DE1156521B

DE1156521B - Elektronenstrahlkanone zum Erhitzen von Metallen

Info

Publication number: DE1156521B
Application number: DEH43568A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Walter Dietrich
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1961-09-05
Filing date: 1961-09-05
Publication date: 1963-10-31
Also published as: GB1014200A; CH403104A; US3270233A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenstrahlkanone, insbesondere auf eine ringförmig ausgebildete, als Elektronenstrahlquelle dienende Glühkathode mit Anode sowie vorzugsweise mit Fokussierungselektrode.

Es ist bekannt, unter hohem Vakuum Metalle durch Beschüß mit Elektronenstrahlen auf Schmelztemperatur zu erhitzen. Als Elektronenstrahlquelle wird dabei eine ringförmig ausgebildete Glühkathode mit Fokussierungselektrode benutzt. Das zu schmelzende Metall liegt meist auf Erdpotential und dient als Anode für die von der Glühkathode emittierten Elektronen, die durch diese elektrische Potentialverteilung auf das zu schmelzende Metall hin beschleunigt werden. Ein solches Ringstrahlsystem hat aber den Nachteil, daß sich beispielsweise bei Gasausbrüchen aus dem zu schmelzenden Metall leicht Gasentladungen zwischen dem Metall und der Glühkathode ausbilden, die eine rasche Zerstörung der Glühkathode hervorrufen.

Es ist auch ein Ringstrahlsystem bekannt, bei dem zwischen der von einer Fokussierungselektrode umgebenen Glühkathode und dem zu schmelzenden Metall eine ebenfalls ringförmig ausgebildete Anode angeordnet ist. Das zu schmelzende Metall liegt dabei meist auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Anode, die über ihren gesamten Umfang einen nicht unterbrochenen Schlitz zum Durchtritt der Elektronen in Richtung auf das zu schmelzende Metall besitzt. Dabei ist die die ringförmige Glühkathode umgebende Fokussierungselektrode so um die Glühkathode angeordnet, daß vom zu schmelzenden Metall her, in Richtung der durch die geschlitzte Anode hindurchtretenden Elektronenstrahlen gesehen, die Glühkathode nicht sichtbar ist. Die aus der Glühkathode austretenden Elektronen werden durch geeignete elektrische Potentialverteilung zwischen Glühkathode, Fokussierungselektrode und Anode umgelenkt. Die Elektronenbahnen beschreiben dabei eine Kurve mit in Richtung zur Anode abnehmender Krümmung, die an der Glühkathode beginnt, durch den Schlitz der Anode verläuft und auf dem zu schmelzenden Metallkörper endet. Durch geeignete Wahl der obenerwähnten elektrischen Potentialverteilung kann die Steigung dieser Kurven verändert werden, womit sich auch der Auftreffwinkel der Elektronenstrahlen auf den zu schmelzenden Metallkörper ändert. Die Veränderung der Steigung der Kurven mit in Anodenrichtung abnehmender Krümmung, die die Elektronenbahnen darstellen, wird durch elektrische Felder verschiedener Stärke hervorgerufen. Die Gesamtheit der Elektroenstrahlen

Elektronenstrahlkanone zum Erhitzen
von Metallen

Anmelder:
W.C.HeraeusG.m.b.H.,

Hanau/M., Heraeusstr. 12-14

Dipl.-Phys. Dr. Walter Dietrich, Hanau/M.,
ist als Erfinder genannt worden

bildet bei Verwendung einer ringförmigen Glühkathode für dieses Strahlerzeugungssystem eine konisch geformte Strahlfläche, in deren Fokus oder in Fokusnähe der zu schmelzende Metallkörper angeordnet ist. Es ist nicht notwendig, daß die Glühkathode, die Fokussierungselektrode und der durchgehende Schlitz in der Anode ringförmig ausgebildet sind, sondern sie können auch andere Formen besitzen; beispielsweise kann auch eine Elektronenkanone in der Weise aufgebaut werden, daß die Glühkathode als gerader Draht ausgebildet ist, der Schlitz in der Anode verläuft dann ebenfalls gerade.

Die erfindungsgemäße Elektronenstrahlkanone zum Erhitzen von Metallen auf hohe Temperaturen unter hohem Vakuum besteht aus einer langgestreckten Glühkathode, insbesondere aus einer ringförmigen Glühkathode, einer Fokussierungselektrode und einer Anode. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der einzigen Glühkathode eine an sich bekannte mit nebeneinanderliegenden Löchern versehene Anode zugeordnet ist und, in Strahlrichtung gesehen, hinter der Anode an sich bekannte magnetische, elektronenoptische Mittel, vorzugsweise elektromagnetische Mittel, angeordnet sind.

