DE2153695A1

DE2153695A1 - Verfahren und einrichtung zur regelung des strahlstroms bei technischen ladungstraegerstrahlgeraeten

Info

Publication number: DE2153695A1
Application number: DE2153695A
Authority: DE
Inventors: Alfred Von Dipl Ing Walter
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1971-10-28
Filing date: 1971-10-28
Publication date: 1973-05-10
Also published as: DE2153695B2; FR2158320A1; FR2158320B1; DE2153695C3; GB1371114A; US3875366A

Description

STEIGERWALD STRAHLTECHNIIi GMBH 8000 München 55 ι Hpdfcrunstr. la

"Verfahren und Einrichtung zur Regelung des Strahlstroras bei technischen Ladungsträgerstrahlgeräten"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Strahlstroms bei technischen Ladungsträgerstrahlgeräten, insbesondere Elektronenstrahl-Materialbearbeitungstnaschinen. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Während des Betriebs von Geräten, in denen ein Ladungsträgerstrahl hoher Beschleunigungsspannung erzeugt wird, ist es in vielen Fällen erforderlich, den Strahlstrom des Ladungsträgerstrahls dauernd auf einen vorgegebenen, konstanten Wert einzuregeln, d.h. zu stabilisieren. Eine solche Aufgabe tritt beispielsweise bei einem Elektronenstrahl-Erzeugungssystem für eine Materialbearbeitungsmaschine auf, bei der die Energie des beschleunigten Elektronenstrahls zur thermischen Behandlung bzw. Bearbeitung von Werkstücken oder dgl. ausgenutzt wird, etwa zum Schweißen, Bohren, Fräsen, Perforieren, Härten usw., und bei der das Bearbeitungsergebnis in quantitativer und/oder qualitativer Hinsicht wesentlich von der Konstanz der Energieeinspeisung an die Bearbeitungsstelle abhängig ist.

309819/0405

- -BT-

Das Elektronenstrahl-firzeugungssystem besteht hierbei hauptsächlich aus einer Glühelektronen-Emissionskathode, einer Steuerelektrode (V/ehnelt-Elektrode) und einer Anode, wobei Kathode und Wehnelt-Elektrode auf Hochspannungspotential und die Anode auf Erdpotential liegen.

Für den Fall eines Dauerstrahlbetriebs eines ein Strahl-Erzeugungssystem der vorerwähnten Art aufweisenden Geräts ist bereits vorgeschlagen worden, die Strahlstromregelung in der Weise vorzunehmen, daß der an einem zwischen den Fußpunkt der Hochspannungsversorgung und Masse gslegten Wide'rstand feststellbare Spannungsabfall als dem Ist-Wert des Strahlstroms proportionales Meßsignal in einen Regelkreis eingegeben wird, über den die Wehneltelektroden-Gleichspannung und damit auch der Strahlstrom auf einen vorgegebenen Sollwert regelbar ist. Dieses Verfahren besitzt jedoch insbesondere den Nachteil, daß die hierbei vorgesehene Art der Ist-Wert-Ermittlung die Stärke des tatsächlich auf das Werkstück oder dgl. auftreffenden Strahlstroms nicht berücksichtigt, da der Ist-Wert ausschließlich dem unmittelbar im Bereich des Strahlerzeugungssystems vorhandenen Strahlstrom entspricht und irgendwelche im weiteren Verlauf des Strahlwegs auftretende , beispielsweise durch Blendenanordnungen oder dgl. bedingte Energieverluste nicht in die Messung mit eingehen. Bei dem bereits vorgeschlagenen Regelverfahren wird somit der Wirkungsgrad des Strahls im Bereich der Bearbeitungsstelle vernachlässigt', so daß der letztlich eingeregelte Strahlstrom unterhalb des tatsächlich erforderlichen Wertes liegen kann.

Darüber hinaus ist das bereits vorgeschlagene Regelverfahren im Falle impulsförmig erzeugter Ladungsträgerstrahlen praktisch nicht brauchbar, da · es nur eine Stabilisierung auf einen Mittelwert des Strahlstroms erlauben würde und dieser Mittelwert z.B* bei geringen Impulsbreiten.und niedriger· Impulsfrequenz im übrigen so klein wäre, daß er noch unterhalb des Störpegels der Hoch-

309819/0AOS

spannungsversorgung des Elektrcnenstrahl-Generators liegen würde, so daß eine Istwert-Messung auf die weiter oben beschriebene Weisenicht mehr möglich ist.

