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Unterdruck-Schmelzofen Die Erfindung bezieht sich auf einen Unterdruck-Schmelzofen
für elektrisch leitende Werkstoffe, insbesondere fürelektrisch leitende Werkstoffe
mit hohem Schmelzpunkt, und solche, die eine hohe chemische Aktivität haben oder
meist in inhomogener Form verfügbar sind, z. B. in schwammiger Konsistenz, als Granulat
oder Puder od. dgl. Der Schmelzofen nach der Erfindung kann jedoch auch bei leitenden
Werkstoffen anderer Art mit Vorteil angewendet werden. Die Erfindung bezieht sich
ferner auf ein Verfahren zum Erwärmen oder Schmelzen von elektrisch leitfähigem
Material unter Anwendung des Unterdruck-Schmelzofens.
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Bei der Vakuumschmelzung leitender Werkstoffe standen dem Fachmann
bisher zwei Möglichkeiten zur Verfügung: Wenn in hochevakuierter Umgebung gearbeitet
werden muß, wird die Induktionserwärmung angewendet, wobei die Schmelzwärme dem
Werkstoff durch im allgemeinen hochfrequente Ströme zugeführt wird, die elektromagnetisch
in dem Werkstoff induziert werden. Wenn an das Vakuum geringere Anforderungen gestellt
werden, kann auch die Lichtbogenerhitzung angewendet werden, jedoch muß in diesem
Fall ein bestimmter Gasanteil vorhanden sein, damit sich der Lichtbogen ausbilden
und halten kann.
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Bei einigen Materialarten ist jedoch keine der beiden erwähnten Möglichkeiten
besonders vorteilhaft. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Werkstoff als
amorphes Pulver vorliegt. Bei bestimmten Verfahren zur Erzeugung von Zirkon oder
Titan fällt der Werkstoff z. B. in dieser Form an. Ein solches Pulver kann z. B.
einem 100er Maschensieb entsprechen (Öffnungsmaß 0,15 mm), oder es kann sogar noch
feiner sein. Der Widerstand eines solchen Stoffes ist so groß, daß es praktisch
unmöglich ist, Wirbelströme in den Teilchen zu erzeugen, die zur Induktionsschmelzung
ausreichen; außerdem würden in einem solchen Fall die Behälter oder die Einrichtungen
zum Halten des Werkstoffes angegriffen werden. Bei dem Versuch, den Werkstoff mit
Hilfe eines elektrischen Lichtbogens zu schmelzen, wäre der zur Aufrechterhaltung
des Lichtbogens erforderliche Gasdruck so hoch, daß die starken Konvektionsströme,
die bei der hohen Temperatur innerhalb des Lichtbogens auftreten, die feinen Partikeln
aufwirbeln und fortstoßen würden. Andere Werkstoffe können sich mit der Atmosphäre,
die zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens dient, verbinden oder in ihr auflösen,
selbst wenn der Werkstoff normalerweise nicht in Pulverform vorliegt.
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Bei der Verwendung von Lichtbogen ist es auch schwierig, den Punkt,
in dem der Lichtbogen auftrifft, unter Kontrolle zu halten. Es ist bereits eine
Anzahl von Verfahren angegeben worden, um den Lichtbogen über der Oberfläche der
Schmelze zu bewegen, jedoch traten bei diesen Verfahren stets Schwierigkeiten auf,
und es wurden keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt. Werkstoffe, die in schwammiger
Beschaffenheit vorliegen, sind zwar nicht so schwierig zu behandeln wie Pulver,
jedoch sind auch hier der Induktionserwärmung Grenzen gesetzt; obwohl die Konvektionsströme
von geringer Bedeutung sind, sind auch die Grenzen zu beachten, die durch die chemische
Aktivität der Stoffe gegeben sind, entweder hinsichtlich der Behälter oder der Gase,
in denen sie geschmolzen werden.
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Es sind Unterdruck-Schmelzöfen bekannt, in deren Behälter sich eine
Aufnahme für das zu schmelzende, elektrisch leitfähige Material befindet, wobei
über die Aufnahme eine als Kathode wirkende, gegenüber dem Behälter isolierte Elektrode
angeordnet ist, so daß die Schmelzwärme durch einen Entladungsvorgang erzeugt wird.
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Der im Inneren des Behälters herrschende Druck ist praktisch gleichförmig;
innerhalb des Druckbereiches, in dem diese Öfen betrieben werden (etwa zwischen
5 und 0,1 mm Quecksilbersäule), stellt sich im Betrieb eine Glimmentladung ein,
die den evakuierten Raum vollkommen ausfüllt, so daß es notwendig ist, Vorkehrungen
zu treffen, um die Ausbildung von Glimmentladungen in den Zuleitungsrohren zu verhindern.
In dem Behälter stellt sich eine Geisslerröhren-Entladung ein, und eine solche Art
der Endladung hat insbesondere den Nachteil, daß die Anfangsspannung bei Inbetriebnahme
der Vorrichtung erheblich höher liegt als die normale Betriebsspannung. Es ist daher
erforderlich,
einen Reihenwiderstand vorzusehen, um die Inbetriebnahme zu erleichtern.
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Auch sind Erhitzungseinrichtungen bekannt, die mit Kathodenstrahlen
arbeiten und eine als Hohlkugel ausgebildete Kathode besitzen, welche eine so kleine
Aussparung hat, daß die Ränder der Aussparung keinen nennenswerten Einfluß auf die
Form des negativen Glimmlichtes haben: . Einrichtungen dieser Art sind für die technische
'Vakuumbehandlung von Metallen nicht geeignet.
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Die Erfindung bezweckt, die Vakuumbehandlung leitfähigen Materials
zu verbessern, und zwar insbesondere von Werkstoffen, die mit den üblichen Methoden
nicht behandelt werden können. Außerdem bezweckt die Erfindung, die Schmelzung wirtschaftlicher
durchzuführen und eine höhere Reinheit des behandelten Materials zu erreichen.
