DE1170092B

DE1170092B - Electron beam furnace with a room that can be evacuated

Info

Publication number: DE1170092B
Application number: DEST17795A
Authority: DE
Inventors: Charles Wendell Hanks
Original assignee: Stauffer Chemical Co
Current assignee: Stauffer Chemical Co
Priority date: 1960-06-21
Filing date: 1961-05-08
Publication date: 1964-05-14
Also published as: FR1290657A; CH393567A; BE603808A; LU40222A1; GB918718A; NL263692A; AT253238B; NL141703B; DE1170092C2

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Internat. KL: HOSbBoarding school KL: HOSb

Deutsche Kl.: 21h-16/60 German class: 21h-16/60

Nummer: 1 170 092Number: 1 170 092

Aktenzeichen: St 17795 VIII d / 21 hFile number: St 17795 VIII d / 21 h

Anmeldetag: 8. Mai 1961Filing date: May 8, 1961

Auslegetag: 14. Mai 1964Opening day: May 14, 1964

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung bei Elektronenstrahlofen, worin Materialien im Hochvakuum mit Elektronen beschossen werden. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Verbesserung des Schutzes der Elektronenstrahlquellen im Ofen und auf die verbesserte Führung und Regelung der Elektronenstrahlen, die in solchen Öfen zum Beschüß und zur Erhitzung von Materialien eingesetzt werden.The invention relates to an improvement in electron beam furnaces wherein materials in the Electrons are bombarded in a high vacuum. In particular, the present invention relates to an improvement in the protection of the electron beam sources in the furnace and to the improved guidance and regulation of electron beams used in such furnaces for bombardment and heating Materials are used.

Zunächst soll festgestellt werden, daß ein Elektronenstrahlofen der hierin beschriebenen Art aus einem Behälter besteht, der kontinuierlich auf ein Hochvakuum evakuiert wird und worin ein Material durch Elektronenstrahlbeschuß geschmolzen wird. Diese Behandlung kann für Gießverfahren oder beispielsweise zum Reinigen von Metallen verwendet werden. Bei einem typischen Elektronenstrahlofen kann eine wassergekühlte Kupferkokille verwendet werden, in welche ein durch Elektronenbeschuß zu erhitzendes Material eingebracht wird und in welcher das Material durch Beschüß des offenen Oberteils der Kokille weiter erhitzt wird. Dieser letztere Beschüß dient dazu, einen Schmelzsumpf des Materials innerhalb der Kokille am Oberteil des sich darin verfestigenden Gußstückes aufrechtzuerhalten. Wenn man nun kontinuierlich das verfestigte Material aus dem unteren Teil der Kokille herauszieht, kann man mit einem derartigen Ofen ein kontinuierliches Gieß- und Reinigungsverfahren durchführen. Elektronenstrahlofen können natürlich auch für andere Zwecke verwendet werden.It should first be noted that an electron beam furnace of the type described herein consists of a container which is continuously evacuated to a high vacuum and in which a material is melted by electron beam bombardment. This treatment can be for casting processes or for example used to clean metals. In a typical electron beam furnace a water-cooled copper mold can be used, in which an electron bombardment to heating material is introduced and in which the material by bombarding the open top the mold is heated further. This latter bombardment serves to create a melt swamp of the Maintain material within the mold at the top of the casting solidifying therein. If you now continuously pull the solidified material out of the lower part of the mold, a continuous casting and cleaning process can be carried out with such a furnace. Electron beam furnaces can of course also be used for other purposes.

Zur Führung und Fokussierung der Elektronenstrahlen in solchen Öfen werden verschiedene bekannte Maßnahmen der Elektronenoptik angewandt. Zur Ablenkung von Elektronenstrahlen um einen bestimmten Winkel werden meist Magnetfelder verwendet, deren Feldlinien annähernd senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Elektronen verlaufen. Bei verhältnismäßig scharfer Begrenzung des Magnetfeldes ist die Wirkung äquivalent einem lichtoptischen Prisma. Es ist auch bekannt, zur Vermeidung von Defokussierung im Ablenkraum den Polschuhen des Magneten eine bestimmte Form zu geben und dadurch den Feldverlauf zu beeinflussen.Various known methods are used to guide and focus the electron beams in such furnaces Electron optics measures applied. Used to deflect electron beams around one certain angles are mostly magnetic fields used whose field lines are approximately perpendicular to the Direction of propagation of the electrons run. With a relatively sharp limitation of the magnetic field the effect is equivalent to a light-optical prism. It is also known to help prevent Defocusing in the deflection space to give the pole pieces of the magnet a certain shape and thereby to influence the course of the field.