Bei gewissen Bearbextungsproblemen ist es ferner erforderlich, daß die Auslösung der Strahlimpulse in Abhängigkeit von der Werkstückslage relativ zum Elektronenstrahl erfolgt, so daß die Impulsfrequenz nicht konstant ist. In derartigen Fällen ergibt sich eine Schwankung des Strahlstrommittelwerts pro Zeiteinheit und eine Strahlstromregelung über den Mittelwert kann daher nibht in Frage kommen. »

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, ein neues Verfahren zur Regelung bzw. Stabilisierung des Strahlstroms bei technischen Ladungsträgerstrahl-Geräten anzugeben, das die Nachteile eines Verfahrens entsprechend dem weiter oben Erwähnten nicht aufweist, d.h. also insbesondere bei Impulsbetrieb des Ladungsträgerstrahls eine Stabilisierung lediglich auf einen Mittelwert des Strahlstroms vermeidet, und das auch bei beliebiger Impulsform des Ladungsträgerstrahls, z.B. im Falle einer Impulsmodulation des Ladungsträgerstrahls, eine Strahlstromstabilisierung in optimaler Weise ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch direkte Anmessung eines impulsförmig erzeugten Ladungsträgerstrahls im Bereich seines Strahlwegs jeweils im wesentlichen nur vom Spitzenwert der Impulsamplituden abhängige Meßsignale für die anschließende Bildung von zur Strahlstromregelung dienenden analogen Regelgrößen abgeleitet werden, wobei, die Meßsignale zunächst jeweils nach Maßgabe eines Impulsabstands gespeichert werden,

3098 1 9/0405

- IK- ^ 2153895

Dank der dio Erfindung kennzeichnenden Maßnahmen werden eine Reihe von Vorteilen erzielt. Während einerseits zufolge der vorgesehenen direkten Anmessung der Ladungsträgerstrahl-Impulse im Bereich des Strahlwegs eine dem Effektivwert des Strahlstroms entsprechende Istwert-Ermittlung gewährleistet werden kann, sind andererseits die Meßsignale, die z.B. unmittelbar die Strahlstrom-Istwerte darstellen, auch absolut unabhängig von der jeweiligen Impulsform eines Ladungsträgerstrahls, insbesondere von der jeweiligen Impulsbreite, da diese Meßsignale stets genau der maximalen Amplitude eines Strahlimpulses entsprechen. Hinzu kommt noch, daß das erfindungsgemäße Verfahreh eine Anpassung des Regelvorgangs an das jeweilige Tastverhältnis der Strahlimpulse erlaubt, da die Meßsignale jeweils nach Maßgabe des Impulsabstands gespeichert werden. Jedes erfindungsgemäß abgeleitete Meßsignal wird also stets vor der Bildung der eigentlichen, zur Strahlstromregelung dienenden analogen Regelgröße solange gespeichert, bis das jeweils nachfolgende Meßsignal eintrifft.

Es ist bereits erwähnt worden, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeleiteten Meßsignale unmittelbar als Strahlstrom-Istwerte weiterverarbeitet werden können. Die gespeicherten Meßsignale lassen sich daher jeweils einem Soll-Istwertvergleich hinsichtlich der Impulsamplituden zuführen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet aber auch die Möglichkeit, daß bereits vor der Bildung der zu speichernden Meßsignale ein Soll-Istwertvergleich hinsichtlich der ImpulSamplitude des Strahlstroms durchgeführt wird. Im letzteren Falle wird dann die Regelgröße unmittelbar nach Ablauf der Speicherzeit gebildet.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird, wenn der Soll-Istwertvergleich erst nach Ausspeicherung eines Meßsignals er-

309819/0405

folgen soll, durch direkte Anmessung der Ladungsträgerstrahlimpulse ein entsprechendes impulsförmiges primäres Signal erzeugt ' und zur Feststellung der Maximalamplitude eines jeden Impulses bzw. zur Bildung des von dieser Maximalamplitude abhängigen "sekundären¹¹ Meßsignals in an sich bekannter Weise abgetastet» Da derartige Methoden zur Abtastung hochfrequenter Signale (Sampling-Technik) als dem Fachmann bekannt vorausgesetzt werden dürfen, kann auf eine Einzelerörterung des Abtastverfahrens verzichtet werden.