Das bekannte weiter oben beschriebene Ringstrahlsystem besitzt jedoch, vom elektronenoptischen und schmelztechnischen Standpunkt aus gesehen, erhebliche Nachteile. Durch die ringförmige Glühkathode ist es nur möglich, die von ihr ausgehenden Elektronenstrahlen in radialer Richtung des Ringes elektrisch wirksam zu beeinflussen. In tangentialer Richtung tritt eine nicht unerhebliche Streuung der von einem Punkt der Glühkathode emittierten Elektronen auf. Außerdem erlaubt das bekannte Ring-

309 730/249

Claims

.3 4

Strahlsystem nicht, die elektrischen Felder zur Fokus- Die von der auf negativem elektrischem Potential sierung der Elektronenstrahlen auf den zu erhitzenden liegenden Glühkathode 1 emittierten Elektronen tre-Metallkörper durch elektronenoptisch wesentlich ten als Elektronenstrahlbündel 2 durch die gelochte günstigere magnetische Felder, die auch Elektronen- Fokussierungselektrode 3 und die Anode 4 mit Strahlbüschel wesentlich größerer Strahlapertur fokus- 5 nebeneinanderliegenden Löchern in den Schmelzsieren können, zu ersetzen. raum 5. Die Fokussierungselektrode liegt etwa auf Bekannt sind auch Elektronenstrahlerzeugungs- gleichem oder negativerem elektrischem Potential systeme mit mehreren getrennt voneinander Steuer- als die Glühkathode 1. Die Anode liegt auf positivebaren Elektronenstrahlbündeln, Hierbei ist mehre- rem elektrischem Potential als die Glühkathode, vorren getrennt voneinander angeordneten und elektrisch io zugsweise auf Erdpotential. Als Glühkathode kann getrennt voneinander gespeisten Kathoden eine An- eine über ihre gesamte Oberfläche gleichmäßig elekode mit nebeneinanderliegenden Löchern zugeordnet. tronenemittierende Kathode verwendet werden oder Die Ablenkung der Elektronenstrahlen erfolgt durch eine Glühkathode, die so ausgebildet ist, daß nur elektrische Felder. Diese Elektronenstrahlsysteme über den Löchern der Fokussierungselektrode bzw. werden für Kathodenstrahlröhren oder Fernsehbild- 15 der Anode liegende Teile der Glühkathode Elekröhren benutzt, d. h. in solchen Geräten, bei denen tronen emittieren. Dies kann in einfacher Weise z. B. es nicht auf große Elektronenstrahlleistungen an- dadurch erreicht werden, daß der Querschnitt der kommt und keine wesentliche Wärmeentwicklung an ringförmigen Glühkathode periodisch dicker und der Auftreffstelle der Elektronen, dem Bildschirm, dünner ausgebildet ist oder daß die betreffenden hervorgerufen werden soll, da sie sich in diesem Fall 20 Oberflächenteile der Glühkathode verschieden aktischädlich auswirken würde. viert sind. In dem Ausführungsbeispiel sind unter-Bei der erfindungsgemäßen Elektronenstrahl- halb der Anode 4 an die festen Anodenteile elektrokanonenanordnung ergeben sich verschiedene Vor- magnetische Mittel angesetzt, die aus Spulen 6 mit teile. Durch die Zuordnung einer gelochten Anode ferromagnetischem Kern 7 bestehen. Vorzugsweise zur einzigen Glühkathode werden die von der Glüh- 25 haben alle Spulen 6 gleiche Amperewindungszahl, kathode emittierten Elektronen zu einzelnen durch Gegebenenfalls können die Amperewindungszahlen die Löcher hindurchtretenden Elektronenstrahlbün- der Spulen verschieden sein. Der Querschnitt des sich dem zusammengefaßt. Die bei der bekannten Anode zwischen zwei Enden von Kernen 7 ausbildenden mit durchgehendem Schlitz auftretenden tangentialen Magnetfeldes H wird durch die Form der Enden Streuverluste werden dadurch auf einen vernach- 30 der ferromagnetischen Kerne bestimmt; sie können lässigbaren Wert reduziert. Zur elektronenoptischen den gewünschten Anforderungen entsprechend ausBeeinflussung der Elektronenstrahlbündel sind hinter gebildet werden. Es ist außerdem möglich, die Fokusder Anode bei der Elektronenstrahlkanone nach der sierungselektrode 3, die Anode 4 sowie die elektro-Erfindung an sich bekannte magnetische elektronen- magnetischen Mittel in bekannter Weise zu kühlen, optisch wirksame Mittel angeordnet. Eine elektrische 35 Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf Ablenkung der Elektronenstrahlen im Beschleu- das dargestellte Ausführungsbeispiel mit ringförmiger nigungsraum, wie das bei bekannten Elektronen- Glühkathode sowie Anode und Fokussierungselekstrahlerzeugungssystemen mit hoher Elektronenstrahl- trode beschränkt, sondern es lassen sich auch Elekleistung geschieht, entfällt, und damit entfallen auch tronenkanonen mit anders geformter Glühkathode, die Schwierigkeiten mit den erheblich komplizierten 40 beispielsweise in Form eines geraden Drahtes, Fokusünd justierempfindlichen Mitteln zur Ausbildung der sierungselektrode und Anode entsprechend dem sehr kritischen elektrischen Ablenkfelder. Es hat sich Erfindungsgedanken aufbauen. Auch ist die Form bei der erfindungsgemäßen Elektronenkanone als vor- der Löcher in der Fokussierungselektrode bzw. der teilhaft erwiesen, zwischen Glühkathode und Anode Anode beliebig wählbar. Es ist nicht notwendig, eine auf die Löcher der Anode abgestimmte Fokus- 45 daß die Form und'oder die Größe der Löcher in sierungselektrode anzuordnen, wobei diese Fokussie- der Fokussierungselektrode und/oder der Anode rungselektrode ebenfalls in gelochter Form aus- gleich sein müssen, gebildet ist und etwa auf gleichem oder negativerem elektrischem Potential als die Glühkathode liegt. PATENTANSPRÜCHE· Bei der erfindungsgemäßen Elektronenkanone kön- 50

