<Desc/Clms Page number 1>
Elektronenstrahlerzeuger
EMI1.1
EMI1.2
In dieser Gleichung bezeichnen : d den Abstand Kathode-Anode.
Der Gesamtstrom J ergibt dann J = i'F.
F die elektronenemittierende Fläche der Kathode.
Im praktischen Falle muss die Anode eine Öffnung besitzen, deren Durchmesser bei kreisförmiger Emissionsfläche nur wenig kleiner sein darf als der Durchmesser dE der Emissionsfläche. Daher tritt mit grösser werdendem Durchmesser dE im Zentrum der Kathode eine wesentlich geringere Stromdichte auf als an ihrem Rand, da die wirksame Feldstärke im Zentrum durch den Abstand Anode - Kathodenzen- trum bestimmt wird. Je grösser der Kathodendurchmesser ist, umso kleiner wird die Emissionsstromdichte
<Desc/Clms Page number 2>
in den zentralen Bezirken der Kathode. Einer Erhöhung des Gesamtstromes J durch Vergrösserung des
Kathodendurchmessers ist also eine praktische Grenze gesetzt.
Die Strahlenenergie muss auf den Abschmelzstab und die Kokille bzw. den Kristallisator so verteilt werden, dass das geschmolzene Material in der Kokille bzw. im Kristallisator bis zum Rande flüssig ge- halten wird.
Dabei befindet sich das Ende des Abschmelzstabes nicht über der Mitte des Kristallisators, und die an ihm vorbeifliegenden Elektronen halten das Material in der Kokille bis zum Rande flüssig. Dieses
Prinzip ist z. B. bei Elektronenstrahlöfen bis zu 60 kW verwendet worden, wobei im zeitlichen Mittel im Kristallisator eine nahezu konstante Leistungsdichte bei dem periodisch abgelenkten Elektronenstrahl besteht. Bei grösseren Elektronenstrahlöfen werden grössere Abschmelzstäbe und grössere Kristallisatordurch- messer verwendet. Eine ähnliche Vergrösserung aller Abstände würde dieselben Verhältnisse wie bei kleineren Aggregaten ergeben.
Da die Beschleunigungsspannung UB wegen der auftretenden Röntgen- strahlung aber nicht wesentlich über 30 kV erhöht werden kann und beiDrücken bis 10-2 Torr geschmol- zen werden soll, muss der Weg, den der Elektronenstrahl in diesem Vakuum zurückzulegen hat, mög- lichst klein gehalten werden. Ferner würden bei ähnlicher Vergrösserung des Abstandes Ablenksystem-
Kristallisator unerwünscht grosse Schmelzkesseldurchmesser die Folge sein.
Eine proportionale Vergrösserung der Abmessungen für Elektronenstrahl-Schmelzöfen, um zu höhe- ren Leistungen zu gelangen, ist also nicht möglich. Man muss vielmehr bei wenig veränderten Abstän- den Ablenksystem-Abschmelzstab und Abschmelzstab-Kristallisator mit grössenordnungsmässig erhöh- tem. Stab- und Strangdurchmesser arbeiten.
Bei Verwendung mehrerer Strahler können diese so angeordnet sein, dass eine gewünschte Energie- verteilung auf dem Abschmelzstab und dem Kokillenbad auftritt.
Es ist bekannt, das Problem der Raumladungsbegrenzung bei hohen Leistungen des Elektronenstrahles dadurch zu umgehen, dass an Stelle einer Kathode mit kreisförmiger Emissionsfläche eine Kathode mit rechteckiger Emissionsfläche verwendet wird und sogenannte bandförmige Elektronenstrahlen bzw. Elek- tronenstrahlbündel erzeugt werden. Die Verwendung solcher Kathoden für die genannten Leistungen ist an sich dadurch nicht möglich, dass die zur Fokussierung verwendeten Zylinderlinsen für solche Anfor- derungen und vor allem für den groben metallurgischen Betrieb ungeeignet sind.
Die Gründe dafür sind im folgenden zu sehen :
Bei den genannten Stromstärken werden imRestgas imSchmelzraum viele Ionen und Elektronen ge- bildet, welche je nach Polarität auf die elektrostatischen Linsen gezogen werden, diese unzulässig erwärmen und damit zusätzliche stromstarke Hochspannungsanlagen erfordern.
Da sich bei Drücken bis zu 10-2 Torr geschmolzen werden soll und die Linsen sich zwischen dem eigentlichenStrahlerraum und dem Schmelzraum befinden, treten Überschläge zwischen den hochspannungsführenden Elektroden auf.
Elektromagnetische Linsen drehen ausserdem den Elektronenstrahl. Bekanntlich kann man diese Drehung vermeiden, indem man zwei gleiche Linsen mit umgekehrtem Wicklungssinn hintereinander schaltet.
