DE3333686C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlkanone zum Er­ wärmen von Materialien, insbesondere zum Schweißen, mit einem Strahlerzeuger mit Katode und Strahlformungselektrode, mit einem Hochspannungsanschluß und einem Hochspannungs­ isolator, an dem der Strahlerzeuger befestigt ist, mit mindestens einem Isoliertransformator und Schaltungsele­ menten für Hilfsspannungen auf Hoch­ spannungspotential, wobei Strahlerzeuger und Hochspannungs­ isolator von einer geerdeten metallischen Ummantelung umgeben sind und der Isoliertransformator oberhalb des Hochspannungsisolators angeordnet ist.

Bei derartigen Elektronenstrahlkanonen bezeichnet man den Hochspannungsisolator mit seinen Zuleitungen für den Strahl­ erzeuger und den darüber angeordneten Isoliertrans­ formator, der die Funktion eines Hilfsspannungswandlers hat, auch häufig als "Strahlkopf". Bei den Strahl­ köpfen bekannter Elektronenstrahlkanonen sind die auf negativem Hochspannumgspotential liegenden Teile mit einem mit Isolieröl gefüllten Tank verbunden, auf dessen Oberseite auch der Isoliertransformator angebracht ist. In den Tank mündet eine dreiadriges Hochspannungs­ kabel, und die Beschleunigungsspannung sowie die Hilfs­ spannungen für die Strahlformungselektrode (Wehnelt- Elektrode) und die Katodenheizung werden im Bereich des Strahlkopfes erzeugt und sind innerhalb des Strahlkopfes entsprechend verdrahtet. (DE-PS 10 87 295 und DE-PS 11 31 760).

Es sind auch Bauarten bekannt, die überwiegend mit einer Beschleunigungsspannung unterhalb 100 kV be­ trieben werden und bei denen die auf Hochspannung liegenden Potentiale über mehrere einpolige Hochspannungs­ kabel dem Strahlkopf zugeführt werden. Die Zahl der zu­ zuführenden Potentiale ist abhängig von der Art der eingesetzten Elektronenstrahlerzeuger. Direkt geheizte Trioden benötigen drei Potentiale, indirekt geheizte vier Potentiale; Diodensysteme und Röntgenröhren ohne regelbare Wehneltspannung benötigen zwei Potentiale auf der Katodenseite.

Durch die DE-OS 26 56 314 ist eine Stromversorgungsein­ richtung für Elektronenstrahlkanonen zum Erwärmen von Materialien mit einem einpoligen Hochspannungskabel bekannt, bei der ein Transformator in der Weise in eine Wand der Vakuumkammer integriert ist, daß die Trennwand zwischen Atmosphäre und Vakuum zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung verläuft. Hierbei ist jedoch kein Hochspannungsisolator vorhanden, der gleich­ zeitig Träger eines Isoliertransformators und eines Strahl­ erzeugers ist. Bei der bekannten Lösung sind auch keine Schaltungselemente für die Erzeugung von Hilfsspannungen auf Hochspannungspotential angeordnet. Die bekannte Elektronen­ strahlkanone ist nicht für die Erzeugung eines hochgradig fokussierten bzw. geformten Elektronenstrahls vorgesehen, wie er beispielhaft zum Schweißen benötigt wird, sondern erzeugt einen schwach divergenten Elektronenstrahl, wie er für die Beheizung von Verdampfungsgut typisch ist. Für diesen Anwendungszweck ist es auch nicht erforderlich, Schaltungselemente für die Erzeugung von Hilfsspannungen auf Hochspannungspotential vorzusehen. Im übrigen liegt die Beschleunigungsspannung bei der Mehrzahl aller Verdampfer­ kanonen in einem Bereich zwischen 10 und 30 kV, so daß sich die beim Elektronenstrahlschweißen mit wesentlich höheren Spannungen auftretenden Probleme nicht stellen.