Es ist ferner bekannt, die Führung und Fokussierung von Elektronenstrahlen durch elektrostatische Felder vorzunehmen, einen Elektronenstrahl, der ursprünglich einen nicht gewünschten elliptischen Querschnitt aufweist, in einen Strahl mit kreisförmigem Querschnitt zu verwandeln und auf das Werkstück zu konzentrieren. Der von einer einzelnen Quelle ausgehende Elektronenstrom wird dabei in Elektronenstrahlofen mit einem
evakuierbaren RaumIt is also known to conduct and focus electron beams by means of electrostatic fields, to convert an electron beam, which originally has an undesired elliptical cross section, into a beam with a circular cross section, and to concentrate it on the workpiece. The electron stream emanating from a single source is in the electron beam furnace with a
evacuable room

Anmelder:Applicant:

Stauffer Chemical Company, New York, N. Y.Stauffer Chemical Company, New York, N.Y.

(V. St. A.)(V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. Dr. jur. V. Busse, Patentanwalt,Dipl.-Ing. Dr. jur. V. Busse, patent attorney,

Osnabrück, Möserstr. 20-24Osnabrück, Möserstr. 20-24

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Charles Wendell Hanks, Orinda, Calif. (V. St. A.)Charles Wendell Hanks, Orinda, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

V. St. v. Amerika vom 21. Juni 1960 (37 615) - -V. St. v. America June 21, 1960 (37 615) - -

mehrere Strahlen aufgespalten, welche durch elektrostatische Felder auf gekrümmten Bahnen an verschiedene Stellen der Werkstückoberfläche geführt werden. Eine Aussortierung geladener Teilchen nach ihrer Masse ist jedoch nur bei gleichzeitiger Anwendung von elektrischen und magnetischen Feldern möglich. Auch im Falle gekrümmter Elektronenbahnen liegt die Kathode in der Ionenschußrichtung. split several beams, which by electrostatic fields on curved paths to different Places the workpiece surface are guided. A sorting out of charged particles according to their mass, however, is only possible with the simultaneous application of electric and magnetic fields possible. Even in the case of curved electron trajectories, the cathode lies in the ion shot direction.

Erfindungsgemäß wurde nun gefunden, daß man, um einen derartigen Ofen längere Zeit in Betrieb halten zu können, die Elektronenstrahlquellen oder Elektronenkanonen vor Dämpfen schützen muß, die im Verlauf der Verfahren frei werden. Insbesondere wurde gefunden, daß beträchtliche Dampfmengen von der Oberfläche des Schmelzsumpfes innerhalb der Gußform oder des Ofenbehälters aufsteigen und daß sich diese Dämpfe leicht auf den einzelnen Bestandteilen der Elektronenkanonen oder analoger zur Erzeugung von Elektronenstrahlen dienender Vorrichtungen ablagern und daher deren Wirksanikeit bzw. geregelte Verwendung stark beschränken.According to the invention it has now been found that in order to keep such a furnace in operation for a longer period of time to be able to protect the electron beam sources or electron guns from vapors that im Course of proceedings become free. In particular, it has been found that considerable amounts of steam rise from the surface of the molten pool within the mold or furnace vessel and that these vapors can easily be found on the individual components of the electron gun or analog for the generation of electron beams serving devices deposit and therefore their effectiveness or severely restrict regulated use.

Zur Vermeidung dieses Nachteiles wird erfindungsgemäß eine längliche Elektronenstrahlquelle vorgesehen, welche einen bandförmigen, energiereichen Elektronenstrahl erzeugt, weiter eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen Kraftlinien in solchen Richtungen quer zum Elektronenstrahl verlaufen, daß die auf die Elektronen wirkenden Ablenkkräfte die Breite des Elektronenstrahls verringern und den Elektronenstrahl längs einer gekrümm-To avoid this disadvantage, an elongated electron beam source is provided according to the invention, which generates a band-shaped, high-energy electron beam, further a device for Generation of a magnetic field whose lines of force run in such directions transverse to the electron beam, that the deflecting forces acting on the electrons reduce the width of the electron beam and the electron beam along a curved