Der Zweck der Erfindung besteht darin, Elektronenstrahl-Mehrkammeröfen zum Schmelzen von Metallen mit höheren Leistungen, insbesondere über 500 kW, mit nur einem Strahlerzeugungssystem zu betreiben bzw. auszustatten und dabei die Raumladungsbegrenzung zu beseitigen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Elektronenstrahlerzeuger für Elektronenstrahl-Schmelzöfen u. dgl. mit Leistungen über 500 KW unter Verwendung von bandförmigem Elektronenstrahl bzw. Elektronenstrahlbündel und im wesentlichen rechteckiger Emissionsfläche der Kathode zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss bei einemElektronenstrahlerzeuger nach dem Mehrkammerprinzip für Elektronenstrahl-Schmelzöfen mit Leistungen um 500 kW und mehr, bei welchem die Elektronenkanone eine durch Elektronenbombardement geheizte Kathode besitzt, die in ihrer Form im wesentlichen quaderförmig oder ringsegmentförmig ausgebildet ist, dadurch gelöst, dass die Vorfokussierung der Elektronenkanone mittels einer konkaven sphärischen Krümmung der elektronenemittierenden Oberfläche der Kathode und der der Form der Kathode angepassten Formen der Fokussierelektrode und der Anode sowie mittels des Abstandes zwischen der Kathode und der Fokussierelektrode eingestellt ist. Die Krümmung der Oberfläche der Kathode ist in ihrem Grad durch zwei Radien bestimmt, welche mit ihren Richtungsvektoren senkrecht zueinander wirken.
Der vorfokussierte Elektronenstrahl wird mittels an sich bekannter rotationssymmetrischer, drehungsfreier magnetischer Linsen und ebenfalls bekannter elektromagnetischer Ablenkspulen in seinem weiteren Verlauf fokussiert und geführt bzw. periodisch abgelenkt.
Die Polschuhbohrungen der rotationssymmetrischen, drehungsfreien elektromagnetischen Linsen
<Desc/Clms Page number 3>
haben die gleichen Abmessungen, als habe man einen Strahl mit kreisförmigem Querschnitt verwendet, dessen Durchmesser gleich der langen Seite des Bandstrahlrechteckes ist. Diese Lösung ist für den Fachman besonders überraschend, da sich ein bandförmiger Elektronenstrahl elektronenoptisch nicht wie ein Strahlenbündel verhält, welches von einem rotationssymmetrischen Strahler stammt und durch entsprechendeAusblendung zu einemBandstrahl geworden ist, da die Richtung der Elektronenstrahlen durch die Raumladungswirkungen aus der Kathode stark beeinflusst werden.
Sind mehrere Bandkathodensysteme nebeneinander angeordnet, so befinden sich zwischen jeweils zwei von ihnen eine Fokussierelektrode und eine Anode. Es ist von Fall zu Fall zweckmässig, die Bandkathoden entweder in einer Ebene oder gegeneinander geneigt, beispielsweise bogenförmig, anzuordnen.
Eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung weist eine konzentrische Anordnung von Kathode und Fokussierelektrode auf. Die bandförmigen Kathoden sind konzentrisch um die Fokussierelektrode angeordnet, so dass die Emissionsflächen Ringsegmente sind, die die Fokussierelektrode umgeben und insgesamt aussen von der Fokussierelektrode ringförmig umgeben werden.
Zur kontinuierlichen Beschickung des Elektronenstrahlofens ist es zweckmässig, von zwei sich gegen- überliegendenSeiten je einen abzuschmelzendenstab wechselseitig in den Elektronenstrahl einzuführen.
Dabei ist es jedoch erforderlich, dass das programmierte Ablenkbild des Elektronenstrahles jeweils um 1800 gedreht wird, entsprechend des im Elektronenstrahl befindlichen Stabes.
An Hand eines Ausführungsbeispieles und der Zeichnungen soll der Gegenstand der Erfindung näher erläutert werden.
In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines Elektronenstrahl-Mehrkammerofens mit Strahlerzeugungssystem, bestehend aus zwei Kathoden und entsprechender Fokussierelektrode im Längsschnitt, Fig. 2 einen Schnitt durch das Elektronenstrahlerzeugungssystem vor der obersten
EMI3.1
Linse gemäss 1-Hdargestellte Vakuumpumpe und danach eine weitere elektromagnetische Linse --11-- an. Innerhalb der elektromagnetischen Hilfslinse --8-- und der elektromagnetischen Linse --11-- befinden sich Druckstufen --12--, die aus an sich bekannten Druckstufenblenden bzw. Druckstufenrohren bestehen.
An die elektromagnetische Linse --11-- schliessen sich in Elektronenstrahlrichtung elektromagnetische Ablenk- spulen --13- an, die den letzten Teil des Elektronenstrahles --14-- in an sich bekannter Art und Weise in zwei verschiedenen, senkrecht aufeinander stehenden Richtungen, je nach vorgegebenem Programm, ablenken. Daran schliesst sich der Schmelzraum-15-mit einem Anschluss --16-- für eine weitere, wieder nicht dargestellte Vakuumpumpe und der Schmelztiegel-17-an.