Üblicherweise sind bei Elektronenstrahlkanonen für höhere Leistungen und Spannungen, insbesondere für das Elektronenstrahl­ schweißen, die Hochspannungskabel der sicheren Montierbarkeit wegen mittels Steckeinrichtungen angeschlossen, die zu Wartungszwecken gelöst werden können. Kabel und Steckverbindungen sind für Ströme bis zu 50 Ampere ausgelegt, und die einzelnen Potentiale bis zu Be­ triebsspannungen von 5 kV gegeneinander isoliert. Derartige Kabel sind aufgrund der notwendigen Kupfer­ querschnitte, der Isolationsstärken und Schutz­ armierungen sehr schwer und steif, und die Steckver­ bindungen haben große Abmessungen und sind teuer. Solche mehrpoligen Kabel sind darüberhinaus stets Sonderanfertigungen für die Hersteller von Elektronen­ strahlkanonen und haben auch aus diesem Grunde einen hohen Preis. Weitere negative Eigenschaften der mehr­ poligen Kabel sind die hohe innere Kapazität der die Wehneltspannung führenden Leitung gegen das Katodenpotential sowie der Leitungswiderstand derjenigen Leitungen, die den Katodenheizstrom führen. Die Ver­ luste des Heizstromkreises durch die Leitungswider­ stände im Hochspannungskabel betragen bis zu 90% der gesamten auf Hochspannungspotential transformierten Energie. Infolgedessen muß auch der Isoliertransformator entsprechend groß ausgelegt sein: Die hohe innere Kapazität beeinträchtigt die schnelle Umsteuerung der Wehneltspannung, so daß auch die Spannungsquelle für die Wehneltspannung entsprechend dimensioniert werden muß, insbesondere dann, wenn der Strahlstrom durch Impulse gesteuert werden soll, die steile Anstiegs- und Abfalls-Flanken aufweisen.

Der gleichfalls zum Strahlkopf gehörende Hochspannungs- Isolator, an dem der Strahlerzeuger befestigt ist, ist ebenfalls ein wesentliches Bauteil. Bei Elektronenstrahl­ kanonen, die bei Beschleunigungsspannungen bis zu 150 kV betrieben werden können, haben sich als Isolatorform die Kerze oder das Rohr durchgesetzt. Bei Elektronen­ strahlkanonen mit Beschleunigungsspannungen unterhalb 100 kV wird auch ein scheibenförmiger Hochspannungs­ isolator benutzt. Diese Isolatoren haben jedoch den ge­ meinsamen Nachteil, daß sie als Einzelbauteile mit großem Aufwand im Metallgehäuse eingebaut werden müssen, die in den meisten Fällen auch noch der Eva­ kuierung unterliegen, jedoch stets Leitungs- und/oder Isolationsprobleme mit sich bringen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenstrahlkanone der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, bei der der sogenannte Strahlkopf möglichst kompakt ausgebildet und lediglich über ein einpoliges Hochspannungskabel mit dem Erzeuger der Beschleunigungs­ spannung verbunden ist, so daß die Leitungsverluste möglichst klein gehalten werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Elektronenstrahlkanone erfindungsgemäß da­ durch, daß

• a) der mindestens ein Isoliertransformator in einen Isolierkörper eingebettet ist,
• b) der Isolierkörper unmittelbar auf den Hochspannungs­ isolator aufgesetzt ist,
• c) der die geerdete Ummantelung überragende Teil des Isolierkörpers unter Einschluß des Isoliertrans­ formators von einer metallischen Haube umgeben ist, die mit der Ummantelung einen gemeinsamen faraday′schen Käfig bildet, und daß
• d) die Schaltungselemente für die Hilfsspannungen auf Hochspannungspotential liegen und gleichfalls in dem faraday′schen Käfig angeordnet sind.

Durch die konstruktive Vereinigung des Strahlkopfes mit einer vollständigen Hilfsspannungsübertragung fällt das mehrpolige Hochspannungskabel samt mehrpoliger Steck­ verbindungen weg, so daß die kapazitiven und ohm′schen Leitungsverluste fast Null werden. Durch den Wegfall dieser Verluste ist die zu übertragende Leistung so gering, daß das Volumen der Isoliertransformatoren nicht mehr durch die zu übertragende Leistung bestimmt wird, sondern nur noch durch die notwendigen Isolationsab­ stände. Durch die Benutzung höherer Übertragungs­ frequenzen, für diese Frequenzen geeigneter Transfor­ matorenkerne und deren Einbettung in den gleichen Isolier­ körper kann das Gesamtvolumen der kompletten Wandler­ einrichtung in einer Größe gehalten werden, die es erlaubt, diese Einrichtung unmittelbar auf den Hoch­ spannungsisolator aufzusetzen, wodurch zwei Isolierab­ stände gegen Masse wegfallen und dadurch das Gesamt­ volumen wiederum günstig beeinflußt wird. Die Einspeisung der Isoliertransformatoren liegt dabei wie üblich auf Erdpotential. Die Zufuhr der Steuerspannungen erfolgt dabei über Mehrfachstecker auf dem Niederspannungs­ potential des Strahlkopfes.