Sofern beim erfindungsgemäßen Verfahren! ein Soll-Istwertvergleich vor der Bildung der zu speichernden Meßsignale vorgesehen sein sollte, wie bereits weiter oben erwähnt, ist es zweckmäßig, durch direkte Anmessung der Ladungsträgerstrahl-Impulse ein entsprechendes impulsförmiges primäres Signal zu erzeugen und zur Bildung eines Differenzsignals mit einem Sollwertsignal zu vergleichen. Dieses Differenzsignal wird dann zur Feststellung des der Maximalamplitude eines jeden Impulses entsprechenden Wertes des Differenzsiganls bzw. zur Bildung des von diesem Wert abhängigen, "sekundären" Meßsignals in an sich bekannter Weise abgetastet.

Zum Abtasten entweder des primären Signals oder des Differenzsignals wird gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Erzeugung der Tastimpulse für die jeweilige Signalabtastung mit der Erzeugung der Ladungsträgerstrahl-Impulse synchronisiert. Hierbei· kann es ferner zweckmäßig sein, wenn die Impulsbreite t eines jeden Tastimpulses in Bezug auf die Impulsbreite t eines Ladungsträgerstrahl-Impulses nach Maßgabe folgender Beziehung

exngestellt	g(max)	wird:	t	P ^ g(
g		, wenn
oder		t	g(max) .
t — g	t , wenn t s P P-

309819/0405

2153635

Vorzugsweise erfolgt die Einstellung der Impulsbreiten der Tastimpulse automatisch. Hierdurch wird der Möglichkeit Rechnung getragen, daß bei bestimmten Impulsformen die Impulsbreite t des Ladungsträgerstrahls kürzer als die maximale Tastimpulsbreite t / % sein kann und daher ein Tastimpuis geringerer Breite erforderlich ist, zweckmäßigerweise mit einer Impulsbreite, die gleich derjenigen des Ladungsträgerstrahlimpulses ist. Im allgemeinen wird aber die Breite der Ladungsträgerstrahlimpulse größer sein als die maximale Tastimpulsbreite, so daß dieser vorgegebene Tastimpuls t ,· ■. verwendet werden kann, der im übrigen in Abhängigkeit von dem zulässigen Meßfehler des gewählten Systems zur direkten Anmessung des " Ladungsträgerstrahls festgelegt wird.

, Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorzugsweise eine Einrichtung dienen, die einen im Regelkreis angeordneten, getasteten Regler aufweist, der eine Signalabtastschaltung mit Momentanvrertspeieher zur Erzeugung und Speicherung der nur vom Spitzenwert der Impulsamplituden abhängigen Meßsignale enthält und der durch von einem Impulsgenerator für das Ladungsträgerstrahl-Erzeugungssystem gelieferte Tastimpulse ansteuerbar ist. Dieser getastete Regler kann für den Fall, daß die Meßsignale, die weiter oben auch als "sekundäre" Meßsignale bezeichnet wurden, jeweils nach Ablauf der Speicherzeit einem Soll-Istwertv'ergleich hinsichtlich der Impulsamplituden zugeführt werden sollen, getrennte Eingänge aufweisen und zwar einen ersten Eingang für eine unmittelbare Sollwerteingabe und einen zweiten Eingang für eine unmittelbare Eingabe der durch Anmessen des Ladungsträgerstrahls gebildeten, impulsförmigen primären Signale.

— 7 —

3098IS/0406

Wenn der Soll-Istwertvergleich hinsichtlich der Impulsamplituden des Strahlstroms vor der Bildung der zu speichernden, "sekundären" Meßsignale durchgeführt werden soll, kann anstelle der vorerwähnten Schaltungsanordnung dem getasteten Regler ein Differenzverstärker für einen Soll-Istwertvergleich vorgeschaltet sein, wobei der Differenzverstärker dann je einen Eingang für die Sollwerteingabe und für die Eingabe der durch Anmessen des Ladungsträgerstrahls gebildeten, impulsförmigen, primären Signale aufweisen muß.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung und Ihrer Weiterbildungen dienen die Zeichnungen. Im Rahmen von Ausführungsbeispielen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer zur Stabilisierung des Strahlstroms einer Elektronenstrahl-Materialbearbeitungsmaschine dienenden Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein zugehöriges Impulsdiagramm und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer weiteren zur Strahlstromstabilisierung geeigneten Einrichtung.

