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Axialsymmetrisches Elektronenstrahlerzeugungssystem
DieErfindung betrifft ein axialsymmetrisches Elektronenstrahlerzeugungssystem für hohe Leistungen und hoher Perveanz mit durch Elektronenbeschuss geheizter, in der Draufsicht kreisrunder Emissionskathode, wie sie in Elektronenstrahl-Schmelzöfen, Schweiss- und Verdampfungsanlagen und zur Materialbearbeitung benötigt werden.
Es sind Elektronenkanonen bekannt, bei denen der Elektronenstrahl im gleichen Raum erzeugt wird, indem auch die Bearbeitungsaufgabe, der Schmelz- oder Verdampfungsprozess durchgeführt werden. Die Emissionskathode, die bei diesen Typen direkt geheizt ist, kann ring- oder bandförmig ausgebildet und von einer entsprechend geformten Anode umgeben in einiger Entfernung vom Schmelz- oder Verdampfungsgut angeordnet sein. Eine besondere Variante dieses Typs ist die sogenannte "transverse gun", bei der die Kathode, die Fokussierungs- und Beschleunigungselektrode weitgehendst vor direkten Spritzern der flüssigen Werkstoffe geschützt angeordnet sind und der Elektronenstrahl um nahezu 1800 umgelenkt wird, bevor er auf das Abschmelzgut, den Schmelzsee oder die zu verschweissenden Teile trifft.
Eine weitere Variante dieses Typs, vorzugsweise zum Schmelzen, ist so ausgebildet, dass die ringförmige Kathode das Schmelzgut, welches gleichzeitig als Anode geschaltet ist, konzentrisch umschliesst.
Bei der zuletzt genannten Ringkathode ist ausserdem die direkte Einwirkung von Metallspritzern auf die Kathode von erheblichem Nachteil, weil durch Legierungsbildungen im Kathodenwerkstoff nur eine unbefriedigende Gebrauchsdauer erreicht wird.
Weiterhin sind Elektronenkanonen bekannt, die in einem vom Arbeitsraum getrennten Raum mit gesonderter Evakuierung angeordnet sind. Über Strömungswiderstände bzw. Druckstufen wird der Elektronenstrahl zur Einwirkstelle geführt. Dadurch wird erreicht, dass der Druck in der Elektronenkanone in
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evakuierte Zwischenkammer zu trennen, so dass ohne weiteres ein Druckgefälle von eins zu hundert zwischen Strahlerzeugungskammer (Elektronenkanone) und Schmelzraum erreicht werden kann.
Als Elektronenquelle wird bei diesen Elektronenstrahlerzeugungssystemen ausschliesslich ein axialundrotationssymmetrischesZweipolsystem (Axialkanone) mit auf Kathodenpotential liegender Fokussierungselektrode verwendet. Magnetische Linsen dienen zur Strahlführung durch verhältnismässig enge Strömungswiderstände und gestatten gleichzeitig eine bequeme Regelung des Strahldurchmessers im Arbeitsraum. Magnetische Ablenksysteme sorgen für die gewünschte Energieverteilung auf dem Schmelzgut usw. Bei den Axialkanonen wird in bekannter Weise eine massive Kathode durch Elektronenbeschuss geheizt.
Mittels geeignet gewählter Krümmung der Emissionsfläche und mittels geeignet gewählter Form einer Fokussierungselektrode und der Anode wird eine Vorfokussierung des Elektronenstrahls er-
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reicht, der ohne diese Massnahmen infolge Raumladungswirkungen und durch die zerstreuende Linsenwir- kung der Anode stark divergieren würde.
Solche Elektronenkanonen sind bis zu Leistungen von 200 kW realisiert worden.
Die Technik verlangt jedoch insbesondere auf dem Gebiet des Elektronenstrahlschmelzens nach höherenstrahlleistungen, um Ingots mit grossen Abmessungen und geringem Umschmelzaufwand, bezo- gen auf 1 kg des Schmelzgutes, herzustellen.
