專利名稱：一種對電子槍的電子束功率進行調(diào)節(jié)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1前序部分所述的裝置。
背景技術(shù)：
0002電子槍主要被用于所有類型的熔化、焊接、加工和汽化，優(yōu)選地是處于真空條件下。這里經(jīng)常需要使電子束的功率適應(yīng)變化的條件。
0003一種經(jīng)常被使用的電子槍是三電極電子槍，其包括一個燈絲、一個塊陰極和一個陽極。所述燈絲也被稱為初級陰極，通常由一個電流由其上流過的鎢質(zhì)螺旋金屬絲組成。在真空狀態(tài)下，由于熱發(fā)射，會從所述螺旋金屬絲的表面發(fā)射出足夠量的電子。為了發(fā)射大功率電子束，將所述塊陰極(也被稱為次級陰極)設(shè)置在燈絲之前。
0004為了實現(xiàn)該目的，必須使從所述塊陰極發(fā)射的電子明顯多于從燈絲發(fā)射的情況。為了實現(xiàn)塊陰極的發(fā)射效率，要在燈絲和塊陰極之間施加一個通常稱為塊電壓的電壓。其數(shù)量級高達3kV。
0005這個塊電壓在燈絲和塊陰極之間產(chǎn)生了一個電子束，其引起塊陰極的劇烈地發(fā)熱。其在視覺上以一種明亮的發(fā)光效應(yīng)展示自己。以這種方式從所述塊陰極被釋放出的電子能夠在施加于塊陰極和陽極之間的電場內(nèi)吸收動能。
0006通常利用一個數(shù)量級高達40kV的電壓來產(chǎn)生所述電場。這里，所述塊陰極應(yīng)當(dāng)發(fā)射與提供期望的束功率所需電子數(shù)一樣多的電子。
0007如果電子的發(fā)射要保持恒定，所述塊陰極或次級陰極的溫度也必須保持恒定。一種用于在電子槍中保持次級陰極的發(fā)射溫度恒定的方法已被公知(DD 70 674)，所述電子槍由用于電子束焊接、熔化和汽化裝置的電子轟擊來加熱。在這種連接下，在初級陰極和次級陰極之間的加速電壓恒定的情況下，初級陰極的發(fā)射電流通過初級陰極的加熱電流，依靠來自于加熱電流的控制調(diào)節(jié)變量來調(diào)節(jié)，其中，初級陰極的加熱電流受限于從那里產(chǎn)生的控制調(diào)節(jié)變量。所述塊陰極或次級陰極(也被稱為主陰極)的發(fā)射電流，既沒有在這里獲得，也不在這里被調(diào)整。
0008在一個用于調(diào)節(jié)電子束發(fā)生器操作參數(shù)的已知電路中，提供了一種用于燈絲陰極的調(diào)節(jié)裝置，其由級聯(lián)的三個獨立調(diào)節(jié)器組成(DE23 25 808 C2)。這些獨立的調(diào)節(jié)器是一個加熱電流調(diào)節(jié)器、一個發(fā)射電流調(diào)節(jié)器以及一個束電流調(diào)節(jié)器。
0009經(jīng)常是在相對長的時間內(nèi)以恒定電壓和恒定發(fā)射電流來操作大功率電子槍和大功率電子束槍。由于塊陰極的高熱慣性，通過塊陰極的溫度改變來使功率迅速變化是不可能的。所述電子束功率的快速改變會受文納爾(Wehnelt)調(diào)制極的負偏置電壓的影響。然而，由于塊陰極的發(fā)射面積非常大，因此就需要非常高的文納爾電壓以獲得功率控制(W.Dietrich，H.Ranke and H.Stumppstrahlführung undLeistungsteuerung von Elektronenstrahlkanonen bis 600kW und derenEinsatz in der industriellen Produktion，Optik 7-2001，p.11)。
0010如果該陰極在空間電荷區(qū)域中操作，則快速的功率改變還可通過加速電壓的變化而獲得。這種方法的缺點在于其同時需要適應(yīng)改變的加速電壓的聚焦(focusing)，以獲取一個與其無關(guān)的電子束位置(W.Dietrich等人，在上述引文中)。
0011此外，一種用于電子槍的公知裝置包括一個可調(diào)節(jié)燈絲的加熱電流和/或發(fā)射電流的調(diào)節(jié)器(DE 40 31 286 A1)。所述調(diào)節(jié)器在這里具有一個加熱電流調(diào)節(jié)器和一個發(fā)射電流調(diào)節(jié)器；對于燈絲加熱電流調(diào)節(jié)器，其被應(yīng)用在燈絲加熱電流的標稱值和燈絲加熱電流的瞬時值之間的差之上；而對于發(fā)射電流調(diào)節(jié)器，其被應(yīng)用在發(fā)射電流的標稱值和發(fā)射電流的瞬時值之間的差之上。這種裝置的優(yōu)勢在于，所述燈絲加熱系統(tǒng)可由加熱電流或由發(fā)射電流來任選地調(diào)節(jié)。
