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Verfahren zum Erhitzen eines Körpers unter
Vakuum durch Elektronenbeschuss
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhitzen eines Körpers unter Vakuum durch Elektronenbeschuss, wobei eine Elektronen emittierende, insbesondere ringförmige Kathode koaxial mit dem als Anode dienenden erhitzten Körper von diesem in axialer Richtung distanziert angeordnet ist und der zu erhitzende Körper durch eine elektrische Stromquelle od. dgl. auf einem positiven elektrischen Potential gegen- über der Kathode gehalten wird, so dass von der Kathode emittierte Elektronen den evakuierten Raum durchwandern und durch Aufprall auf den Körper diesen erhitzen.
Es ist bekannt, dass Metalle und andere Materialien nach dem Schmelzen und Giessen in einem Hochvakuum aussergewöhnlich gute Eigenschaften besitzen, die sich von den Eigenschaften derselben bei höheren Drücken verarbeiteten Materialien unterscheiden. Ferner können verschiedene Materialien, die in schmelzflüssigem Zustand eine hohe chemische Aktivität besitzen, beispielsweise Titan, in den üblichen metallurgischen Öfen nicht geschmolzen und gegossen werden, während sie in entsprechend konstruierten Vakuumöfen mit Erfolg verarbeitet werden können. Andere Hochvakuumverfahren, beispielsweise das Aufdampfen von Materialien in Form von Filmen und Überzügen von grosser Einheitlichkeit und geringer Porosität und bei hohen Temperaturen und sehr niedrigen Drücken durchgeführte chemische Reaktionen sind von grosser Bedeutung.
In allen diesen Hochvakuumverfahren kann die Zuführung einer genügenden Wärmemenge zu dem Behandlungsgut bei Aufrechterhaltung des erforderlichen Hochvakuums grosse Schwierigkeiten bereiten. Die Erfindung bezweckt allgemein die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zum Erhitzen eines Körpers aus Metall oder einem andern Material unter Vakuum.
Beim Arbeiten im Laboratoriumsmassstab kann die erforderliche Erhitzung, besonders in Fällen, in denen ein hoher Wirkungsgrad und niedrige Kosten nicht besonders wichtig sind, relativ leicht durch einen mit hoher Spannung durchgeführten direkten Elektronenbeschuss des Behandlungsgutes erzielt werden. Diese Art der Erhitzung hat zahlreiche Vorteile : Es kann ein sehr hohes Vakuum aufrechterhalten werden (was oft notwendig ist, beispielsweise zum vollständigen Entgasen des Gusses in Vakuumschmelz- und Giessvorrichtungen, was mit einem elektrischen Lichtbogen oder einer Glimmentladung oder andern üblichen Heizeinrichtungen nicht möglich ist) und das Behandlungsgut kann auf eine viel höhere Temperatur erhitzt werden als sein Behälter, der aus einem wassergekühlten Tiegel oder einer Kokille bestehen kann.
Beim Arbeiten im technischen Massstab ist jedoch eine genügende Erhitzung durch Elektronenbeschuss nicht so leicht durchführbar und war bisher nicht möglich. Eine Schwierigkeit bestand darin, dass der Elektronenstrom durch die negative Raumladung der Elektronenentladung begrenzt wird, wodurch die elektrische Leistung begrenzt wurde, die dem Elektronenstrom bei angemessenen Spannungen zugeführt werden konnte, so dass die Wärmeleistung begrenzt wurde, die für die Erhitzung entwickelt werden konnte.
Die Erfindung bezweckt daher ferner die Schaffung einer stabilen Elektronenentladung von hoher Spannung und hoher Impedanz, wobei die Stromstärke nicht durch die Raumladung begrenzt wird. so dass es möglich ist, Materialien durch Elektronenbeschuss in im technischen Massstab durchgeführten Schmelzund Giessvorgängen und für andere Zwecke mit hohe) Leistung zu erhitzen.
Erfindungsgemäss wird im Bereich des zu erhitzenden Körpers ständig gasförmiges Material in den evakuierten Raum abgegeben, z. B. durch Entwicklung von der Anode oder auf andere Weise, u. zw. in einer Menge, die so gross ist, dass in dem Raum zwischen dem zu erhitzenden Körper und der Kathode
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ein Druckgefälle aufrechterhalten wird, wobei im Bereiche der Anode ein um mehrere Grössenordnungen höherer Druck herrscht als im Bereich der Kathode, wobei der höchste absolute Druck im Bereich des zu erhitzenden Körpers vorhanden ist, während durch eine Vakuumpumpe od. dgl.
ständig gasförmiges Material aus dem Bereich der Kathode in einer solchen Menge abgezogen wird, dass die durchschnittliche Gasdichte so niedrig gehalten wird, dass die Mehrzahl der von der Kathode zu dem zu erhitzenden Körper fliegenden Elektronen keine ionisierenden Zusammenstösse mit gasförmigem Material erfährt, wobei die Menge, in der das gasförmige Material freigegeben wird, so gross ist, dass ein Ionenplasma gebildet wird, das sich von dem zu erhitzenden Körper weg zur Kathode hin erstreckt, während die Menge, in der das gasförmige Material abgezogen wird, so gross ist, dass in dem Plasma ein Gefälle der Ionendichte aufrechterhalten wird, wobei die grösste Ionendichte in der Nähe des zu erhitzenden Körpers vorhanden ist und die Ionendichte zur Kathode hin abnimmt.
Die ringförmige Kathode ist so nahe bei der Anode angeordnet (im allgemeinen in einem Abstand, der kleiner ist als der Kathodendurchmesser), dass sich die Kathode in einem Bereich eines beträchtlichen Druckgefälles befindet.
Mit Hilfe des genannten Druckgefälles wird eine neuartige Form der Elektronenentladung erzielt. Im Bereiche der Anode bilden sich Ionen und während der Wanderung von Elektronen von der Kathode zur Anode wandern positive Ionen aus den ionenerzeugenden Bereichen zur Kathode. Infolgedessen wird die
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zeitig ermöglicht das Druckgefälle in dem Entladungsraum eine Bildung von Lichtbögen und andern Formen von elektrischen Durchschlägen bei einem höheren Grad der Raumladungsneutralisation und bei höheren Stromdichten zu vermeiden, bei denen dies bisher bei ähnlichen Arbeitsbedingungen nicht möglich war.
Hiezu wird darauf hingewiesen, dass es aus der USA-Patentschrift Nr. 2, 837, 654 bereits bekannt ist, einen Gasstrom derart in das elektrische Feld einzufilhren, dass ein Druckabfall insbesondere in den elektrisch bee1nflussten Zonen entsteht, und damit die Entladung zu beeinflussen. Beim Gegenstand dieser Patentschrift handelt es sich jedoch um Glimmentladungen bei kalter Kathode, die gemäss der Erfindung möglichst vermieden werden sollen. Während gemäss der Erfindung zur Vermeidung der Glimmentladung der Kathodenraum evakuiert wird, wird beim Cegenstand der USA-Patentschrift ein Druckgradient herbeigeführt, durch den sich der grössere Druck an der Kathode befindet.
Die wesentlichen Merkmale der Erfindung werden an Hand der Beschreibung des folgenden in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles besser verständlich, wobei sich der Schutzumfang jedoch keineswegs auf dieses Ausführungsbeispiel beschränken soll.
In. diesen zeigt Fig. l vorwiegend schematisch eine zur Durchführung der Erfindung geeignete Einrichtung im Vertikalschnitt. Fig. 2 zeigt schematisch im Vertikalschnitt einen Teil derselben Einrichtung und erläutert typische Strömungs- und Druckbedingungen, die während des erfindungsgemässen Arbeitens vorhanden sind. Fig. 3 zeigt wieder im Vertikalschnitt einen Teil derselben Einrichtung und erläutert typische elektrische Feld- und Ionenverteilungsanordnungen, wie sie während des erfindungsgemässen Arbeitens vorhanden sind. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 3.
Fig. 5 zeigt ein Schaltschema einer für die Einrichtung nach Fig. 1 verwendbaren Stromquelle. Fig.. 6 zeigt vorwiegend schematisch im Vertikalschnitt einen Teil einer abgeänderten Ausführungsform der vorgenannten Einrichtung. Fig. 7 zeigt wieder vorwiegend schematisch im Vertikalschnitt einen Teil einer andern abgeänderten Ausführungsform der genannten Einrichtung. Fig. 8 zeigt im Vertikalschnitt einen Teil einer weiteren abgeänderten Ausführungsform der genannten Einrichtung und Fig. 9 zeigt vorwiegend schematisch im Vertikalschnitt noch eine weitere abgeänderte Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt eine Einrichtung, die erfindungsgemäss betrieben werden kann, um vakuumgegossene Stränge oder Stangen aus Materialien zu erzeugen, die in Form von stückigem Schwamm zugeführt wer- : leu. Die Einrichtung besitzt einen Vakuumbehälter 1, der über einen Kanal 2 von grossem Durchmesser mit einer Hochleistungs-Vakuumpumpe 3 verbunden ist, die z. B. eine grosse Öldiffusionspumpe (z. B. von U3 mm Durchmesser) sowie die geeigneten Vorvakuumpumpen und Überwachungseinrichtungen aufweist.
Die Leistung der Vakuumpumpe 3 und der Kanal 2 sollen so gross sein, dass während des Betriebes bei der Entwicklung von grossen Mengen von Gasen und Dämpfen von dem Behandlungsgut innerhalb des Behälters Im allgemeinen ein Druck von 1/10 Mikron Quecksilber aufrechterhalten werden kann. Im Inneren des Vakuumbehälters trägt eine horizontale Plattform 4 einen Schmelztiegel 5, einen Trichter 6 zur Aufnahme eines Vorrats des zu schmelzenden und giessenden Materials in Schwammform und eine übliche Auf- ; abeeinrichtung 7, mit der Stücke dieses Materials aus dem Trichter 6 in den Tiegel 5 gefördert werden
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können. Zum Nachfüllen des Trichters 6 von Zeit zu Zeit ist eine Luftschleuse 8 vorgesehen.
Der elektrisch leitende Tiegel 5 erstreckt sich, wie dargestellt, durch ein Loch in der Plattform 4 abwärts und ist über die Plattform 4 und die Metallwände des Behälters 1 geerdet. Der untere Teil des Tiegels 5 ist von einer ringförmigen Glühkathode 9 umgeben, die beispielsweise aus einer Wolframdrahtschleife bestehen kann. Die Enden der Kathode 9 sind über zwei Leitungen 10 und 11 an eine elektrische Stromquelle 12 angeschlossen. Isolatoren zur Durchführung der Leiter durch die Wände des Vakuumbehälters sind bei 13 und 14 angedeutet. Die Stromquelle 12 liefert uber die Leitungen 10 und 11 einen Strom, durch den die Kathode 9 so stark erhitzt wird, dass eine reichliche Elektronenemission erzielt wird.
Ferner hält die Stromquelle 12 die ganze Kathode 9 auf einem hohen negativen Potential von beispielsweise 15000 V gegenüber dem Tiegel 5, so dass die von der Kathode 9 emittierten Elektronen den Tiegel 5 beschiessen und genügend erhitzen, um das darin befindliche Material 15 zum Schmelzen zu bringen. Die Kathode 9 ist von einem Fokussierungsring 16 umgeben, der einen nach innen offenen U-förmigen Querschnitt besitzt und die Elektronen einwärts zu dem Tiegel 5 hin lenkt und einen Beschuss anderer Teile, beispielsweise der Plattform 4 und der Wände des Behälters 1, im wesentlichen verhindert. Der Ring 16 ist mit der Kathode 9 vorzugsweise über einen Metallblock oder -streifen 17 verbunden, der den Abschirmungsring auf dem Kathodenpotential hält und die Kathode abstützt.
Am Boden des Tiegels 5 ist eine kleine Öffnung 18 vorgesehen, durch die das Material 15 im wesentlichen in dem gleichen Masse heraustropft, in dem es geschmolzen wird. Bei 19 sind Tropfen des schmelz-
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Kokille 20, in der es zu einer festen Stange bzw. einem festen Strang 21 erstarrt. Vorzugsweise besteht die Kokille 20 aus Kupfer oder einem andern Material von hoher Wärmeleitfähigkeit. Die Rohre 22,23 dienen zum Umwälzen von Wasser oder einem andern Kühlmittel durch die Form, um diese relativ kühl zu halten. In dem Masse, in welchem dem oberen Ende des Stranges 21 weiteres Material zugeführt wird, kann der Strang durch eine übliche Vakuumsperre 24 abgezogen und entsprechend abgelängt oder in jeder gewünschten Weise verwendet werden.
Das schmelzflüssige Material bildet am oberen Ende des Stranges 21 eine Lache, die in einer bei 25 strichliert angedeuteten Mulde des bereits erstarrten Materials angeordnet ist, so dass das schmelzflüssige Material kaum mit der Kokille 20 oder dem Tiegel 5 in Berührung kommt und daher auch Materialien verarbeitetwerden können, die im schmelzflüssigen Zustand eine hohe chemische Aktivität besitzen.
Zur Erzeugung von dichten, stark entgasten und porenfreien Strängen muss der l ache am oberen Ende des Stranges 21 eine beträchtliche Wärmemenge zugeführt werden. Dies wird ebenfalls durch Elektronenbeschuss bewirkt. Die als Anode wirkende Lache ist über die Kupferkokille 20 und die Metallwände des Vakuumbehälters geerdet. Selbst ein Material wie Quarz, das gewöhnlich als guter elektrischer Isolator angesehen wird, hat im schmelzflüssigen Zustand eine genügende elektrische Leitfähigkeit, um eine wirksame Erhitzung des schmelzflüssigen Materials durch Elektronenbeschuss der als Anode wirkenden Lache zu ermöglichen. Das hier beschriebene Verfahren ist daher nicht auf Metalle u. dgl. eingeschränkt, eignet sich aber ausgezeichnet zum Schmelzen und Giessen verschiedener Metalle.
Die Elektronen zum Beschuss der Schmelzlache werden von einer ringförmigen Kathode geliefert, die knapp oberhalb des oberen Endes der Kokille 20 koaxial mit dieser angeordnet ist. Diese zuletztgenannte Kathodenanordnung besteht aus einer ringförmigen Glühkathode 26, beispielsweise einer Wolframdrahtschleife, die innerhalb eines Fokussierungsringes 27 angeordnet ist. Der Ring 27 hat, wie dargestellt, einen nach innen offenen U-förmigen Querschnitt und steht mit der Kathode 26 über einen Streifen oder einen Block 28 aus Metall in Verbindung, welche die Abschirmung 27 auf dem Kathodenpotential hält und die Kathode abstützt. Die Enden der Kathode 26 sind über die Leitungen 29 und 30 mit einer elektrischen Stromquelle verbunden. Isolatoren zur Durchführung der Leitungen 29 und 30 durch die Wände des Vakuumbehälters 1 sind bei 33 und 32 angedeutet.
Die Stromquelle 31 liefert über die Leitungen 29 und 30 den Strom zur Kathode 26 zwecks Erzeugung einer reichlichen Elektronenemission und hält ferner die ganze Kathode 26 auf einem hohen negativen Potential von beispielsweise 15000 V gegenüber der am oberen Ende des Stranges 21 befindlichen Lache aus schmelzflüssigem Material. Durch die angelegte hohe Spannung werden die von der Kathode 26 emittierten Elektronen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und erhitzen die Lache aus schmelzflüssigem Material bei ihrem Auftreffen.
In der Zeichnung ist die Einrichtung infolge des Weglassens von Wärmeabschirmungen, Tragorganen u. dgl., die vom Fachmann ohne weiteres vorgesehen werden können, vereinfacht dargestellt. Natürlich kann gegebenenfalls eine Flüssigkeitskühlung für die Fokussierungsringe 16 und 27 u. a. übermässig stark erhitzte Teile der Konstruktion vorgesehen sein. Derartige Einzelheiten sind jedoch für eine Beschreibung der Erfindung überflüssig, da diese nicht die Einrichtung, sondern das Verfahren und die Betriebsbedingun-
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gen betrifft. Daher sind im vorliegenden Zusammenhang die baulichen Einzelheiten der Einrichtung un- wesentlich, sofern sie nicht die hier beschriebene Arbeitsweise und die Betriebsbedingungen beeinflussen.
In Fig. 1 deutet der Pfeil 34 an, dass der Strang 21 von Zeit zu Zeit dadurch abgesenkt werden kann, dass ein Teil des Stranges durch die Vakuumsperre 24 herausgezogen wird, so dass die am oberen Ende des Stranges 21 angeordnete Schmelzlache in der Nähe des oberen Randes der Kokille 20 bleibt. Die Pfeile 35 und 36 deuten das Umwälzen des Kühlmittels in der Kokille 20 mittels der Rohre ze und 23 an. Der
Pfeil 37 deutet die ständige Evakuierung von gasförmigem Material aus dem Vakuumbehälter 1 mit Hilfe der Vakuumpumpe 3 an, so dass in dem Vakuumbehälter während des Betriebes ein Hochvakuum aufrecht- erhalten wird, wenn während des Betriebes Gase und Dämpfe von dem Behandlungsgut entwickelt werden.