Eine Elektronenstrahl-Materialbearbeitungsmaschine, wie sie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, besteht hauptsächlich aus einem Elektronenstrahl-Generator 1 und einer Arbeitskammer 3» in der ein zu bearbeitendes Werkstück 12 angeordnet,ist. Sowohl das Gehäuse des Elektronenstrahl-Generators 1 als auch die Arbeitskammer 3 sind mittels nicht dargestellter Vakuumpumpeinrichtungen evakuierbar, um das für die thermische Bearbeitung des Werkstücks 12 mit dem Elektronenstrahl 2 erforderliche Hoch-

-k vakuum, etwa in der Größenordnung von 10 Torr dauernd aufrecht erhalten zu können.

309819/0405

Im oberen Teil dos Gehäuses dew Elektronenstrahl-Generators- 1 , ist das eigentliche Strahler^cugungssyfitem xmt er gebracht. Es besteht im wesentlichen aus einer Glühelektronen-Emissionskathode 4, einem. Wehnelt-Zylinder 5 und einer geerdeten Anode Die Kathode 4 erhält ihre Heizspannung über Klemmen 4a und 4b, wobei die Kathode 4 gleichzeitig mit einer Hochspannungsversorgung 15 verbunden ist und somit auf negativem Hochspannungspotential liegt. Dem ebenfalls auf negativem Hochspannungspoten-• tial liegenden Wehnelt-Zylinder 5 ist ein Ste3.1glied 14 für die Regelung der Wehnelt-Gleichspannung vorgeschaltet. Dieses Stellglied 14 wird über einen Digital-Kanal 20 durch die Steuer-■ impulse eines Impulsgenerators I7 beaufschlagt, so daß ein impulsfijrmiger Elektronenstrahl ?, erzeugt wird, der anschließend im Beschleunigungsfeld zwischen Wehnelt-Zylinder 5 und Anode 6 eine hohe Beschleunigung erfährt und durch eine mittlere Bohrung der Anode 6 aus dem eigentlichen Strahlerzeugungssystem heraustritt. ' .

Unterhalb der Anode 6 ist eine Blende 7 vorgesehen, der eine Ringspule 8 zur Ermittlung des Strahlr⁴ rom-Istwerts unmittelbar folgt. Das Gehäuse des Elektronenstrahl-Generators enthält ferner eine elektro-magnetische Linse 9 zur Fokussierung der Strahlimpulse in einem auf der Oberfläche des Werkstücks 12 liegenden Brennpunkt 11. Ferner sind unterhalb der Linse 9 noch Ablenkspulen 10 angeordnet, die zur Strahlablenkung dienen. Das in der

. Arbeitskammer 3 befindliche Werkstück 12 liegt auf einer Trans-™ portvorrichtung I3, mittels derer das Werkstück 12 relativ zum bearbeitenden Elektronenstrahl bewegt werden kann, wenn z.B. bei bestimmten Bearbeitungsproblemen derartige Werkstücksbewegungen während der Bearbeitung erforderlich sind.

Die Stabilisierung des Strahlstroms des impulsförmig erzeugten Elektronenstrahls wird nun unter Anwendung des erfindungs-

BAD ORIGINAL

3098 1 9/OAOB

gemäßen Verfahrens im einzelnen wie folgt vorgenommen:

in.7

Zunächst wird durch Ausnutzung der in unmittelbarer Umgebung der Elektronenstrahlimpulse auftretenden zeitlichen Änderungen des magnetischen Induktionsflusses mittels der Ringspule 8 eine entsprechende elektrische Spannung erzeugt, deren Verlauf aus dem Impulsdiagramm gemäß Fig. 2 ersichtlich ist und die als primäres Signal für die nachfolgende Regeleinrichtung dient. Dieses impulsförmige, primäre Signal wird dann durch einen der Ringspule 8 nachgeschalteten Verstärker 18 verstärkt und auf einen getasteten Regler Io gegeben, mittels dessen nur vom Spitzenwert der jeweiligen Impulsamplitude abhängige, sekundäre Meßsignale erzeugt werden können. Zu diesem Zweck enthält der Regler 16 eine Signalabtastschaltung, die ihre Tastimpulse vom Impulsgenerator 17 bezieht, und einen Momentanwertspeicher zur Speicherung der sekundären Meßsignale jeweils nach Maßgabe eines Impulsabstandes der Elektronenstrahlxmpulse.

