(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) (13) T3 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (13) T3 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (51) Int. Cl. H01J37/24 ( ) (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej Europejski Biuletyn Patentowy 2008/17 EP B1 (54) Tytuł wynalazku: Układ regulacji mocy strumienia elektronów działa elektronowego (30) Pierwszeństwo: DE (43) Zgłoszenie ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 2006/45 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 10/2008 (73) Uprawniony z patentu: Applied Materials GmbH & Co. KG, Alzenau, DE ; ALD Vacuum Technologies GmbH, Hanau, DE (72) Twórca (y) wynalazku: PL/EP T3 Klemm Günter, Nidda, DE Thiede Andreas, Dresden-Schönborn, DE Schneider Hans-Jürgen, Wächtersbach, DE (74) Pełnomocnik: Kancelaria Patentowa rzecz. pat. Kamiński Zbigniew Warszawa Al. Jerozolimskie 101/18 Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 U-3057n/08 EP B1 Układ regulacji mocy strumienia elektronów działa elektronowego Opis [0001] Przedmiotem wynalazku jest układ według zastrzeżenia 1. Działo elektronowe jest stosowane w procesach stapiania, spawania, obróbki wszystkich rodzajów odparowywania, zwłaszcza w próżni. Ponadto częstym wymaganiem jest dostosowanie mocy strumienia elektronów do różnych warunków. [0002] Stosowane obecnie działa są działami trójelektrodowymi i składają się z filamentu, katody blokującej i anody. Filament, określany także jako elektroda pierwotna stanowi uzwojenie z drutu wolframowego, przez które przepływa prąd. W próżni następuje w dostatecznej ilości emisja elektronów z powierzchni uzwojenia. Przed filamentem znajduje się katoda blokująca nazywana także katodą wtórną, która emituje strumień elektronów o znacznej mocy. [0003] Ponadto z katody blokującej musi być emitowana większa ilość elektronów niż w przypadku filamentu. Aby osiągnąć wymaganą zdolność emisji katody blokującej między filamentem i katodą jest przyłożone napięcie elektryczne, tak zwane napięcie blokowania. Wynosi ono około 3 kv. [0004] Napięcie blokowania powoduje powstanie wiązki elektronów między filamentem i katodą blokującą, która powoduje silne rozgrzanie katody blokującej. Ponadto powstaje strumień światła o dużym natężeniu. W ten sposób z katody blokującej emitowane są wolne elektrony przepływające do anody powodując powstanie pola elektrycznego. [0005] Pole elektryczne jest z reguły wytwarzane przez napięcie o wartości 40 kv 1

3 w dużych urządzeniach. Katoda blokująca emituje taką ilość elektronów jaka jest niezbędna do uzyskania pożądanej mocy promieniowania. [0006] Aby utrzymać stałą emisję elektronów musi być także utrzymywana stała temperatura katody blokującej lub katody wtórnej. Dla utrzymywania stałej temperatury emisji w ogrzewanym przez elektronowe bombardowanie działa elektronowego dla elektronowego spawania, topienia lub naparowania są znane sposoby (DD ). Przy tym, w celu utrzymania emisji z pierwotnej katody, jest regulowane napięcie przyspieszające między katodą pierwotną i wtórną na podstawie jednej wartości regulowanej, przy czym prąd grzania pierwotnej katody jest ograniczony do regulowania jednej wielkości. Prąd emisji katody blokującej lub katody wtórnej określanych jako katoda główna jest ponownie regulowany. [0007] W znanych układach do regulacji parametrów pracy wytwornicy promieniowania elektronowego, stosuje się regulator katody włóknowej składający się z połączonych kaskadowo pojedynczych regulatorów (DE C2). W układach tych stosuje się regulator strumienia ciepła, regulator prądu emisyjnego i regulator strumienia elektronów. [0008] Działa elektronowe wysokiej mocy pracują często przez długi czas przy stałym napięciu i stałym prądzie emisyjnym. Warunki szybkiej zmiany mocy na skutek dużej bezwładności termicznej katody blokującej nie są możliwe do spełnienia. Szybkie zmiany mocy promieniowania elektronowego są możliwe dzięki napięciu początkowemu wytwarzanemu przez elektrodę sterującą. Ponieważ powierzchnia emisji katody blokującej jest bardzo duża elektroda sterująca musi mieć dużą wysokość, aby można było zrealizować sterowanie mocy (W.Dietrich, H.Ranke und H.Stumpf: Strahlführung und Leistungsteuerung von Elektronenstrahlkanonen bis 600 kw und deren Einsatz in der industriellen 2