Das Erhitzen des Tiegels 5 erfolgt direkt durch den Elektronenbeschuss von der Kathode 9. In diesem
Fall ist die Kathode gegenüber den sich entwickelnden Gasen und Dämpfen genügend abgeschirmt und es ist nicht übermässig schwierig, eine stabile Entladung aufrechtzuerhalten. Jede Tendenz zur Lichtbogen- bildung oder andern Formen des elektrischen Durchschlages wird durch die Verwendung einer Stromquel- le 12 mit hoher Impedanz verhindert, durch die bei Auftreten von übermässig starken Strömen die ange- legte hohe Spannung rasch absinkt. Vorzugsweise wird das Erhitzen des Tiegels 5 durch Steuerung des
Emissionsstroms der Kathode 9 geregelt, was durch Regelung des über die Leiter 10 und 11 zugeführten
Kathodenstroms geschehen kann. Die Stabilisierung der Entladung zwischen der Kathode 26 und der
Schmelzlache am oberen Ende des Stranges 21 ist schwieriger.
Wie dies erzielt werden kann, wird nach- stehend ausführlich beschrieben.
Beim Erhitzen von Materialien durch Elektronenbeschuss können Gase und Dämpfe in dem Elektronen- entladungssystem ionisiert werden. Selbst in einem ziemlich guten Vakuum können auf diese Weise gebildete positive Ionen eine beträchtliche Neutralisierung der negativen Raumladung des Elektronenstroms bewirken. Dies ermöglicht zwar einen stärkeren Elektronenstrom, doch führt es zu andern Problemen und Schwierigkeiten, insbesondere hinsichtlich der Stabilität der Entladung.
Mit der Zunahme der Ionenzahl wächst auch die Tendenz zur Bildung eines Lichtbogens oder einer Glimmentladung entweder zwischen den Primärelektroden (der elektronenemittierenden Kathode und der von dem beschossenen Material gebildeten Anode) oder zwischen einer dieser Elektroden und andern Bauteilen, beispielsweise den Wänden des Vakuumbehälters. Bei hohen Schmelzgeschwindigkeiten wird dieses Problem noch durch die Tatsache verschärft, dass das schmelzflüssige Material gewöhnlich ausser Dämpfen des Materials selbst beträchtliche Mengen von absorbierten und adsorbierten Gasen entwickelt, die nicht gleichmässig, sondern in verschieden grossen Mengen bzw. in plötzlichen Ausbrüchen freigesetzt werden.
Ferner kann ein beträchtliches Verspratzen des schmelzflüssigen Materials erfolgen, was wieder zur Bildung von Ionen und ausserdem'zur Verunreinigung der Kathode und anderer Bauteile führen kann, so dass örtliche Bereiche oder Stellen besonders starker Elektronenemission entstehen, welche die Bildung eines Lichtbogens und anderer Arten des elektrischen Durchschlags sehr begünstigen.
Wenn diese Bedingungen nicht auf die nachstehend beschriebene Weise kontrolliert werden, ist dauernd eine hohe Wahrscheinlichkeit für die Bildung einer unkontrollierten, selbständigen Entladung von geringem Widerstand vorhanden, welche die Aufrechterhaltung der gewünschten Arbeitsbedingungen verhindert. Infolge dieser Unstabilitätsprobleme ist es bisher nicht möglich gewesen, eine Raumladungsneutralisierung dazu zu verwenden, den Elektronenstrom so weit zu vergrössern, wie es zur Anwendung des Elektronenbeschusses für technische Schmelz-und Giessarbeiten notwendig ist. Im Gegenteil war es not- wendig, die Schmelzgeschwindigkeit zu begrenzen und die Kathode in einem solchen Abstand von dem schmelzflüssigen Material anzuordnen, dass der Elektronenstrom durch die negative Raumladung im Bereich der Kathode auf kleine Werte begrenzt wurde.
Bisher konnte die Erhitzung durch Elektronenbeschuss nur bei laboratoriumsmässigem Arbeiten angewendet werden, bei dem nur kleine Materialmengen mit hohen Kosten verarbeitet werden.
Die Erfindung löst die vorgenannten Unstabilitätsprobleme durch eine Kombination von mehreren neuartigen Massnahmen. zu denen vor allem die Herstellung und Aufrechterhaltung eines Druckgefälles in dem Raum zwischen Anode und Kathode gehört. Zu diesem Zweck wird ständig gasförmiges Material im Bereich der Anode in den Raum zwischen den Elektroden zugeführt, beispielsweise durch die Entwicklung von Gasen und Dämpfen von der Anode, und durch den Betrieb der Vakuumpumpe, welche Gase und Dämpfe durch die ringförmige Kathode hindurch abzieht und durch die Kondensation von Dämpfen an den kühleren Teilen der Kathode und ihrer Abschirmung ständig aus dem Bereich der Kathode entfernt.
Wenn das dem Raum zwischen den Elektroden zugeführte gasförmige Material hauptsächlich aus Gasen und Dämpfen besteht, die von der durch den Beschuss erhitzten Anode entwickelt wurden, kann die Menge, in der dieses gasförmige Material zugeführt wird, in beträchtlichem Masse durch Regelung der
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der Elektronenentladung zugeführten elektrischen Leistung und damit der der Anode zugeführten Wärme- menge geregelt werden.
Auf jeden Fall wird die Menge, in der dieses gasförmige Material zugeführt wird, in einer solchen Beziehung mit der Evakuierungsgeschwindigkeit reguliert und gehalten, dass der Druck an der Anode um mindestens eine Grössenordnung (das Zehnfache) höher ist als der Druck an der Kathode und wird die durchschnittliche Gasdichte in dem Raum zwischen den Elektroden so niedrig gehalten, dass eine beträchtliche Mehrheit der von der Kathode zur Anode fliegenden Elektronen keine ionisierenden Zu- sammenstösse mit diesem gasförmigen Material erfährt. Auf diese Weise erzeugen die Primärelektronen nur wenige Ionen und werden die von ihnen erzeugten Ionen vorwiegend in der Nähe der Anode erzeugt, wo die grösste Gasdichte besteht.
Weitere Ionen werden durch von der Anode emittierte sekundäre und
Glühelektronen erzeugt, u. zw. ebenfalls hauptsächlich in der Nähe der Anode. Die Kathode ist somit eine Quelle von Elektronen und ein Bereich in der Nähe der Anode ist eine Quelle von positiven Ionen.
Im allgemeinen ist die Ionendichte eine direkte Funktion sowohl des Elektronenstroms als auch der Dich- te des gasförmigen Materials. Die lonendichte in der Nähe der Anode kann so hoch werden, dass ein Ionenplasma gebildet wird, d. h. ein stark ionisierter Bereich von hoher elektrischer Leitfähigkeit und im wesentlichen neutraler elektrischer Ladung. Dieses Plasma erstreckt sich von der Anode weg in Richtung auf die Kathode, aber nicht bis zu ihr. Da das Plasma ein guter elektrischer Leiter ist, nimmt das ganze Plasma ein elektrisches Potential an, das sich nur wenig (um weniger als etwa 50 V) von dem Potential der Anode unterscheidet, so dass das Plasma eine virtuelle Anode für die Elektronenentladung bildet. Diese Anode ist so fein, dass nur wenige der Primärelektronen mit den Teilchen innerhalb des Plasmas zusammenstossen.
Die meisten Primärelektronen wandern direkt durch das Plasma und treffen auf der schmelzflüssigen Oberfläche der wirklichen Anode auf und erhitzen diese. Durch die Fokussierung des Gases wird der Elektronenstrom auf die schmelzflüssige Oberfläche konzentriert, von der das gasförmige Material entwickelt wird, und wird der Elektronenbeschuss über diese Fläche verteilt, so dass der Schmelzspiegel im wesentlichen einheitlich erhitzt wird und nur eine geringe Leistung durch den Beschuss von relativ kühlen Flächen, beispielsweise der Fläche der wassergekühlten Kokille verloren geht.
Das Plasma ist von einer Hülle von positiver Raumladung umgeben. Der grösste Teil der angelegten Spannung liegt zwischen dieser Hülle und der Kathode. Diese Hülle unterscheidet sich etwas von den bekannten Umhüllungen von andern elektrischen Entladungen dadurch, dass die vorliegende Hülle einen mehr dynamischen Charakter hat. Das Druck-und Dichtegefalle in dem Entladungsbereich bewirkt einen ständigen Materialfluss- durch die Hülle, so dass die einer Materialströmung sowie Wärmebewegungen und elektrischen Kräften ausgesetzten Ionen ständig durch die Hülle hindurch auswärts wandern und durch neue Ionen ersetzt werden, die ebenfalls durch das Plasma hindurch auswärts wandern. Auf diese Weise wird ein Bereich einer dynamisch aufrechterhaltenen positiven Raumladung geschaffen.