nen die Löcher in der Anode so klein ausgebildet 1. Elektronenstrahlkanone zum Erhitzen von

werden, daß eine getrennte Evakuierung des Elek- Metallen auf hohe Temperaturen unter hohem

tronenstrahlerzeugungssystems unabhängig von der Vakuum, bestehend aus einer langgestreckten

Schmelzraumevakuierung erfolgen kann, so daß eine Glühkathode, insbesondere aus einer ringförmi-

bestimmte Druckdifferenz zwischen Schmelzraum 55 gen Glühkathode, einer Fokussierungselektrode

und Elektronenstrahlerzeugungsraum aufrechterhal- und einer Anode, dadurch gekennzeichnet, daß

ten werden kann. Weiterhin bilden die magnetischen der einzigen Glühkathode eine an sich bekannte

Ablenkmittel, wie an sich bekannt, eine wirksame mit nebeneinanderliegenden Löchern versehene

Ionenfalle für im Schmelzraum gebildete und in Anode zugeordnet ist und, in Strahlrichtung

Richtung der Glühkathode fliegende Ionen. 60 gesehen, hinter der Anode an sich bekannte

An Hand der Fig. 1 und 2 wird ein Ausführungs- magnetische, elektronenoptische Mittel, vorzugs-

beispiel der Erfindung beschrieben. weise elektromagnetische Mittel, angeordnet sind.

Fig. 1 stellt einen Ausschnitt aus dem Umfang 2. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1,

einer Elektronenstrahlkanone nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen,

mit ringförmiger Glühkathode dar; 65 elektronenoptischen Mittel an die Anode an-

Fig. 2 stellt einen radialen Schnitt durch eine gesetzt sind.

Elektronenstrahlkanone gemäß Fig. 1 dar längs der 3. Elektronenstrahlkanone nach den Ansprü-

Schnittlinie ,4 .. .A' in Fig. 1. chen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Glühkathode so ausgebildet ist, daß sie Stellen höherer Elektronenemission besitzt als deren Nachbarstellen.

4. Elektronenstrahlkanone nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen der in bekannter Weise aus einer Spule und einem ferromagnetischen Kern bestehenden elektronenoptischen Mittel verschiedene Amperewindungszahlen besitzen.

5. Elektronenstrahlkanone nach den. Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form und/oder die Größe der Löcher in der Anode verschieden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 726 884;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1 074 766,
826.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen