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Vorrichtung zur Erzeugung eines intensiven Elektronenstrahlenbündels
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines intensiven Elektronenstrahlen- bündels hohlkegelartiger Gestalt mit einer elektronenmittierenden, in Form einer Schleife um eine Achse herum angeordneten Kathode, mit mindestens einer Beschleunigungselektrode und mit einer die Kathode teilweise umgebenden, gegenüber der Beschleunigungselektrode ein negatives Potential aufweisenden
Elektrode.
Obwohl eine grosse Zahl von Massnahmen und Vorrichtungen zur Erzeugung von Elektronenstrahlen sowohl für eine allgemeine Anwendung als auch für spezielle Anwendungsgebiete bekannt sind, fehlen auf bestimmten Gebieten, z. B. auf dem Gebiet des Schmelzens und Giessens von Metallen durch Elektronenbeschuss, praktisch brauchbare und gut geeignete Verfahren und Vorrichtungen. Obwohl die Erfindung und deren grosse Vorteile im folgenden an Hand eines Gussverfahrens dargestellt werden, ist sie keineswegs auf ein bestimmtes Gebiet beschränkt.
Das Ziel vorliegender Erfindung ist unter anderem die Verbesserung der bekannten Elektronenstrahlerzeugung und die Fokussierung eines Elektronenstrahlenbündels in einem kleinen Brennpunkt bzw. einer Brennfläche.
Da beim Schmelzen und Giessen von Metallen in einem Elektronenstrahlofen mit plötzlichen Gasausbrüchen zu rechnen ist, wobei die Gase ionisiert werden, besteht die Gefahr eines lonenbeschusses und damit einer Beschädigung der Kathode, weil bei den bekannten Anordnungen mit den üblichen Wehneltund Beschleunigungselektroden mit einer zentralen Öffnung die Kathode nicht ausreichend gegen Ionenbeschuss geschützt ist.
Weiters lassen sich hochintensive Elektronenstrahlen nur schwer fokussieren. Es ist daher günstig, in Kathodennähe, wo die Elektronengeschwindigkeit noch verhältnismässig gering ist, möglichst mit Elek- tronenstrahlen geringerer Intensität zu operieren. Um dennoch einen Elektronenstrahl hinreichender Intensität wenigstens an einer Stelle zu erzielen, wird eine Vielzahl von Elektronenstrahlen, welche z. B. von einer linienförmigen Kathode verhältnismässig grosser Länge ausgesendet werden, auf einen Punkt gerichtet.
Eine derartige Vorrichtung beruht also im wesentlichen darauf, dass ein Elektronenbündel erzeugt wird, das eine möglichst lange und vorzugsweise zusammenhängende Basislinie aufweist, genauer ausgedrückt, dass Elektronen von einer Schleife oder einem Kreis emittiert und dann in einem Bündel fokussiert werden. Ferner wird dieses Elektronenbündel auf einen Brennpunkt oder eine Brennfläche fokussiert. Die einzelnen Teilstrahlen werden hiebei im allgemeinen in einem Winkel gegeneinander gerichtet, so dass ein hohler Elektronenstrahlenkegel entsteht, wobei die Elektronen vom Rand der Kegelbasis emittiert werden und gegen die Spitze zu konvergieren. Mit dem Ausdruck "Kegel" sind hiebei nicht nur konische Körperformen mit kreisförmiger Basis gemeint, sondern jede konvergierende Form beliebigen Querschnittes.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist das Merkmal auf, dass bei ausschliesslich im Bereich der Schleife emittierender Kathode die Beschleunigungselektrode (. n) zumindest teilweise innerhalb des hohlkegelartig gestalteten Elektronenstrahlbündels angeordnet ist (sind), welche Beschleunigungselektrode (n) gemeinsam mit der dritten Elektrode das den Hohlkegel bildende Feld erzeugt.
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Die erfindungsgemässe Elektronenstrahlerzeugung weist den Vorteil auf, dass die allgemein bekannte
Tatsache, dass verschiedene Effekte unter anderem auch die Raumladung zu einer Streuung von Elektro- nenstrahlengrosserDichtefül1ren"keine Schwierigkeiten bereitet, da diese Effekte wegen der Konvergenz der Strahlen nur die Grösse des Brennfleckes und auch dies im Vergleich zu der üblichen Elektronenstrah- lenerzeugung nur in einem kleinen Ausmass verändern können.
Vorteilhafterweise ist die Beschleunigungselektrode gegenüber der Kathode axial versetzt angeordnet und die dritte Elektrode ist um die Schleife der Kathode radial ausserhalb derselben angeordnet. Mit der dritten Elektrode sind die Elektronen bezüglich der Schleife radial einwärts in Richtung zu einem auf der
Schleifenachse liegenden Brennpunkt bzw. einer Brennfläche lenkbar.