Die wesentlichen Vorteile des Erfindungsgegenstandes können wie folgt aufgegliedert werden:

• - das mehrpolige, als Sonderanfertigung ausgeführte Hoch­ spannungskabel wird nicht mehr benötigt, so daß ein handelsübliches einpoliges Kabel benutzt werden kann,
• - Defekte zwischen den Potentialen des Kabels durch Überschläge in der Kanone, die zu einer Überlastung der Isolation führen, werden vermieden,
• - Defekte an der Steckverbindung durch die hohe Heiz­ strombelastung fallen weg,
• - durch die sehr viel kleinere induktive und kapazitive Kopplung zwischen den einzelnen Potentialen sind die Belastung und damit Ausfälle der Hilfsspannungser­ zeugung durch Wanderwellen, die durch Überschläge aus­ gelöst werden, wesentlich geringer,
• - bei einen Ausfall der Hilfsspannungserzeugung müssen keine Hochspannungs-Öltanks geöffnet werden, sondern es ist nur der Strahlkopf abzunehmen. Dadurch wird die Elektronenstrahlkanone wartungsfreundlicher,
• - das Bauvolumen für die Hochspannungserzeugung, in der die Hilfsspannungserzeugung integriert ist, wird kleiner; gegebenenfalls fällt der Hilfsspannungstank vollständig fort.

Es ist dabei gemäß der weiteren Erfindung besonders vor­ teilhaft, wenn der Isolierkörper, in den der mindestens eine Isoliertransformator eingebettet ist, aus Gieß­ harzmasse besteht. Dadurch ergibt sich als weiterer Vor­ teil:

• - sowohl der Hochspannungsisolator als auch der mindestens eine Isoliertransformator können unmittelbar in ihre metallische Ummantelung bzw. Haube einge­ gossen werden. Dadurch wird ein Strahlkopf erhalten, der nur noch aus zwei Hauptbauteilen besteht, näm­ lich dem Hochspannungsisolator mit dem Hochspannungs­ anschluß und dem Montageflansch für den Strahler­ zeuger und aus dem darauf angeflanschten mindestens einen Isoliertransformator, der auch die Hilfs­ spannungsübertrager enthält.

Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Schaltungs­ elemente für die Hilfsspannungen in einer allseitig ge­ schlossenen Kapsel aus einem ferromagnetischen Werkstoff innerhalb des faraday′schen Käfigs untergebracht sind.

Durch die Ausführung dieser Kapsel aus magnetisch wirk­ samem Material wird der magnetische Durchgriff des mindestens einen Isoliertransformators auf den Strahler­ zeuger soweit abgeschwächt, daß die Beeinflussung des Elektronenstrahles durch das noch vorhandene magnetische Feld unkritisch ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegen­ standes ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen. Ihre Vorteile sind - soweit notwendig - in der Detailbe­ schreibung näher erläutert.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 7 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine voll­ ständige Elektronenstrahlkanone,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch deren oberen Teil, den sogenannten "Strahlkopf",

Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch den Isolier­ körper mit drei eingebetteten Isolier­ transformatoren,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch den oberen Teil des Strahlkopfes mit in den Hoch­ spannungsisolator eingebetteten Kühl­ mittelkanälen,

Fig. 5 einen Horizontalschnitt durch den Gegen­ stand von Fig. 4 entlang der Linie V-V,

Fig. 6 einen Vertikalschnitt durch den oberen Teil des Strahlkopfes mit einem horizontal in den Isolierkörper eingeführten Hochspannungs­ kabel, und

Fig. 7 einen Vertikalschnitt analog Fig. 6, jedoch mit einem vertikal in den Isolierkörper ein­ geführten Hochspannungskabel.