Eine Steigerung der Leistung von Axialkanonen auf über 200 kW ist zunächst nicht ohne weiteres möglich. Einmal stösst die Erhöhung der Beschleunigungsspannung auf Werte von über 35 kV auf kon- struktive Schwierigkeiten hinsichtlich der Abschirmung gegen Röntgenstrahlen. Ausserdem nehmen die
Hochspannungsdurchschläge mit steigender Beschleunigungsspannung zu. Zum andern kann die Strom- stärke des Elektronenstrahls nicht einfach durch Vergrösserung der emittierenden Kathodenoberfläche er- höht werden, da damit natürlich auch eine Vergrösserung der Anodenöffnung verbunden wäre. Mit einer
Vergrösserung der Anodenöffnung nimmt aber die effektive elektrische Feldstärke vor dem Zentrum der
Emissionskathode erheblich ab.
Somit würden im wesentlichen nur die Randzonen der Emissionskathode zum Strahlstrom beitragen und das vor dem Kathodenzentrum entstehende Gebiet erhöhter Raumladung- dichte stört, wie Versuche gezeigt haben, die Fokussierung so stark, dass eine Strahlführung durch ma- gnetische Linsen ausserordentlich erschwert wird.
Um dennoch höhere Leistungen zu erzielen, ist es bekannt geworden, mehrere Axialkanonen, z. B.
4 x 150 kW in einer Anlage zu installieren.
Solche Anordnungen haben jedoch den grossen Nachteil eines komplizierten Aufbaues, komplizierter
Bedienung und Wartung. Wesentliche Vorteile werden deshalb von dem Sachkundigen von der Verwen-
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keiten.
Es wurde deshalb bereits vorgeschlagen, bandförmige Elektronenstrahlen zu erzeugen. Dazu werden Emissionskathoden verwendet, die einem aus einem Kugelsegment herausgetrennten Mittelstreifen entsprechen und in der Draufsicht ein Rechteck ergeben, dessen Länge ein Vielfaches der Breite beträgt.
Damit wird bei praktisch beliebig grosser Emissionsfläche ein guter Durchgriff des Beschleunigungsfeldes über die gesamte Emissionsfläche erreicht, da die Form der Durchtrittsöffnung in der Fokussierungs- und Beschleunigungselektrode der Form der Kathode angepasst ist.
Es wurde auch vorgeschlagen, mehrere solcher rechteckförmiger Kathoden auf einem Kreisbogen mit einer entsprechenden Fokussierungs- und Beschleunigungselektrode anzuordnen, so dass nach Passieren der ersten magnetischen Linse ein einheitliches bandförmiges Elektronenbündel vorliegt.
Eine solche Anordnung hat aber den Nachteil, dass die Führung des Elektronenstrahls so hoher Leistung durch die Strömungswiderstände zwischen den einzelnen Druckstufen einen besonderen Aufwand in den magnetischen Linsen erfordern. Es müssen drehungsfreie Linsen verwendet werden.
Bekannt ist ferner eine Anordnung, bei der die Kathode ein direkt geheizter Drahtring ist, der von einer Fokussierungselektrode mit ringförmiger Strahldurchtrittsöffnung umgeben ist. Die Strahldurchtrittsöffnung in der auf Erdpotential befindlichen Anode ist ebenfalls ringförmig ausgebildet, wobei der auf Erdpotential befindliche, mittlere Teil der Anode durch das an negativer Hochspannung liegende Kathodenhalterungssystemgefuhrtund gehaltert und mit Wasser gekühlt werden muss. Das hat zur Folge, dass der Durchmesser des Kathodenringes, des Elektronenstrahls und damit der gesamten Kanone sehr gross wird, so dass eine vakuummässige Entkopplung zwischen Strahlerzeugungsraum und Arbeitsraum nur mit praktisch nicht vertretbarem Aufwand zu realisieren ist.