Mit diesen Unterschieden kann man den das Plasma umgebenden Raumladungsbereich als positive lonenhülle bezeichnen.
Die von der Kathode zur Anode wandernden Elektronen werden durch die angelegte Spannung auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Diese Spannung kann eine Grössenordnung von 10 - 20000 V haben. Die Elektroden erzeugen beim Beschuss der Anode eine beträchtliche Wärmeleistung. Aus der Ionenhülle zur Kathode wandernde positive Ionen bewirken eine Neutralisierung oder sogar Überneutralisierung der negativen Raumladung des Elektronenstroms. Daher ist der Elektronenstrom nicht raumladungs begrenzt, sondern steigt auf einen Sättigungswert, der durch die Emission der Kathode begrenzt ist. Somit kann der Elektronenstrom durch Regelung der Emission der Kathode gesteuert werden. In der Praxis wird dies durch Verwendung einer Glühkathode bewirkt, deren Heizstrom zur Steuerung des Emissionsstroms geregelt wird.
Das hier beschriebene Druckgefälle ist für die Stabilität der zur Erhitzung der Anode angewendeten, stark neutralisierten Elektronenentladung wesentlich. Ohne dieses Gefälle würden das Plasma und seine [onenhülle trachten, sich der Kathode stärker anzunähern und würde die Entwicklung einer örtlichen Stromkonzentration oder einer infolge eines Gasausbruches von der Anode vorübergehend ansteigenden Gasdichte zur Lichtbogenbildung oder andern Formen des elektrischen Durchschlages dadurch führen, dass ein Teil der Kathode mit einer zur Einleitung einer selbständigen niedriggespannten Entladung genügenden Anzahl positiver Ionen beschossen wird.
Das Löschen von derart gebildeten Lichtbogen wird zwar durch die Verwendung einer Spannungsquelle hoher Impedanz erleichtert, wie sie vorzugsweise im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, doch genügt eine derartige Spannungsquelle allein ahane das Druckgefälle, nicht zur Regelung der leistungsstarken Entladungen, die mit dem Druckgefälle erzielt und stabilisiert werden.
Die Wirksamkeit des Druckgefälles hinsichtlich der Stabilisierung der Entladung ist wahrscheinlich auf seinen Einfluss auf die lonendichteverteilung zurückzuführen. Infolge des kleinen Spannungsgefälles
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innerhalb des Plasmas ist die Geschwindigkeit der lonenwanderung entsprechend gering und ist die Ionen- dichte der Dichte des gasförmigen Materials annähernd proportional. Die eine das Plasma umgebende po- sitive 10nenhUlle bildenden Ionen werden von den Rändern des Plasmas zugeführt und positive Ionen, wel- che die Ionenhillle durchwandert haben, werden durch das relativ starke Spannungsgefälle zwischen der
Ionenhülle und der Kathode rasch zur Kathode angezogen.
In dem Masse, in dem sich das Plasma zur Ka- thode hin ausdehnt, nehmen daher die Ionendichten an den Rändern des Plasmas und in der innenhülle ab, so dass nur wenige Ionen für den Beschuss der Kathode und die Neutralisierung der negativen Raumladung des Elektronenstroms zur Verfügung stehen.
Das Plasma bildet somit eine sich selbst regelnde Ionenquelle, und bei konstantem Elektronenstrom nehmen der Ionenstrom und die Verringerung der positiven Raumladung mit der Expansion des Plasmas zu.
Zum Unterschied von den Bedingungen bei einer Lichtbogen- oder sonstigen widerstandsarmen Entladung verhindert diese Eigenschaft eine übermässig starke Ausdehnung des Plasmas und stabilisiert die Entladung bei Stromdichten und Gasdrücken, die weit höher sind, als sie bei bekannten hochgespannten elektrischen
Entladungen an der Stabilitätsgrenze vorhanden sind. Ausserdem erhöht das Druckgefälle und die darauf zurückzuführende geringe Dicke des Hochdruckbereichs in der Nähe der Anode die Wahrscheinlichkeit für das Entweichen von Gasmolekülen, die von der Anode entwickelt wurden, und erfolgt die Entgasung des
Anodenmaterials viel rascher und vollständiger, als es angesichts der an der Anodenoberfläche vorhande- nen örtlichen Drücke zu erwarten wäre.
Fig. 2 zeigt im grösseren Massstab ein Detail mit der wassergekühlten Kokille 20 und der ihr zugeord- neten Kathodenanordnung der Einrichtung nach Fig. 1. Der Strang 21 kann beispielsweise einen Durch- messer von 38 mm, die Kathode 26 kann eine Wolframdrahtschleife von 76 mm Durchmesser sein ; die andern Abmessungen der Konstruktion können diesen Durchmessern annähernd wie dargestellt proportional sein. Die vorgenannten Abmessungen haben sich bei der Verarbeitung von Titan u. dgl. als sehr zweckmässig bewiesen, müssen aber für andere Materialien nicht unbedingt ideal sein. Im allgemeinen kann ein Material, das während der Verarbeitung grössere Mengen von gasförmigem Material entwickelt, eine Kathodenanordnung von grösserem Durchmesser erfordern, die in einem etwas grösseren Abstand von der Anode angeordnet ist..
Ferner können zur Erzeugung von grösseren Strängen grössere Öfen gebaut werden.
Es haben sich auch Einrichtungen zum Giessen von Strängen von 76 mm Durchmesser bewährt, wobei die andern Abmessungen der Konstruktion annähernd proportional der Vergrösserung des Strangdurchmessers ebenfalls vergrössert wurden.
Die ringförmige Kathode ist koaxial mit der Anode nahe bei dieser angeordnet. Im allgemeinen ist der optimale Abstand zwischen Anode und Kathode gewöhnlich kleiner als der Kathodendurchmesser. Die die Anode bildende Schmelzlache entwickelt beträchtliche Mengen gasförmiges Material, u. zw. sowohl Dämpfe des Behandlungsgutes als auch Gase, die von diesem Material im Lauf von bei höheren Drücken durchgeführten Vorbehandlungen absorbiert oder adsorbiert worden sind. Es ist also ein ständiger Fluss von gasförmigem Material vom oberen Rand der Kokille 20 weg in den Vakuumbehälter hinein vorhanden.
Der grösste Teil dieses gasförmigen Materials strömt durch die ringförmige Kathodenanordnung. In der Strömungsrichtung ist natürlich ein Druckgefälle vorhanden. Fig. 2 zeigt typische Strömungs- und Druckbedingungen. Dabei bezeichnen die Pfeile 38 die allgemeine Strömungsrichtung, während die strichlierten Linien 39 Linien gleichen Drucks darstellen.
Ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemässen Erhitzungsverfahrens ist die Regelung der Menge, in der gasförmiges Material im Bereich der Anode dem Raum zwischen den Elektroden zugeführt wird, beispielsweise durch die Entwicklung von Gasen und Dämpfen von der Anode, und die Korrelation dieser Menge mit der Menge, in der durch den Betrieb der Vakuumpumpe gasförmiges Material aus dem Bereich der Kathode abgezogen wird..
Die Vakuumpumpe soll eine genügend hohe Kapazität haben, um in dem ganzen Bereich, der die dargestellte Elektrodenanordnung umgibt, ein hohes Vakuum von im allgemeinen weniger als etwa 1/10 Mikron Quecksilber aufrechtzuerhalten, so dass nur eine kleine Wahrscheinlichkeit dafür besteht, dass ein Teilchen aus gasförmigem Material, das über die. äusserste strichlierte Linie 39 hinausgelangt ist, wieder in den Entladungsbereich zurückkehrt. im allgemeinen kann die Menge, in der gasförmiges Material von der Anode entwickelt wird, durch Regelung der Zuführung von schmelzflüssigem Material und durch Regelung der Erzeugung von Wärme an der Anodenoberfläche geregelt werden.
Die erste Regelung erfolgt durch die Regelung der elektrischen Leistung, die dem oberen Entladungssystem der Einrichtung nach Fig. 1 zugeführt, und damit der Geschwindigkeit, mit der das Material in dem Tiegel 5 geschmolzen wird. Die zweite Regelung wird dadurch bewirkt, dass die elektrische Leistung geregelt wird, die der Entladung zwischen der Kathode 26 und der Anodenoberfläche am oberen Ende des Strangs 21-zugeführt wird.