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Gemäß der Erfindung ist ein Unterdruck-Schmelzofen zur Behandlung
von elektrisch leitfähigem Material vorgesehen, dessen Behälter eine Aufnahme für
das Material enthält, über der eine Glühkathode derart angeordnet ist, daß das Material
in der Aufnahme durch Elektronenaufprall erhitzt wird, und welche gekennzeichnet
ist durch eine im wesentlichen zylindrische Sperrwand, die die Elektronenbahnen
von der Kathode zu dem Material in der Aufnahme zum großen Teil umgibt, wobei der
gegenüber dem Behälterraum verhältnismäßig kleine Raum innerhalb der Sperrwand mit
dem Behälterraum im ganzen in Verbindung steht.
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Vorzugsweise ist die Sperrwand gegenüber dem Behälter isoliert und
ungefähr auf dem gleichen Potential wie die Kathode gehalten. Nach einer weiteren
bevorzugten Ausführungsform ist ein Rohr od. dgl. vorgesehen, das in dem Behälter
zu einer Stelle in der Nähe des Weges des Elektronenflusses führt und durch das
eine gesteuerte Gasströmung in den Weg der Elektronenentladung eingeführt werden
kann.
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Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind gegenüber den bekannten
Ausführungsformen Strom und Spannung und damit auch die Eingangsleistung getrennt
steuerbar. Durch Anwendung höherer Spannungen, als sie bei einer mit einer reinen
Gasentladung arbeitenden Vorrichtung angewendet werden, ohne daß ein vollständiger
Übergang zu einem Lichtbogen erfolgt, ergibt sich eine höhere Leistung, die in Schmelzwärme
umgewandelt werden kann. Andererseits sind auch verhältnismäßig hohe Stromstärken
möglich, und es brauchen daher keine übermäßig hohen Spannungen eingesetzt zu werden,
um eine bestimmte Leistung zu erreichen, wie dies bei einer reinen Elektronenentladung
der Fall wäre.
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Außerhalb der zur Fokussierung vorgesehenen Sperrwandung, die den
Entladungsweg umgibt, ist das Vakuum wenigstens eine Größenordnung höher als innerhalb
des Entladungsweges. Dieses hohe Vakuum verhindert die Ausbreitung der Glimmentladung
und die Neutralisierung der Raumladung, die sich zu den Wänden des Behälters oder
in das Vakuumsystem erstreckt; die Entladung wird daher auf das zu behandelnde Material
begrenzt.
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Auch im Hinblick auf die praktische Anwendbarkeit bietet die Erfindung
wesentliche Vorteile. So ermöglicht sie, daß das Prinzip der Schmelzung durch Teilchenaufprall
nicht nur labormäßig bei verhältnismäßig geringen Materialmengen angewendet werden
kann, sondern es können beträchtliche Mengen in kontinuierlichen Verfahren behandelt
werden. Es ist dadurch möglich, Titan, Niob, Molybdän, Zirkon und andere Stoffe
mit hohem Schmelzpunkt und sehr hoher chemischer Aktivität in Blöcken von etwa 7,5
cm Durchmesser herzustellen. Erforderlichenfalls können sogar Blöcke von etwa 25
cm Durchmesser und mehr hergestellt werden.
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Die wesentlichsten durch die Erfindung erreichbaren Vorteile seien
nachfolgend zusammengefaßt: Es können Werkstoffe mit hoher chemischer Aktivität
geschmolzen werden; es können nichtmassive Werkstoffe mit hohem Widerstand in einem
Vakuum geschmolzen werden, in dem ein absoluter Druck von weniger als einem halben
Mikron Quecksilbersäule herrscht; die Erhitzung kann in einem genau abgegrenzten
Bereich vorgenommen werden, wobei die Erwärmung in dem entsprechenden Bereich praktisch
gleichmäßig ist; die Erfindung ist anwendbar auf Verfahren, die kontinuierlich oder
satzweise durchgeführt werden; die Erfindung kann nicht nur im Laboratorium mit
Vorteil ausgeführt werden, sondern sie ist auch bei verhältnismäßig großen Mengen
anwendbar, wobei die pro Tag erzeugte Menge in Größenordnungen von Kilos oder auch
von Hunderten von Kilos liegen kann; auch ermöglicht die Erfindung die Ausführung
metallurgischer Verfahren, wobei nicht nur eine Verunreinigung der Schmelze durch
Stoffe verhindert wird, deren Anwesenheit durch das Verfahren bedingt ist, sondern
es können dabei auch solche Gase entfernt werden, die in dem Material bei vorherigen
Behandlungen gelöst worden sind, wobei in vorteilhafter Weise die Entfernung dieser
Gase das Schmelzen, Gießen oder die sonstige Behandlung nicht stört; die zur Ausübung
der Erfindung benötigten Vorrichtungen sind einfach in ihrer Bauart und wirtschaftlich
in der Anwendung.
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Bei der Erfindung wird ein evakuierbarer Behälter verwendet, der eine
Verbindung oder Verbindungen zu einer Vakuumpumpe aufweist, die eine solche Kapazität
besitzt, daß sie ein hohes Vakuum (etwa 1 Mikron Quecksilbersäule oder weniger)
in dem Behälter erzeugen kann, selbst wenn das zu behandelnde Material gelöstes
oder absorbiertes Gas enthält, das während des Schmelzvorganges frei wird. Am Boden
des Behälters ist eine leitende Aufnahme für das zu schmelzende Material angeordnet.