Zweckmässigerweise ist die Beschleunigungselektrode in Form eines Ringes ausgebildet, der gegen- über der Kathode axial versetzt angeordnet ist, und die dritte Elektrode weist eine Vertiefung, Schlitz,
Nut od. dgl. auf, innerhalb deren die Kathode angeordnet ist, wobei diese Vertiefung zwecks Abdeckung von Kathode und Beschleunigungselektrode gegeneinander einen radial einspringenden Querschnitt auf- weist. Dabei wird die Beschleunigungselektrode auf einem positiven Potential bezüglich der dritten Elek- trode gehalten, um die Elektronen aus dem Schlitz und in axialer Richtung bezüglich der Schleife zum
Brennpunkt bzw. dem Brennfleck hin zu beschleunigen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die dritte Elektrode zur Einstellung der Lage des
Brennpunktes des Elektronenstrahlbündels einen in axialer Richtung bewegbar angeordneten äusseren Teil auf. Der bewegbar angeordnete Teil kann an die die Kathode umgebende Vertiefung od. dgl. grenzen.
Vorteilhafterweise weist das elektrische Feld in der Umgebung der Kathode eine radial nach aussen gerichtete Komponente auf und ist im weiteren Verlauf in Richtung zur Achse gekrümmt, so dass die
Elektronen gezwungen werden, sich von der Kathode nach aussen und hierauf in einem Winkel zurück zur
Achse der Schleife zu bewegen.
Eine besonders zweckmässige Ausführung der Erfindung besteht darin, dass die die Kathode aufneh- mende Vertiefung. Schlitz, Nut od. dgl. an der unteren Begrenzungsfläche der dritten Elektrode angebracht ist, dass eine die Vertiefung begrenzende ringförmige Lippe unterhalb derselben angeordnet ist, dass die Kathode oberhalb dieser Lippe angeordnet ist und dass die ringförmig ausgebildete Beschleunigungselektrode nahe bei der Lippe unterhalb derselben angeordnet ist.
Vorteilhafterweise weist die dritte Elektrode eine Vertiefung mit V-förmigem Querschnitt auf, in welcher Vertiefung die Kathode angeordnet ist, welche Kathode gegenüber der dritten Elektrode ein positives Potential aufweist, so dass die Elektronen axial und bezüglich der Kathode radial nach innen zu einem in einiger Entfernung von diesen Teilen liegenden Brennpunkt bzw. einer Brennfläche beschleunigt werden.
Bei verschiedenen Anwendungen ist es äusserst vorteilhaft, Elektronen von einer Vielzahl von Richtungen auf eine begrenzte Fläche zu leiten, sowohl vom Gesichtspunkt der schliesslich zu erhaltenden Elektronenenergie als auch für verschiedene Nebeneffekte der konvergierenden Flugbahn. Ein Beispiel hiezu ist das Vakuum-Schmelzen von Metallen durch Elektronenbeschuss. Dabei wird ein Metallblock kontinuierlich geschmolzen und gleichzeitig ein Schmelzbad dieses Metalles erhitzt.
Eine erfindungsgemässevorrichtung zum Erhitzen bzw. Schmelzen von Schmelzgut besitzt eine Halterung für das insbesondere stabförmige Schmelzgut, die eine Bewegung des Schmelzgutes koaxial mit der schleifenförmigen Kathode bzw. der schleifen-, insbesondere ringförmigen andern Elektroden in Richtung der Achse zum Brennpunkt bzw. zur Brennfläche hin ermöglicht, so dass ein Erhitzen bzw. Schmelzen des dem Brennpunkt bzw. der Brennfläche gegenüberliegenden Endes des Schmelzgutes mittels des kegelförmigen Elektronenstrahlbündels ermöglicht wird.
Vorteilhafterweise weist das durch die Beschleunigungselektrode und die dritte Elektrode gebildete, die Elektronen beschleunigende Feld eine derartige Konfiguration auf, dass sich die ausgestrahlten Elektronen innerhalb zweier Kegel verschiedener Höhe bewegen, wobei sich die Erzeugenden des inneren Kegels in einem unterhalb des Schmelzgutendes und oberhalb der Schmelzpfanne liegenden Punkt auf der Achse schneiden, während die Schnittlinie zwischen den Erzeugenden des inneren Kegels und den Erzeugenden des äusseren Kegels eine Brennfläche abgrenzt, und dass die Oberfläche der Schmelzpfanne mit dieser Brennfläche zusammenfällt.
Durch vorliegende Erfindung wird nicht nur ein sehr intensiver Elektronenstrahlbeschuss einer gewünschten, begrenzten Fläche, die wesentlich vom Strahlenursprung entfernt ist, erzielt. Durch die Konvergenz der beschiessenden Elektronen ist es auch ermöglicht, das Schmelzgut zu schmelzen und zugleich das Schmelzbad zu erhitzen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele dargestellt sind, auf die die Erfindung keinesfalls beschränkt ist. So ist insbesondere unter ringförmig nicht nur eine Kreisringform, sondern auch eine Ellipsenform u. dgl. Formen zu verstehen. Gleiches gilt auch für die Kegelform des Elektronenstrahles, womit alle konvergierenden Figuren zu verstehen sind.
Fig. l zeigt schematisch eine Schrägansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Erzeugung von
Elektronenstrahlen.. einschliesslich der erzielten konvergierenden Elektronenstrahlbahn, Fig. 2 einen Auf- riss einer etfiudungsgemässen Vorrichtung und eines konvergierenden Elektronenstrahles, wie er in einem
Elektronenstrahl-Schmelzofen verwendet werden kann, Fig. 3 einen Querschnitt gemäss der Linie 3-3 von
Fig. 2 durch eine vorzugsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung und Fig. 4 schema- tisch einen zu der Fig. 3 analogen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Vorrichtung.