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In der geometrischen Anordnung der Elektroden ist das Verhältnis zwischen dem Abstand zwischen
Anode und Kathode und dem Anodendurchmesser von grosser Bedeutung. Beim Übergang vom Arbeiten im kleinen auf das Arbeiten im grossen Massstab kann der Abstand zwischen Anode und Kathode im wesentlichen gleich bleiben. Bei Vergrösserung des Massstabes, in dem die Arbeiten durchgeführt werden, machen jedoch die erforderlichen Anoden von grösserem Durchmesser und die vermehrte Gasentwicklung eine neue Metho- de zur Stabilisierung der elektrischen Entladung notwendig. Diese Methode wird anschliessend erläutert.
Selbst wenn unmittelbar über dem oberen Ende des Stranges 21 ein relativ hoher Druck vorhanden ist, erfolgt das Entgasen des schmelzflüssigen Materials infolge des steilen Druckgefälles und der relativ ge- ringen Dicke der Hochdruckzone mit grosser Geschwindigkeit. Das heisst, dass die Wahrscheinlichkeit des Entweichens der Gasteilchen, trotz der örtlichen Hochdruckzone. angemessen hoch bleibt. Obwohl im unmittelbaren Bereich der Anode häufig Zusammenstösse zwischen Gas- und Dampfteilchen erfolgen, so dass ein kleiner Teil der sich entwickelnden gas-bzw. dampfförmigen Substanzen in die Anode zurückgetrieben werden kann, erre : cht ein grosser Teil derselben einen Bereich von so niedrigem Druck, dass die
Wahrscheinlichkeit seiner Rückkehr zur Anode vernachlässigbar ist.
Auf diese Weise wird in dem ganzen Raum zwischen Kathode und Anode ein beträchtliches Druckgefälle geschaffen. Infolge des relativ kleinen Abstandes zwischen Kathode und Anode und der hohen Evakuierungsleistung der Vakuumpumpe wird trotzdem die durchschnittliche Dichte des gasförmigen Materials in dem Raum zwischen den Elektroden so niedrig gehalten, dass die überwiegende Mehrzahl (wahrscheinlich viel mehr als 900/0) der Elektronen, die von der Kathode zur Anode wandern, unterwegs mit keinem Teilchen des gasförmigen Materials zusammenstossen und dass ein noch grösserer Prozentsatz der Primärelektronen ihren Weg von der Kathode zur Anode zurücklegen, ohne ein Gas- oder Dampf teilchen zu ionisieren.
Die relativ wenigen Primärelektronen, die mit Teilchen von gasförmigem Material zusammenstossen, haben eine so grosse Energie (mehrere Tausend Elektronenvolt), dass der lonisierungsquerschnitt (die Wahrscheinlichkeit eines ein Ion erzeugenden Zusammenstosses) äusserst klein ist. Infolgedessen ist die Erzeugung von Ionen durch direkte Wirkung der Primärelektronen klein und ist wahrscheinlich ganz vernachlässigbar. Die Ionen werden meistens im Bereich der Anode erzeugt, wo die Gasdichte am grössten ist.
Anderseits werden durch die Sekundäremission infolge des Beschusses durch die Primärelektronen und durch die Glühelektronenemission infolge der hohen Temperatur der schmelzflüssigen Anode zahlreiche langsame Elektronen von der Anode emittiert. Diese langsamen Elektronen haben nur selten Geschwindigkeiten über 1000 eV, so dass das elektrische Feld im wesentlichen verhindert, dass sie über die Äquipotentiallinie für-50 V wandern.. Diese langsamen Elektronen trachten im Bereich der Anode zu bleiben und können im Bereich der Anode viele Ionen erzeugen. Tatsächlich kann eine so starke Ionisierung erfolgen, dass ein lonenplasma gebildet wird, das sich von der Anode weg in Richtung zur Kathode, aber nicht bis zu ihr erstreckt.
Das Plasma ist ein guter elektrischer Leiter und bildet eine virtuelle Anode für den von der Kathode emittierten Elektronenstrom. Von den Rändern des Plasmas wandern positive Ionen weg, nicht nur unter der Wirkung der Wärmebewegung und unter dem Einfluss des geringen Spannungsgefälles in dem Plasma, sondern auch infolge des Druckgefälles und des hier beschriebenen, von der Anode weg gerichteten Materialflusses. Beim Durchwandern des das Plasma umgebenden Bereiches bilden die positiven Ionen eine das Plasma umgebende Schicht von positiver Raumladung bzw. eine Ionenhülle. Der grösste Teil der angelegten hohen Spannung ist nun zwischen dieser lonenhülle und der Kathodenanordnung vorhanden.
Das Plasma ist jedoch so dünn, dass die Mehrheit der Primärelektronen durch das Plasma hindurch zu der Schmelzlache gelangt, ohne dass sie unterwegs einen Zusammenstoss erfahren. Somit bewirkt das Gas eine Fokussierung, so dass die schnellen Elektronen der Schmelzlache zugeführt werden und die Energieverluste durch unerwünschten Beschuss der Kokille 20 und anderer re. ativ kuhler Teile auf ein Minimum reduziert werden.
Fig. 3 zeigt eine typische Anordnung des elektrischen Feldes und der Ionendichte. Die strichlierten Linien in Fig. 3 stellen Äquipotentiallinien dar und die kleinen Kreise mit Plus- oder Minuszeichen deuten die elektrische Ladungsverteilung an, d. h., dass Bereiche, in denen Kreise mit Minuszeichen vor- herrschen, Bereiche mit einer negativen Raumladung sind, die durch negative Ionen und Elektronen erzeugt wird, während Bereiche, in denen Kreise mit Pluszeichen vorherrschen, Bereiche einer resultierenden positiven Raumladung sind, die durch positive Ionen erzeugt wird, während Bereiche, in denen Kreise mit Plus- und Minuszeichen in annähernd gleicher Zahl vorhanden sind, Plasmabereiche von annähernd neutraler Raumladung darstellen.
Somit ist zwischen der Anode 21 und der Äquipotentiallinie 40 für-SO V ein Ionenplasma vorhanden,
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das positiv geladene Teilchen 41 und negativ geladene Teilchen 42 enthält. Knapp ausserhalb der koni- schen Äquipotentiallinie 40 ist dieses Plasma von einer positiven Ionenhülle umgeben, die vorwiegend aus positiv geladenen Teilchen 43 besteht. Der grösste Teil der angelegten hohen Spannung ist zwischen dieser lonenhülle und der ringförmigen Kathodenanordnung vorhanden, was durch die Äquipotentialli- nien 44,45, 46 mit Potentialdifferenzen von etwa je 3500 V angedeutet wird. Die Kathode 26 kann von einer dünnen, vorwiegend negativen Raumladungswolke 47, umgeben sein, deren Elektronen in loser Bindung mit der Kathodenoberfläche stehen oder von ihr wegströmen.
Durch die Wärmebewegung und das Druckgefälle werden einzelne ionisierte Teilchen von dem Plas- ma weg durch die ringförmige Kathode und ihre Abschirmung gefilhrt. Da das elektrische Feld die positiven Ionen zur Kathode hin anzieht, wirkt die ringförmige Kathode etwa wie ein Ionenfilter, welches positive Ionen aus dem Gasstrom entfernt. Infolgedessen hat der Bereich oberhalb der Kathodenanordnung eine negative resultierende Raumladung, wie durch die Kreise 48 angedeutet ist.
Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bewegen sich Elektronen von der Kathode zur Innenhülle hin und werden auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Innerhalb des Raumes zwischen den Elektroden wird der Gasdruck durch die ständig arbeitende Hochleistungsvakuumpumpe so niedrig gehalten, dass nur wenige dieser Primärelektronen mit Teilchen des gasförmigen Materials zusammenstossen, bevor oder nachdem sie In das Ionenplasma eingetreten sind. Infolgedessen bewegen sich die Primärelektronen mit hohen Geschwindigkeiten durch das Plasma und erzeugen durch den Beschuss des oberen Teiles der Anode 21 eine beträchtliche Wärmeleistung.
Dadurch wird an der Anode 21 eine Schmelzlache gebildet und aufrechterhalten und werden von dieser Lache zahlreiche langsame Elektronen emittiert, u. zw. sowohl durch thermionische Emission infolge der hohen Temperatur des schmelzflüssigen Materials als auch durch Sekundäremission infolge des Beschusses dieses Materials durch die schnellen Primärelektronen.