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ten Bahn auf das zu behandelnde Material führen. Bei zahlreichen Anwendungsgebieten von Elektronenstrahlofen werden außerordentlich große Mengen an Dämpfen und Gasen von der Oberfläche des Materialschmelzsumpfes in den Behälter entwickelt, und trotz der sehr schnellen Evakuierung des Ofenbehälters werden sich diese Dämpfe an irgendwelchen Oberflächen niederschlagen, die sich unmittelbar oberhalb des Sumpfes befinden. Dies ist bei normalen Verfahren sehr ungünstig, da eine derartige Materialablagerung die Funktion der Elemente, auf die sie sich niederschlägt, beeinflußt, und ist weiterhin auch dann ungünstig, wenn der Dampf noch auf irgendeine Weise verwendet werden soll.th web lead onto the material to be treated. In numerous areas of application of electron beam furnaces extraordinarily large amounts of vapors and gases are developed from the surface of the material melt sump into the container, and in spite of the very rapid evacuation of the furnace vessel, these vapors will stick to any Precipitate surfaces immediately above the swamp. This is normal Process very unfavorable, since such a material deposition affects the function of the elements which it precipitates, and is still unfavorable even when the steam is still on intended to be used in any way.

Gemäß weiterer Erfindung wird nun dadurch, daß die zum Beschüß des Sumpfes dienende Elektronenkanone unterhalb der Sumpfoberfläche angeordnet wird und durch die Verwendung von magnetischen Führungseinrichtungen, wodurch ein energiereicher Elektronenstrahl von einer derartigen Kanone auf die Sumpfoberfläche geführt wird, eine wesentliche Verbesserung der Elektronenstrahlofen erreicht, da das Volumen oberhalb des Sumpfes relativ frei von Ofenelementen ist und daher die vom Sumpf entwickelten Dämpfe leicht entfernt oder anderwärtig verwendet werden können. Im folgenden wird eine vorzugsweise Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, ohne daß der Erfindungsgegenstand jedoch hierauf beschränkt werden soll.According to a further invention, the electron gun used for bombarding the swamp is now is placed below the sump surface and through the use of magnetic Guide devices, whereby a high-energy electron beam from such a gun to the Sump surface is achieved, a significant improvement in the electron beam furnace, since the Volume above the sump is relatively free of furnace elements and therefore those developed by the sump Vapors can be easily removed or otherwise used. The following is a preferably described embodiment of the present invention without affecting the subject matter of the invention however, it should be limited to this.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden, in derThe invention will be explained in more detail with reference to the drawing, in which

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mit den erfindungsgemäßen Verbesserungen versehenen Elektronenstrahlofens,Fig. 1 is a schematic representation of one provided with the improvements according to the invention Electron beam furnace,

F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Teil eines Elektronenstrahlofens einschließlich der Kanone zum Beschüß des Sumpfes und der magnetischen Führungsemrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung,F i g. 2 is a plan view of part of an electron beam furnace including the cannon for bombarding the swamp and the magnetic guiding devices according to the present invention,

F i g. 3 einen Querschnitt längs der Ebene 3-3 von F i g. 2 undF i g. 3 is a cross-section along the plane 3-3 of FIG. 2 and

F i g. 4 einen Schnitt der Elemente von F i g. 2 längs der Ebene 4-4 dieser Figur darstellt.F i g. 4 shows a section of the elements of FIG. Figure 2 taken along plane 4-4 of that figure.

Der Elektronenstrahlofen, insbesondere jener gemäß Fig. 1, besitzt einen Behälter 11, der in seinem Inneren eine Kammer 12 bildet, in welcher ein Hochvakuum in der Größenordnung von 1 μ Hg aufrechterhalten wird. Innerhalb des Ofens kann ein Tiegel 14 angeordnet sein, in dem sich ein Material, wie beispielsweise ein Metall, befinden kann. Dieser Tiegel 14 kann beispielsweise aus Kupfer od. dgl. bestehen und in seinem Inneren Leitungen aufweisen, worin Kühlwasser od. dgl. zirkuliert, so daß geschmolzenes Material, das sich innerhalb dieses Tiegels bzw. dieser Kokille befindet, darin abgekühlt wird und aus dem Boden derselben in Form eines Gußblockes 16 herausgezogen werden kann. Zu diesem Zweck können geeignete Vorrichtungen 17 zum Herausziehen vorgesehen sein, wodurch in dem Ofen ein kontinuierliches Gußverfahren ermöglicht wird, Das zu verarbeitende Metall kann in Form eines Schmelzgutblockes oder einer Stange 18 zugeführt werden, die oberhalb des Behälters 14 angeordnet ist und mit Hilfe geeigneter Zufuhreinrichtungen 19 zum Behälter geführt wird. Wenn beispielsweise der Elektronenstrahlofen zum Schmelzen und Vergießen von Materialien, wie hochfeuerfesten Metallen, verwendet wird, wird die Stange des Schmelzgutes 18 von oben her zum Behälter geführt, wie bei spielsweise durch vertikale Zufuhr über dem Oberteil des Behälters, und sie wird von einer Elektronenstrahlquelle beschossen, wodurch das Material der Schmelzgutstange progressiv abschmilzt und nach unten in den offenen Oberteil des Behälters 14 tropft. Weiterhin sind auch Einrichtungen vorgesehen, um das in den Behälter getropfte Material zusätzlich zu erhitzen.
Die Erhitzung der Schmelzgutstange 18 durchThe electron beam furnace, in particular that according to FIG. 1, has a container 11 which, in its interior, forms a chamber 12 in which a high vacuum of the order of magnitude of 1 μHg is maintained. A crucible 14 can be arranged within the furnace, in which a material such as a metal can be located. This crucible 14 can for example consist of copper or the like and have lines in its interior in which cooling water or the like circulates, so that molten material that is located within this crucible or this mold is cooled in it and out of the bottom the same can be pulled out in the form of a cast block 16. For this purpose, suitable devices 17 can be provided for pulling out, whereby a continuous casting process is made possible in the furnace. The metal to be processed can be supplied in the form of a melted material block or a rod 18 which is arranged above the container 14 and with the aid of suitable supply devices 19 is led to the container. For example, when the electron beam furnace is used to melt and cast materials such as refractory metals, the rod of molten material 18 is fed to the container from above, such as by vertical feed above the top of the container, and it is bombarded by an electron beam source , whereby the material of the melt rod melts progressively and drips down into the open upper part of the container 14. Furthermore, devices are also provided in order to additionally heat the material dropped into the container.
The heating of the melt rod 18 through

