DE4204900C2 - Elektronenstrahlmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlmaschine mit mindestens einem auf Hochspannung liegenden Transformatorteil eines aus Primär- und Sekundärspule sowie Trafokern bestehenden Isoliertransformators, der mit dem Strahlerzeuger über Leitungen verbunden ist, und mit einem Isoliergehäuse, das mindestens den Strahlerzeuger vakuumdicht umgibt und eine vakuumdicht verschließbare Öffnung aufweist, durch die der Strahlerzeuger montierbar, demontierbar bzw. justierbar und dgl. ist.

Elektronenstrahlmaschinen werden für das thermische Bearbeiten von Werkstücken insbesondere zum Schweißen und Bohren sowie Oberflächenveredeln von Werkstücken eingesetzt. Das Werkzeug, der Elektronenstrahl, wird mit einem aus Hochspannungskathode, Wehneltelektrode und Anode bestehenden Strahlerzeuger gebildet. Zum Erzeugen von Elektronenstrahlen sind hohe Spannungen erforderlich, so sind z. B. beim Schweißen Spannungen von 60 kV bis 150 kV typisch.

Da die Strahlerzeuger bei Elektronenstrahlmaschinen im Vakuum angeordnet sein müssen, geht es darum, einerseits die von einem Isoliertransformator und den dazugehörigen Schaltungselementen für die Erzeugung von Hilfsspannungen auf Hochspannungspotential zur Verfügung gestellten Spannungen möglichst verlustfrei dem Strahlerzeuger zur Verfügung zu stellen und andererseits eine sichere und kostengünstige, hochspannungsfeste Trennung der hochspannungsführenden Teile gegenüber denen auf Erdpotential liegenden zu ermöglichen.

Aus der DE-AS 11 10 330 ist es bekannt, den Isoliertransformator außerhalb der Elektronenstrahlmaschine anzuordnen und die Hochspannung über Leitungen dem Strahlerzeuger zuzuführen.

Weiterhin ist aus DE-PS 11 31 760 ein Breitband-Isoliertransformator bekannt, der hinter dem Strahlerzeuger auf der Elektronenstrahlmaschine angeordnet ist. Die auf Hochspannungspotential liegenden Teile sind mit einem mit Isolieröl gefüllten Tank verbunden, auf dessen Oberseite der Isoliertransformator angeordnet ist. In den Tank mündet ein dreiadriges Hochspannungskabel. Die Beschleunigungsspannung sowie die Hilfsspannung für die Wehneltelektrode und die Kathodenheizung verlaufen meist durch die ölgefüllte Isolierkerze und sind über dichte Durchführungen an die Elektroden des Strahlerzeugers angeschlossen.

Einen ähnlichen Weg von der Anordnung des Isoliertransformators und den Schaltungselementen beschreitet die DE-OS 33 33 686. Hier wird der Isoliertransformator, die Schaltungselemente und der Hochspannungsanschluß vollständig in einem Isoliermaterial eingebettet und oberhalb des Strahlerzeugers auf der Elektronenstrahlmaschine angeordnet.

Aus der DE-AS 15 14 782 ist eine Elektronenstrahlmaschine bekannt, bei der ein als Haube ausgebildetes Isoliergehäuse vorgesehen ist, das den Strahlerzeuge vakuumdicht umgibt und eine vakuumdicht verscließbare Öffnung aufweist. Dabei ist die Öffnung so angeordnet, daß innerhalb der sich zwischen der Öffnung und den Strahlerzeugerteilen ergebenden Hüllfläche keine Bauteile liegen, so daß Teile des Strahlerzeugers durch die Öffnung montier- bzw. demontierbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Isolierung der hochspannungsführenden Teile des Isoliertransformators und der zugehörigen Schaltungselemente zu ermöglichen, wobei eine Zugänglichkeit des Strahlerzeugers gewährleistet werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die auf Hochspannung liegenden Transformatorteile in einem Bereich hinter den Strahlerzeugerteilen im Hochvakuumbereich innerhalb des Isoliergehäuses jedoch außerhalb der sich zwischen der Öffnung und den Strahlerzeugerteilen ergebenen Hüllfläche angeordnet.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 wird vorteilhaft die Abschirmung der vom Isoliertrafo und den Schaltungselementen ausgehenden Störmagnetfelder erreicht, weil die Magnetfeldabschirmung, z. B. als Hohlzylinder aus Weicheisen ausgeführt, bis auf Höhe der Schaltungselemente angeordnet werden kann. Mit den Merkmalen dieses Anspruches wird die störende Beeinflussung des Strahls in der Strahlquelle durch besagte Störmagnetfelder verhindert.

Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen darin, daß die zum Schutz von Hochspannungsüberschlägen des Strahlerzeugers vorgesehene Isolationshaube und das hinter dem Strahlerzeuger vorhandene Hochvakuum zur Isolierung der hochspannungsführenden Teile des Isoliertransformators und der hochspannungsführenden Schaltelemente verwendet wird. Hierdurch kann eine kostengünstige Ausbildung des Isoliertransformators erreicht werden, wobei das dreiadrige Hochspannungskabel, wie es beim Stand der Technik erforderlich ist, durch ein kostengünstiges einadriges ersetzt werden kann. Hinzu kommt, daß durch die Erfindung ein Strahlpulsen auch bei höheren Frequenzen (größer 5 KHz) ermöglicht wird, weil die Zuleitungen von den Wehneltspannungs- Schaltelementen zur Strahlquelle wesentlich kürzer und kapazitätsärmer sind, als bei Benutzung eines dreiadrigen Hochspannungskabels und der Wehneltspannungserzeugung im Hochspannungstank.

Vorteilhaft kann der Strahlerzeuger durch eine Öffnung in der Isolationshaube montiert, demontiert bzw. justiert werden ohne daß der Isoliertransformator bzw. die ihm zugeordneten, auf Hochspannung liegenden Schaltelemente demontiert werden müssen.

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

In der Zeichnung ist der obere Teil einer Elektronenstrahlmaschine schematisch dargestellt. In dem mit 1 bezeichneten Isoliergehäuse ist der aus Kathodenhalter 2, Wehneltelektrode 3 und Anode 4 bestehende Strahlerzeuger angeordnet. Das Isoliergehäuse 1 weist die Form einer Haube auf, die aus Isoliermaterial beispielsweise Keramik oder Gießharz, besteht. Die Wandstärke und die Abmessungen der Haube 5 sind so gewählt, daß ein elektrischer Durchschlag, der auf Hochspannung liegenden Teile, z. B. der Halterungen für Strahlquelle, Schaltungselemente und der Sekundärspulen 6, 7 zur Gehäuseaußenseite nicht möglich ist. Die auf Erdpotential liegenden Primärspulen 8, 9 sind hochspannungsfest in dem Isolier­ material des Isoliergehäuses 1 vergossen auch zu den Trafokernen 11, 12 hin, die nach einem Ausführungs­ beispiel auch auf Hochspannungspotential liegen. Die aus Isoliermaterial bestehende Haube 5 weist auswechselbare Sektionen 25, 26 auf, die gleichzeitig als Halter der Isoliertransformatoren 6, 8, 11 und 7, 9, 12 dienen. Den Hochspannung führenden Sekundärspulen 6, 7 sind jeweils die auf Hochspannungspotential liegenden Schaltelemente für die Wehneltspannung 13 bzw. für die Kathodenheizung 14 zugeordnet. Die Schaltelemente 13,14 werden ebenfalls über Mittel 15, 16 von dem Isoliermate­ rial gehalten. Durch die seitliche Anordnung der Isolier­ transformatoren 6, 8, 11 bzw. 7, 9, 12 in dem Isoliermaterial der Haube hinter den Strahlerzeugerteilen 2, 3, 4, also im Hochvakuumraum auf der der Elektronenstrahl abge­ wandten Seite, entsteht eine Hüllfläche 18 (stricheliert dargestellt) zwischen einer Öffnung 19 im Isoliergehäu­ se 1 und dem Strahlerzeuger 2, 3, 4. Die Öffnung 19 ist mit einem Deckel 20 vakuumdicht und hochspannungsfest verschließbar. An seiner zum Vakuum gerichteten Seite weist der Deckel 20 ebenfalls eine Isoliermaterial­ schicht auf. Durch die Öffnung 19 ist es vorteilhaft möglich, den als Wechselpatrone ausgebildeten Kathoden­ halter 2 und/oder die Strahlquelle mit Wehneltelektrode 3 ohne Demontage elektrischer/elektronischer Bauteile zu montieren bzw. demontieren oder justieren.

Zwischen den Schaltungselementen 13, 14 und dem Strahl­ erzeuger 2, 3, 4 ist eine ebenfalls auf Hochspannungs­ potential und im Hochvakuum liegende Magnetfeldab­ schirmung 21 vorgesehen, die eine in der Hüllfläche 18 liegende Öffnung 22 aufweist und somit ungehinderten Zugang zu den Strahlerzeugerteilen 2, 3, 4 zuläßt. Die Haube 5 ist von einem Metallmantel 23 umgeben, der eben­ falls auf Erdpotential liegt und vornehmlich zur Ab­ schirmung der in dem Gerät entstehenden Röntgenstrahlung dient.

Der Hochspannungsanschluß ist mit 24 bezeichnet und im Isoliergehäuse an die Strahlquelle angeschlossen. Über Leitungen 27 bzw. 28 ist die Wehneltelektrode 3 mit der Wehneltspannung 13 und die Kathode 2 mit der Kathodenheizung 14 verbunden.

Claims (8)

1. Elektronenstrahlmaschine mit mindestens einem auf Hochspannung liegenden Transformatorteil eines aus Primär- und Sekundärspule sowie Trafokern bestehenden Isoliertransformators, der mit dem Strahlerzeuger über Leitungen verbunden ist und einem Isoliergehäuse, das mindestens den Strahlerzeuger vakuumdicht umgibt und eine vakuumdicht verschließbare Öffnung aufweist durch die der Strahlerzeuger montierbar, demontierbar bzw. justierbar oder dgl. ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannung liegenden Transformatorteile (6, 11, 7, 12) in einem Bereich (17) hinter den Strahlerzeugerteilen (2, 3, 4) im Hochvakuumbereich innerhalb des Isoliergehäuses (1), jedoch außerhalb der sich zwischen der Öffnung (19) und den Strahlerzeugerteilen (2, 3, 4) ergebenen Hüllfläche (18) angeordnet sind.

2. Elektronenstrahlmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Isoliertransformator (6, 8, 11 bzw. 7, 9, 12) zugeordneten Schaltungselemente (13, 14) im Hochvakuum- Bereich außerhalb der Hüllfläche (18) angeordnet sind.

3. Elektronenstrahlmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schaltungselementen (13, 14) und dem Strahlerzeuger (2, 3) eine auf Hochspannungspotential liegende Magnetfeldabschirmung (21) angeordnet ist.

4. Elektronenstrahlmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldabschirmung (21) in die Hüllfläche (18) hereinragt und eine in der Hüllfläche (18) liegende Öffnung (22) aufweist.

5. Elektronenstrahlmaschine nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungselemente (13, 14), die Magnetfeldabschirmung (21) und der Isoliertransformator (6, 8, 11 bzw. 7, 9, 12) an und/oder in der Haube (5) des als Haube ausgebildeten Isoliergehäuses (1) befestigt sind.

6. Elektronenstrahlmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Isoliertransformator (6, 8, 11 bzw. 7, 9, 12) bzw. Transformatorteile auswechselbar mit der Haube (5) verbunden sind.

7. Elektronenstrahlmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Haube (5) auswechselbare Sektionen (25, 26) aus Isoliermaterial aufweist, von denen mindestens eine (25 oder 26) Halter eines Isoliertransformators (6, 8, 11 bzw. 7, 9, 12) ist.

8. Elektronenstrahlmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule (8 bzw. 9) hochspannungsfest in dem Isoliermaterial des Isoliergehäuse (1, 5) angeordnet und gegenüber mindestens der Sekundärspule (6, 7) mittels Hochspannungsisolation getrennt ist.