Der gemäss der Erfindung verwendete bandförmige Elektronenstrahl--14- wird von der Kathode-2erzeugt, die hinsichtlich ihrer Emissionsfläche --19- im wesentlichen rechteckig bzw. bandförmig gestaltet ist. Ihre Emissionsfläche --19-- ist konkav gekrümmt. Bestimmend für die Konkavität der
EMI3.2
schnittslinie (Fig. 3, 4a). Mittels dieser Krümmungen wird die gewünschte Vorfokussierung mit eingestellt.
Es hat sich auch als zweckmässig erwiesen, die Kathode --2- quer zur Längsrichtung betrachtet
<Desc/Clms Page number 4>
nur an den beiden Enden mit einem Radius-r-zu versehen (Fig. 4b). Ausserdem wird die Vorfokussierung mittels der Abstände --a1 und a2-- zwischen Kathode --2-- und der Fokussierelektrode --20--
EMI4.1
Stirnseiten und entsprechend geformter Fokussierelektrode und Anode verwendet werden. In Fig. 6 wird eine solche mögliche Form der Emissionsfläche --19-- gezeigt.
Es können auch andere geometrische Anordnungen für die Kathoden --2- verwendet werden, in- dem sie z. B. konzentrisch um die Fokussierelektrode --20-- liegen (Fig. 7). Die bandförmige Emis- sionsfläche --19-- ist dabei gekrümmt und ringsegmentförmig um die Fokussierelektrode --20-- ange- ordnet und gleichzeitig von ihr umschlossen.
Da der Strahlerzeugungsraum --6-- vakuumtechnisch durch die Druckstufen -12-- und mehrere VakuumpumpenvomSchmelzraum-15-getrennt ist, sollen möglichst kleine, dem Elektronenstrahlquerschnitt angepasste Durchtrittsöffnungen vorgesehen sein. Diese Durchtrittsöffnungen können umso kleiner gestaltet werden, je besser und sicherer die Elektronenstrahlfokussierung ist. Zweckmässigerweise werden daher drehungsfreie elektromagnetische Linsen verwendet, da die notwendige Linsenerregung sowohl von der Beschleunigungsspannung UB als auch vom vorhandenen Vakuum abhängig ist. Die Abhängigkeit vom Vakuum rührt von der fokussierenden Wirkung der von den Elektronen aus dem vorhandenen Restgas gebildeten Ionen her.
Um das abgeschmolzene Material in dem Schmelztiegel-17-bis zu dessen Rand in Form eines Schmelzsees-21-flüssig zu halten, wird der abzuschmelzende Stab-22-nur so weit in den Elektronenstrahl eingefügt, dass das flüssige Material in der Nähe des Randes des Schmelztiegels --17- in den Schmelzsee-21-tropft (vgl. Fig. 8). Die Ablenkung des Elektronenstrahles mittels der elektro- magnetischen Ablenkspulen-13-wird so eingestellt, dass er auf alle Fälle im Zeitmittel auf dem abzuschmelzenden Stab --22- so lange verweilt, dass eine genügend hohe Abschmelzgeschwindigkeit erzielt wird. Die Bahn --14-- des Elektronenstrahles ist dabei ebenfalls bis zum Mittelpunkt der elektromagnetischen Ablenkspulen --13-- dargestellt.
Um eine kontinuierliche Beschickung des Elektronenstrahlofens zu erreichen, ist es zweckmässig, das abzuschmelzende Material von zwei sich gegenüberliegenden Seiten wechselseitig in den Elektronenstrahl zu führen. Das Ablenkbild wird dabei jeweils um 1800 gedreht.
Das elektromagnetischeAblenksystem -13- muss gut gekühlt sein, da es den Hauptteil derStrahlungswärme des Schmelzraumes aufnehmen muss. Da die Polschuhe und der Eisenrückschluss im praktischen Falle wegen auftretenden Wirbelströmen aus Transformatorenblech hergestellt werden müssen, ist eine direkte Kühlung schwierig. Erfindungsgemäss wird daher das ganze elektromagnetische Ablenk- system -13-- in einem wassergekühlten Behälter --18-- untergebracht, so dass die Strahlungswärme nicht an das Ablenksystem-13-gelangen kann (Fig. l). Dabei sind die Schlitze der Transformatorenbleche zur Herabsetzung der Wirbelströme in Richtung des Wärmeflusses angebracht.
Von den im Restgas gebildeten Ionen trifft ein Teil auf die Kathode-2-. Die Ionen bilden dabei einen feinen Strahl im Zentrum des Elektronenstrahles bzw. des Elektronenstrahlbündels. Infolge des Zerstäubungseffektes durch auftreffende Ionen ist die Kathode --2-- nach sehr kurzer Zeit durchbohrt.
Erfindungsgemäss wird die direkt geheizte Stosskathode --1-- so angeordnet, dass sie vom Ionenstrahl nicht zerschnitten werden kann. Ferner befindet sich hinter der Kathode--2 erfindungsgemäss ein Auffangblock --25-- von solcher Stärke, dass das zerstäubte Material bei genügender Tiefe einer Bohrung --26-- praktisch nicht herausgelangen kann (Fig. 1 und 3).
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.