In Fig. l ist die Vorrichtung 11 zur Erzeugung eines intensiven Elektronenstrahles nur schematisch angedeutet. Sie erzeugt das hohle kegelförmige Elektronenstrahlenbündel 12. Der Elektronenstrahl, der nach der. vorliegenden Erfindung erzeugt wird, wird in einiger Entfernung von der Strahlenquelle auf ein
Feld verminderten Querschnittes fokussiert, das in seiner äusseren Begrenzung der Elektronenstrahlquelle ähnlich ist.
Eine vorzugsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist in den Fig. 2 und 3 der
Zeichnung dargestellt, in der auch eine mögliche Verwendung vorliegender Erfindung gezeigt ist. Wie aus Fig. 2 und 3 zu ersehen ist, besitzt die Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung eine rückwärtige ring- förmige Elektrode 13, die im Grundriss eine Kreisform, eine elliptische Form od. dgl. haben und auch an einer Stelle offen sein kann. Es gibt eine verhältnismässig grosse Anzahl von moglichen Figuren für die
Grundrissform der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung und der Ausdruck "ringförmig" wird daher im folgenden für alle diese verschiedenen Formen, die die erfindungsgemässevor- richtung besitzen kann, verwendet.
Die rückwärtige Elektrode 13, die im folgenden der Einfachheit halber als kreisringförmig betrachtet wird, hat auf ihrer Unterseite eine Mulde oder Vertiefung 14. In dieser Vertiefung ist eine elektronenemittierende Kathode 16 angeordnet, welche mit der Elektrode 13 keinen Kontakt besitzt. Zur Montage der Kathode 16 in der Vertiefung 14 der ringförmigen Elektrode 13 werden geeignete, in der Zeichnung nicht dargestellte Isolierelemente verwendet.
In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Herstellung einer "verdeckten" Kathode beabsichtigt ist, ist die Vertiefung 14 etwas einspringend ausgeführt, indem eine vorspringende Lippe 17 vorgesehen ist, die ungefähr an der radial nach innen liegenden Seite der Vertiefung 14 angeordnet ist und sich nach aussen erstreckt und hiebei einen Teil der Vertiefung in der Unterseite der Elektrode 13 abdeckt bzw. verdeckt.
Innerhalb dieses mehr oder minder abgedeckten Teiles der Vertiefung 14 ist die Kathode 16 montiert ; die Gründe für diese Massnahme werden im folgenden angeführt.
In der dargestellten besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Vertiefung 14 an jener Seite der Elektrode etwas winkelig angeordnet, die in radialer Richtung aussen liegt. Auf der Elektrode 13 ist ein Fokussierungsring 18 mittels Bolzen 19, welche durch Schlitze im Ring 18 hindurchgesteckt und in die Elektrode 13 geschraubt sind, axial beweglich befestigt. Dieser Fokussierungsring 18 hängt von der Elektrode 13 an ihrem äusseren Umfang herab und bestimmt dadurch mit der Lippe 17 einen Schlund 20 zwischen der Vertiefung 14 und dem Äusseren der Elektrode 13. Unmittelbar unterhalb der Elektrode 13 befindet sich eine Beschleunigungselektrode 21, die vorzugsweise mit einem abgerundeten Aussenrand versehen ist und als ein Ring ausgebildet ist, der unterhalb der Elektrode 13 angeordnet ist und sich in radialer Richtung nach aussen weiter als die Lippe 17 erstreckt.
Es ist ersichtlich, dass bei der beschriebenen Ausbildung die Weite des Schlundes 20, der durch den Fokussierungsring 18 und die Lippe 17 begrenzt wird, unterhalb der Elektrode 13 durch die Beschleunigungselektrode 21 vermindert wird, weil diese innerhalb des Fokossierungsringes 18 radial von diesem weniger als die Lippe 17 entfernt ist. Für die Beschleunigungselektrode 21 können geeignete Montagemittel vorgesehen werden, z. B. kann, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, am inneren Umfang der Beschleunigungselektrode 21 ein zylinderförmiger Randteil vorgesehen werden, der sich innerhalb der Elektrode 13 erstreckt. Geeignete Kühlvorrichtungen werden je nach Erfordernis für die einzelnen Elemente der Vorrichtung vorgesehen.
Die Beschleunigungselektrode 21 ist vorzugsweise mit einem Kühlrohr 22 versehen, das unterhalb der Elektrode angeordnet ist und mit ihr in guter wärmeleitender Verbindung steht, um die durch verstreute Elektronen, die die Beschleunigungselektrode beschiessen, erzeugte Wärme abzuleiten. Ähnliche Kühlvorrichtungen können auch für den Fokussierungsring, falls es notwendig sein sollte, und ebenso für die Elektrode 13 vorgesehen werden, obwohl normalerweise nur die Beschleunigungselektrode während des Betriebes so stark erhitzt wird, dass das Entfernen grösserer Wärmemengen erforderlich ist.
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Zum Betrieb der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichrung gemäss vorliegender Erfindung wird die Kathode 16 auf die Emmissionstemperatur erhitzt, indem man von einer äusseren Energiequelle einen Strom durch die Kathode 16 fliessen lässt, was der Einfachheit halber in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Das gewünschte Elektronenbeschleunigungs-und Ablenkfeld wird durch Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode 13 und der Beschleunigungselektrode 21 erzeugt. In der Zeichnung ist dies durch eine Batterie 23 angedeutet, deren negativer Pol mit der Elektrode 13 und deren positiver Pol mit der Beschleunigungselektrode 21 verbunden ist. Die Verbindungsleitungen sind mit 24 bezeichnet.