Die Erfindung hat den Zweck, ein axialsymmetrisches Elektronenstrahlerzeugungssystem grosser Lei-
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tischen Linsen fokussierbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erhöhte Raumladungswirkung im Zentrum der den Elektronenstrahl emittierenden Kathode zu vermeiden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss eine an sich bekannte, mittels Elektronenbombardement geheizte Massivkathode vorgesehen ist. Die Massivkathode besitzt eine gekrümmte Emissionsfläche, die vorzugsweise einer Kugelkalotte entspricht. Der Krümmungsradius der Kugelkalotte ist der Form der Fokussierungselektrode, dem mittleren Abstand der Kathode von der Anode, dem Ab-
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stand der Kathode von der Fokussierungselektrode und dem Durchmesser der kreisförmigen Durchtritts- öffnungfür den Elektronenstrahl in der Fokussierungselektrode angepasst. Damit besteht auch ein unmit- telbarer Zusammenhang zwischen der Leistung des Elektronenstrahlerzeugungssystems und dem Krüm- mungsradius der Emissionsfläche. Es ist auch zweckmässig, der Emissionsfläche eine von der Kalotte ab- weichendeForm zugeben.
Beispielsweise haben die Aussengebiete eine stärkere Krümmung als die inne- ren, so dass im Schnitt ein Korbbogen entsteht. Im Zentrum der Massivkathode ist eine Aussparung an- geordnet. Zweckmässigerweise ist diese Aussparung eine Bohrung. Die Abmessungen der Aussparung er- geben sich aus dem Verhältnis der Abstande : Anodenrand-Innenrand der wirksamen Emissionsfläche der
Massivkathode und Anodenrand - Aussenrand der wirksamen Emissionsfläche der Massivkathode. Dieses
Verhältnis ist stets kleiner als zwei zu halten.
Weiterhin sind trotz der ringförmigen Emissionsfläche der
Massivkathode kreisförmige Durchtrittsöffnungen für den Elektronenstrahl in der Anode und in der auf
Kathodenpotential befindlichen Fokussierungselektrode vorgesehen, wie sie für eine Massivkathode ver- wendet würden, die keine zentrale Aussparung besitzt.
Die der Emissionsfläche abgewendete Seite der Massivkathode stellt somit einen Kreisring dar. Über diesen Kreisring ist die direkt geheizte Kathode stemförmig angeordnet, deren emittierte Elektronen die
Massivkathode aufheizen.
Zur besseren Anpassung der Fokussierung an das gesamte Elektronenstrahlerzeugungssystem und ins- besondere an die Fokussierungselektrode und an die Anode ist es auch möglich, die Emissionsfläche der
Massivkathode von der Form der Kugelkalotte abweichend zu gestalten, etwa in der Form, dass die
Randzonen stärker gekrümmt sind als der Mittelteil, so dass im Schnitt gesehen ein Korbbogen entsteht.
Die am Restgas gebildeten positiv geladenen und von der Massivkathode angezogenen Ionen gelan- gen durch die Aussparung und durch das Zentrum der sternförmigen Kathode in einen hinter beiden an- geordneten Ionenauffangblock.
Zur Vermeidung von mechanischen Deformationen und Dejustierungen der Elektronenkanone infol- ge der grossen Leistung und der damit verbundenen Wärmeentwicklung ist die Emissionskathode vorzugs- weise durch drei, um 1200 am Umfang verteilte, nahezu rechtwinklige Bügel mit grossem Wärmewiderstand mit den Halterungen der Elektronenkanone verbunden.
Die direkt geheizte, sternförmige Kathode ist an den Stromzuführungen und einem weiteren, elek- trisch isolierten Stützpunkt, vorzugsweise gegenüber den Stromzuführungen, gehaltert.