0012此外，一種用于調(diào)節(jié)電子源的電子束功率的方法也被公知，該方法可能調(diào)整的標稱功率從0到200kW(DE 102 42 538 A1)。這里所述電子源包括一個直接加熱的陰極，一個陽極以及一個聚焦電極。至少提供了兩個獨立的校正元件，其中的每一個都可作為控制參數(shù)，來改變所述參數(shù)‘陰極溫度、陰極電壓、聚焦電極電壓以及陰極-陽極距離’中的一個。
0013最后，一種裝置已被公知，其采用電子槍來自動調(diào)節(jié)電熱設(shè)備的操作狀態(tài)。該電子槍的主陰極由一束從輔助陰極發(fā)射的電子聚束來加熱(DE 19 35 710)。在這里，電子槍的主陰極由第一結(jié)構(gòu)單元供給，而輔助陰極由第二結(jié)構(gòu)單元供給。此外，提供了一個用于校正主陰極加熱的電路區(qū)，其連接著至少一個所述結(jié)構(gòu)單元。通過這個已知裝置，電子束設(shè)備的操作狀態(tài)的穩(wěn)定性可被提高。然而，其并不涉及所述束功率的迅速變化。

發(fā)明內(nèi)容
0014本發(fā)明的目的是迅速改變電子槍的束功率。
0015這個目的可通過權(quán)利要求1的特征來獲得。
0016因此，本發(fā)明涉及一種對電子槍的電子束功率進行調(diào)節(jié)的裝置，其包括一個燈絲陰極、一個塊陰極和一個陽極。一個第一電壓被施加于燈絲陰極和塊陰極之間，而一個第二電壓被施加于塊陰極和陽極之間。借助于第一閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)將所述燈絲陰極調(diào)整到一個恒定電流值，其具有對于塊陰極的最大束功率而言足夠的燈絲溫度。第二閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其包括一個塊功率調(diào)節(jié)器，所述塊功率調(diào)節(jié)器遵照塊功率的瞬時值和塊功率的標稱值之間的差來工作，來調(diào)節(jié)燈絲陰極和塊陰極之間的電壓。
0017本發(fā)明所獲得的優(yōu)勢具體在于不必提供級聯(lián)的三個調(diào)節(jié)器。因此，調(diào)節(jié)變得更快，干擾會被更好地處理。此外，所述閉環(huán)增益有所下降，藉此使塊功率中的小干擾不會對輸出端產(chǎn)生嚴重的影響。進一步地，調(diào)節(jié)了塊功率，其比塊電流更好的表示溫度。


0018附圖中示出了本發(fā)明的一個實施例，后文將會對其進行更詳細的描述。在附圖描述中圖1一種根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)裝置；圖2一個圖形表示，其將根據(jù)本發(fā)明的塊功率與用于塊功率調(diào)節(jié)的發(fā)射電流之間的關(guān)系與根據(jù)DE 23 25 808 C2的常規(guī)調(diào)節(jié)的螺旋金屬絲加熱電流與發(fā)射電流之間的關(guān)系進行了比較；圖3發(fā)射電流跳變與時間的關(guān)系。
具體實施例方式
0019在圖1的右側(cè)示意性地顯示了一個放在右側(cè)的電子槍。這里明顯地具有一個燈絲陰極或絲陰極1、一個塊陰極2、一個陽極3以及一個坩堝(crucible)4。從燈絲陰極1到達塊陰極2的電子被提供了附圖標號5，而那些從塊陰極2到達坩堝4的電子被提供了附圖標號6。燈絲陰極1被連接到一個可調(diào)電流源7。如果此電流源的電流增加，則通過燈絲陰極1的電流也增加，由此后者被更強烈地加熱并發(fā)射更多的電子。對電流源7的調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)器8來進行。所述調(diào)節(jié)器8將絲陰極1的電流調(diào)節(jié)到一個恒定的數(shù)值。以這種方法，在相同的外界條件下，絲陰極1可實現(xiàn)幾乎恒定的溫度值。
0020一個電流采集裝置9測量流經(jīng)燈絲陰極1的電流，并將以這樣的方式獲得的瞬時電流值施加到比較點10上，在該處標稱絲陰極電流值11與所述瞬時絲陰極電流值相比較。瞬時電流值和標稱電流值的差被傳導(dǎo)至調(diào)節(jié)器8。
0021流經(jīng)燈絲陰極1的電流這樣被調(diào)節(jié)所述燈絲陰極1發(fā)射一些電子5，其對塊陰極2發(fā)射它的最大可能電子流6是必要的。因此，通過燈絲陰極1的電流被調(diào)節(jié)到一個固定的數(shù)值，塊陰極2的發(fā)射電子流6不依賴于燈絲陰極1的時間特性。