In Fig. 1 ist von einer Arbeitskammer 1 nur der obere Teil dargestellt. In der oberen Begrenzungswand ist eine Strahl­ eintrittsöffnung 2 angeordnet, die mit der Achse A-A einer Elektronenstrahlkanone 3 fluchtet.

Die Elektronenstrahlkanone besteht hinsichtlich der Strahl­ erzeugung und Strahlführung aus drei wesentlichen Teilen bzw. Baugruppen, nämlich aus einem Strahlerzeuger 4 mit einer Katode 5 und einer strahlformenden Elektrode 6 (Wehnelt-Zylinder), aus einer Beschleunigungskammer 7, die über einen Saugstutzen 8 mit einer nicht gezeigten Vakuum­ pumpe verbunden ist und in der eine Beschleunigungsanode 9 angeordnet ist, sowie aus einer Strahlführungskammer 10, in der - in Strahlrichtung gesehen - ein Absperrventil 11, ein Drosselkörper 12, eine Justiereinrichtung 13, eine Wobbellinse 14, eine Fokussierungslinse 15, eine Sensoren­ anordnung 16 und eine Ablenkeinheit 17 angeordnet sind. Durch die Bauteile 13 bis 17 ist ein Strahlführungsrohr 18 hindurchgeführt.

Die Strahlführungskammer 10 ist mit sämtlichen Einbauten von einem Mantelrohr 19 umgeben, das an seinem oberen und unteren Ende mit je einem Anschlußflansch 20 bzw. 21 fest verbunden ist. Am oberen Anschlußflansch 20 ist seitlich ein Drehantrieb 22 für das Absperrventil 11 befestigt. Der Strahlerzeuger 4 ist an einem Hochspannungs­ isolator 23 befestigt, in dem ein Hochspannungsanschluß 25 für die Stromversorgung vorgesehen ist. Auf den Hoch­ spannungsisolator 23 ist ein Isolierkörper 24 aufge­ setzt, in den zwei Isoliertransformatoren 26 und 27 eingebettet sind. Weitere Einzelheiten werden anhand von Fig. 2 erläutert, in der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind:

Die Beschleunigungskammer 7 ist von einem Gehäuse 7a umgeben, welches in Richtung der Strahlführungskammer 10 (Fig. 1) einen Boden 7b aufweist. Der Boden trägt in einem kreisförmigen Ausschnitt einen Zentrierflansch 28, in dem, wiederum in konzentrischer Anordnung, die Be­ schleunigungsanode 9 befestigt ist. Die Oberseite der Beschleunigungskammer 7 besitzt einen Befestigungsflansch 29, der eine kreisförmige Öffnung 30 umgibt, und auf den der nachstehend noch näher erläuterte "Strahlkopf" 31 aufge­ setzt ist.

Der Strahlerzeuger 4 und der ihn tragende Hochspannungs­ isolator 23 sind von einer metallischen, geerdeten Um­ mantelung 32 umgeben, zu der ein Außengehäuse 7c für die Beschleunigungskammer und ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 33 gehören, in das unter Zwischen­ schaltung einer Bleiauskleidung 34 der aus Gießharz be­ stehende Hochspannungsisolator 23 eingegossen ist. Dieser Hochspannungsisolator besitzt gleichfalls eine im wesent­ lichen zylindrische Außenfläche 23a und enthält auf seiner Überseite eine Ausnehmung 23b, die in ihrem unteren Teil kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Diese Ausnehmung dient zum Einsatz des Isolierkörpers 24, der infolgedessen an den Berührungsstellenkomplementär ge­ formt ist. Auf seiner Unterseite besitzt der Hochspannungs­ isolator 23 konzentrisch zum Strahlerzeuger 4 eine um­ laufende Vertiefung 23c, die im Querschnitt etwa parabel­ förmig geformt ist und zur Vergrößerung des Ober­ flächenabstandes bzw. Isolationsabstandes dient. Im Zentrum der Vertiefung 23c besitzt der Hochspannungs­ isolator 23 einen Fortsatz 23d, in den ein Montageflansch 35 eingegossen ist, der zur Befestigung des Strahlerzeugers 4 dient. Der Montageflansch 35 trägt in seinem Innern An­ schlußkontakte 36 bzw. 37, denen über Anschlußleitungen 38 bzw. 39 das Wehnelt-Potential und der Heizstrom zugeführt werden. Auch die Anschlußleitungen sind vakuumdicht in das Gießharz eingebettet.