Die technisch-ökonomischen Auswirkungen und insbesondere der technische Fortschritt der Erfindung bestehen darin, dass es möglich ist, einen Elektronenstrahl mit einer Leistung von wesentlich mehr als 1 MW mit einer axialsymmetrischen Elektronenkanone zu erzeugen, dessen Durchmesser so klein bleibt, dass im weiteren Strahlverlauf Strömungswiderstände zwischen den einzelnen Vakuumstufen eingeschaltet werden können, deren Länge im Verhältnis zu ihrem Durchmesser gross ist, so dass ein genügend gro- sses Druckgefälle zwischen dem Strahlerzeugungsraum und dem Arbeitsraum realisierbar ist.
Es ist für den Fachmann ausserdem völlig überraschend, dass in der erfindungsgemässen Einrichtung ein praktisch homozentrisches Elektronenstrahlbündel entsteht, in dessen Zentrum im Beschleunigungsraum keine die Fokussierung behindernde Raumladung entsteht.
Ausserdem ergibt sich ein günstiges Verhältnis zwischen aufgewendeter Heizleistung und erzielter Nutzleistung.
Die Erfindung hat ferner den wesentlichen Vorteil, dass die entgegen der Richtung des Elektronenstrahls zurückfliessenden, am Restgas gebildeten Ionen nicht zu einer Kathodenzerstäubung und der damit verbundenen Verringerung der Gebrauchsdauer der Massivkathode führen, da sie durch die Aussparung ungestört den Ionenauffangblock erreichen, weil der Ionenstrahldurchmesser, wie sich gezeigt hat, kleiner bleibt als die Aussparung in der Massivkathode. Weiterhin tritt der ausserordentlich grosse Vorteil ein, dass trotz hoher Beschleunigungsspannung die Zahl der Hochspannungsdurchschläge und Glimmenladungen herabgesetzt ist, da keine durch Kathodenzerstäubung erzeugten Dämpfe und Ionen entstehen.
Diese Tatsache wirkt sich besonders vorteilhaft für die Betriebssicherheit der Hochspannungsanlage aus.
Es ist sogar möglich, noch höhere Beschleunigungsspannungen anzuwenden als bisher.
AnHand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden.
In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 einen Schnitt durch ein Elektronenstrahlerzeugungssystem gemäss der Erfindung in vereinfachter Darstellung und Fig. 2 eine Ansicht der direkt geheizten, über der Massivkathode angeordneten Kathode.
Die Elektronenkanone des Elektronenstrahlerzeugungssystems gemäss der Erfindung besteht aus einer den eigentlichen Elektronenstrahl 1 emittierenden Massivkathode 2. Die Massivkathode 2 besteht aus einem massiven Zylinderblock, dessen untere Seite, die Emissionsfläche 3, aus der der
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Elektronenstrahl 1 austritt, kugelförmig ausgearbeitet ist. Der Krümmungsradius der Emissionsflä- che 3 ist in Abhängigkeit vom Durchmesser der Massivkathode 2 und der Form und dem Durchmes- ser der Durchtrittsöffnungen der sich anschliessenden Fokussierungselektrode 4 und der Anode 5 eingestellt. Im Zentrum der Massivkathode 2 ist eine Aussparung 6 vorgesehen. Ein besonderes Augenmerk ist auf die Abmessungen der Aussparung 6 zu legen.
Sie ergeben sich aus dem Verhältnis der Abstände zum Anodenrand 5'. Dabei ist der Abstand a vom Anodenrand 5'zum Aussenrand der wirksamen Emissionsfläche 3 und der Abstand b vom Anodenrand 5'zum Innenrand der wirksamen Emissionsfläche 3 zu unterscheiden. Die Abmessungen der Massivkathode 2 können ja
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gehen.
Das Verhältnis der Abstände a : b soll dabei stets kleiner als Zwei sein. Besonders günstige Werte liegen zwischen 1, 2 und 1, 8.
Auch die Aussparung 6 selbst kann eine von einer Bohrung abweichende Form besitzen. So ist z. B. eine in einer oder in mehreren Stufen abgesetzte, nach der der Emissionsfläche 3 hin abgewen- deten Seite abnehmende Bohrung möglich. Es kann auch die Form eines Kegelstumpfes verwendet wer- den.