4 Produktion, Optik , S.11) [0009] Szybkie zmiany mocy można uzyskać także przez zmiany napięcia przyśpieszającego, kiedy znajdują się w obszarze ładunku przestrzennego. Wadą tej metody jest wymagane równoczesne dopasowanie ogniskowania do zmieniającego się napięcia przyspieszającego (w.dietrich et al., jak wyżej). [0010] Znany jest również układ dla działa elektronowego, mający regulator, regulujący prąd grzejny i/lub prąd emisyjny filamentu (DE A1). Regulator posiada regulator prądu grzania katody włóknowej i regulator prądu emisyjnego, przy czym do regulatora prądu grzania katody włóknowej jest doprowadzany sygnał różnicy między wartością zadaną i wartością rzeczywistą prądu grzania katody włóknowej, podczas gdy do regulatora prądu emisyjnego jest doprowadzana wartość różnicy między wartością zadaną i wartością rzeczywistą prądu emisyjnego. Zaleta tego rozwiązania polega na tym, że ogrzewanie katody włóknowej może być regulowane przez prąd grzania lub prąd emisyjny. [0011] Znane są również sposoby regulacji mocy promieniowania elektronowego źródeł promieniowania, za pomocą których możliwa jest regulacja mocy znamionowej od zera do 200 kw (DE A1). Źródło promieniowania posiada bezpośrednio ogrzewaną katodę, anodę oraz elektrodę skupiającą. Ponadto ma dwa niezależne człony nastawcze, które powodują zmiany temperatury katody, napięcia katody, napięcia elektrody skupiającej oraz odległości miedzy katodą i anodą. [0012] Znane jest również urządzenie do automatycznej regulacji warunków pracy elektrotermicznego układu z działem elektronowym, którego główna katoda jest ogrzewana przez katodę pomocniczą emitująca wiązkę elektronów (DE ). Główna katoda działa elektronowego jest zasilana przez pierwszą 3

5 jednostkę, a katoda pomocnicza przez drugą jednostkę. Ponadto urządzenie ma element łączący do korekcji ogrzewania głównej katody, który jest połączony z odpowiednią jednostką. To znane urządzenie pozwala na poprawę stabilizacji warunków pracy urządzeń stosujących promieniowane elektronowe. Nie łączy się z tym szybka zmiana mocy promieniowania. [0013] Ze zgłoszenia patentowego US B1 znane jest urządzenie do regulowania mocy promieniowania elektronowego działa elektronowego, odpowiadającego urządzeniu opisanemu w zastrzeżeniu 1. [0014] Zadaniem wynalazku jest opracowanie sposobu szybkiej zmiany mocy promieniowania działa elektronowego. [0015] Zadanie to rozwiązaniu w układzie o cechach przedstawionych w zastrzeżeniu 1. [0016] Wynalazek dotyczy układu regulacji mocy promieniowania elektronowego działa elektronowego mającego katodę włóknową, katodę blokującą oraz anodę. Między katodą włóknową i katodą blokującą istnieje pierwsze napięcie, a między katodą blokującą i anodą istnieje drugie napięcie. Za pomocą pierwszego obwodu regulacji jest utrzymywana stała wartość prądu katody włóknowej posiadającej temperaturę, wystarczającą do wytworzenia maksymalnej mocy promieniowania katody blokującej. Drugi obwód regulacji zawiera regulator mocy blokowania, zasilany różnicą miedzy wartością zadaną i rzeczywistą mocy blokowania i reguluje napięcie między katodą włóknową i katodą blokująca. [0017] Zaleta wynalazku polega na tym, że żaden regulator nie musi pracować w połączeniu kaskadowym. Dlatego też można szybciej i bez zakłóceń opanować proces regulacji. Zmniejsza się wzmocnienie obwodowe, przy czym niewielkie zakłócenia mocy blokującej nie mają wpływu na wyjście. Ponadto regulowana jest 4