Da der Fokussierungsring 18 mit der Elektrode 13 in elektrischem Kontakt ist, liegt der Fokussierungsring auf dem gleichen Potential wie die Elektrode 13 Gewünschtenfalls kann die Kathode 16 auf ein Potential gebracht werden, das zwischen dem der Elektrode 13 und dem der Beschleunigungselektrode 21 liegt, so dass die Elektrode 13 auf einem bezüglich der Kathode negativen Potential gehalten wird und so Elektronen abstösst. Durch das Vorhandensein einer Potentialdifferenz zwischen der Beschleunigungselektrode 21 und der Elektrode 13 entsteht, besonders zwischen dem äusseren Ende der Beschleunigungselektrode 21 und der Lippe 17 der Elektrode 13, ein elektrisches Feld, dessen Kraftlinien durch die Linien 26 in Fig. 3 der Zeichnung angedeutet sind.
Dieses Feld, das durch die gezeichneten Feldlinien 26 angedeutet ist, ist zwischen der Beschleunigungselektrode 21 und der Lippe 17, wie in der Figur ersichtlich ist, gekrümmt, wodurch die von der Kathode 16 emittierten Elektronen gezwungen werden, in Übereinstimmung mit der Krümmung der Kraftlinien einer gekrümmten Bahn zu folgen. Die von der Kathode 16 emittierten Elektronen werden von der mit einer positiven Spannung versehenen Beschleunigungselektrode 21 angezogen, so dass ein Elektronenstrahl 27 entsteht, der von der Vertiefung 14 in der Elektrode 13 nach aussen strömt.
Dieser Elektronenstrahl 27 verlässt die Kathode 16 in einer Richtung, die im wesentlichen radial von ihr nach aussen führt, und wird durch das Feld 26 von der Elektrode 13 durch den Schlund 20 nach unten und dann weiter gegen die Achse 28 der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung gerichtet.
Der Krümmungsgrad bzw. die dell Elektronenstrahl 27 erteilte Ablenkung ist durch die Grösse und Krümmung des beschleunigenden elektrischen Feldes bestimmt. Somit ermöglicht die Regelung der Beschleunigungsspannung auch die Regelung des Schnittpunktes des Elektronenstrahles 27 mit der Achse 28 der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung. Als weitere Regelung für die Elektronenstrahlbahn ist der Fokussierungsring 18 verstellbar auf der Elektrode 13 montiert, so dass er axial beweglich ist. Da der
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rungsringes bezüglich der Elektrode 13 ein negatives elektrisches Feld, das entlang des äusseren Umfanges der Elektronenstrahlbahn tiefer reicht. Durch Senken des Fokussierungsringes 18 ist es also möglich, die radiale Ablenkung des Elektronenstrahles innerhalb der Erzeugungsvorrichtung zu vergrössern.
Es dürfte ersichtlich sein, dass Fig. 3 nur die Erzeugung eines Elektronenstrahles an einem einzigen Punkt entlang des Umfanges der Kathode 16 zeigt. Da die Kathode 16 wie die andern Elemente der Erzeugungsvorrichtung die Form eines Kreisringes hat, wiederholt sich die in Fig. 3 dargestellte Elektronenstrahlerzeugung an einer unendlichen Zahl von Punkten entlang des Kathodenumfanges. Als Folge davon wird ein Elektronenstrahl über einen Kreisring erzeugt und von ihm ausgehend nach unten und radial nach innen geleitet. Es ist bekannt, dass verschiedene Effekte, eingeschlossen Raumladungseffekte, das Zerstreuen eines Elektronenstrahles von hoher Dichte bewirken. Das spricht im allgemeinen gegen das Erreichen der Höchstdichte eines Elektronenstrahles an irgendeinem von der Quelle des Strahles entfernten Punkt.
Bei der vorliegenden Erfindung bringt das Streuen des Elektronenstrahles, wie es aus Fig. 3 der Zeichnung entnommen werden kann, keine besonderen Nachteile mit sich, u. zw. deshalb, weil gemäss vorliegender Erfindung das Elektronenstrahlenbündel entlang eines Kreisringes erzeugt und in einiger Entfernung vom Ursprungspunkt auf einen Punkt konzentriert wird, wie es z. B. aus Fig. 2 der Zeichnung ersehen werden kann. Obwohl der Querschnitt jedes einzelnen Elektronenstrahles mit wachsender Entfernung vom Erzeugungspunkt zufolge der Streuung wächst, wird das Gesamtstrahlenbündel selbst als ganzes fokussiert, so dass die Streustrahlen an einer Stelle hoher Dichte konvergieren.