ίο Elektronenbeschuß wird mit Hilfe wenigstens einer Elektronenkanone 21 bewirkt, welche einen energiereichen Elektronenstrahl 22 hervorbringt, und analog wird die Erhitzung des obersten Teiles des Materials im Behälter 14 mit Hilfe wenigstens einer anderen Elektronenkanone 23 erreicht, die einen energiereichen Elektronenstrahl 23 erzeugt. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Elektronenkanonen 21 und 23 an Stellen geringster Dichte der im Ofen entwickelten Dämpfe und Gase angebracht, und es werden magnetische Führungseinheiten 26 verwendet, um die Elektronenstrahlen in die gewünschten Bahnen zu lenken. So ist, wie in F i g. 1 gezeigt, die Kanone 23 zum Beschüß des Sumpfes unterhalb des Oberteils des Behälters und des darin durch Beschußerhitzung aufrechterhaltenen Materialsumpfes 27 angebracht. Die magnetischen Führungseinrichtungen 26, die im folgenden beschrieben werden, bewirken eine Krümmung des Weges des Elektronenstrahls, und infolge dieser Krümmung können die Strahlen über Schutzschilder u. dgl. geführt werden, wodurch die Passage von Gasen oder Dämpfen direkt vom geschmolzenen Material zu den Kanonen weiterhin gehemmt werden kann. So ist in Fig. 1 schematisch ein Schild 28 dargestellt, der die Kanone 21 vom Sumpf 27 und auch von der Schmelzgutstange abschirmt, und ein weiterer Schild 29, der die Kanone 23 von der Schmelzfläche 18 der Schmelzstange abschirmt. Diese Schilde 28 und 29 schirmen die Kanonen 21 und 23 von direkten Verbindungswegen zwischen geschmolzenem Material und Kanonen völlig ab, und die Elektronenstrahlen werden um diese Schilde herumgebogen, so daß ein maximaler Schutz für die Kanonen erreicht wird.ίο Electron bombardment is done with the help of at least one Electron gun 21 causes, which produces a high-energy electron beam 22, and analogously the heating of the uppermost part of the material in the container 14 with the help of at least one Another electron gun 23 reached, which generates a high-energy electron beam 23. According to of the present invention, the electron guns 21 and 23 are located in the lowest density locations of the im Furnace evolved vapors and gases are attached, and magnetic guide units 26 are attached used to direct the electron beams in the desired paths. So, as shown in FIG. 1 shown, the cannon 23 for bombarding the sump below and within the top of the container Material sump 27 maintained by bombardment heating is attached. The magnetic guide devices 26, which will be described below, cause a curvature of the path of the electron beam, and as a result of this curvature can the rays are guided over protective shields and the like, whereby the passage of gases or vapors can still be inhibited directly from the molten material to the cannons. So is in Fig. 1 schematically a shield 28 is shown, which the cannon 21 from the sump 27 and also from the melt rod shields, and another shield 29, which the cannon 23 from the melting surface 18 of the melting rod shields. These shields 28 and 29 shield the cannons 21 and 23 from direct communication routes between molten material and guns completely off, and the electron beams are around these shields bent around so that maximum protection for the cannons is achieved.