Oberhalb der Ausnehmung 23c liegt in etwa diametraler Lage der Hochspannungsanschluß 25, in den ein Hoch­ spannungskabel 40 eingeführt wird, das an seinem Ende einen Stecker 41 trägt, der mit einer komplementären Steckbuchse 42 zusammenwirkt. Von hier aus führt die Hochspannung zu nur schematisch angeordneten Schaltungs­ elementen 43 an sich bekannter Bauart, die allseitig von einer Kapsel 44 aus ferromagnetischem Werkstoff um­ geben sind. Diese Kapsel ist flach und scheibenförmig ausgebildet und füllt den Querschnitt der Ausnehmung 23b in deren Bodenbereich nahezu vollständig aus. Dadurch wirkt die Kapsel 44 als Abschirmung für die von den beiden Isoliertransformatoren 26 und 27 ausgehenden Magnetfelder, so daß eine störende Beeinflussung des von der Katode 5 nach unten ausgehenden Elektronenstrahls nicht mehr möglich ist. Die Kapsel ist mechanisch an dem Isolier­ körper 24 befestigt. In ihr sind die Schaltelemente für die Gleichrichtung und Siebung der Wehnelt-Spannung und des Katodenheizstroms untergebracht.

Die beiden in den Isolierkörper 24 eingebetteten Isolier­ transformatoren 26 und 27 weisen je eine Primärwicklung 26a bzw. 27a und eine Sekundärwicklung 26b bzw. 27b auf, die durch je einen Eisenkern 26c bzw. 27c, miteinander ver­ bunden sind. Es ist zu erkennen, daß der Isolierkörper 24 das Gehäuse 33 in der Höhe überragt. üm die an dieser Stelle vorhandene Öffnung in dem faraday′schen Käfig zu schließen, ist der die geerdete Ummantelung 32 überragende Teil des Isolierkörpers 24 unter Einschluß der Isoliertransformatoren 26 und 27 von einer me­ tallischen Haube 45 umgeben, die auf ihrer Oberseite Kühlrippen 45a trägt. Auf diese Weise sind die Schaltungselemente 43 gleichfalls innerhalb des faraday′schen Käfigs untergebracht. Zur gegenseitigen Abschirmung der beiden Isoliertransformatoren 26 und 27 sind zwischen diesen magnetische Abschirmungen 46 an­ geordnet.

Das Gehäuse 33 ist an seinem unteren Ende mit einem Befestigungsflansch 47 für die vakuumdichte Verbindung mit der Beschleunigungskammer 7 versehen und an seinem oberen Ende mit einem Befestigungsflansch 48 für die Verbindung mit einem Gegenflansch 45b der Haube 45. Die Befestigung geschieht über eine Reihe von auf den Umfang verteilten Schrauben 49. Durch die metallische Ausbildung der Ummantelung 32 und der Haube 45 ist der faraday′sche Käfig geschlossen. Die oberhalb des Befestigungsflansches 29 liegenden und mit dem Gehäuse 33 bzw. mit dem Hochspannungsisolator 23 verbundenen Teile bilden den sogenannten "Strahlkopf" 31. Im vorliegenden Fall dient der Isoliertransformator 26 als Stromwandler für den Katodenstrom und der Isoliertransformator 27 als Spannungswandler für die Wehnelt-Spannung. Auch die Kerne 26c und 27c mit den Sekundärwicklungen 26b und 27b befinden sich auf Hochspannungspotential. Nur die beiden Primärwicklungen 26a und 27a befinden sich auf Erd­ potential.