Vorzugsweise besteht die Aufnahme aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
z. B. Kupfer; die Aufnahme ist vorzugsweise mit Wasser gekühlt, wobei ein kontinuierlicher
Umlauf von Kühlwasser oder einem anderen Kühlmittel vorgesehen sein kann. Über der
Aufnahme ist eine Kathode für glühelektrische Emission angeordnet, die als Wolframstäbchen
oder -draht ausgebildet und direkt beheizt sein kann; sie kann auch indirekt durch
Strahlung, Aufprall von Teilchen oder Wärmeleitung beheizt sein. Über Verbindungen
ist die Aufnahme an ein Potential angelegt, das gegenüber der Kathode positiv ist;
in der Praxis wird man die Aufnahme und den Behälter auf Erd- oder Massepotential
halten, wobei die Kathode ihre Spannung durch Leitungen erhält, die isoliert durch
die Wandung des Behälters hindurchgeführt sind, so daß die Aufnahme und das darin
enthaltene leitende Material zur Anode werden, auf die die an der Kathode erzeugten
Entladungsteilchen aufprallen.
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Bei dem Schmelzofen nach der Erfindung sind also auch Einrichtungen
vorgesehen, durch die der Elektronenfluß auf denjenigen Bereich zusammengefaßt wird,
der innerhalb der Anodenaufnahme liegt. Diese Fokussierung kann durch entsprechende
Ausbildung der Kathode selbst erfolgen, jedoch wird man vorzugsweise eine Art Sperrkörper
oder Gitter anordnen, der
einen Teil der Elektronenstrecke zwischen
der Kathode und der Anode umgibt, wobei der Sperrkörper auf einem Potential gehalten
wird, das gleich dem der Kathode oder aber negativer ist; der Sperrkörper bildet
zusammen mit den anderen Elektroden des Systems eine konvergierende Elektronenlinse,
deren Eigenschaften dadurch geändert werden können, daß das Potential des Sperrkörpers
oder seine geometrische Form verändert wird; auf diese Weise bleibt die Stelle,
auf der der Elektronenstrahl innerhalb der Aufnahme aufprallt, im wesentlichen auf
den Innenbereich beschränkt.
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Wenn kontinuierlich gearbeitet werden soll, werden Einrichtungen vorgesehen,
durch die der zu schmelzende Werkstoff in die Aufnahme gebracht wird, und ebenfalls
Einrichtungen zur kontinuierlichen Abfuhr des Materials. In diesem Fall wird bei
der Aufnahme zweckmäßig ein Ringkörper ohne Boden verwendet, der über einer Öffnung
am Boden des Behälters angeordnet ist. Unter der Öffnung ist dann eine Vakuumdichtung
angeordnet, welche eine Stange (oder einen Block od. dgl.) durchlassen und abdichten
kann, die praktisch die Innenmaße der Aufnahme hat, wobei die Stange nach dem Einsetzen
als Boden der Aufnahme dient. Ferner sind Einrichtungen vorgesehen, welche bei der
Elektronenstrecke innerhalb des Sperrkörpers eine steuerbare Gasströmung einleiten.
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Bei der Schmelzung wird der zu behandelnde Werkstoff, z. B. Titanpulver,
kontinuierlich" in die Aufnahme eingeführt, wobei der Boden der Aufnahme entweder
durch einen Block gebildet wird, der in einem vorangegangenen Arbeitsgang hergestellt
wurde, oder durch eine Stange aus leitendem Material, die lediglich für diesen Zweck
eingeführt ist. An die Elektroden werden Potentiale angelegt, die einen Elektronenstrom
erzeugen, der auf den zu behandelnden Werkstoff auftrifft, wobei die Elektronen
ihre Energie abgeben und dabei die Wärme zur Schmelzung des Werkstoffes erzeugen.
Das Vakuum wird durch kontinuierliches Pumpen aufrechterhalten, und zwar nicht nur
um Gase zu entfernen, die durch die Dichtungen einströmen, sondern auch, um solche
Gase zu beseitigen, die aus dem Werkstoff beim Schmelzen frei werden, und auch diejenigen
Gase, die in den Raum im Bereich des Sperrkörpers eingeführt werden. Das Vakuum
wird im Raum des Behälters etwa bei dem Wert von 1 Mikron Quecksilbersäule oder
niedriger gehalten. Wie erwähnt, ist es zweckmäßig, eine verhältnismäßig geringe
Gasmenge kontinuierlich in der Nähe des Elektronenstromes zuzuführen, so daß innerhalb
des Sperrkörpers der Druck um einen oder mehrere Größenordnungen höher ist. Das
gewünschte Ergebnis dieses Vorgehens ist, daß der von der Kathode ausgehende Elektronenstrom
in eine Glimmentladung umgewandelt wird, die nicht in einen Lichtbogen ausarten
darf; die Entladung kann durch Veränderung des Gasstromes überwacht und beeinflußt
werden.
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Die Glimmentladung zeigt die Ausbildung eines Ionenplasmas, welches
das Potential, das zur Erzeugung eines bestimmten Stromflusses zur Schmelze erforderlich
ist, erheblich herabsetzt. Die Kathode wird zweckmäßig so ausgelegt, daß sie eine
sehr reichliche Elektronenabgabe ermöglicht; eine Folge der Anwesenheit des die
Glimmentladung bildenden ionisierten Gases ist, daß die elektronische Raumladung
neutralisiert wird, so daß ein höherer Strom in dem Raum durch die Anwesenheit der
positiven Ionen möglich ist. Auch wird bewirkt, daß die bei der Ionisierung freigegebenen
Elektronen als zusätzliche Träger wirken, die auf die Schmelze aufprallen. Der Aufprall
der sich ergebenden positiven Ionen auf die Kathode ist aus mehreren Gründen begrenzt;
ihre verhältnismäßig große Masse und dementsprechend geringe Beschleunigung in Richtung
auf die Kathode führt dazu, daß sie in jedem Fall nur einen geringen Anteil an dem
Raumladungsstrom haben. Einige werden zum Sperrkörper hin gezogen und werden ihn
unter Umständen erreichen, wenn sie an solchen Stellen freigegeben werden, an denen
das Feld zum Sperrkörper stärker ist als das zur Kathode. Jedoch wird immerhin in
gewissem Umfang ein Aufprall auf der Kathode stattfinden, und die Kathode wird dadurch
geheizt. Das Ausmaß dieser Aufheizung kann durch Regulierung des Gasstromes gesteuert
werden, der innerhalb des Sperrkörpers zugeführt wird, so daß unterbestimmten Bedingungen
die besondere Kathodenaufheizung nach der Einleitung des Verfahrens unterbrochen
werden kann.