In den F i g. 2, 3 und 4 werden die erfindungsgemäßen Verbesserungen an Elektronenstrahlofen näher erläutert; in diesen Figuren wird die Elektronenstrahlkanone zum Beschüß des Sumpfes in ihrer relativen Stellung zum Behälter bzw. der Kokille des Ofens gezeigt, und weiterhin wird eine vorzugsweise Ausführungsform der magnetischen Führungseinrichtungen gezeigt. In diesen Figuren ist der Schild 29 zur besseren Klarheit weggelassen. Die Elektronenkanone kann aus einem elektronenemittierenden Draht 31 bestehen, der innerhalb einer rückläufigen öffnung in einer abgeschirmten Elektrode 32 und nahe der öffnung darin angeordnet ist. Einen weiteren Teil der Kanone 23 bildet eine Anode oder Beschleunigungselektrode 33, die außerhalb der Schirmelektrode 32 und nahe an deren öffnung angeordnet ist. Die Elektronenkanone 23 befindet sich an einer Seite des Behälters 14 und unter dessen Oberfläche. Die Erregung der Elektronenkanone kann wie üblich durch Verbindung dieser über die Drähte 31 mit einer Stromversorgungsquelle 34 geschehen, wodurch deren Temperatur zur Elektronenemission erhöht wird, und durch Verbindung der Schirmelektrode 32 sowie der Beschleunigungselektrode 33 mit einer weiteren Stromversorgungsquelle 36. Die durchIn the F i g. 2, 3 and 4 illustrate the improvements in electron beam furnaces of the present invention explained in more detail; in these figures the electron beam gun is used to bombard the swamp in theirs relative position to the container or the mold of the furnace shown, and furthermore one is preferred Embodiment of the magnetic guide devices shown. In these figures the shield is 29 omitted for clarity. The electron gun can consist of an electron emitting device Wire 31 exist, which is inside a backward opening in a shielded electrode 32 and is arranged near the opening therein. Another part of the cannon 23 forms an anode or acceleration electrode 33, which are arranged outside the shield electrode 32 and close to its opening is. The electron gun 23 is located on one side of the container 14 and below its surface. The excitation of the electron gun can be carried out as usual by connecting it via the wires 31 done with a power supply source 34, which increases its temperature for electron emission is, and by connecting the shield electrode 32 and the acceleration electrode 33 with a further power supply source 36. The through

den elektronenemittierenden Draht 31 in Freiheit gesetzten Elektronen werden daher durch das elektrische Feld zwischen den Elektroden 32 und 33 angezogen und, wie gezeigt, aus der Schirmelektrode heraus beschleunigt, wobei die öffnung dieser Elektrode nach aufwärts gerichtet ist und somit die Elektronen von der Quelle nach aufwärts beschleunigt werden. Es können auch andere Elektronenkanonenkonstruktionen verwendet werden, wie beispielsweise indirekt geheizte Emitter, wodurch eine genauere Regelung des Strahlenweges möglich ist.the electron-emitting wire 31 set free electrons are therefore by the electrical Field attracted between electrodes 32 and 33 and, as shown, out of the shield electrode accelerated out, the opening of this electrode is directed upwards and thus the electrons accelerated upwards from the source. Other electron gun designs can also be used used, such as indirectly heated emitters, which provides a more accurate Regulation of the beam path is possible.

Um den Elektronenstrahl 24 in den offenen Oberteil des Tiegels oder der Kokille zu führen und somit das darin befindliche Material zu beschießen, wird erfindungsgemäß ein magnetisches Feld geschaffen, dessen Kraftlinien sich quer über den Oberteil des Tiegels 14 erstrecken. Die magnetischen Führungseinrichtungen 26, mittels welcher ein derartiges Magnetfeld erzeugt und aufrechterhalten wird, können aus einem Joch. 41 aus magnetischem Material, wie Eisen, bestehen, um welches eine Magnetwicklung 42 angebracht ist. Das Joch 41 besitzt an gegenüberliegenden Seiten des Tiegels 14 Polschuhe 43 und 44, so daß zwischen diesen Polschuhen ein magnetisches Feld besteht. Geeignete Stromzuführungseinrichtungen 46 sind mit der Wicklung 42 verbunden, um dieser Energie zuzuführen und dadurch ein magnetisches Feld zwischen den Polschuhen 43 und 44 zu erzeugen. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Polschuhe so angeordnet, daß die magnetischen Kraftlinien 47 quer zur Fortpflanzungsrichtung des Elektronenstrahls 24 verlaufen.In order to guide the electron beam 24 into the open upper part of the crucible or the mold and thus bombarding the material contained therein, a magnetic field is created according to the invention, whose lines of force extend across the top of the crucible 14. The magnetic guide devices 26, by means of which such a magnetic field can be generated and sustained from a yoke. 41 made of magnetic material, such as Iron, around which a magnet winding 42 is attached. The yoke 41 has on opposite Sides of the crucible 14 pole pieces 43 and 44, so that a magnetic between these pole pieces Field exists. Suitable power supply devices 46 are connected to the winding 42 in order to to supply this energy and thereby a magnetic field between the pole pieces 43 and 44 to produce. As shown in FIG. 2, the pole pieces are arranged so that the magnetic lines of force 47 run transversely to the direction of propagation of the electron beam 24.