Da die Tastimpulse (t , Fig. 2) die gleiche Frequenz wie die Steuerimpulse für den Wehnelt-Zylinder 5 besitzen und ferner mittels eines im Regler 16 enthaltenen Zeitglieds hinsichtlich ihrer maximalen Impulsbreite t / -> so bemessen werden, daß

glmaxl

letztere wesentlich kurzer ist als die Impulsbreite t der Elektronenstrahlirnpulse bzw. des mittels der Ringspule 8 erzeugten, primären Signals gemäß Fig. 2, trifft jeder Tastimpuls zu einem Zeitpunkt ein, zu dem jeder Impuls des primären Signals seine Xaxir.ialamplitude besitzt. Es wird also hierbei stets nur die Spannung im Bereich der Vorderflanke jedes Impulses der das primäre Signal darstellenden Impulsfolge gemessen und hierdurch ein sekundäres Meßsignal gebildet, das lediglich von den maximalen Impulsamplituden abhängig ist und somit dem tatsächlichen Strahlstrom-Istwert entspricht. Durch eine derartige Impulsdauerbegrenzung der Tastimpulse läßt sich ferner auch ein durch die begrenzte Bandbreite des zur Strahlstrommessung verwendeten Äeßsystems bedingter Meßfehler ausschalten, insbesondere dann,

- 10 -

BAD ORIGINAL

309 8 1 9/ OAOS

wenn - abweichend vom Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 Elektronenstrahlimpulse beliebiger Impulsformen erzeugt werden.

Der getastete Regler 16 weist im übrigen getrennte Eingänge für eine unmittelbare Eingabe des Strahlstrom-Sollwerts mittels eines Potentiometers 19 einerseits und für die Eingabe der primären Signale andererseits auf.

Die durch den Momentanwertspeicher des Reglers 16 kurzzeitig gespeicherten sekundären Meßsignale werden nach Ablauf der Speicherzeit, die gleich dem Impulsabstand der Elektronenstrahlimpulse ist, einem Soll-Istwertvergleich dm Regler 16 zugeführt. Hierdurch können nunmehr die für die Strahlstromregelung bzw. -stabilisierung erforderlichen analogen Regelgrößen gebildet werden, mit denen anschließend das im Regelkreis hinter dem getasteten Regler 16 angeordnete Stellglied 14 über den Analog-Kanal 21 beaufschlagt wird, so daß eine entsprechende Regelung der Gleichspannung des Wehneltzylinders 5 erfolgen und damit der Strahlstrom der Elektronenstrahlimpulse auf den gewünschten Sollwert stabilisiert werden kann.

Fig. 3 zeigt noch im Rahmen eines Ausführungsbeispiels eine Schaltungsvariante einer zur Strahlstromstabilisierung bei Elektronenstrahl-Materialbearbeitungsmaschinen dienenden Einrichtung, die dann zweckmäßig ist, wenn der Soll-Istwertvergleich hinsic.itlich der Inipulsamplitude des Strahlstroms bereits vor der Bildung des sekundären Meßsignals durchgeführt werden soll. In diesem Falle läßt sich die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 links der in Fig. 1 eingezeichneten, gestrichelten Linie durch die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ersetzen. Letztere unterscheidet sich gegenüber der aus Fig. 1 ersichtlichen Regeleinrichtung im wesentlichen dadurch, daß einem getasteten Regler