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Von wesentlicher Bedeutung ist, daß bei der Einrichtung nach der Erfindung
die Glimmentladung nicht über den Sperrkörper in den Behälter übergreifen kann.
Selbst innerhalb des Sperrkörpers ist der Druck so gering und der mittlere freie
Weg zwischen den Gasteilchen so lang, daß Kollisionen zwischen den Teilchen nur
selten auftreten. Sie entweichen in den Raumdes Behälters eher durch einen Diffusionsvorgang
als durch einen kontinuierlichen Fluß. Nach dem Entweichen ist die mittlere freie
Weglänge so groß geworden, daß eine weitere Ionisierung durch Kollisionen nicht
auftritt; diese Ionen werden zusammen mit den nicht ionisierten Molekülen abgepumpt.
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Entsprechend der Wärmeleitfähigkeit des zu behandelnden Werkstoffes
wird dieser in der Mitte der Aufnahme zuerst schmelzen. Der Werkstoff an den Rändern
wird beim Schmelzen in engere Berührung mit den kalten Wänden der Aufnahme kommen
und fließt unter Verfestigung und Schrumpfung zum Zentrum der Schmelze, sobald er
die wassergekühlten Seiten der Aufnahme berührt. Am Boden wird die Schmelze sich
mit der Stange verbinden, die die Aufnahme von unten abschließt. Die Stange wird
im Laufe der Zeit kontinuierlich zurückgezogen, und zwar mit derjenigen Geschwindigkeit,
in der der Werkstoff in der Aufnahme schmilzt. Die Stange oder der Block kann dann
in die gewünschten Längen geschnitten werden, wenn er weit genug vorsteht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen
beschrieben.
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Fig. 1 zeigt, teilweise geschnitten und halbschematisch dargestellt,
eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels, bei der verhältnismäßig niedrige
Potentiale anzulegen sind; Fig. 2 zeigt in einer Darstellung ähnlich Fig. 1 eine
zweite Ausführungsform, bei der höhere Potentiale angewendet werden.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist auf einem geeigneten Vorrichtungsrahmen
1 angeordnet, der so weit von dem Boden entfernt aufgestellt ist, daß die fertigen
Blöcke oder Gußteile von unten entnommen werden können. Eine Grundplatte 3, die
in der Mitte eine Öffnung aufweist, wird von dem Rahmen gehalten; auf der Grundplatte
3 ist ein evakuierbarer Behälter 5 angeordnet. Der erwähnte Teil der Vorrichtung
ist aus Metall hergestellt und vorzugsweise geerdet.
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Die Mittelöffnung der Grundplatte 3 sei bei dem betrachteten Beispiel
kreisförmig. Eine elektrisch leitende Aufnahme 7 ist auf der Grundplatte 3 unmittelbar
über der Öffnung befestigt. Die Aufnahme ist vorzugsweise aus Kupfer hergestellt,
damit sie
sowohl eine hohe elektrische als auch eine hohe thermische
Leitfähigkeit hat. Die Aufnahme ist ringförmig oder in der Form eines Bechers ohne
Boden ausgebildet, und ihr Innendurchmesser ist gleich oder etwas kleiner als der
der Öffnung in der Grundplatte. Eine Kühlschlange 9 aus Kupferrohr umgibt die Aufnahme,
sie ist an dieser durch Lötung oder in anderer geeigneter Weise befestigt; die Zufluß-
und Abflußleitungen der Kühlschlange, die durch die Wände des Behälters hindurchgeführt
sind, sind vakuumsicher abgedichtet.
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Der Behälter 5 weist eine oder mehrere Anschlußöffnungen auf, die
mit einem Vakuumsystem 11 z. B. über eine Leitung 13 verbunden sind. Die Anschlüsse
sind verhältnismäßig groß auszubilden; auch soll die Vakuumpumpe (oder die Pumpen)
eine große Leistung haben, damit die anfängliche Evakuierung des Behälters schnell
erfolgen kann und ein beständiges Aufrechterhalten eines hohen Vakuums innerhalb
des Behälters möglich ist. Vakuumsysteme dieser Art sind bekannt, und sie enthalten
meistens eine große Diffusorpumpe, welche mit einer oder mehreren mechanischen Pumpen
zusammenarbeitet. Da Einrichtungen dieser Art bekannt sind, sind sie nicht im einzelnen
dargestellt. Das Pumpensystem muß in der Lage sein, den Druck innerhalb des Behälters
auf 1 Mikron Quecksilbersäule oder niedriger zu halten.
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Eine emissionsfähige Kathode 15, die vorzugsweise als Wolframstäbchen
oder -draht ausgebildet ist, ist über der Aufnahme angeordnet; die Kathode kann
z. B. schraubenförmig aufgewickelt oder in anderer Weise ausgebildet sein, so daß
sie eine verhältnismäßig große emittierende Oberfläche hat. Die Stromzuführung zur
Heizung der Kathode erfolgt über isolierte Leitungen 17 und 17', die durch die Wände
des Behälters hindurchgeführt sind. Ein Sperrkörper 19 aus Metall, der bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel als zylindrischer, oben abgeschlossener Körper ausgebildet ist,
umgibt die Kathode und einen größeren Teil des Raumes zwischen der Kathode und der
Aufnahme; dieser Raum bildet im Betrieb die Entladungsstrecke zwischen der Kathode
und der Aufnahme und ihrem Inhalt, die die Anode darstellt. Die isolierten Kathodenzuleitungen
sind durch die Wandungen des Sperrkörpers hindurchgeführt, der mit der Kathode z.