Es ist ersichtlich, daß die Beschleunigung des Elektronenstrahls 24 quer in das Magnetfeld 47 eine Ablenkungskraft auf die Elektronen des Strahles bewirkt, welche Kraft senkrecht zum magnetischen Feld und senkrecht zur Richtung des Elektronenfluges wirksam wird. Unter normalen Bedingungen soll das Magnetfeld 47 nach F i g. 3 in die Zeichenebene hinein verlaufen, um die Elektronen senkrecht dazu und nach unten in den Sumpf 27 abzulenken. Die gesamte magnetische Führungseinrichtung 26 ist unterhalb der Oberfläche des Schmelzsumpfes 27 angeordnet, so daß die Dämpfe, die sich durch den Beschüß und die Erhitzung des Sumpfes aus diesem entwickeln, sich nicht leicht auf den Polflächen, dem Joch oder beliebigen anderen Teilen der Führungseinrichtung ablagern können.It can be seen that the acceleration of the electron beam 24 transversely into the magnetic field 47 a The deflection force on the electrons of the beam causes what force is perpendicular to the magnetic field and becomes effective perpendicular to the direction of electron flight. Under normal conditions that should Magnetic field 47 according to FIG. 3 run into the plane of the drawing so that the electrons are perpendicular to it and divert down into the sump 27. The entire magnetic guide device 26 is arranged below the surface of the melt sump 27, so that the vapors that are caused by the bombardment and the heating of the swamp from this develop, not easily on the pole faces, the Can deposit yoke or any other parts of the guide device.

Bezüglich der Führung des energiereichen Elektronenstrahls 24 auf die Oberfläche des Materialschmelzsumpfes 27 ist ersichtlich, daß das Magnetfeld auf die Elektronen eine Ablenkkraft ausübt, welche diese in einer gekrümmten Bahn nach abwärts auf die Oberfläche des Sumpfes zu bewegen trachtet. Außerdem ist ersichtlich, daß das magnetische Feld, das über der Oberfläche des Tiegels 14 erzeugt wird, im allgemeinen eine konvexe Gestalt mit Bezug auf den Elektronenstrahl besitzt (F i g. 4), wodurch dieser nach abwärts auf die Sumpfoberfläche abgelenkt wird. Diese Gestalt des magnetischen Feldes ist insofern äußerst erwünscht, als dadurch außerdem eine Fokussierungskraft auf die Elektronen ausgeübt wird und diese nach der Achse des Behälters zu gerichtet werden. Es werden daher Elektronen, die ursprünglich etwas nach außerhalb des Sumpfes gerichtet waren, in ein magnetisches Feld gelangen, welches bestrebt ist, sie zurück auf die Oberfläche des Sumpfes oder in Richtung der Achse auf den Tiegel zu zu leiten. Die tatsächliche Fokussierung irgendeines besonderen Elektronenstrahls in einen bestimmten Tiegel in irgendeinem Elektronenstrahlofen wird natürlich vom Verhältnis zwischen der Stärke des magnetischen Feldes, der Geschwindigkeit der Elektronen im Strahl 24 und der relativen Anordnung der Elektronenkanone 23 zum Tiegel 14 abhängen. Die Größe der Ablenkungskraft und daher auch der Krümmungsradius eines beliebigenWith regard to the guidance of the high-energy electron beam 24 onto the surface of the material melt sump 27 it can be seen that the magnetic field exerts a deflecting force on the electrons, which move them in a curved path downwards onto the surface of the swamp seeks. It can also be seen that the magnetic field generated over the surface of the crucible 14 generally has a convex shape with respect to the electron beam (Fig. 4), whereby it is deflected downwards onto the sump surface. This shape of the magnetic Field is highly desirable in that it also provides a focusing force on the Electrons are exerted and these are directed towards the axis of the container. It will therefore Electrons, which were originally directed somewhat outside of the swamp, into a magnetic one Get field, which tends to bring them back to the surface of the swamp or in the direction of the axis to direct towards the crucible. The actual focusing of any particular electron beam in a particular crucible in any electron beam furnace is of course determined by the ratio between the strength of the magnetic field, the speed of the electrons in the beam 24 and the relative Depending on the arrangement of the electron gun 23 to the crucible 14. The size of the distraction force and therefore also the radius of curvature of any one

ίο Elektronenstrahls in einem Feld beliebiger Stärke kann aus deren gegenseitiger Abhängigkeit nach bekannten Literaturstellen berechnet werden, und derartige Berechnungen sollen daher im folgenden nicht wiederholt werden.ίο electron beam in a field of any strength can be calculated from their mutual dependency according to known literature references, and such Calculations should therefore not be repeated in the following.

t5 Wie ersichtlich, dient die erfindungsgemäße Verbesserung der Elektronenstrahlofen dazu, daß die Elektronenkanonen völlig außerhalb von den Gebieten hoher Dampfkonzentration und auch von den Stellen, die Gasausbrüchen aus der Materialschmelzet5 As can be seen, the improvement according to the invention serves the electron beam furnace to that the electron guns completely outside of the areas high vapor concentration and also from the places where gas escapes from the material melt

so im Ofen ausgesetzt sind, angeordnet werden können. Außerdem bewirken die erfindungsgemäßen magnetischen Führungseinrichtungen eine Ablenkung der Elektronenbahnen und fokussieren diese auf das behandelte Material; sie sind ebenfalls völlig aus den kritischen Gebieten, innerhalb welcher sonst eine Dampfkondensation darauf stattfinden könnte, entfernt. In den Fällen, in welchen beim Betrieb von Elektronenstrahlofen sehr beträchtliche Mengen an Dämpfen oder Gasen entwickelt werden, ergibt sich klar, daß die Effekte der Erfindung ganz beträchtlich sind, insbesondere bei solchen Ofenkonstruktionen, bei welchen die Elektronenkanonen des Ofens durch derartige Gase oder Dämpfe angegriffen werden können. Die Elektronenkanonen gemäß der vorliegenden Erfindung können bezüglich der Entwicklung von beträchtlichen Elektronenmengen unter Beschleunigung dieser auf hohe Energie wie in der Größenordnung von 5 bis 15 kV durchaus den üblichen Elektronenkanonen entsprechen. Die Elektronenstrahlquellen dieses Ofens können zweckmäßig als »unabhängige Kanonen« (remote guns) bezeichnet werden, da die gesamte Elektronenbeschleunigung im Gebiete der Kanone selbst und ohne Bezug auf Potentiale von anderen Ofenteilen durchgeführt wird. Dies ist sehr vorteilhaft, um die gewünschten Elektronenstrahlwege zu erzielen, da bei anderen Anordnungen das behandelte Material den Elektronenstrahl beeinflußt, insbesondere in Gebieten hoher Gaskonzentration nahe dem Material.so exposed in the oven can be arranged. In addition, the magnetic guide devices according to the invention cause a deflection the electron trajectories and focus them on the treated material; they are also completely off the critical areas within which otherwise steam condensation could take place on it. In those cases in which very considerable amounts of Vapors or gases are evolved, it is clear that the effects of the invention are quite considerable are, especially in those furnace designs in which the electron guns of the furnace can be attacked by such gases or vapors. The electron guns according to the present Invention can relate to the development of considerable amounts of electrons under acceleration this on high energy such as in the range of 5 to 15 kV quite the usual Electron guns correspond. The electron beam sources of this furnace can expediently as "independent guns" (remote guns) are called, since the entire electron acceleration carried out in the area of the cannon itself and without reference to the potentials of other furnace parts will. This is very advantageous in order to achieve the desired electron beam paths, as in others Arrangements the treated material affects the electron beam, especially in areas high gas concentration near the material.