Der gesamte Elektronenstrahl der Erzeugungsvorrichtung gemäss vorliegender Erfindung erzeugt einen konvergierenden hohlen Kegel von Elektronen. Dadurch ist, obwohl der Querschnitt jedes einzelnen Teiles des Strahles immer divergiert, was durch verschiedene Effekte, wie Raumladung u. dgl., verursacht wird, der gesamte Strahl tatsächlich konvergierend. Dies ist am besten aus Fig. 2 der Zeichnung zu ersehen, in welcher mittels strichlierter Linien die Begrenzung der Elektronenstrahlen von zwei entgegengesetzten Seiten der Erzeugungsvorrichtung eingezeichnet ist und woraus man weiters erkennen kann, dass die Dichte des Elektronenstrahles in einer Brennpunktebene, die von der Erzeugungsvorrichtung axial entfernt ist, gegenüber der Elektronenstrahldichte in allen andern Punkten am grössten ist.
Es hängt von verschiedenen Faktoren, die Elektronengeschwindigkeit eingeschlossen, ab, dass sich der konvergierende
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Strahl tatsächlich überkreuzen kann, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, oder dass anderseits ein mehr laminarer Elektronenfluss in der Nähe des Brennpunktes des Strahles existiert. Der gemäss vorliegender Erfindung er- zeugte Elektronenstrahl kann fur viele Verwendungszwecke benutzt werden. So. kann z. B. an der Brenn- fläche 31, wo der Elektronenstrahl seinen kleinsten Durchmesser und somit die grösstmögliche Dichte er- reicht, eine Elektronenlinse od. dgl. errichtet werden, durch die der resultierende Strahl in einen Appa- rat, in dem er verwertet wird, gelenkt werden kann. In Verbindung mit einer solchen Elektronenlinse kann z.
B. auch ein Verschluss gegen Dampf angebracht werden, so dass keine Gase oder Dämpfe von dem
Verwertungsapparat in das Gebiet der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung dringen können.
Besonders vorteilhaft und zweckmässig ist die Verwendung des gemäss vorliegender Erfindung erzeug- ten Elektronenstrahles in Verbindung mit Schmelzöfen, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist. Es kann z. B. ein Schmelzstock 32 vorgesehen werden, welcher in den Elektronenstrahl hinein bewegt werden kann, z. B. entlang der Achse der Strahlenerzeugungsvorrichtung. Hiebei wird der Schmelzstock fortschreitend durch den Elektronenstrahlbeschuss von allen Strahlen, die mit dem unteren Ende des Schmelzstockes in
Berührung kommen, verflüssigt und fliesst in eine Metallmulde 33 hinunter, wo das verflüssigte Metall durch den dorthin konvergierenden Elektronenstrahl weiter beschossen und erhitzt wird.
Der Teil 33, wel- cher an der Brennpunktebene des Elektronenstrahles angeordnet ist, umfasst eine Vielfalt von verschiede- nen Elementen oder Apparaten, die von der besonderen Verwendung des Elektronenstrahles abhängen.
Weiters kann der Winkel, unter welchem der Elektronenstrahl in Richtung auf seinen Brennpunkt 31 kon- vergiet, leicht durch Bewegen des Fokussierungsringes 18 der Erzeugungsvorrichtung geändert werden.
Dieses Merkmal bringt besondere Vorteile mit sich, da verschiedene Verwendungszwecke verschiedene
Winkel der Strahlenkonvergenz erfordern. So ist es z. B. äusserst wünschenswert, bei dem Elektronenbe- schuss eines Metallschmelzbades in einem Elektronenstrahlschmelzofen für eine grosse Zahl von Winkeln und Richtungen zu sorgen, so dass eine vollständige und gleichmässige Erhitzung der oberen Fläche des Schmelzbades erzielt werden kann.
Die Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung gemäss vorliegender Erfindung ist für eine solche Verwendung sehr gut geeignet, da, wenn auch ein Schmelzstock od. dgl. an irgendeiner gewünschten Stelle in den Elektronenstrahl gebracht werden kann, zwecks Beginn der Schmelzung des in den Schmelzofen eingebrachten Materials doch die konvergierende Natur des hier erzeugten Elektronenstrahles eine Beschiessung der gesamten Oberfläche der sich ergebenden Mulde von geschmolzenem Metall sichert. Ein weiterer wesentlicher Vorteil bei Verwendung der erfindungsgemässen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung in Elektronenstrahlschmelzöfen ist die relative Unzugänglichkeit der Kathode für kondensierenden Metalldampf, der im Schmelzofen entsteht.
Wegen der Besonderheit der verdeckten Kathode, die oben beschrieben ist, kann derMetalldampf nicht leicht die Kathode erreichen, um sie zu belegen und so ist einer der Hauptgründe für die Kurzlebigkeit der Kathode beseitigt. Durch diese Ausbildung wird die Lebensdauer der Kathode um einen Faktor von 10 bis 1000 erhöht und dadurch eine wesentlich verbesserte Leistung erzielt.
Aus der vorhergehenden Beschreibung einer vorzugsweisen Ausführungsform vorliegender Erfindung wird man erkennen, dass ausser für einen Konvergierenden kegelförmigen Elektronenstrahl auch noch für eine anfängliche Elektronenstrahlbahn gesorgt ist, die radial nach aussen führt und daher in die gewünschte kegelförmige Bahn zurückgeführt wird. Wie man aus der Fig. 3 ersehen kann, sorgt die anfängliche Elektronenbahn für das Durchfliessen der Elektronen durch den Schlund 20 und ist für die Elektronen erforderlich, um an der Beschleunigungselektrode 21 vorbeizufliegen. Somit ermöglicht diese Ausbildung der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung die Anordnung der Elektronenbeschleunigungsmittel zwischen der elektronenemittierendenKathode und demBrennpunktgebiet des kegelförmigen Strahles.