B. durch einen Anschluß 21 verbunden ist. Ebenso wie die Aufnahme 7 ist der Sperrkörper
wassergekühlt. Im vorliegenden Fall ist eine Kupferröhre 23, die die Kühlschlange
bildet und zweckmäßig verlötet ist, durch die Wandung des Behälters hindurchgeführt
und durch eine geeignete Dichtung 25 abgedichtet.
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Zwei weitere Leitungen sind sowohl durch die Wandungen des Behälters
5 als auch die des Sperrkörpers 19 hindurchgeführt. Diese Leitungen sind vorzugsweise
aus hitzebeständigem, isolierendem Material hergestellt, z. B. aus keramischem Werkstoff.
Die erste Leitung 27 ist verhältnismäßig weit. Durch sie kann das zu schmelzende
Material kontinuierlich und geregelt zugeführt werden. Das Material kann in üblicher
Weise aus einem Behälter in einer Vakuumschleuse zugeführt werden. Da Einrichtungen
dieser Art bekannt sind und sie mit der Erfindung in keinem unmittelbaren Zusammenhang
stehen, sind sie nicht dargestellt. Die Leitung 27 ist gegenüber dem Gehäuse durch
eine Vakuumdichtung 29 abgedichtet.
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Die zweite Leitung 31 läuft von oben in den Behälter ein und ist mit
Hilfe einer Dichtung 33 abgedichtet. Diese Leitung hat einen kleinen Innendurchmesser
und dient zur Einführung eines verhältnismäßig kleinen Gasstromes eines inerten
Gases unter niedrigem Druck in den Sperrkörper. Die Art des zu verwendenden Gases
ist abhängig von dem zu schmelzenden Werkstoff. Bei manchen Werkstoffen kann Stickstoff
verwendet werden, jedoch werden im allgemeinen einatomige Gase, vor allem z. B.
Argon, zu bevorzugen sein. Ein Ventil 35, das nur schematisch angedeutet ist, dient
zur Steuerung der Gaszuführung.
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Außerhalb des Behälters, unmittelbar unter der Aufnahme 7, ist eine
Vakuumdichtung 37 angeordnet; diese Vakuumdichtung entspricht den Ausführungen,
die zur Abdichtung von Wellen od. dgl. dienen, die durch evakuierte Behälter hindurchzuführen
sind. Die Dichtung ist so ausgebildet, daß sie mit einem beweglichen Teil (Stange,
Block usw.) zusammenarbeiten kann, dessen Durchmesser gleich dem Innendurchmesser
der Aufnahme 7 ist.
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Zu Beginn des Schmelzvorganges wird eine geeignete Stange od. dgl.
39 durch die Dichtung 37 hindurchgeführt, damit sie den Boden der Aufnahme 7 bilden
kann. Die Stange kann ein vorgeformter Block aus dem zu schmelzenden Material sein,
kann aber auch einfach eine Stange aus Stahl oder anderem Metall sein, die dann
nach der Ausbildung des Blockes abgeschnitten wird. Anschließend wird eine bestimmte
Menge des zu schmelzenden Materials 41 über die Leitung 27 zur Füllung der Aufnahme
eingeführt, und der Behälter evakuiert. Sobald die Evakuierung im wesentlichen abgeschlossen
ist, wird der Heizkreis geschlossen, so daß von der Spannungsquelle 43 ein Strom
durch die Kathode 15 fließen kann, bis diese auf eine solche Temperatur aufgeheizt
ist, daß sie Elektronen in hinreichender Zahl emittieren kann. Dann wird die Anodenspannung
zwischen Kathode 15
und Aufnahme 7 angelegt; die Anodenspannung kann in einer
Stromquelle, z. B. einem Motorgenerator 45, erzeugt werden. Bei dem in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel wird die verwendete Spannung etwa bei 200 Volt oder niedriger
liegen, wobei der Wert von 200 Volt ungefähr den Grenzwert zwischen der Verwendung
des Ausführungsbeispiels nach Fig.l und dem noch zu beschreibenden Ausführungsbeispiel
nach Fig.2 darstellt. Die erwähnte Spannung von 200 Volt ist jedoch nicht als Absolutwert
aufzufassen, sondern stellt lediglich etwa die Größenordnung dar.
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Nun wird eine Entladung zwischen der Kathode und der Anode stattfinden,
die durch die Aufnahme und das in ihr enthaltene Material gebildet ist. Diese Entladung
besitzt jedoch nur eine geringe Energie. Der Sperrkörper 19 liegt auf dem gleichen
Potential wie eins der Enden der Kathode und trägt erheblich dazu bei, sie abzuschirmen.
Innerhalb des Sperrkörpers besteht daher eine starke Raumladung. Die Entladung wird
auf das zu schmelzende Material in der Aufnahme durch das Feld zwischen dem Rand
des Sperrkörpers und dem Material in der Aufnahme fokussiert.
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Nun wird über das Ventil 35 und die Leitung 31 ein schwacher Gasstrom
in den Raum innerhalb des Sperrkörpers eingeführt. Das zugeführte Gas wird sofort
ionisiert und erzeugt eine Glimmentladung zwischen der Kathode und der durch das
Material in der Aufnahme gebildeten Anode.
