordnet ist und die Parameter des Elektronenstrahls so gewählt werden, daß ein Cross-over im Bereich der Anodenbohrung liegt (EP 0196710 A1; EP 0132657 A1). Die Größe der Anodenbohrung ist dem Elektronenstrahl nicht so angepaßt, daß der Durchtritt von Fremdkörpern an dem nachfolgenden Prozeßraum in den Strahlerzeu gungsraum zwischen Anode und Katode verhindert wird.It is also known to design the anode so that it has an anode screen an anode hole is arranged and the parameters of the electron beam selected in this way be that there is a crossover in the area of the anode bore (EP 0196710 A1; EP 0132657 A1). The size of the anode hole is not adapted to the electron beam so that the passage of foreign bodies in the subsequent process space into the emitter space between the anode and cathode is prevented.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strahlerzeugungssystem für Elektronenkano nen als Dreielektrodensystem zu schaffen, welches es verhindert, daß Fremdkörper, das sind Restgasmoleküle, Ionen und aus dem Prozeß austretende Metallpartikel, in dem Hoch spannungsraum zwischen die Katode, Anode und Fokussierelektrode, auch Wehneltelektro de genannt, gelangen. Die dadurch entstehenden Überschläge sollen weitestgehend verhin dert werden, um die ununterbrochene Betriebsdauer wesentlich zu verlängern. Die Lösung soll von der Leistung der Elektronenkanone und dem Einsatzgebiet unabhängig sein.The invention has for its object a beam generation system for electron kano NEN to create as a three-electrode system, which prevents foreign bodies, the are residual gas molecules, ions and metal particles emerging from the process in the high voltage space between the cathode, anode and focusing electrode, also Wehneltelectro called de. The resulting arcing should largely be avoided be changed to significantly extend the uninterrupted service life. The solution should be independent of the power of the electron gun and the area of application.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben.According to the invention the object is achieved according to the features of claim 1. Advantageous embodiments are described in claims 2 and 3.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Erkenntnis, daß vermieden werden muß, daß Fremdteilchen, d. h. Ionen und Partikel vom Prozeßort, entgegen dem Strahlverlauf in den Strahlerzeugungsraum gelangen. Aus der Erkenntnis, daß zwischen der Anodenbohrung und dem Elektronenstrahl noch Raum ist, durch den die Fremdteilchen in den Bereich über der Anode gelangen können, wurde gefunden, diesen Raum zu minimieren, und zwar so weit, daß der Abstand zwischen der Wandung der Bohrung und dem Strahl kleiner als 1 mm ist. Gestaltet man die Anode so, daß die Kontur der Anodenbohrung der tatsächlichen Strahlkontur identisch ist und legt man den Cross-over in den Bereich der Bohrung, wird es weitgehend verhindert, daß zwischen dem Strahl und der Wandung der Bohrung noch Fremdteilchen gegen die Strahlrichtung in den Strahlerzeugungsraum gelangen können. Bedingt durch die maximale Elektronenkonzentration im Cross-over sind keine Störungen möglich, was mit dem 1. Newtonschen Axiom seine Bedeutung findet. Um diesen Effekt noch zu verbessern, wurde gefunden, bereits vor dem Cross-over eine große Anzahl von Fremdteilchen abzufangen, damit sie nicht erst bis zur Anodenbohrung gelangen können. Das erfolgt derart, daß die Anode im weiteren Strahlverlauf ein Anodenrohr aufweist, in dem mindestens eine Blende angeordnet ist, deren Bohrung ebenfalls dem Strahldurchmesser angepaßt ist.The solution according to the invention is based on the knowledge that it must be avoided that Foreign particles, d. H. Ions and particles from the process site, contrary to the beam path in the Beam generation room arrive. From the knowledge that between the anode hole and there is still room for the electron beam through which the foreign particles enter the area the anode was found to minimize this space, and so far that the distance between the wall of the bore and the beam is less than 1 mm is. If one designs the anode so that the contour of the anode bore is the actual one Beam contour is identical and if you place the cross-over in the area of the hole, it will largely prevents between the jet and the wall of the hole Foreign particles can get into the beam generation chamber against the beam direction. Due to the maximum electron concentration in the cross-over there are no disturbances possible what finds its meaning with Newton's 1st axiom. To this effect was found to improve even before the cross-over a large number of Intercept foreign particles so that they cannot reach the anode hole. This is done in such a way that the anode has an anode tube in the further beam path, in which at least one aperture is arranged, the bore of which also corresponds to the beam diameter is adjusted.

Die optimalste Lösung wird also dann erreicht, wenn der Cross-over in den Bereich der obe ren Anodenbohrung gelegt wird, damit der Durchmesser dort ein Minimum hat. Die im Cross-over vorhandene hohe Teilchendichte läßt es nicht zu, daß Fremdteilchen durch die sen Bereich, d. h. die Bohrung, im Strahlerzeugerraum gelangen. Die Anpassung der Kontur dieser Bohrung an den Strahlverlauf muß derart sein, daß der Abstand zwischen der Wand der Bohrung und dem Strahl kleiner als 1 mm ist. Die Dicke der Anodenkappe und damit die Länge der Bohrung ist so zu wählen, daß fast kein Gasstrom entgegen der Strahlrichtung durch diese Bohrung als Druckstufe in den Strahlerzeugungsraum gelangt und damit die Fremdteilchen von diesem ferngehalten werden.The most optimal solution is therefore achieved when the cross-over in the area of the above Ren anode hole is placed so that the diameter there has a minimum. The in Cross-over existing high particle density does not allow foreign particles through the area, d. H. the hole in the jet generator room. Adjusting the contour this hole on the beam path must be such that the distance between the wall the bore and the jet is smaller than 1 mm. The thickness of the anode cap and thus the The length of the hole should be chosen so that there is almost no gas flow against the jet direction passes through this hole as a pressure stage in the jet generation chamber and thus the Foreign particles are kept away from this.

An den anderen Blenden im Anodenrohr werden bereits eine erhebliche Menge von kine tisch geladenen Fremdteilchen, insbesondere die Ionen, durch die Richtungsänderung beim Auftreffen an den Kanten der Bohrungen gehindert, durch die Anodenbohrung zu gelangen. Sie schlagen im Anodenrohr zwischen den Blenden nieder. In großen Zeitabständen werden diese mechanisch entfernt.On the other screens in the anode tube there is already a significant amount of kine table-loaded foreign particles, especially the ions, due to the change in direction when Impact on the edges of the holes prevented from passing through the anode hole. They knock down in the anode tube between the screens. At great intervals mechanically removed.

Die Erfindung hat somit den Vorteil, daß die Betriebsdauer des Strahlerzeugungssystems um einen Faktor in mehreren Zehnerpotenzen erhöht ist, was bereits durch Versuche bewie sen ist. Der geringfügig höhere Aufwand durch die neue Anodenkonstruktion ist unbedeu tend gegenüber der höheren Betriebszeit, die Produktionsausfall zur Folge hat.The invention thus has the advantage that the operating time of the beam generating system is increased by a factor in several powers of ten, which has already been proven by experiments is. The slightly higher effort due to the new anode construction is unimportant tends to the higher uptime that results in loss of production.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt ein Strahlerzeugungssystem im Schnitt.The invention is explained using an exemplary embodiment. The accompanying drawing shows a beam generating system in section.

In einem evakuierten Gehäuse (nicht gezeichnet) der Elektronenkanone befindet sich eine Katode 1, aus der durch Heizung die Elektronen emittieren und den Elektronenstrahl 2 bil den, der in bekannter Weise durch elektronenoptische Mittel beschleunigt und formiert wird. Im Abstand von der Katode 1 ist eine Steuerelektrode 3 zu genanntem Zweck angeordnet. Im Abstand davon ist eine Anode 4 axial und zentrisch zur Katode 1 und Steuerelektrode 2 angeordnet.In an evacuated housing (not shown) of the electron gun there is a cathode 1 , from which the electrons emit by heating and the electron beam 2 , which is accelerated and formed in a known manner by electron-optical means. A control electrode 3 is arranged at a distance from the cathode 1 for the purpose mentioned. At a distance from it, an anode 4 is arranged axially and centrally to the cathode 1 and control electrode 2 .