6 moc blokująca, katody blokującej, której temperatura jest bardziej reprezentatywna niż prąd blokujący. [0018] Przykłady wykonania wynalazku są przedstawione na rysunkach i poniżej opisane. [0019] Pokazują one: Fig.1 układ regulacji według wynalazku; Fig.2 krzywą mocy blokowania przez prąd emisyjny dla regulatora mocy blokowania według wynalazku wobec prądu grzania skrętki drutowej przez prąd emisyjny przy zastosowaniu konwencjonalnej regulacji według DE C2. Fig.3 skoki prądu emisyjnego w czasie. [0020] Na Fig.1 po prawej stronie jest przedstawione schematycznie działo elektronowe. Zawiera ono filament względnie katodę drutową 1, katodę blokującą 2, anodę 3 jak również tygiel 4. Elektrony, docierające do katody włóknowej 1 z katody blokującej 2 kilkoma strumieniami 5 są przesyłane z katody blokującej 2 do tygla 4 kilkoma strumieniami 6. Katoda włóknowa 1 jest połączona z regulowanym źródłem prądu 7. W przypadku wzrostu wartości prądu w źródle prądu 7, zwiększa się także przepływ prądu przez katodę włóknową 1, dzięki czemu jest ona silniej rozgrzewana i zwiększa się emisja elektronów. Regulacja źródła prądu 7 następuje za pomocą regulatora 8. Regulator 8 utrzymuje prąd przepływający przez katodę włóknową 1 na stałym poziomie. Tak więc osiąga się stałą temperaturę katody włóknowej 1 w stosunku do warunków otoczenia. [0021] Czujnik prądu 9 określa wartość prądu płynącego przez katodę włóknową 1 i jako wartość rzeczywista przesyła sygnał do członu porównującego 10, w którym następuje porównanie wartości rzeczywistej prądu z wartością zadaną 11 prądu. 5

7 Wartość różnicy tych wartości jest przesyłana do regulatora 8. [0022] Prąd płynący przez katodę włóknową 1 jest tak regulowany, że katoda włóknowa 1 emituje wiele strumieni 5 elektronów tak, że katoda blokująca 2 może emitować maksymalną ilość strumieni 6 elektronów. Ponadto prąd płynący przez katodę włóknową 1 jest tak regulowany, że strumienie emisyjne 6 katody blokującej 2 są niezależne od charakterystyki czasowej katody włóknowej 1. [0023] Napięcie między katodą włóknową 1 i katodą blokującą 2 wytwarza źródło napięcia 12, regulowane poprzez regulator mocy 13 katody blokującej. Czujnik prądu 14 mierzy wartość prądu dostarczanego ze źródła napięcia 12. Chodzi o prąd emisyjny katody włóknowej 1. Prąd jest w multiplikatorze 15 multiplikowany z napięciem źródła napięcia 12 tak, że osiąga się moc elektryczną. Moc ta jest ponownie porównywana w członie porównującym 16 z sygnałem otrzymywanym z regulatora prądu emisyjnego 17. Chodzi przy tym o sygnał wartości zadanej mocy dla katody blokującej 2. Na wyjściu regulatora 17 powstaje sygnał różnicy między wartością zadaną prądu emisyjnego katody blokującej 2 i wartością rzeczywistą sygnału prądu emisyjnego katody blokującej 2. Przy stałym napięciu przyśpieszającym sygnał ten jest koherentny z mocą blokującą, patrz krzywa II na Fig.2. Tym samym może służyć jako wartość zadana dla regulatora mocy blokującej 13. Regulator 17 jest niezbędny dla regulowania prądu emisyjnego katody blokującej 2. Jest on dopasowany do zdolności regulacyjnych katody blokującej 2. Temperatura katody blokującej 2 jest określana przy stałym napięciu przyśpieszania prądu emisyjnego. [0024] Dla określenia napięcia przyśpieszenia emitowanych przez katodę blokującą 2 elektronów 6 jest przewidziane źródło napięcia 18. Anoda 3 i tygiel 4 mają ten sam potencjał elektryczny. Prąd dostarczany ze źródła napięcia 18 jest 6

8 mierzony przez czujnik prądu 19 i jest porównywany w członie porównującym 20 z wartością zadaną prądu emisyjnego względnie z wartością zadaną prądu strumieniowego 21. Różnica między wartością zadaną prądu i wartością rzeczywistą jest doprowadzana do regulatora 17. [0025] Źródło napięcia 18 jest regulowane przez regulator 22, który steruje na podstawie dostarczonego sygnału 23 różnicy między wartością rzeczywistą i wartością zadaną napięcia przyśpieszenia. Różnica ta jest określana jest przez człon porównujący 24. Regulator 22 utrzymuje napięcie przyspieszenia na stałym poziomie. Przyłączenie do katody blokującej 2 prowadzi do powstania sygnału wartości rzeczywistej napięcia między katodą blokującą 2 i anodą 3, który jest doprowadzany do członu porównującego na wejściu regulatora 22. [0026] W celu regulacji strumienia elektronów z katody blokującej 2, szeregowo z regulatorem mocy 17 katody blokującej jest połączony regulator mocy 13 katody blokującej. Sygnał wyjściowy tego regulatora steruje źródłem napięcia między katodą włóknową 1 i katodą blokującą 2. Na podstawie prądu blokującego i napięcia blokującego tworzona jest wartość rzeczywista doprowadzana do regulatora mocy blokowania 13. Moc blokowania jest powiązana bezpośrednio z temperaturą katody blokującej 2, która emituje pod działaniem stałego napięcia przyśpieszającego. Regulator 13 mocy blokowania reguluje moc katody włóknowej 2 w podobny sposób jak regulator 17 reguluje prąd emisyjny. Regulator 13 musi reagować szybciej niż regulator 17. Ma on krótszy czas zdwojenia i inne wzmocnienie niż regulator 17. [0027] W tym układzie są połączone szeregowo tylko dwa regulatory 13 i 17. Regulacja jest przy tym stabilna i pozwala na uzyskanie dużych wzmocnień i wysokiej dokładności. Wartości zadane w punktach 11, 21 i 23 są ustawiane prze 7