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Der Entladungsvorgang kann durch Änderung der Menge des zugeführten
Gases genau gesteuert werden. Wenn zuviel Gas hinzutreten kann, bildet sich ein
Lichtbogen aus, der den Entladungsvorgang auf einen verhältnismäßig kleinen Bereich
der Anodenoberfläche konzentriert. Die Menge des hinzutretenden Gases ist also unter
Berücksichtigung der aus dem behandelten Material austretenden Gase oder Dämpfe
so gering zu halten, daß dies nicht eintritt. Wenn der richtige Druck eingestellt
ist, bildet sich ein Ionenplasma, das den
Raum in dem Sperrkörper
einnimmt und den Entladungsvorgang auf die gesamte Oberfläche des zu schmelzenden
Materials verteilt. Die Art der Entladung kann recht genau durch den Leitungsstrom
bestimmt werden, der durch ein Amperemeter 47 in dem Stromkreis angezeigt wird.
Die Entladung ist automatisch auf die Schmelze innerhalb der Aufnahme begrenzt,
wobei praktisch kein Strom zu den Wänden der Aufnahme fließt. Dies ist vermutlich
auf den höheren Dampfdruck über dem geschmolzenen Material zurückzuführen, so daß
mehr ionisierbare Gasteilchen in diesem Bereich zur Verfügung stehen. Auch tritt
ein steiler Druckgradient durch den Spalt zwischen der Aufnahme und dem Sperrkörper
auf. Jedenfalls wird in vorteilhafter Weise eine Begrenzung erreicht.
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Obwohl eine bestimmte Gasatmosphäre innerhalb des Sperrkörpers vorhanden
ist, ist der Druck innerhalb des Körpers noch sehr niedrig. Das Austreten von Gasmolekülen
aus dem Raum innerhalb des Sperrkörpers in den Raum des Behälters ist daher eher
ein Diffusionsvorgang als ein Strömungsvorgang. Wenn die Gasmoleküle aus dem Sperrkörper
in den verhältnismäßig großen Raum des äußeren Behälters eingetreten sind, ist die
mittlere freie Weglänge der Moleküle zu groll geworden, um eine Stoßionisation zu
ermöglichen, wie sie innerhalb des Sperrkörpers auftritt; außerhalb des Sperrkörpers
tritt daher keine Glimmentladung auf. Die austretenden Moleküle werden durch das
Vakuumsystem in demselben Ausmaß entfernt, wie sie zugeführt werden.
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Der Hauptteil der Träger des Stromes innerhalb der Entladung sind
noch Elektronen. Die innerhalb des Plasmas erzeugten positiven Ionen sind erheblich
schwerer als die Elektronen; sie werden sowohl von der Kathode als auch von den
Wandungen des Sperrkörpers angezogen. Im allgemeinen haben sie Ladungen, die gegenüber
den Elektronen gleich, aber entgegengesetzt sind, jedoch beschleunigen sie sich
wegen ihrer größeren Masse verhältnismäßig langsam. Wenn sie auf den Sperrkörper
auftreffen, wird die durch den Stoß hervorgerufene Wärme durch das Kühlsystem abgeführt.
Die Kathode 15 ist jedoch nicht gekühlt. Wenn daher die Entladung den gewünschten
Wert erreicht hat, kann die Stromversorgung aus der Quelle 43 vermindert oder ganz
unterbrochen werden, wobei die Emissionstemperatur der Kathode durch das Auftreffen
positiver Ionen aufrechterhalten wird. Wenn innerhalb der Sperrkörper eine zu starke
Entladung auftritt, können die auftreffenden positiven Ionen die Kathode überheizen,
so daß diese bereits in einem früheren Zeitpunkt ausfällt und nicht etwa 2000 Betriebsstunden
erreicht, die als normale Lebensdauer angesetzt werden können. Wie bereits erwähnt,
kann der Entladungsstrom bei vorgegebener Spannung zwischen Kathode und Anode dadurch
beeinflußt werden, daß man den Gasstrom zum Sperrkörper steuert. Ein Kriterium für
die Stärke der Entladung ist die Auf heizung der Kathode. Ungefähr 10 °lo der in
dem System umgesetzten Leistung wird in jedem Fall für diesen Zweck benötigt werden.
In einer kleinen Versuchsanlage mit 6 Kilowatt Entladungsleistung werden daher ungefähr
600 Watt zur Heizung der Kathode benötigt werden, gleich, ob diese Leistung durch
die Stromquelle 43 oder durch den Aufprall positiver Ionen geliefert wird.
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Wenn die Entladung zunächst bei den noch unveränderten zu schmelzenden
Teilchen auftritt, ist die Wärmeleitung zwischen diesen verhältnismäßig gering,
so daß diejenigen Teilchen, die oben in der Aufnahme liegen, verhältnismäßig schnell
geschmolzen werden und zum Boden der Aufnahme und zu den Wänden fließen, wobei durch
Elektronenaufprall auf das geschmolzene Material stets genügend Wärme zuzuführen
ist, um dauernd eine Schmelzzone aufrechtzuerhalten und eine gute Beschaffenheit
des gegossenen Blocks oder der gegossenen Stange zu gewährleisten. Bei der Berührung
der kalten Wandungen tritt sofort eine Erstarrung ein, und es bildet sich ein Temperaturgradient,
der von der Mitte nach den Rändern gerichtet ist. Das zuerst geschmolzene :Material
verschmilzt mit der Stange 39. Bei der Erstarrung schrumpft das Material und wird
dabei von den Wandungen der Aufnahme entfernt. Nach Einleitung des Verfahrens wird
der so gebildete Block kontinuierlich zurückgezogen, so daß der Werkstoff von dem
Boden der Aufnahme mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegt wird, wie neuer Werkstoff
aus der Röhre 27 zugeführt wird. Der austretende Block kann von Zeit zu Zeit in
den gewünschten Längen abgeschnitten werden.
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Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung gemäß der Erfindung entspricht
im wesentlichen der Vorrichtung nach Fig. 1, vor allem in bezug auf die Ausbildung
des Behälters, der Aufnahme, und des Vakuum-Systems. Diejenigen Teile, die die gleiche
Funktion wie bei Fig. 1 haben, sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet,
wobei ein Strich beigefügt ist, wenn Unterschiede in der Wirkungsweise oder nennenswerte
Unterschiede in der Ausbildung bestehen.