Die Anode 4 besteht aus einer Anodenkappe 5, dem Anodenrohr 6 und in ihm angeordneten Blenden 7. Die Anodenkappe 5 besitzt eine Bohrung 8, auch Anodenbohrung genannt. Die Bohrung 8 ist im Durchmesser über die gesamte Länge dem Durchmesser und der Kontur des Elektronenstrahls 2 angepaßt, d. h. sie verläuft leicht konisch und umgibt eng den Elek tronenstrahl 2.The anode 4 consists of an anode cap 5 , the anode tube 6 and screens 7 arranged in it. The anode cap 5 has a bore 8 , also called anode bore. The bore 8 is adapted in diameter over the entire length to the diameter and contour of the electron beam 2 , ie it is slightly conical and closely surrounds the electron beam 2 .

Beim Betrieb der Elektronenkanone werden alle Parameter so gewählt, daß der Cross-over 9 des Elektronenstrahls 2 Im unteren Bereich der Bohrung 8 der Anodenkappe 5 liegt.When operating the electron gun, all parameters are selected such that the crossover 9 of the electron beam 2 lies in the lower region of the bore 8 of the anode cap 5 .

Die Blenden 7 besitzen Bohrungen 10, die auch dem Durchmesser des Elektronenstrahls angepaßt sind. Die Rohrstücke 11 dienen mechanisch der Arretierung der Blenden 7 bei der Montage.The diaphragms 7 have bores 10 which are also adapted to the diameter of the electron beam. The pipe sections 11 serve mechanically to lock the screens 7 during assembly.

Ein aus dem Prozeßraum unterhalb der Anode 4 und sich daran anschließender elektro nenoptischer Mittel, die den Elektronenstrahl 2 prozeßgerecht führen und ablenken, zum Strahlerzeugungsraum sich bewegendes Ion 12, trifft in der Regel auf eine Kante der Boh rung 10 der Blende 7 und wird in seiner Bewegungsrichtung so abgelenkt, daß es zwischen den Blenden 7 im Anodenrohr 6 niederschlägt. Dadurch gelangt kaum ein Fremdteilchen bis zur und durch die Bohrung 8 in der Anodenkappe 5 und selbst wenn es dorthin gelangt, wird es an der Kante dieser Bohrung 8 aus seiner Bahn gebracht. Durch die Bohrung 8 kann es durch die Lage des Cross-overs 9 nicht hindurch.An from the process space below the anode 4 and adjoining electro-optical means, which guide and deflect the electron beam 2 according to the process, to the beam-generating space moving ion 12 , usually meets an edge of the drilling 10 of the aperture 7 and is in it Direction of movement deflected so that it precipitates between the screens 7 in the anode tube 6 . As a result, hardly any foreign particles get to and through the bore 8 in the anode cap 5 and even if it gets there, it is brought out of its path at the edge of this bore 8 . It cannot pass through the hole 8 through the position of the crossover 9 .

Claims

Beam generation system for electron guns with a three-electrode system, consisting of a cathode, control electrode and anode, which are arranged in the upper region of the electron gun, the beam generation chamber, and are vacuum-separated from the beam guiding chamber and process chamber by pressure orifices, the anode with the hole made centrally therein through which the electron beam enters the beam guiding space when the top pressure orifice to the beam generation space is formed and the crossover of the electron beam lies in the region of the anode bore, characterized in that the anode ( 4 ) consists of an anode head ( 5 ) with the centrally arranged bore ( 8 ) and an anode tube ( 6 ) running in the beam direction, in which at least one screen ( 7 ) is arranged, that the bore ( 8 ) in the anode head ( 5 ) is adapted to the diameter of the electron beam ( 2 ) and that the diameter of the bore ( 8 ) in the anode cap ( 5 ) ≦ 1 mm is larger than the diameter of the electron beam ( 2 ) in the bore area.