0022燈絲陰極1和塊陰極2之間的電壓由電壓源12來提供，該電壓源由塊功率調(diào)節(jié)器13來驅(qū)動。一個電流采集裝置14用來測量由電壓源12供應(yīng)的電流，其包含了燈絲陰極1的發(fā)射電流。該電流在乘法器15中與電壓源12的電壓相乘，這樣就計算出電功率。這個功率被施加到比較點16，該比較點接收了來自發(fā)射電流調(diào)節(jié)器17的信號。這個信號包括塊陰極2的標稱塊功率信號。調(diào)節(jié)器17的輸出端輸出一個信號，其由塊陰極2的標稱發(fā)射電流值和這個塊陰極2的瞬時發(fā)射電流值之間的差來形成。在恒定的加速電壓下，這個信號與塊功率具有(定義的)關(guān)系，見圖2中的曲線II。因此，它可作為用于塊功率調(diào)節(jié)器13的標稱值。調(diào)節(jié)器17對于調(diào)節(jié)塊陰極2的發(fā)射電流是必要的。這個發(fā)射電流適合于塊陰極2的發(fā)射范圍的調(diào)節(jié)特性。在恒定的加速電壓下，塊陰極2的溫度確定了所述的發(fā)射電流。
0023一個電壓源18提供了供應(yīng)給電子6的加速電壓，該電子是由塊陰極2來發(fā)射的。陽極3和坩堝4在這里處于同一電壓下。由電壓源18供應(yīng)的電流被電流采集裝置19所測量，并傳導(dǎo)至比較器20，其遵照一個標稱發(fā)射電流值或標稱束電流值21來工作。瞬時電流值和標稱電流值之間的差被提供給調(diào)節(jié)器17。
0024所述電壓源18由調(diào)節(jié)器22調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)器上作用一個信號，該信號對應(yīng)于瞬時加速電壓值和標稱加速電壓值23之間的差。這個差由比較器24來確定。調(diào)節(jié)器22將所述加速電壓調(diào)節(jié)到一個恒定值。塊陰極2的接線端將塊陰極2和陽極3之間電壓的瞬時值，進而將所述加速電壓，傳導(dǎo)至位于調(diào)節(jié)器22輸入端的比較點。
0025為了塊陰極2的電子發(fā)射，所述發(fā)射電流調(diào)節(jié)器17被后續(xù)連接了一個塊功率調(diào)節(jié)器13，其輸出控制電壓源12用以產(chǎn)生燈絲陰極1和塊陰極2之間的加速電壓或塊電壓。塊功率的瞬時值由塊電流和塊電壓來形成，并被施加到塊功率調(diào)節(jié)器13。所述塊功率在這里直接與塊陰極2的溫度有關(guān)，其在恒定加速電壓作用下會影響發(fā)射。塊功率調(diào)節(jié)器13以與調(diào)節(jié)器17調(diào)節(jié)發(fā)射電流的相應(yīng)的方式，來調(diào)節(jié)塊陰極2的功率。然而，調(diào)節(jié)器13必須要比調(diào)節(jié)器17快得多地作出響應(yīng)，因此其就具有了比調(diào)節(jié)器17更短的重置時間以及不同的增益。
0026在這個裝置中，僅有兩個調(diào)節(jié)器17、13被串接在一起。因此，其調(diào)節(jié)操作也更加穩(wěn)定，以及可被設(shè)置用于更高精度的更大增益。在位置11、21和23處標稱值是由操作員根據(jù)所需的處理條件，通過所述電子束設(shè)備的用戶界面來輸入的。
0027在圖2中，根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)特征曲線II與一種常規(guī)的調(diào)節(jié)特征曲線I相比較。該常規(guī)的調(diào)節(jié)特征曲線I顯示了塊陰極2的發(fā)射電流IE對燈絲陰極1的加熱電流IF的依賴性。相反地，調(diào)節(jié)特征曲線II顯示了塊陰極2的功率PB對燈絲陰極1的發(fā)射電流IE的依賴性。
0028在常規(guī)的調(diào)節(jié)特征曲線I中，燈絲陰極1的加熱電流IF的一個最小的變化會導(dǎo)致塊陰極2的發(fā)射電流IE的巨大變化。如果，例如，加熱電流IF從40A增加到41A，所述發(fā)射電流IE就會從0.5A增加到1.5A。調(diào)節(jié)范圍及其狹窄，并且僅僅從燈絲陰極1的加熱電流大約為39A處開始。
0029在根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)特征曲線II中，相對的，為實現(xiàn)發(fā)射電流IE同樣的變化，可使用具有大得多的范圍的塊功率PB。這導(dǎo)致了更穩(wěn)定的調(diào)節(jié)性能和更高的調(diào)節(jié)精度。