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Die Vorrichtung nach Fig. 2 ist vor allem für den Betrieb mit höheren
Spannungen zwischen Kathode und Anode bei entsprechend niedrigeren Strömen geeignet.
Der Hauptunterschied gegenüber Fig. 1 liegt in der anderen Ausbildung des Sperrkörpers
19' der Fig. 2. Wie bei Fig. 1 ist der Sperrkörper 19 wassergekühlt, jedoch ist
dies nicht in allen Fällen notwendig; in der Zeichnung ist daher angedeutet, daß
der Sperrkörper 19' sowohl durch einen geeigneten Tragarm 51 als auch durch die
Kühlrohre 23 gehalten wird. Wie in der Fig.2 dargestellt ist, ist ein Punkt der
Wolframkathode mit dem Sperrkörper verbunden. Die beiden Anschlußleitungen gehen
durch Öffnungen in der Wandung des Sperrkörpers hindurch. Sie sind wie beim vorigen
Beispiel durch die Wandungen des Gehäuses 5 mit Hilfe isolierter Leitungen 17 hindurchgeführt.
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Bei dem vorliegenden Beispiel ist der Sperrkörper 19' im oberen Teil
offen, so daß der zu schmelzende Werkstoff aus der Leitung 27 unmittelbar durch
die Öffnung in die Aufnahme fallen kann. Wie beim Beispiel der Fig. 1 ist auch eine
Leitung 31 vorgesehen, die durch die obere Wandung des Gehäuses hindurchgeführt
ist und Gas in den Elektronenstrom einführen kann.
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Da der Sperrkörper im oberen Teil offen ist, ist der Druckgradient
zwischen dem Inneren des Sperrkörpers und dem Gehäuse erheblich niedriger als beim
ersten Ausführungsbeispiel. Der Druck innerhalb des Sperrkörpers kann jedoch hoch
genug gehalten werden, um eine Glimmentladung aufzunehmen, jedoch kann entsprechend
der wesentlich niedrigeren Zahl von Ionenträgern eine viel höhere Spannung zwischen
der Kathode und der Anode aufrechterhalten werden. Die Ausführungsform der Erfindung
nach Fig. 2 ist daher gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 vor allem für höhere
Spannungen und niedrigere Ströme geeignet. Jede Einrichtung hat bestimmte Vorteile.
Das Isolationsproblem ist bei der Ausführungsform
nach Fig. 1 leichter
zu lösen. Die Ausführungsforrn nach Fig.2 fordert für eine gleiche Leistung eine
geringere Kathodenemission, so daß der Wirkungsgrad etwas höher ist. Wie aus Fig.2
erkennbar ist, wird sich zwischen der Kathode 15 und der oberen Wandung des Behälters
ein elektrisches Feld ausbilden, und man könnte vermuten, daß sich dort eine Entladung
einstellt. Dies trifft jedoch aus einer Reihe von Gründen nicht ein: die Kathode
ist als Schleife ausgebildet und liegt in der Nähe der Wandung des Sperrkörpers;
sie ist teilweise abgeschirmt durch den Rand 53, der den Sperrkörper nach oben hin
teilweise abschließt. Die meisten Kraftlinien, die von dem oberen Teil des Gehäuses
ausgehen, enden daher auf diesem Flansch, so daß das Feld, das auf der Kathode selbst
endet, verhältnismäßig schwach ist.
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Außerhalb des Flansches ist der Druck zu niedrig, um eine Glimmentladung
zuzulassen, wobei der Druck in der Mittelöffnung ungefähr ebenso niedrig ist wie
innerhalb des Behälters. Der höchste Druck innerhalb des Sperrkörpers liegt unterhalb
der Kathode, zwischen Kathode und Anode. In diesem Bereich wird das Gas ionisiert
und die Raumladung weitgehend neutralisiert; die auftretende Entladung, daß andere
Wege zwischen der Kathode und dem Behälter praktisch kurzgeschlossen werden, wobei
die Entladung über die Streuwege vernachlässigbar ist. Der Bereich höchsten Druckes
liegt wahrscheinlich unmittelbar über der Mitte der Schmelze, wo sowohl ionisierte
Dampfmoleküle als auch ionisiertes zugeführtes Gas vorhanden sind. Wie im Fall der
Entladung mit niedrigerer Spannung findet eine Art Gasfokussierung statt, die die
Entladung auf die Oberfläche der Schmelze begrenzt, so daß praktisch kein Raumladungsstrom
zu den Wänden der Aufnahme 7 fließt. Die Behandlung der Schmelze, das Entnehmen
der gegossenen Blöcke usw. erfolgt in der gleichen Weise.
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In beiden Fällen unterscheidet sich die Natur des Entladungsvorganges
scharf von einem Lichtbogen. Für den letzteren Fall ist charakteristisch, daß ein
definierter Kern ionisierten und hochleitfähigen Gases besteht und die Entladung
auf einer bestimmten Stelle der Oberfläche der Anode endet, ähnlich bei der Kathode.
Es ist bekannt, daß ein Lichtbogen eine negative Widerstandscharakteristik hat;
wenn also ein Lichtbogen einmal gezündet ist, wächst der Strom an, und die Spannung
über dem Lichtbogen fällt, bis ein Ausgleich eintritt durch die Begrenzung des Stromes
in den Widerständen des speisenden Kreises, der sich außerhalb des Lichtbogens befindet.
Dieser Vorgang ist bedingt durch die völlige Neutralisierung der Raumladung durch
positive Ionen in der Entladungsstrecke. Wenn genug ionisierbare Moleküle in dem
Weg vorhanden sind, um eine solche Neutralisierung herbeizuführen, kann sich eine
Änderung des Gasdruckes auf den Stromfluß praktisch nicht auswirken.