Da das Spannungsgefälle innerhalb des stark leitfähigen Plasmas klein ist, können die langsamen Elektronen eine gewisse Zeit in dem Plasma verbleiben und durch Zusammenstoss mit Teilchen von gasförmigem Material sowohl positive als auch negative Ionen erzeugen. Überschüssige negative Ladungen kehren zur Anode zurück, so dass die resultierende Raumladung des Plasmas im wesentlichen neutral ist, während seine elektrische Leitfähigkeit infolge seines relativ hohen Ionisierungsgrades hoch ist. Infolgedessen nimmt das Plasma als Ganzes ein elektrisches Potential an, das sich nur wenig (im allgemeinen weniger als 50 V) von dem Anoden-bzw.
Erdpotential unterscheidet. Das Plasma passt seine Grösse der Geschwindigkeit der lonenbildung an und wächst bei zunehmender Ionisierungsgeschwindigkeit, wobei es sich von der Anode zur Kathodenanordnung hin ausdehnt.
Das elektrische Feld verhindert im wesentlichen jede Wanderung von Ionen von dem Plasma zur Kathodenanordnung hin. Positive Ionen können dagegen von dem PlasmÅa weg wandern und werden beim Eintritt in einen Bereich starken Spannungsgefälles beschleunigt, so dass sie sich rasch zur Kathodenanordnung hin bewegen. Infolgedessen ist ein Elektronenstrom von der Kathode 26 zum Plasma und ein positiver Ionenstrom vom Plasma zur Kathode 26 und dem Fokussierungsring 27 vorhanden. Innerhalb jedes kleinen Teilstückes der Stromwege ist die negative Raumladung der Stärke des Elektronenstroms direkt und der Geschwindigkeit der Elektronen umgekehrt proportional, während die positive Raumladung dem positiven Ionenstrom direkt und den Geschwindigkeiten der positiven Ionen umgekehrt proportional ist.
Infolge ihrer viel grösseren Massen bewegen sich die positiven Ionen viel langsamer als die negativen Elektronen. Obwohl der positive Ionenstrom daher beträchtlich schwächer ist als der Elektronenstrom, ist die resultierende Raumladung in dem grössten Teil des Bereiches zwischen der Kathode und dem Plasma im wesentlichen neutral oder sogar positiv. Eine Ausnahme kann in Form einer sehr dünnen Elektronenhülle in der unmittelbaren Nachbarschaft der Kathode 26 vorhanden sein.
Bei den in den bisherigen, mit Elektronenbeschuss arbeitenden Erhitzungssystemen verwendeten niedrigen Stromdichten und bei Inbetriebnahme der erfindungsgemässenEinrichtung bis zu einer für eine Neutralisierung der Raumladung genügenden Ionisierung kann die die Kathode umgebende negative Raumladung eine solche Stärke und Ausdehnung haben, dass sie den Elektronenstrom begrenzt. Beim Arbeiten mit hohen Stromdichten unter den erfindungsgemäss vorgesehenen Bedingungen ist jedoch die Schicht negativer Raumladung zu klein, um den Strom beträchtlich zu begrenzen, so dass der Elektronenstrom im wesentlichen nur durch die Emission von der Kathode 26 begrenzt wird.
Wie vorstehend erläutert, wandern positive Ionen von den Rändern des Plasmas weg und bilden eine dieses Plasma umgebende positive Ionenhülle. Wenn diese Ionen in das starke elektrische Feld zwischen der Kathodenanordnung und dem Plasma eintreten, werden sie von dem Feld beschleunigt und wandern mit zunehmender Geschwindigkeit auf die Kathodenanordnung zu. Der positive Ionenstrom wird natürlich nur durch den Vorrat der an den Rändern des Plasmas und in der lonenhülle vorhandenen Ionen begrenzt.
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Dieser Vorrat regelt sich in einer nachstehend beschriebenen Weise selbst.
Bei der Inbetriebnahme, d. h. beim Anschluss der elektrischen Stromquelle, ist die Ionisierungsge- schwindigkeit klein und wird der Elektronenstrom durch seine eigene negative Raumladung begrenzt. Der
Spannungsverlauf über der Strecke zwischen Anode und Kathode wird durch eine aufwärts konkave, mehr oder weniger parabelförmige Kurve dargestellt, wie sie für eine Vakuumdiode typisch ist. Wenn sich die
Anode erwärmt und beginnt, beträchtliche Mengen gasförmiges Material zu entwickeln und langsame
Elektronen in beträchtlicher Anzahl zu emittieren, entwickelt sich im Bereich der Anode ein lonenvorrat, der ein Plasma bilden kann.
Wenn die Kathodenanordnung in genügendem Abstand von der Anode gehal- ten wird, wie dies bisher üblich war, können die auf diese Weise erzeugten Ionen nur einen Teil der ne- gativen Raumladung neutralisieren und wird die Stabilität der Entladung durch die Begrenzung des Elektro- nenstroms durch die Raumladung aufrechterhalten. Wenn die Kathodenanordnung jedoch relativ nahe bei der Anode vorgesehen ist, wie hier beschrieben ist, nimmt die Raumladungsneutralisierung bis zu einem
Punkt zu, an dem die negative Raumladung keine Begrenzung des Stroms mehr bewirkt, so dass der Elek- tronenstrom nur noch durch die Emission der Kathode begrenzt ist. Infolgedessen werden hohe Stromdich- ten erzielt, doch treten Stabilitätsprobleme auf, die bisher den Betrieb einer Hochspannungsentladung bei derartigen Stromdichten und vergleichbaren Gasdrücken verhindert haben.
Insbesondere erzeugt jede Vergrösserung der Stromstarke eine mehr als proportionale Vergrösserung der
Geschwindigkeit derlonenerzeugung, wobei das Plasma wächst und sich von der Anode zur Kathodenanord- nung hin auszudehnen trachtet. Da das Plasma ein guter Leiter ist, hat die Kurve, die den Spannungsver- lauf über der Strecke zwischen Kathode und Anode darstellt, einen fast horizontalen Teil, der sich durch den Bereich des Plasmas erstreckt und dessen Wert in der Nähe der Anodenspannung liegt, während die
Linie, welche den Spannungsverlauf zwischen der Kathode und dem Plasma darstellt, auf eine kleinere
Strecke zusammengedrängt ist und fortschreitend steiler wird. Daher ist in der Nähe der Kathode ein stärkeres Spannungsgefälle vorhanden und nimmt der Kathodenstrom bis zu dem Sättigungswert zu, der durch die Emission der Kathode gegeben ist.
Wenn sich das Plasma weiter ausdehnt und der Kathodenanordnung nähert, nimmt die Emission von Elektronen von der Kathode und ihrer Abschirmung, unabhängig von dem der Kathode zugeführten Heizstrom, zu, u. zw. infolge des Beschusses durch positive Ionen und möglicherweise durch andere Faktoren, beispielsweise die Feldemission infolge des in der Nähe der Kathode zunehmenden Spannungsgefälles. Daher besteht eine Tendenz zu einer negativen Widerstandscharakteristik mit hoher Wahrscheinlichkeit der Lichtbogenbildung und anderer Formen des elektrischen Durchschlages.
Erfindungsgemäss wird diese Unstabilität mit Hilfe des Druckgefälles überwunden, das durch die hier beschriebene Arbeitsweise geschaffen wird. Infolge dieses Druckgefälles nehmen die lonendichten innerhalb des Plasmas von einem hohe 11 Wert im unmittelbaren Bereich der Anode allmählich auf einen niedrigeren Wert in der Nähe der Ränder des Plasmas ab. In dem Masse, in dem sich das Plasma ausdehnt, nimmt daher der Ionenvorrat an den Rändern des Plasmas ab, so dass bei einer Ausdehnung des Plasmas nicht mehr, sondern weniger positive Ionen für den Beschuss der Kathode zur Verfügung stehen.
Auf diese Weise wird bei einer Kathodenanordnung, die so nahe an der Anode vorgesehen ist, dass die Stromstärke nicht mehr durch die negative Raumladung begrenzt wird, eine Stabilität erhalten und können stabile hochgespannte Elektronenentladungen bei Stromstärken aufrechterhalten werden, die viel höher sind, als sie bisher bei für gleiche Zwecke und unter sonst ähnlichen Bedingungen möglich waren.
Bei der Höchststromstärke kann trotzdem eine gewisse Tendenz für eine örtliche Lichtbogen- und Funkenbildung vorhanden sein, besonders wenn ein Material behandelt wird, das gasförmiges Material in plötzlichen Ausbrüchen von beträchtlicher Stärke entwickeln kann oder besonders zum Verspratzen neigt. Beim Arbeiten nach den hier dargelegten Grundsätzen können diese örtlichen Lichtbögen jedoch durch Massnahmen kontrolliert werden, die für sich allein nicht genügen würden. Beispielsweise wird eine Hochspannungsquelle von hohem Innenwiderstand verwendet, so dass jede Zunahme des Entladungssuoms eine Abnahme der angelegten Hochspannung bewirkt. Ferner kann der Heizstrom automatisch derart geregelt werden, dass die Emission des Kathodenfadens herabgesetzt wird, bis wieder stabile Bedingungen hergestellt sind.