Die oben beschriebene magnetische Führungseinrichtung kann auch den Strahl über einen wesentlich größeren Winkel als gezeichnet ablenken. Dies ist insofern sehr günstig, als die relative Anordnung von Elektronenkanone oder -quelle dann so modifiziert werden kann, daß eine noch größere Schutzwirkung dafür erreicht wird. So kann die Kanone 23 so angeordnet werden, daß sie zunächst den Elektronenstrahl horizontal vom Tiegel 14 weg oder sogar nach abwärts richtet, so daß der Strahl über einen Winkel zwischen beispielsweise 180 und 360° abgelenkt wird. Es ist dann nur notwendig, den Strahl im wesentlichen senkrecht in ein hinreichend starkes Magnetfeld aus einer geeigneten Stelle unterhalb des Oberteils des Tiegels zu lenken, damit der Strahl in den Tiegel geführt wird. Wenn die Kanone den Strahl von dem Behälter weg richtet, kann sie so angeordnet werden, daß ihre Rückseite gegen den Raum des Ofens gerichtet wird, worin Gase undThe magnetic guide device described above can also the beam over a substantial deflect larger angle than drawn. This is very beneficial in terms of the relative arrangement can then be modified by electron gun or source so that an even greater protective effect for it is achieved. Thus, the cannon 23 can be arranged so that it initially emits the electron beam is directed horizontally away from the crucible 14 or even downwards so that the beam over a Angle between 180 and 360 °, for example, is deflected. It is then only necessary to use the beam in the essentially perpendicular to a sufficiently strong magnetic field from a suitable location below the To direct the upper part of the crucible so that the beam is guided into the crucible. When the cannon hits the If the beam is directed away from the container, it can be arranged so that its rear side is against the Room of the furnace is directed, in which gases and

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Dämpfe entwickelt werden, wodurch eine Verunreinigung der wirksamen Teile der Kanone weiterhin verhindert wird.Vapors are evolved, which continues to contaminate the effective parts of the cannon is prevented.

Durch die Verwendung von »unabhängigen Elektronenkanonen« und deren Anordnung völlig außerhalb der Gebiete mit hohen Dampf- oder Gasdrücken, wie diese plötzlich bei der Arbeit des Ofens auftreten können, wird ein wesentlicher Fortschritt bei Elektronenstrahlofen erzielt. Außerdem ist die magnetische Strahlenführung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Fokussierung des Elektronenstrahls auf das zu beschießende Material sehr erwünscht. Diese magnetische Führungseinrichtung ist ebenfalls völlig geschützt, da sie unter der Oberfläche des zu behandelnden Materialsumpfes angebracht ist, so daß praktisch keine Dampfkondensation auf der Führungseinrichtung stattfindet.By using "independent electron guns" and placing them completely outside the areas with high steam or gas pressures, such as those suddenly occurring when the furnace is working can occur, a significant advance is made in electron beam furnaces. Besides, the magnetic beam guide according to the present invention for focusing the electron beam very desirable on the material to be bombarded. This magnetic guide device is also completely protected, as it is placed under the surface of the material sump to be treated so that practically no steam condensation takes place on the guide device.

Claims

Claims: 20

1. Electron beam furnace with an evacuable space and a container in it that holds the contains material to be treated, characterized in that an elongated electron beam source is provided, which generates a band-shaped, high-energy electron beam, further a device for generating a magnetic field whose lines of force run in such directions transverse to the electron beam, that the deflecting forces acting on the electrons reduce the width of the electron beam and reduce the electron beam along a curved path onto the material to be treated to lead.

2. Electron beam furnace according to claim 1, characterized in that the magnetic Lines of force extend at least approximately transversely to the top of the container and that the Electron beam source is arranged below the upper part of this container.

3. Electron beam furnace according to claim 1 and 2, characterized in that the magnetic field Has lines of force that are bent across the container so that the electrons are magnetic be focused on the top of the material and cause maximum heating of the material will.

4. Electron beam furnace according to claim 1 to 3, characterized in that magnetic pole shoes are arranged next to the container sides and under the top of the container and a device is intended to create a magnetic circuit between the pole pieces, which extends below the container to the lines of force between the pole pieces across the Cause the top of the container.

5. Electron beam furnace according to claim 4, characterized in that the container has a has high magnetic reluctance, so that the magnetic field over the material becomes convex Field shape is bulged, whereby the electron path is curved and the electrons be focused on the top of material in the container.

6. electron beam furnace according to claim 1, characterized in that the electron beam source Sends electrons into the magnetic field, the lines of force of which are essentially perpendicular extend to the ray path, seen from the source from right to left across to the beam path, whereby a deflection force is exerted on the electrons, which these, seen from the magnetic north pole of the magnetic field, deflects clockwise and one further electron beam source electrons in this magnetic field in the opposite direction sends, so that the electrons thereby in relation to the material to be treated upwards be directed at another material arranged above the first-mentioned material, to shoot and melt it.

7. Electron beam furnace according to one or more of the preceding claims, characterized characterized in that between the electron beam source and that to be bombarded by electrons Material a shield is placed, with the electron beam from each source around this shield is bent around and the source continues to be protected from damage by this shield is protected.

Considered publications:
German Patent Nos. 814 919, 971018;
U.S. Patent No. 2,793,282.

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