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Die bei dem Schmelzofen nach der Erfindung vorgesehene Entladung ist
dagegen diffuser Natur. Innerhalb des Bereiches des Gasdrucks, in dem diese Art
der Entladung auftritt, ist die Zahl der Gasmoleküle, die zur Bildung positiver
Ionen zur Verfügung stehen, so begrenzt, daß die Raumladung nur teilweise durch
die gebildeten Ionen neutralisiert wird. Der Strom in der Entladung ist eine unmittelbare
Funktion des Gasdruckes. Die Widerstandscharakteristik der Entladung ist positiv
und nicht negativ; man benötigt daher keine Stabilisierungswiderstände außerhalb
der Entladungsstrecke, um die Stabilität des Vorganges zu gewährleisten. Der Druck,
der zur Aufrechterhaltung eines Lichtbogens benötigt wird, liegt um mehrere Größenordnungen
über dem Druck, der bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verwendet wird, und
er ist auch noch höher als bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2.
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Es ist möglich, die beiden dargestellten und beschriebenen Einrichtungen
mit reiner glühelektrischer Entladung zwischen der Kathode und der Schmelze zu betreiben;
in diesem Fall braucht lediglich der Zustrom von Gas völlig unterbunden zu werden.
Dann muB aber eine wesentlich höhere Spannung über der Entladungsstrecke liegen
als bei Zuführung von Gas. Die Ausführungsform nach Fig.2 ist für diese Betriebsart
geeigneter als die in der Fig. 1; der Abstand zwischen Kathode und Anode ist geringer,
und die Kathode ist weniger wirksam abgeschirmt, so daß weniger Kraftlinien auf
dem Sperrkörper enden und sich eine geringere Raumladung ausbildet. Wenn bei der
Vorrichtung nach Fig. 2 der zugeführte Gasstrom stufenweise abgeschaltet wird, wird
die Wirkung der »Gasfokussierung« immer geringer, und die Form des Sperrkörpers
erhält erhöhte Bedeutung, da das Feld in dem Spalt zwischen dem Sperrkörper und
der Aufnahme die Art und die Wirkung der Elektronenlinse und den Bereich bestimmt,
in dem die Entladung auf die Schmelze auftrifft. Die einwärts abgeschrägten Wandungsteile
im Sperrkörper, wie in Fig. 2 dargestellt, die teilweise auf die Form des Feldes
von Einfluß sind, sind bei einem höheren Vakuum von größerer Bedeutung als bei einem
geringeren Vakuum. Bei Verwendung eines geringeren Vakuums, wenn ein beträchtlicher
Gasanteil in den oben offenen Sperrkörper eingeführt wird, können die Wände zylindrisch
sein, wie sie es bei dem geschlossenen Sperrkörper sind.
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Eine wesentliche und vorteilhafte Eigenschaft des Schmelzofens nach
der Erfindung ist, daß der Entladungsvorgang auf der Oberfläche des Materials in
einer verhältnismäßig kühlen Aufnahme fokussiert wird. Durch die Aufnahme wird auch
keine Wärme übertragen, und das geschmolzene :Metall bleibt nicht im Kontakt mit
der Aufnahme. Es wird vielmehr von einem Teil aufgenommen, das aus dem gleichen
Material in fester Form besteht. Die Schmelze wird daher nicht durch solche Stoffe
ungünstig beeinflußt, die aus den Wänden eines Behälters gelöst sind. Man kann jedoch
auch so vorgehen, daß durch Herabsetzen des Umlaufs des Kühlmittels in der Kühlschlange
9 der Aufnahme 7 die Schmelze nur in einer bestimmten Schichtstärke um die Wandung
der Aufnahme verfestigt wird, so daß man eine Ausflußöffnung aus dem Material selbst
erhält und man das Material flüssig entnehmen kann, das dann in andere geeignete
Formen vergossen wird.
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Selbst bei der mit niedriger Spannung betriebenen Ausführungsform
der Fig. 1 ist der Gasdruck innerhalb des Sperrkörpers erheblich niedriger als bei
einem Lichtbogen und auch erheblich niedriger als die Dampfdrücke, die normalerweise
bei dem Freiwerden gelöster oder eingeschlossener Gase auftreten. Bei Anwendung
eines Lichtbogens ist dies anders, weil dort eine Beeinträchtigung der Schmelze
durch die den Lichtbogen umgebende Atmosphäre auftreten kann, und es können auch
Störungen auftreten, die durch Konvektionsströme bedingt sind, die die Verwendung
der Lichtbogenschmelzung amorpher Pulver unmöglich machen.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt. So können insbesondere die Kathode, der Sperrkörper
und
die Aufnahme in zweckmäßiger Weise geändert werden. Der Sperrkörper hat den doppelten
Zweck, den Bereich höheren Druckes zu begrenzen und als Fokussierungselektrode zu
wirken; er kann daher in der Größe, in der Form und in seiner relativen Wirkung
gegenüber dem Entladungsvorgang in zweckmäßiger Weise geändert werden.
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Auch ist die Erfindung nicht beschränkt auf die Verwendung bei solchen
leitenden Werkstoffen, die mit den üblichen Methoden nicht behandelt werden können.
Zwar wird die Erfindung in erster Linie bei solchen leitenden Werkstoffen anzuwenden
sein, die ganz oder teilweise die vorerwähnten Eigenschaften haben, jedoch ist sie
ebenfalls mit Vorteil anwendbar bei den häufiger verwendeten Metallen mit hohem
Schmelzpunkt, z. B. bei Kobalt und Nickel, und sie wird auch bei dem Schmelzen,
Gießen oder Verdampfen von Metallen mit niedrigeren Schmelzpunkten mit Vorteil angewendet
werden können.