Eine Ausführungsform einer elektrischen Stromquelle, die diesen Anforderungen genügt, ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Über ein stromkonstantes Netzwerk 54 wird ein von einer beliebigen Quelle entnommener Wechselstrom einem Gleichrichter 55 zugeführt. Die positive Ausgangsklemme des Gleichrichters 55 ist an die gewöhnlich geerdete Anode 21 und die negative Ausgangsklemme des Gleichrichters ist an die Kathode 26 angeschlossen, so dass zwischen Anode und Kathode eine hohe Gleichspannung von beispielsweise 15 000 V vorhanden ist. Diese Spannung ist jedoch nicht konstant, sondern schwankt in einem der Belastung der Stromquelle entgegengesetzten Sinn. Diese Schwankungen werden durch das
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stromkonstante Netzwerk 54 noch verstärkt.
Daher ist bei der Inbetriebnahme die Stromstärke infolge der negativen Raumladung gering, so dass die angelegte Hochspannung grösser ist als beim normalen Betrieb.
Das trägt dazu bei, die durch die Raumladung bewirkte Begrenzung der Stromstärke aufzuheben. Bei Be- ginn der Bildung eines Lichtbogens wird eine Erhöhung der Stromstärke durch das stromkonstante Netzwerk verhindert und fällt die angelegte Hochspannung rasch auf einen kleinen Wert.
Die Kathode 26 wird durch Wechselstrom geheizt, der über die Leitungen 29 und 30 von der Sekun- därwicklung 56 eines Heiztransformators zugeführt wird. Die Primärwicklung 56'des Heiztransformators ist in Reihe mit einer sättigbaren Drossel 57 an das Wechselstromnetz angeschlossen. Die Impedanz der sättigbaren Drossel 57 und damit die Temperatur der Kathode 26 wird mit einem der Steuerwicklung 57' zugeführten Gleichstrom geregelt.
Der Hochspannungsquelle ist, wie dargestellt, ein Spannungsteiler 58 parallelgeschaltet. Eine verstellbare Anzapfung 58'dieses Spannungsteilers ist über einen regelbaren Gleichstromverstärker 59 an die Steuerwicklung 57'angeschlossen. Bei zunehmender Spannung zwischen Anode 21 und Kathode 26 wird daher mehr Strom an die Steuerwicklung 57'angelegt, so dass die Impedanz der Drossel 57 abnimmt und mehr Strom zum Heizen des Kathodenfadens 26 zugeführt wird. Bei zunehmender Temperatur des Kathodenfadens nimmt seine Elektronenemission zu und nimmt die Impedanz der Elektronenentladung ab. Umgekehrt wird bei abnehmender Spannung zwischen Anode und Kathode der Heizstrom für den Kathodenfaden automatisch schwächer, so dass die Impedanz der Elektronenentladung zunimmt.
Die Anzapfung 58' und der Verstärker 59 werden so eingestellt, dass eine stabile Regelcharakteristik erhalten wird. Dann wird die Emission von Elektronen durch die Kathode automatisch so geregelt, dass in der Nachbarschaft der Kathode eine Ionendichte aufrechterhalten wird, die im wesentlichen zur Neutralisierung der elektronischen Raumladung genügt, aber nicht so gross ist, dass sie eine selbständige Entladung erzeugt.
Die Erfindung ist nicht auf Einrichtungen beschränkt, in denen das Behandlungsgut in einem Tiegel geschmolzen wird. Fig. 6 zeigt vorwiegend schematisch eine Einrichtung zum Schmelzen von stangenförmigem Material, das zu einem Strang umgegossen werden soll. Dieses Schmelzen und Umgiessen kann beispielsweise den Zweck haben, das Material durch Schmelzen und Giessen in einem Hochvakuum zu entgasen und zu reinigen. In der in Fig. dargestellten Ausführungsform können der Vakuumbehälter, die Pumpen usw. mit den entsprechenden Teilen der Einrichtung nach Fig. 1 identisch sein. Daher sind diese Teile in Fig. 6 nicht dargestellt.
Das Behandlungsgut wird in Form eines Blocks oder einer Stange 60 zugeführt, die über ihre nicht gezeigten Tragorgane geerdet ist. Das untere Ende der Stange 60 wird durch Elektronenbeschuss geschmolzen und Tropfen 61 des schmelzflussigen Materials fallen in eine wassergekühlte ringförmige Kupferkokille 62. Das Erhitzen und Schmelzen der Stange 60 durch Elektronenbeschuss wird mit Hilfe einer ringförmigen Kathode 63 bewirkt, die an eine elektrische Stromquelle 64 angeschlossen ist und immer in einem Fokussierungsring 65 angeordnet ist. In der Kokille 62 erstarrt das schmelzflüssige Material und bildet einen Strang 66, der durch den Boden der ringförmigen Kokille herausgezogen werden kann. Wie vorstehend beschrieben, wird eine Erhitzung durch Elektronenbeschuss dazu verwendet, um am oberen Ende des Stranges 66 eine Schmelzlache aufrechtzuerhalten.
Zu diesem Zweck ist eine ringförmige Kathode 67 vorgesehen, die an eine elektrische Stromquelle 68 angeschlossen und innerhalb eines Fokussierungsringes 69 angeordnet ist.
Die untere Anordnung 67,69 zum Erhitzen der Schmelzlache am oberen Ende des Stranges 66 ist in ihrer Ausbildung und Wirkungsweise mit der vorstehend an Hand der Fig. 1 - 5 beschriebenen Anordnung im wesentlichen identisch. Die obere Anordnung 63 - 65 zum Erhitzen des unteren Endes der Stange 60 entspricht im wesentlichen der unteren, ist jedoch auf den Kopf gestellt, so dass die Anode nicht unter, sondern über der Kathode angeordnet ist.
Man kann eine einzige Kathodenanordnung sowohl zum Erhitzen und Schmelzen des stangenförmigen Materials als auch zum Erhitzen der Schmelzlache am oberen Ende des Stranges verwenden. Dies ist in Fig. 7 dargestellt, in der das Behandlungsgut in Form einer Stange 70 zugeführt und der fertige Guss in Form eines Stranges 71 vom Boden einer wassergekühlten ringförmigen Kupferkokille 72 abgezogen wird. Die Kathodenanordnung weist eine ringförmige Kathode 73 auf, die an eine elektrische Stromquelle 74 angeschlossen und innerhalb eines Fokussierungsringes 75 angeordnet ist. Ein Teil der von der Kathode 73 ausgesendeten Elektronen fliegt aufwärts und erhitzt und schmilzt das untere Ende der Stange 70, während ein weiterer Teil der von der Kathode 73 ausgesendeten Elektronen abwärts fliegt und eine'Schmelzlache 76 am oberen Ende des Stranges 71 erhitzt.
Die Verteilung der elektrischen Leistung auf die beiden Anoden und damit das Verhältnis zwischen den an den beidenAnoden erzeugten Wärmemengen wird durch die Einstellung der Stange 70 in bezug auf die Kathode geregelt.
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Links von der Mitte der Fig. 7 stellen die Pfeile 77 die Richtung der Gasströmung und die strichlier- ten Linien 78 Linien gleichen Drucks dar. Von beiden Anoden wird gasförmiges Material entwickelt, das, wie durch die Pfeile 77 angedeutet, in den Vakuumbehälter strömt. Somit ist längs allen Entladungsstrek- ken zwischen der Kathode und den beiden Anoden ein beträchtliches Druckgefälle vorhanden.
Rechts von der Mitte der Fig. 7 stellen die Plus- und Minuszeichen enthaltende Kreise die vorherrschende elektrische Raumladung dar, während die strichpunktierten Linien Äquipotentiallinien darstellen.
Die beiden Anoden sollen so nahe beieinanderliegen, dass beide in denselben Entladungsraum eintauchen.
Tatsächlich kann sich zwischen den beiden Anoden ein Plasma erstrecken, wie durch die Kreise 79 mit
Pluszeichen und die ungefähr gleich grosse Anzahl von Kreisen 80 mit Minuszeichen angedeutet ist. Die Äquipotentiallinie für -50 V wird durch die strichpunktierte Linie 81 dargestellt. Das Plasma ist von einer positiven Ionenhülle umgeben, die durch Kreise 82 angedeutet ist. Der grösste Teil der angelegten Hochspannung ist zwischen dieser Ionenhtille und der ringförmigen Kathodenanordnung vorhanden. Die strichpunktierten Linien 83,84 und 85 stellen Äquipotentiallinien mit Potentialdifferenzen von etwa je 3500 V dar.