9 operatora urządzenia elektronowego w celu uzyskania wymaganych warunków procesu. [0028] Na fig.2 przedstawiono krzywą regulacji II według wynalazku w porównaniu z krzywą konwencjonalnej regulacji I. Krzywa konwencjonalnej regulacji I pokazuje zależność strumienia emisji IE katody blokującej 2 od prądu grzania IF katody włóknowej 1. Krzywa regulacji II według wynalazku pokazuje zależność mocy PB katody blokującej 2 od prądu emisji IE katody włóknowej 1. [0029] W przypadku konwencjonalnej regulacji, jak wynika z krzywej II niewielka zmiana prądu grzania IF katody włóknowej 1 prowadzi do znacznych zmian prądu emisji IE katody blokującej. Przykładowo, jeżeli prąd grzania IF wzrasta z 40 A do 41 A, to prąd emisji IE zwiększa się z 0,5 A do 1,5 A. Obszar regulacji jest bardzo wąski i wynosi około 39 A prądu grzania katody włóknowej. [0030] Jak wynika z krzywej II regulacji według wynalazku możliwy jest szeroki obszar mocy blokowania PB i możliwe są równomierne zmiany prądu emisji IE. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie stabilnych warunków regulacji i wysokiej dokładności regulacji. [0031] Jak przedstawiono na Fig.3 skok prądu emisji katody blokującej 2 przy skoku wartości zadanej wewnątrz przedziału mniejszego niż jedna sekunda, wynosi od jednego ampera do dwóch amperów. Utrzymywanie stałego prądu grzania katody włóknowej 1 powoduje, przy niewielkim wzroście temperatury otoczenia przy stałej mocy blokowania, zmniejszenie napięcia blokowania. Dzięki mniejszemu napięciu blokowania unika się przy dużych mocach spawania blokowego. 8

10 Zastrzeżenia patentowe 1. Układ regulacji mocy strumienia elektronów działa elektronowego, przy czym działo elektronowe posiada katodę włóknową (1), katodę blokującą (2) i anodę (3), a między katodą włóknową i katodą blokującą występuje pierwsze napięcie, a między katodą blokującą drugie napięcie, przy czym układ ma dwa obwody regulacji, znamienny ty, że a) pierwszy obwód regulacji (8, 7) katody włóknowej (1) reguluje stałą wartość prądu oddziaływującego na temperaturę katody włóknowej wystarczającej dla osiągnięcia maksymalnej mocy strumienia katody blokującej (2), b) drugi obwód regulacji (17, 13, 12) zawierający regulator mocy blokowania (13), który na podstawie różnicy między wartością rzeczywistą i wartością zadaną mocy blokowania, reguluje napięcie między katodą włóknową (1) i katodą blokującą (2). 2. Układ według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że pierwszy obwód regulacji (8, 7) posiada regulator (8), który jest zasilany różnicą między wartością rzeczywistą i zadaną prądu katody włóknowej i steruje źródłem prądu (7). 3. Układ według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że, pierwsze napięcie między katodą włóknową (1) i katodą blokującą (2) jest wytwarzane przez źródło napięcia (12). 4. Układ według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że drugie napięcie między katodą blokującą (2) i anodą (4) jest dostarczane przez regulowane źródło napięcia (18), które jest sterowane przez regulator (22), na którego wejście 9

11 podawana jest różnica między wartością rzeczywistą i zadaną napięcia przyśpieszenia. 5. Układ według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że wartość rzeczywista mocy blokowania jest wytwarzana przez multiplikator (15), który multiplikuje różnicę między wartością rzeczywistą napięcia katody włóknowej (1) i katody blokującej (2) z rzeczywistą wartością prądu emisyjnego katody włóknowej (1). 10

12 EP B1 7

13 EP B1 8