Der Strahlkopf läßt sich durch Lösen der Verbindung zwischen den beiden Befestigungsflanschen 29 und 47 leicht in seiner Gesamtheit ausbauen, so daß auch der Strahler­ zeuger 4 einer Wartung gut zugänglich ist. Aber auch der Isolierkörper 24 läßt sich mit seinen sämtlichen Einbauten durch Lösen der Schraube 49 getrennt abnehmen. Die elektromechanische Kontaktherstellung zwischen den Sekundärwicklungen 26b und 27b und den Anschluß­ leitungen 38 bzw. 39 erfolgt nach dem Aufsetzen des Isolierkörpers 24 durch nicht gezeigte enge Kanäle innerhalb des Isolierkörpers 24, durch die entsprechende, gleichfalls nicht gezeigte Kontaktschrauben betätigt werden können. Sämtliche freien Räume innerhalb des Strahlkopfes werden mit Öl gefüllt, um starke Potential­ sprünge im Innern des Strahlkopfes auszuschließen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausbaumöglichkeit des Strahl­ kopfes gemäß Fig. 2. Im vorliegenden Fall ist außer den beiden Isoliertransformatoren 26 und 27 ein dritter Iso­ liertransformator 51 vorgesehen, der gleichfalls aus einer Primärspule 51a, einer Sekundärspule 51b und einem Kern 51c besteht. Mittels des Isoliertransformators 51 ist auf Hochspannungspotential eine weitere steuerbare oder feste Spannung verfügbar, die zur Ansteuerung einer zweiten strahlformenden Elektrode eingesetzt werden kann, wenn beispielsweise ein Tetroden-System als Strahler­ zeuger 4 eingesetzt wird. Die dritte Hilfsspannung kann auch als Anodenspannung benutzt werden, um in einem Triodensystem eine Katode mittels Elektronen indirekt auf Emissionstemperatur aufzuheizen. Zwischen den drei Isoliertransformatoren sind alsdann in etwa sternförmiger Anordnung drei Abschirmungen 46 aus einem ferromagnetischen Werkstoff vorgesehen, um die wechselseitige Beeinflussung der Induktionswirkungen zu unterdrücken.

Fig. 4 zeigt wiederum einen Strahlkopf analog Fig. 2, bei dem jedoch die Haube 45 weggelassen worden ist.

Der Hochspannungsisolator läßt nur die Aufnahme und Ab­ fuhr einer bestimmten, an der Katode anfallenden Verlust­ leistung zu. Wird diese zu groß, so kann es durch Nach­ lassen der mechanischen und elektrischen Festigkeiten zu Defekten am Hochspannungsisolator und an den Isolier­ transformatoren kommen. Die zulässige Wärmebelastung kann beispielsweise durch den Einsatz von Katoden mit erhöhter Heizleistung überschritten werden, beispielsweise bei Verwendung von Massivkatoden aus Wolfram für Strahl­ ströme oberhalb 100 mA. Eine Lösung dieses Problems zeigt nun Fig. 4:

In zwei Ebenen, die parallel zum Boden der Ausnehmung 23b verlaufen und damit radial zur Achse A-A, sind zwischen dem Boden und der umlaufenden Vertiefung 23c Kühlmittel­ kanäle 50 angeordnet, deren Verlauf in Fig. 5 näher er­ läutert wird. Die Kühlmittelkanäle bestehen aus Kunst­ stoff und sind an der angegebenen Stelle in die Gieß­ harzmasse des Hochspannungsisolators 23 eingegossen. Als Kühlmittel wird zum Zwecke der Vermeidung zu großer Potentialsprünge von außen beispielsweise Transformatoren­ öl durchgepumpt. Mittels dieser Einrichtung ist es mög­ lich, erhebliche Wärmemengen aus dem Isolator abzuführen, so daß weder die Funktion des Hochspannungsisolators noch diejenige der Isoliertransformatoren beeinträchtigt wird.

Aus Fig. 5 ist zu ersehen, daß die Kühlmittelkanäle 50 U-förmig gebogen sind, wobei die geradlinigen Teile der Schenkel etwa parallel zueinander verlaufen und die kreisförmig gebogenen Joche konzentrisch um den Mittel­ punkt der Steckbuchse 42 herumgeführt sind. Die nach außen führenden Enden 50a sind zur einfacheren Herstellung der Anschlüsse radial etwas aufgefächert. Der Hochspannungs­ anschluß 25 verläuft in der Symmetrieebene zwischen den Kühlmittelkanälen (siehe auch Fig. 4). Die parabelförmige Gestalt der umlaufenden Vertiefung 23c vereinigt in sich die Vorteile der Kompaktheit und besitzt im Hinblick auf eine Gasabgabe die kleinstmögliche Oberfläche. Vor allem aber ist die Oberfläche im Hinblick auf ihre Lage vor den in der Beschleunigungskammer 7 gestreuten Elektronen und Ionen geschützt.