Unmittelbar um die Kathode 73 herum kann eine dünne Schicht von vorwiegend negativer Raumladung, dargestellt durch Kreise 86, vorhanden sein, die durch Elektronen erzeugt wird, die in loser Bindung mit der Kathode stehen oder von ihr wegströmen.
In der Anordnung nach Fig. 7 sind zwei Elektrodenentladungssysteme in einem einzigen vereinigt.
Jedes dieser Entladungssysteme arbeitet entsprechend den Grundsätzen der Erfindung im wesentlichen wie vorstehend beschrieben.
Die Erfindung kann auch zum Verdampfen von Materialien, beispielsweise zum Aufdampfen von dünnen Filmen und Überzügen angewendet werden. Eine Vakuum-Aufdampfeinrichtung ist schematisch in Fig. 8 dargestellt, in der die Vakuumpumpe, der Vakuumbehälter usw., die ähnlich wie die entsprechenden Teile der Fig. l ausgebildet sein können, der Einfachheit halber weggelassen worden sind. Das Verdampfungsgut 87 wird in einer Schale oder einem Tiegel 88 von beliebiger geeigneter Art angeordnet.
Ein mit dem verdampften Material zu überziehender Gegenstand ist bei 89 dargestellt. Der Tiegel 88 und der Gegenstand 89 sind über ihre nicht gezeigten Tragorgane geerdet.
Zum Erhitzen und Verdampfen des Materials 87 ist ein Elektronenbeschiessungssystem vorgesehen, das eine ringförmige Kathode 90 aufweist, die an eine elektrische Stromquelle 91 angeschlossen und innerhalb eines Fokussierungsrings 92 angeordnet ist. Das Material 87 wird, wie vorstehend beschrieben, durch Elektronenbeschuss erhitzt. In diesem Fall wird das Material 87 nicht nur geschmolzen, sondern auf eine so hohe Temperatur erhitzt, dass von dem Schmelzspiegel ein Dampfstrom aufsteigt, durch die ringförmige Kathode hindurchtritt und sich als Film oder Überzug auf dem Gegenstand 89 niederschlägt.
Wenn der zu erhitzende Körper nicht so viel gasförmiges Material entwickelt, dass das hier dargestellte Verfahren durchgeführt werden kann, kann von einer Hilfsgasquelle zusätzliches gasförmiges Material in den Bereich der Kathode eingeführt werden. Dies ist schematisch in Fig,9 dargestellt. Durch die Vakuumpumpe 94 wird der Vakuumbehälter 93 ständig auf einen niedrigen Druck evakuiert. Das Behandlungsgut wird in Form von Stücken oder Kügelchen durch eine Luftschleuse 95 und ein Rohr oder eine Rutsche 96 eingeführt. Das Material fällt in den oberen Teil einer ringförmigen Kokille 97, in der es durch Elektronenbeschuss erhitzt und geschmolzen wird. Im oberen Teil der Kokille 97 bildet sich eine Schmelzlache auf dem erstarrten Strang 98 dieses Materials.
In dem Masse, in dem weiteres Material in die Kokille eintritt, wird der Strang 98 von Zeit zu Zeit herabgesenkt ; er kann durch eine übliche Vakuumsperre 99 aus dem Vakuumsystem herausgezogen werden. Die Kokille 97 kann mit einerkühlflüssigkeitge- kühlt werden, die in einem Rohr 100 umgewälzt wird, das die Kokille, wie dargestellt, umgibt. Beim Absenken des Stranges erstarrt das Material am Boden der Schmelzlache.
Die Erhitzung durch Elektronenbeschuss wird mit Hilfe der ringförmigen Kathode 101 durchgeführt, die an eine elektrische Stromquelle 102 angeschlossen und in einem Fokussierungsring 103 angeordnet ist. Der Erhitzungsvorgang erfolgt nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren, wobei jedoch in diesem Fall das erhitzte Material eine für die Durchführung des Verfahrens nicht genügende Menge von gasförmigem Material entwickelt. Dies kann entweder darauf zurückzuführen sein, dass das Material nicht genügend adsorbiertes gasförmiges Material enthält, oder darauf, dass der Schmelzvorgang in einem so kleinen Massstab und mit einer so geringen Geschwindigkeit durchgeführt wird, dass die entwickelte Gasmenge gering ist, obwohl sie im Verhältnis zu der Menge des Behandlungsgutes prqzentuell gross ist.
Um nun das zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens erforderliche Druckgefälle herzustellen, wird zusätzliches Gas im Bereiche der Kathode in den Raum zwischen den Elektroden eingeführt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass man eine kleine Gasmenge von einer beliebigen Gasquelle, beispielsweise der Atmosphäre, durch das Rohr 104 strömen lässt. Die Strömungsmenge
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wird durch ein Ventil 108 geregelt. Das offene Ende des Rohres 104 oder eine gegebenenfalls daran ange- brachte Düse ist in den Raum zwischen den Elektroden gerichtet und zielt annähernd auf die Mitte der
Anode.
Infolge der niedrigen Drucke und Dichten, die in dem Vakuumbehälter herrschen, haben aus dem
Rohr 104 austretende Gasmoleküle eine grosse mittlere freie Weglänge und wandert eine beträchtliche
Anzahl dieser Moleküle in einer geraden Linie zu einem Bereich in der Nähe der Anode, wo sie mit andem Gasmolekülen zusammenstossen. Obwohl das Rohr 104 oberhalb der Kathodenanordnung vorgesehen ist, bildet es somit eine Einrichtung zur Zuführung von Gas in einen Bereich in der Nähe der Anode.
In der Nähe der Anode hat das gasförmige Material eine grössere Dichte und stossen die Gasmoleküle von dem Rohr 104 mit andern, Gasmolekülen zusammen, so dass der Druck örtlich beträchtlich höher als in dem Hauptkörper des Vakuumbehälters 93 ist. Aus diesem örtlichen Bereich relativ hohen Druckes strömt gasförmiges Material aufwärts durch die ringförmige Kathodenanordnung und in den Vakuumbehälter hinein, wie dies vorstehend beschrieben wurde. In der Zeichnung ist die allgemeine Richtung der Gasströmung mit Pfeilen 105,106 und 107 angedeutet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Erhitzen eines Körpers unter Vakuum durch Elektronenbeschuss, wobei eine Elektronen emittierende, insbesondere ringförmige Kathode koaxial mit dem als Anode dienenden erhitzten Körper von diesem in axialer Richtung distanziert angeordnet ist und der zu erhitzende Körper durch eine elektrische Stromquelle od. dgl. auf einem positiven elektrischen Potential gegenüber der Kathode gehalten wird, so dass von der Kathode emittierte Elektronen den evakuierten Raum durchwandern und durch Aufprall auf den Körper diesen erhitzen, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des zu erhitzenden Körpers (21, Fig. l) ständig gasförmiges Material in den evakuierten Raum abgegeben wird, z.
B. durch Entwicklung von der Anode - (25) oder auf andere Weise, u. zw. in einer Menge, die so gross ist, dass in dem Raum zwischen dem zu erhitzenden Körper (21) und der Kathode (26) ein Druckgefälle aufrechterhalten wird, wobei im Bereiche der Anode (25) ein um mehrere Grössenordnungen höherer Druck herrscht als im Bereich der Kathode (26), wobei der höchste absolute Druck im Bereich des zu erhitzenden Körpers (21) vorhanden ist, während durch eine Vakuumpumpe (3) od. dgl.
ständig gasförmiges Material aus dem Bereich der Kathode (26) in einer solchen Menge abgezogen wird, dass die durchschnittliche Gasdichte so niedrig gehalten wird, dass die Mehrzahl der von der Kathode (26) zu dem zu erhitzenden Körper (21) fliegenden Elektronen keine ionisierenden Zusammenstösse mit gasförmigem Material erfährt, wobei die Menge, in der das gasförmige Material freigegeben wird, so gross ist, dass ein Ionenplasma (41,42, Fig. 3) gebildet wird, das sich von dem zu erhitzenden Körper (21) weg zur Kathode (26) hin erstreckt, während die Menge, in der das gasförmige Material abgezogen wird, so gross ist, dass in dem Plasma ein Gefälle der Ionendichte aufrechterhalten wird, wobei die grösste Ionendichte in der Nähe des zu erhitzenden Körpers (21) vorhanden ist und die lonendichte zur Kathode (26) hin abnimmt.