Als Folge dieser Anordnung ist die Kathode 16 der Erzeugungsvorrichtung, von dem Brennpunkt bzw. der Brennfläche des konvergierenden Strahles aus gesehen, völlig verdeckt. Es ist ersichtlich, dass die Katho- de innerhalb der Vertiefung 14 der Elektrode 13 in einer solchen Lage angeordnet ist, dass sie sich im wesentlichen hinter der Lippe 17 befindet und weiters durch die Beschleunigungselektrode 21, die sich in den Schlund 20 erstreckt, verdeckt wird. Diese dargestellte Ausführungsform der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung ist also eine solche mit verdeckter Kathode.
Da nur eine sehr begrenzte Schlundfläche für den Ausfluss der Elektronen aus der emittierenden Oberfläche vorgesehen ist und da weiters diese emittierende Oberfläche wesentlich von der resultierenden Elektronenstrahlbahn entfernt ist, wird ein höchstmöglicher Schutz für die Kathode erzielt. Wenn sich also z. B. in dem vom erzeugten Elektronenstrahl durchquerten Raum Gase oder Dämpfe befinden und folglich durch Wechselwirkung des Elektronenstrahles und solcher Gase und Dämpfe Ionen entstehen, ist somit die Kathode völlig vor dem Beschuss durch solche Ionen geschützt.
In dem Fall, dass wirklich Ionen in dem Raum unterhalb des Elektronenstrahlgenerators entstehen, würden diese Ionen normalerweise von der Elektrode 13 angezogen werden
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und können, obwohl sie von der Beschleunigungselektrode 21 abgestossen werden, teilweise entlang des Elektronenstrahlweges zurückwandern. Im vorliegenden Beispiel sind diese Ionen jedoch wegen ihrer grö- sseren Masseunfähig, sich scharf zu der Kathode hin zu biegen und würden höchstens gegen den Fokussierungsring 18 oder die Elektrode 13 stossen.
Das Feld ist im Gebiete der Elektronenemission so beschaffen, dass Ionen, die sich der Erzeugungsvorrichtung nähern und durch den Schlund 20 kommen, eher von der Elektrode 13 als von der Kathode 16 angezogen werden. Die starke bauliche Ausführung der Elektrode 13 ermöglicht es, dass sie von solchen Ionen, die tatsächlich den Schlund 20 passieren, ohne materiellen Schaden beschossen werden kann. Eine der Schwierigkeiten bei Elektronenstrahlquellen mit hoher Dichte ist der starke Beschuss ihrer Kathode durch Ionen, die vom Elektronenstrahl erzeugt werden. Bei der Verwendung dieser Erzeugungsvorrichtungen für Elektronenstrahlschmelzöfen liegt eine noch grössere Schwierigkeit darin, dass die Kathode durch Metall belegt wird, wodurch ihre Lebensdauer bedeutend reduziert wird.
Durch die vorliegende Erfindung werden diese Schwierigkeiten beinahe völlig überwunden, da die Wahrscheinlichkeit des Beschusses oder Belages der Kathode 16 äusserst gering ist.
Es ist ersichtlich, dass gemäss vorliegender Erfindung ein konvergierender Elektronenstrahl erzeugt wird. Das wird dadurch erreicht, dass Elektronen von einer ringförmigen Kathode emittiert werden. Die Beschleunigung dieser Elektronen erfolgt durch Erzeugung geeigneter elektrischer Felder, die die emittierten Elektronen von der emittierenden Kathode anziehen und diese weiter in eine konvergierende kegelförmige Bahn leiten. So sind um die elektronenemittierende ringförmige Kathode Elektronenbeschleunigungsfelder vorgesehen, die die emittierten Elektronen von der Kathode wegziehen und dieselben von der Kathode wegleiten.
Diese Elektronenbeschleunigung durch elektrische Felder wird über die ganze Länge der Kathode ausgeführt, um die emittierten Elektronen zu zwingen, von der Kathode axial weg und radial nach innen zu wandern, wobei der resultierende Elektronenstrahl die besonders gewünschte Gestalt eines konvergierenden Kegels hat. Auf diese Weise wird die notwendigerweise vorhandene Divergenz eines jeden einzelnen Teiles des Elektronenstrahles daran gehindert, der resultierenden Verdichtung des fokussierten Elektronenstrahles entgegenzuwirken.
Es sind zahlreiche andere Ausführungen der vorliegenden Erfindung möglich, die im wesentlichen alle genannten Vorteile aufweisen. Eine solche andere Ausführung ist in Fig. 4 der Zeichnung dargestellt, welche einen schematischen Querschnitt analog zu dem Schnitt gemäss Fig. 3 durch einen Teil der Erzeugungsvorrichtung zeigt. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, dass bei dieser Ausführungsform eine erste Elektrode 43 vorgesehen ist, die im wesentlichen eine konkave Unterseite besitzt. Diese Elektrode 43 ist auch ringförmig, z. B. kreisringförmig, und ihre konkave Unterseite ist so geneigt, dass der äussere Rand der Elektrode 43 bedeutend dicker ist als der innere Rand. Eine V-förmige Vertiefung 44 ist in der Elektrode 43 an ihrer Unterseite um den Umfang herum vorgesehen und gegen den Brennpunkt der Erzeugungsvorrichtung gerichtet.