Fig. 6 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 1 und 2. Hier ist das Hochspannungs­ kabel 40 im Bereich des Hochspannungsanschlusses 25 nicht in den Hochspannungsisolator, sondern in den aus Gießharz bestehenden Isolierkörper 24 eingeführt, und zwar diesmal oberhalb der Schaltungselemente 43. Zu diesem Zweck ist die Ausnehmung 23b etwas tiefer aus­ gebildet, und in dem hochstehenden Kragen 23e des Hochspannungsisolators 23 sowie in dem Gehäuse 33 ist eine durchgehende radiale Bohrung angeordnet, in die das Ende des Hochspannungskabels 40 einführ­ bar ist. Diese radiale Bohrung setzt sich im Innern des Isolierkörpers 24 in horizontaler Richtung bis zur Steckbuchse 42 fort, wobei die Achse des Hoch­ spannungsanschlusses 25 mit B-B bezeichnet ist und mit der Einschubrichtung übereinstimmt. Auf diese Weise wird der Einfluß etwaiger Spitzen oder Sprünge innerhalb des elektrischen Feldes auf die Strahl­ geometrie weiter reduziert. Durch die Anordnung der ferromagnetischen Kapsel 44 mit den Schaltungsele­ menten 43 unterhalb des Hochspannungskabels wird die Abschirmwirkung weiter vervollkommnet. Es ver­ steht sich, daß der Isolierkörper 24 mit den einge­ gossenen Isoliertransformatoren 26 etc. nur nach dem Herausziehen des Hochspannungskabels 40 ausgebaut werden kann.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 weicht insofern von demjenigen der Fig. 6 ab, als das Hochspannungs­ kabel 40 diesmal von oben in den Isolierkörper 24 ein­ geführt ist, d. h. die Achse C-C des Kabels steht senkrecht, und auch die Einschubrichtung verläuft senk­ recht. Es ist in diesem Falle nicht erforderlich, den Hochspannungsisolator 23 und das ihn umgebende Ge­ häuse 33 mit einer radialen Bohrung zu versehen; diese befindet sich in der oberen Begrenzungsfläche der Haube 45.

Durch die kompakte Anordnung der einzelnen Teile innerhalb des Strahlkopfes ist das gesamte Ölvolumen so klein, daß die durch die Erwärmung der Elektronen­ strahlkanone im Betrieb bedingte Ölausdehnung durch einen Pufferraum aufgefangen werden kann, der sich im feldfreien Raum auf Erdpotential befindet und einen Kapillaranschluß an die Außenluft besitzt.

Durch den Wegfall der Erdkapazität der Wehnelt-Spannung auf der Hochspannungsseite wird die Verlustleistung der Schaltung auf der Sekundärseite vernachlässigbar klein. Über die Isoliertransformatoren sind aus diesem Grunde Wechselspannungen mit Amplituden bis 2,5 kV und Frequenzen bis 15 kHz auf der Hochspannungsseite einfach zu erzeugen und gleichzurichten. Durch die hohen Frequenzen ist wiederum der Aufwand für Siebmittel zur notwendigen Spannungsglättung ebenfalls gering. Auch dadurch kann die innere Kapazität relativ niedrig gehalten werden.

Bei voller Ausnutzung der Möglichkeiten der einzelnen Isoliertransformatoren (Wandler) lassen sich Impuls­ tastung, Slope-Änderungen, Programmsteuerung be­ liebiger Art etc. relativ einfach realisieren. Es ist auch möglich, zur Erzeugung der Wehnelt-Spannung im Strahlkopf zwei Isoliertransformatoren anzuordnen und parallel zu schalten. Die beiden Isoliertransformatoren werden dabei von derselben Elektronik mit Strömen angesteuert, die um 90 Grad phasenverschoben sind. Dadurch entsteht auf der Sekundärseite der Isolier­ transformatoren bei Benutzung eines Brückengleich­ richters eine sich überlappende vierpulsige Wechsel­ spannung und selbst bei Verzicht auf jegliche Siebmittel eine Gleichspannung mit einer Restwelligkeit von 8% bei 60 kHz.