- 11 -

309819/0 4 05

der nunmehr keine Mittel zum Soll-Istwertvergleich enthält, ein Differenzverstärker 2k für den Soll-Istwertvergleich vorgeschaltet ist. Dieser Differenzverstärker 2k weist je einen Eingang für die Sollwert-Eingabe mittels eines Potentiometers 23 und für die Eingabe eines impulsförmigen, primären Signals auf, das wiederum in der anhand der Fig'. I beschriebenen Weise erhalten werden kann. Dem Differenzverstärker 2k ist daher ein Vorverstärker 22 vorgeschaltet, der seinerseits mit der den Elektronenstrahl umgebenden und mit dessen Achse 2 zentrierten Ringspule 8 gem. Fig. 1 gekoppelt ist und somit die in der Ringspule 8 induzierte Spannungsimpulse verstärkt. Zur Bildung eines Differenzsignals wird das impulsförmige, primäre Signal im Differenzverstärker 2k mit dem Sollwert verglichen und dieses Differenzsignal wird dann dem getasteten Regler 25 angeboten, in dem es zur Feststellung des der Maximalamplitude eines jeden Impulses des primären Signals entsprechenden Werts des Differenzsignals bzw. zur Bildung des von diesem Wert abhängigen sekundären Keßsignals mittels einer Signalabtastschaltung abgetastet wird. Der Regler 25 ist auch hierbei entsprechend der Schaltungsanordnung gem. Fig. 1 durch vom Impulsgenerator 17 gelieferte Tastimpulse ansteuerbar und es lassen sich damit wiederum sekundäre Meßsignale erzeugen, die nur vom Spitzenwert der Impulsamplituden der Elektronenstrahlxmpulse abhängig sind. Nach der Zwischenspeicherung der sekundären Meßsignale im Momentanwertspeicher des Reglers 25 kann dann die Strahlstromstabilisierung in der bereits weiter oben beschriebenen Weise durch Beaufschlagung des Stellglieds Ik mittels analoger Regelgrößen über den Kanal 21 des Regelkreises erfolgen, während dem Stellglied Ik gleichzeitig die.Steuerimpulse des Impulsgenerators I7 über den Digital-Kanal 20 zugeführt werden.

- 12 -

309819/0405 bad oRig.nal

Im Rahmen der oben erläuterten Aur.f iihrungsbeispiele wurde speziell die Möglichkeit berücksichtigt, daß die Impulsbreite t der lilektroiienstrahlimpulse größer ist als die Impulsbreite t , ν der Tastimpulse für den Regler 16 bzw.

251 so daß jeder Tastimpuls die Breite t , ■> besitzen kann. ¹ ° g(raax)

Es sind aber andererseits auch Anvcnduugsfälle denkbar, in denen die Impulsbreite t der Elektronenstrahl-Impulse -kürzer ist als t / \. In solchen Füllen kann die effektive Impulsbreite t der Tastinipulse automatisch so eingestellt werden, daß sie gleich der Impulsbreite t der Elektronenstrahl-Impulse ist. »

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Stabilisierung des Strahlstroms läßt sich mit Vorteil bei solchen Ladungsträgerstrahl-Geräten anwenden, bei denen von vornherein ein Impulsbetrieb vorgesehen ist. Es ist aber auch in solchen Fällen geeignet, in denen das Gerät an sich im Dauerstrahlbetrieb arbeiten soll, jedoch die Möglichkeit besteht, den Strahl periodisch so kurzzeitig abzuschalten, daß keine merkliche Intensitätsminderung gegenüber dem tatsächlichen Dauerstrahlbetrieb auftritt. So könnte z.B. bei einer an sich mit Dauerstrahl arbeitenden Elektronenstrahl-Schweißmaschine eine Art Impulsstrahl in der Weise erzeugt werden, daß der Elektronenstrahl mit einer Frequenz von ICO Hz für ca. 10 |is abgeschaltet wird. Aufgrund dieser Maßnahme würde sich eine Intensitätsminderung von 1 %o ergeben, die leicht in Kauf genommen werden kann, da etwa bei einer Schweißgeschwindigkeit von 100 mm/s ein Werkstück in 10 μβ gerade eine Weglänge von 1 μπι zurückgelegt hat.

- Patentansprüche -

BAD ORIGINAL

309819/0405

Claims

■■··■■ ι Patentansprüche

1. Verfahren zur Regelung des Strahlstroms bei technischen Ladungsträgerstrahl-Geräten, insbesondere Elektronenstrahl-Materialbearbeitungsmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß durch direkte Anmessung eines impulsX'örmig erzeugten Ladungsträgerstrahls im Dereich seines Strahlwegs jeweils im -wesentlichen nur vom Spitzenwert der Impulsamplituden abhängige Meßsignale für die anschließende Bildung von zur Strahlstromregelung dienenden analogen Regelgrößen abgeleitet werden, wobei die Keßsignale zunächst jeweils nach Maßgabe eines Impulsabstands gespeichert -werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherten Meßsignale einem Soll-Istwert-Vergleich hinsichtlich der Impulsamplituden des Strahlstroms zugeführt werden.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bereits vor der Bildung der zu speichernden Meßsignale ein Soll-Istwert-Vergleich hinsichtlich der Impulsamplituden ces Strahlstroms durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch direkte Annies sung der Ladungsträgerstrahlinipulse ein entsprechendes impulsförmiges, primäres Signeil erzeugt und zur Feststellung der Maximalamplitude einej jeden

30 08 H/0405 BAD ORIGINAL

ist ';■>■

Impulses bzw. zur Bildung eines von dieser Maximal-Amplitude.abhängigen, sekundären Keßsignals in an sich bekannter Weise abgetastet wird.

5· Verfahren nach Anspruch 1 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß durch direkte Anmessung der Ladungs t;.rägerstrahlirapulse ein entsprechendes impuls! öriniges, primäres Signal erzeugt und zur Bildung eines Differenzsignals mit einem Sollwert-Sigiial verglichen wird und daß zur Feststellung des der Maximalomplitude eines jeden Impulses des primär.en Signals entsprechenden Wertes des Differenzsignals bzw. zur Bildung des von diesem Wert abhängigen, sekundären Meßsignals das Differenzsignal in an sich bekannter V/eise abgetastet wird.

6. Verfahren nach Anspruch k oder 5i deulurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Tastimpulse für die Signalabtastung mit der Erzeugung der LadungsträgerstrahÜmpulse synchronisiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die

Impulsbreiten (t ) der Tastimpulse in Bezug auf die Impulsiv
breiten (t ) eines" Ladungsträgerstrahlimpulses nach Maßgabe

folgender Beziehungen eingestellt werden:

t = t , χ, wenn t > t , ^
g gunax) ρ ^ gUnax;

oder

t - t , wenn t/t/ _λ.
g ρ P g(max)

0. Verfahren nach Anspruch 71 dadurch gekennzeichnet, daß die Einάteilung der Impulsbreiten (t ) der Tastimpulse autoaia-

S
tisch erfolgt.

BAD ORIGINAL

309819/CUOS

21#3Γ695

9· Verfahren zur Regelung des Strahlstroms eines impulsförmig erzeugten Elektronenstrahls nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines impulsförmigen, primären Signals die in unmittelbarer Umgebung der Elektr-oncnstrahlitnpulse auftretenden zeitlichen Änderungen des magnetischen Induktionsflusses ausgenutzt werden.

10. Verfahren nach Anspruch y, dadiurch gekennzeichnet, daß die zeitlichen Änderungen des magnetischen Induktionsflusses mittels einer Ringspule festgestellt werden und eine entsprechende elektrische Spanmmg erzeugt wird, die als primäres Signal dient.

11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen im Regelkreis angeordneten, getasteten Regler (16; 25) ι der. eine Signalabtastschaltung mit Momentanwertspeieher zur Erzeugung und Speicherung der nur vom Spitzenwert der Impulsamplituden abhängigen Meßsignale enthält und der durch vom Impuls-Generator (I7) für das Ladungsträgerstrahl-Erzeugungssystem gelieferte Tastimpulse ansteuerbar ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der getastete Regler (l6) getrennte Eingänge für eine unmittelbare Sollwert-Eingabe einerseits und für eine unmittelbare Eingabe des durch Anmessens des Ladungsträgerstrahls gebildeten, impulsförmigen, primären Signals andererseits aufweist.

13· Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem getasteten Regler (25) ein Differenzverstärker (2k) für einen Soll-Istwertvergleich vorgeschaltet ist, wobei der

3098 19/0405

BAD ORIGINAL

Differenzverstärker je einen Eingang für die Sollwert-Eingabe und für die Eingabe des durch Anmessens des Ladungsträgerstrahls gebildeten, impulsförmigen, primären Signals aufweist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13» zur Regelung des Strahlstroms eines inipul sförmig erzeugten Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem getasteten Regler (l6) bzw. dem Differenzverstärker (zk) vorgeschalteter und mit einer den Elektronenstrahl (2) umgebenden, mit dessen Achse zentrierten Ringspule (o) gekoppelter Vorverstärker (18; 22) zur Verstärkung der in der Ringspule (8) induzierten Spannung vorgesehen ist.

15« Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis Ik, zur Regelung des Strahlstroms eines impulsförraig erzeugten Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelkreis hinter dem getasteten Regler (16; 25) ein Stellglied für die Regelung der Gleichspannung einer Wehnelt-Elektrode (5) des Strahlerzeugungssystems angeordnet ist.

BAD OHiQiNAL
309 3 1 9/0401

Leerseite