0030圖3顯示了在標稱值跳變處的塊陰極2的發(fā)射電流能夠在小于1秒的時間內(nèi)從1安培跳變到2安培。在燈絲陰極1的加熱電流保持恒定的情況下，所述塊電壓的降低可歸因于，例如增加塊功率時環(huán)境溫度的增加。較低的塊電壓避免了塊電弧，特別是在較高功率的情況下。
權(quán)利要求
1.一種對電子槍的電子束功率進行調(diào)節(jié)的裝置，其中所述電子槍包括一個燈絲陰極、一個塊陰極和一個陽極，而且在所述燈絲陰極和所述塊陰極之間施加有第一電壓，在所述塊陰極和所述陽極之間施加有第二電壓，其中提供有第一閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和第二閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所述裝置的特征在于a)所述第一閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(8，7)將所述燈絲陰極(1)調(diào)節(jié)至一個恒定電流值，該電流值使得燈絲溫度對于所述塊陰極(2)的最大束功率而言是足夠的，以及b)所述第二閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(17，13，12)包括一個塊功率調(diào)節(jié)器(13)，其由瞬時塊功率值和標稱塊功率值之間的差驅(qū)動工作，并調(diào)節(jié)燈絲陰極(1)和所述塊陰極(2)之間的電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(8，7)包括一個調(diào)節(jié)器(8)，其由標稱燈絲電流值和瞬時燈絲電流值之間的差驅(qū)動工作，并驅(qū)動一個可控電流源(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在燈絲陰極(1)和塊陰極(2)之間的所述第一電壓由一個電壓源(12)提供，該電壓源由所述塊功率調(diào)節(jié)器(13)調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在塊陰極(2)和陽極(4)之間的所述第二電壓由一個可調(diào)電壓源(18)提供，該電壓源由一個調(diào)節(jié)器(22)驅(qū)動工作，并將標稱加速電壓值和瞬時加速電壓值之間的差提供到該調(diào)節(jié)器的輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述瞬時塊功率值由乘法器(15)提供，該乘法器將燈絲陰極(1)和塊陰極(2)之間的瞬時電壓與所述燈絲陰極(1)的瞬時發(fā)射電流相乘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述標稱塊功率值由一個調(diào)節(jié)器(17)提供，該調(diào)節(jié)器由所述塊陰極(2)發(fā)射電流的標稱值和所述塊陰極(2)發(fā)射電流的瞬時值之間的差驅(qū)動工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對電子槍的電子束功率進行調(diào)節(jié)的裝置，其包括一個燈絲陰極(1)、一個塊陰極(2)和一個陽極(3)。在所述燈絲陰極(1)和所述塊陰極(2)之間施加第一電壓，在所述塊陰極(2)和所述陽極(3)之間施加第二電壓。借助于第一閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(8，7)將所述燈絲陰極(1)調(diào)整到一個恒定電流值，其具有一個對于所述塊陰極(2)的最大束功率而言足夠的燈絲溫度。第二閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(17，13，12)調(diào)節(jié)所述燈絲陰極(1)和所述塊陰極(2)之間的電壓，該第二閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括一個塊功率調(diào)節(jié)器(13)，其由瞬時塊功率值和標稱塊功率值之間的差驅(qū)動工作。
文檔編號H01J3/00GK1858894SQ200610072119
公開日2006年11月8日 申請日期2006年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月4日
發(fā)明者G·柯勒蒙, A·社德, H－J·西雷德 申請人:應(yīng)用薄膜有限公司, Ald真空技術(shù)股份有限公司