Die Steuerung der Impulse oder Impulsgruppen und des während dieser Zeit fließenden Strahlstromes ge­ schieht in einfacher Weise: Die Anzahl der Wechsel­ spannungsimpulse pro Zeiteinheit bestimmt die Länge der Einzelimpulse, und die Spannungshöhe bestimmt den fließenden Strahlstrom. Bei entsprechender Dimensionierung der Siebmittel sind noch Strahlstrom­ impulse mit etwa 10 kHz Flankensteilheit bei einem Tastverhältnis von 1 : 1 mit einer Restwelligkeit von 2% bei 60 kHz zu erzeugen. Das Tastverhältnis hängt lediglich von der Art der Steuerelektronik ab, die sich auf Erdpotential befindet und daher einfach aus­ geführt sein kann.

Claims (12)

1. Elektronenstrahlkanone zum Erwärmen von Materialien, insbesondere zum Schweißen, mit einem Strahlerzeuger mit Katode und Strahlformungselektrode, mit einem Hochspannungsanschluß und einem Hochspannungsisolator, an dem der Strahlerzeuger befestigt ist, mit mindestens einem Isoliertransformator und Schaltungs­ elementen für Hilfsspannungen auf Hochspannungspotential, wobei Strahlerzeuger und Hochspannungsisolator von einer geerdeten metallischen Ummantelung umgeben sind und der Isoliertransformator oberhalb des Hochspannungsisolators angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der mindestens eine Isoliertransformator (26, 27, 51) in einen Isolierkörper (24) eingebettet ist,
• b) der Isolierkörper (24) unmittelbar auf den Hoch­ spannungsisolator (23) aufgesetzt ist,
• c) der die geerdete Ummantelung (32) überragende Teil des Isolierkörpers (24) unter Einschuß des Isolier­ transformators (26, 27, 51) von einer metallischen Haube (45) umgeben ist, die mit der Ummantelung (32) einen gemeinsamen faraday′schen Käfig bildet, und daß
• d) die Schaltungselemente (43) für die Hilfsspannungen auf Hochspannungspotential liegen und gleichfalls in dem faraday′schen Käfig angeordnet sind.

2. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Isolierkörper (24) aus Gießharzmasse besteht.

3. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltungselemente (43) für die Hilfsspannungen in einer allseitig geschlossenen Kapsel (44) aus einem ferromagnetischen Werkstoff untergebracht sind.

4. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kapsel (14) mit den Schaltungs­ elementen (43) an der Trennstelle zwischen Hochspannungs­ isolator (23) und Isolierkörper (24) angeordnet ist.

5. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hochspannungsanschluß (25) als Steckverbindung (41) ausgebildet und innerhalb des Hochspannungsisolators (23) untergebracht ist.

6. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hochspannungsisolator (23) eine im wesentlichen zylindrische Außenfläche (23a) besitzt, im Bereich dieser Außenfläche von einem Gehäuse (33) mit einem oberen und einem unteren Anschlußflansch (48 bzw. 47) versehen ist, auf seiner Oberseite eine Aus­ nehmung (23b) für den Einsatz des Isolierkörpers (24) besitzt, dessen Haube (45) mit dem oberen Anschluß­ flansch (48) verbindbar ist, und auf seiner Unterseite konzentrisch zum Strahlerzeuger (4) eine umlaufende Vertiefung (23c) zur Vergrößerung des oberflächenab­ standes besitzt.

7. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Isolierkörper (24) mindestens zwei Isoliertransformatoren (26, 27) untergebracht sind, zwischen denen sich magnetische Abschirmungen (46) befinden.

8. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Isoliertransformatoren (26, 27) mittels einer Steuerungselektronik um 90 Grad phasenver­ schoben ansteuerbar sind.

9. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Hochspannungsisolator (23) Kühlmittel­ kanäle (50) angeordnet sind.

10. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hochspannungsanschluß (25) als Steck­ verbindung (41) ausgebildet und innerhalb des Isolier­ körpers (24) untergebracht ist.

11. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hochspannungsanschluß (25) eine zur Achse (A-A) der Elektronenstrahlkanone (3) senkrechte Achse (B-B) aufweist.

12. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hochspannungsanschluß (25) eine zur Achse (A-A) der Elektronenstrahlkanone (3) parallele Achse (C-C) aufweist.