Die der Emissionsfläche 3 abgewendete Oberfläche der Massivkathode 2 bildet einen ebenen Kreisring 7 (vgl. Fig. 2). Als Werkstoff für die Massivkathode 2 werden Wolfram, Tantal, Lan- thanhexaborid (LaB) od. ähnl. Materialien verwendet.
Über dem Kreisring 7 ist eine direkt geheizte Kathode 8 angeordnet. Sie ist sternförmig aus- gebildet und ermöglicht so eine günstige Ausnutzung der Heizleistung und es wird nur der Kreisring 7 mit Elektronen bombardiert. Damit bleibt die Aussparung 6 der Emissionskathode 2 auch im Bereich der direkt geheizten Kathode 8 frei. Durch diese Anordnung der Kathode 8 ergibt sich noch der Vorteil einer relativ einfachen Halterung. Die Kathode 8 ist an den Strom zuführungen 9 ; 10 und an einem weiteren, elektrisch isolierten Stützpunkt 11 gehaltert. Es ist natürlich auch möglich, noch andere Stützpunkte vorzusehen, sofern es durch die hohen Temperaturen erforderlich ist. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass im allgemeinen ein weiterer Stützpunkt 11 ausreicht.
Durch die von der direkt geheizten Kathode 8 emittierten Elektronen wird die Massivkathode 2 geheizt. Die Massivkathode 2 ist an mindestens drei um 1800 am Umfang verteilte, nahezu rechtwinklige Bügel 12 mit hohem Wärmewiderstand mit den Halterungen 13 der Elektronenkanone verbunden. Die Bügel 12 sind zweckmässigerweise aus Wolfram hergestellt, die bei Wärmeausdehnung der Massivkathode 2 unter anderem ausgleichend wirken, so dass die bei der hohen Emissionstemperatur auftretenden Abmessungsänderungen von zirka 1 mm nicht zur Dezentrierung der Massiv kathode 2 führen. Die Bügel 12 sind an den massiven Halterungen 13 aus Molybdänstäben punktverschweisst, wodurch Temperatursprünge von 800 bis 10000 C realisierbar sind und die Wärmeleitung durch die Bügel 12 herabgesetzt wird.
Das hat eine geringere Erwärmung der nicht wasserge- kühlten Teile der Elektronenkanone und damit ein geringeres Verziehen des gesamten Elektronenstrahlerzeugungssystems zur Folge.
Mit dieser erfindungsgemässen Einrichtung wird erreicht, dass im Bereich der Durchtrittsöffnung der Anode 5 bereits ein dichter, vorfokussierter rotationssymmetrischer Elektronenstrahl 1 vorhanden ist, der sich im folgenden einwandfrei fokussieren und führen lässt.
Die am Restgas gebildeten und zur Massivkathode 2 zurücklaufenden positiven Ionen 14 gelangen, ohne irgendwelche Störungen zu verursachen, durch die Aussparung 6 und durch das Zentrum der sternförmigenKathode 8 auf einen in einem Abschirmzylinder 15 angeordneten Ionen-Auffang block 16, in den sie eine kegelförmige Vertiefung 17 einarbeiten.
Es ist auch möglich, der Emissionsfläche 3 der Massivkathode 2 eine von der Kugelkalotte abweichende Form zu geben. Dies ist dann besonders zweckmässig, wenn es darauf ankommt, die Emissionsfläche 3 zum Zweck besserer Vorfokussierung optimal an die Form der Fokussierungselektro- de 4 und der Anode 5 anzupassen. Eine geeignete Form der Emissionsfläche 3 ist dann gegeben, wenn die Randzonen stärker gekrümmt sind als die mittleren Zonen. Im Schnitt entsteht dann ein Korbbogen. wie es in Fig. 1 dargestellt ist (gestrichelte Linie der Emissionsfläche).
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