Innerhalb der Vertiefung 44 ist eine elektronenemittierende Kathode 46 angeordnet, die sich über den Umfang der Elektrode 43 innerhalb der Vertiefung erstreckt. Unterhalb der Elektrode 43'ist eine Beschleunigungselektrode 47 vorgesehen, die über ihren Umfang eine Öffnung aufweist, welche so angeordnet ist, dass die Vertiefung 44, die Öffnung in der Elektrode 47 und der Brennpunkt der Erzeugungsvorrichtung zirka auf einer Linie liegen. Geeignete Kühlvorrichtungen, wie z. B. Kühlrohre 48, sind zwecks Verhinderung einer Überhitzung der Beschleunigungselektrode 47 in gut wärmeaustauschender Verbindung mit dieser Elektrode vorgesehen.
Weiters sind zur Erzeugung eines elektrischen Beschleunigungsfeldes, welches die Elektronen von der Kathode 46 durch die Öffnung in der Beschleunigungselektrode 47 hindurch beschleunigt, elektrische Anschlüsse an der Erzeugungsvorrichtung vorgesehen. Zur Erzeugung des elektrischen Feldes dient eine Speisespannungsquelle, welche als Batterie 49 gezeichnet ist, deren negativer Pol an die Elektrode 43 und deren positiver Pol an die Beschleunigungselektrode 47 angeschlossen ist. Die Kathode 46 wird durch eine entsprechende Verbindung mit der Speisespannungsquelle 49 auf ein dazwischenliegendes Potential gebracht. Zwecks Emittieren von Elektronen wird die Kathode 46 mittels eines durchfliessenden elektrischen Stromes auf die Emissionstemperatur erhitzt.
Die von der Kathode 46 emittierten Elektronen werden von der bezüglich des Kathodenpotentials negativen Spannung der Elektrode 43 zurückgestossen und ausserdem von der bezüglich des Kathodenpotentials positiven Spannung der Beschleunigungselektrode 47 beschleunigt. Infolgedessen entsteht ein Elektronenstrahl, der von der Kathode 46 durch die Öffnung in der Beschleunigungselektrode 47 hindurch strömt. Diese spezielle Ausbildung der Elektronenstrahlquelle ist eine Ausbildung von dem Typ, welcher dem Fachmann als"Linienquelle"bekannt ist und ermöglicht besondere Fokussierungsvorteile. Durch eine genaue Lage der Kathode 46 in der Vertiefung 44 ist es möglich, einen im wesentlichen völlig geradlinigen Elektronenstrahl zu erzeugen, der von der Kathode 46 durch die Beschleunigungselektrode 47
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verläuft.
Unterhalb der Beschleunigungselektrode 47 tritt das übliche Streuen des Elektronenstrahles auf, so dass, wie bei der weiter oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung, der Elektronenstrahl an jedem beliebigen Querschnitt das Bestreben zu divergieren hat. Wie oben erklärt, wird gemäss vorliegender Erfindung ein Elektronenstrahl erzeugt, der aus dem Umfang eines ringförmigen Körpers ausströmt und in einen auf der Achse des ringförmigen Körpers in einiger Entfernung vom Erzeugungsgebiet liegenden Brennpunkt gelenkt wird. Infolgedessen begrenzt die Strahlendivergenz die Intensität des resultierenden Elektronenstrahles beim Brennpunkt des Strahles nicht wesentlich. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein kegelförmiger Elektronenstrahl erzeugt, der gegen ein Brennpunktsgebiet, das ganz klein gemacht werden kann, konvergiert.
Was den resultierenden Elektronenstrahl betrifft, erzeugen beide beschriebenen Ausführungsformen im wesentlichen dieselbe Elektronenstrahlintensität im Brennpunktsgebiet, jedoch hat die zuerst beschriebene Ausführungsform die besondere Eigenheit der verdeckten Kathode, die bei der zweiten Ausführungsform nicht vorhanden ist. Man wird natürlich erkennen, dass bei der zweiten dargestellten Ausführungsform der Erfindung Änderungen der Elektronenstrahlbahn erzielt werden können, einerseits durch eine relative Bewegung der Beschleunigungselektrode oder einzelner ihrer Teile oder anderseits durch Anwendung von verschiedenen Beschleunigungsspannungen für einzelne Teile der Beschleunigungselektrode, um dadurch eine besonders gewünschte Gestalt des elektrischen Beschleunigungsfeldes zu erhalten.
Die Gestalt des resultierenden Elektronenstrahles, die bei der in Fig. 4 der Zeichnung dargestellten Ausführungsform der Erfindung erreicht werden kann, ist im wesentlichen dieselbe wie die in Fig. 1 dargestellte und ist mit Ausnahme des anfänglichen Teiles identisch mit der, die bei der Ausführungsform gemäss Fig. 3 erhalten wird.
Mit Hilfe vorliegender Erfindung ist es möglich, einen sehr intensiven Elektronenbeschuss einer relativ kleinen Fläche zu erzielen. Das Problem der Strahlstreuung in Elektronenstrahlen von hoher Dichte wird hiebei wesentlich vermindert, wenn nicht überwunden. Durch die Anordnung einer ringförmig ausgebildeten linienförmigen Kathode werden die Nachteile der Elektronenstrahldivergenz überwunden. Obwohl jeder einzelne Teil des Elektronenstrahles in gewöhnlicher Art gemäss den sehr gut bekannten Regeln des Verhaltens von Elektronenstrahlen divergiert, hat der resultierende Elektronenstrahl eine wesentlich höhere Dichte als die, die man mit den ublichen älteren Vorrichtungen erreichen konnte.
Nachstehend werden einige nähere Angaben von Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtungen angeführt, welche gemäss vorliegender Erfindung konstruiert werden. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 3 der Zeichnung kann die rückwärtige Elektrode 13 einen Innendurchmesser von 139, 7 mm und einschliesslich des Fokussierungsringes einen Aussendurchmesser von ungefähr 209, 6 mm besitzen. Die Vertiefung 14, die in der Unterseite dieser Elektrode 13 angebracht ist, kann einen Krümmungsradius von 9, 5 mm haben, weist jedoch vor und beim Übergang zur Lippe 17 eine Krümmung mit einem Radius von 4, 8 mm auf, in deren Mittelpunkt die Kathode 16 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Fokussierungs-
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geerdet werden und für die Elektrode 13 und den Fokussierungsring 18 kann eine negative Spannung von einigen tausend Volt verwendet werden.
Hiebei ist es möglich, einen Elektronenstrahl von grosser Dichte zu erzeugen, der eine hohe Elektronengeschwindigkeit hat. Obwohl der Elektronenstrahl in der Dicke divergiert, konvergiert er im Durchmesser, um sich dadurch in der Nähe seiner Brennfläche zu kreuzen und hier einen Elektronenstrahl von sehr hoher Dichte zu erzeugen. Die Brennfläche kann bei dem ange- fuhrten Ausführungsbeispiel ungefähr 305 mm unterhalb der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung vorgesehen werden. Weiters kann, falls es erwünscht ist, bei diesem Brennpunkt ein Dampfblockierungsgestell mit einer Elektronenlinse vorgesehen werden, die unterhalb desselben errichtet ist, um einen zweiten Elektronenstrahlbrennpunkt zu erzeugen, der weiter von der Erzeugungsvorrichtung entfernt ist.
Eine Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung, welche gemäss der Ausführungsform von Fig. 4 der Zeichnung konstruiert ist, kann z. B. eine rückwärtige Elektrode 43 mit einem Aussendurchmesser von ungefähr 228, 6 mm und einem Innendurchmesser von ungefähr 133, 4 mm besitzen. Die konkave Grundfläche dieser Elektrode kann derart ausgebildet sein, dass die von der Vertiefung radial nach aussen zu liegende Oberfläche gerade, im Querschnitt unter einem Winkel von ungefähr 400 zur Waagrechten geneigt ist und die radial nach innen zu liegende Oberfläche in der entgegengesetzten Richtung um einen Winkel von ungefähr 7 zur Waagrechten geneigt ist. Die Seiten der V-förmigen Vertiefung können einen Winkel von 40 bis 50 einschliessen und die innere Seite kann z.
B. in einem Winkel von 400 zur Senkrechten geneigt sein. Die Grösse der Vertiefung hängt zum Teil von der besonderen erwünschten Fokussierungswirkung ab und die relative Lage der elektronenemittierenden Kathode innerhalb der Vertiefung hängt von den glei-
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chen Überlegungen ab. Der äussere Teil der Beschleunigungselektrode kann bei diesem Ausführungsbei- spiel in einem Winkel von ungefähr 250 zur Waagrechten und der innere Teil in entgegengesetzter Rich- tung in einem Winkel von 120 zur Waagrechten geneigt sein, wobei diese beiden Teile der Beschleuni- gungselektrode jedoch axial zueinander etwas verschoben angeordnet sind. Die Elektrode 43 kann z.
B. aus Graphit und die Beschleunigungselektrode aus Kupfer hergestellt sein, wobei die Beschleunigungselek- trode elektrisch geerdet und die rückwärtige Elektrode 43 auf einer negativen Spannung von einigen
1000 Volt gehalten wird. Bei dieser speziellen Konstruktion und bei den angegebenen Abmessungen wird von der Erzeugungsvorrichtung ein Elektronenstrahl in einem Winkel von ungefähr 160 zur Senkrechten beschleunigt, in welchem Fall die Brennfläche des Elektronenstrahles ungefähr 305 mm unterhalb der Er- zeugungsvorrichtung vorhanden ist.
PATENT ANSPRÜCHE ;
1. Vorrichtung zur Erzeugung eines intensiven Elektronenstrahlenbündels hohlkegelartiger Gestalt mit einer elektronenemittierenden, in Form einer Schleife um eine Achse herum angeordneten Kathode, mit mindestens einer Beschleunigungselektrode und mit einer die Kathode teilweise umgebenden gegen- über der Beschleunigungselektrode ein negatives Potential aufweisenden Elektrode, dadurch gekennzeich- net, dass bei ausschliesslich im Bereich der Schleife emittierender Kathode die Beschleunigungselektro- de (n) zumindest teilweise innerhalb des hohlkegelartig gestalteten Elektronenstrahlbündels angeordnet ist (sind), welche Beschleunigungselektrode (n) gemeinsam mit der dritten Elektrode das den Hohlkegel bil- dende Feld erzeugt.