DE1171097B

DE1171097B - Electron beam generator for an electron beam furnace

Info

Publication number: DE1171097B
Application number: DEST20157A
Authority: DE
Inventors: Charles W Hanks; Maurice E Tyler
Original assignee: Stauffer Chemical Co
Current assignee: Stauffer Chemical Co
Priority date: 1962-01-15
Filing date: 1963-01-10
Publication date: 1964-05-27
Also published as: CH404011A; US3172007A; BE627165A; AT257183B; GB982669A; NL287527A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES S/MTWl· PATENTAMT Internat. Kl.: H 05 b FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN S / MTWl · PATENT OFFICE Internat. Class: H 05 b

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:Number:
File number:
Registration date:
Display day:

Deutsche KL: 21h-16/60 German KL: 21h-16/60

St 20157 VIIId/21h
10. Januar 1963
27. Mai 1964St 20157 VIIId / 21h
January 10, 1963
May 27, 1964

Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahl-Generator für einen Elektronenstrahl-Ofen, der eine Abschirmelektrode, als Kathode eine längliche Glühdrahtanordnung vor der Abschirmelektrode und eine Beschleunigungselektrode vor der Glühdrahtanordnung für die Emission von Elektronen in einem Strahl in Richtung auf das durch Elektronenbombardierung zu erhitzende Material im Ofen aufweist.The invention relates to an electron beam generator for an electron beam furnace, the one Shielding electrode, as cathode an elongated filament arrangement in front of the shielding electrode and a Accelerating electrode in front of the filament arrangement for the emission of electrons in a beam in the direction of the material to be heated by electron bombardment in the furnace.

Ausgedehnte Untersuchungen und Entwicklungen auf dem Gebiet der Elektronenquellen haben zu größeren Verbesserungen auf diesem Gebiet geführt, und mit herkömmlichen Bauarten von Elektronenquellen ist es möglich, praktisch jede gewünschte Strahlenform herzustellen öder zu steuern. Obgleich sich die vorliegende Erfindung im allgemeinen auf dieses gleiche Gebiet bezieht, unterscheidet sie sich doch dahingehend, daß die Ausbildung von Kathoden offenbart wird, mit denen Elektronenstrahlen ungewöhnlich hoher Energie erzeugt werden können, die in Elektronenstrahl-Öfen od. dgl. angewandt werden können, um so die für das Bombardieren, Schmelzen und Gießen von Materialien benötigte Energie zuzuführen. Die für ein derartiges Anwendungsgebiet benötigte sehr hohe Elektronenemission führt zu Schwierigkeiten bezüglich der Strahlenausbildung, da durch die Erhitzungsströme große Magnetfelder ausgebildet werden und diese Felder die ausgesandten Elektronen ablenken. Ein ernsthafter Nachteil einer unvollständigen Steuerung von Elektronenstrahlen hoher Stromdichte liegt in der unerwünschten Bombardierung der umgebenden Ausrüstung mit ungesteuerten Anteilen der Elektronenemission. Bei der Elektronenemission sehr hoher Stromdichte ist die wahllose Ausbreitung selbst eines kleinen Prozentsatzes der Elektronen ziemlich gefährlich, da eine wahllose Bombardierung vermittels ausreichender Elektronenenergie sodann durchaus die umgebende Ausrüstung erheblich beeinflussen und möglicherweise zerstören kann. Obgleich es die herkömmliche Arbeitsweise darstellt, Beschleuniger anzuwenden, um so die Elektronenemission in einen Elektronenstrahl zu sammeln und somit einen derartigen Strahl auf einen gewünschten Brennpunkt zu führen, wurde gefunden, daß dies allein noch nicht ausreicht, um die Ausbreitung erheblicher Elektronenmengen in relativ wahllosen Richtungen dann zu verhindern, wenn sehr große Emissionsströme Anwendung finden. Erfindungsgemäß weist die als Kathode dienende längliche Glühdrahtanordnung vor der Abschirmelektrode parallel im Abstand zueinander angeordnete Bauelemente auf, die für die Erregung durch einen in entgegengesetzten Richtungen durch die-Elektronenstrahl-Generator für einen
Elektronenstrahl-OfenExtensive studies and developments in the field of electron sources have resulted in major improvements in this field, and with conventional designs of electron sources it is possible to produce or control virtually any desired beam shape. Although the present invention relates generally to the same field, it differs in that it discloses the formation of cathodes with which electron beams can be generated with unusually high energy, which can be used in electron beam furnaces or the like. so as to supply the energy needed for bombing, melting and casting materials. The very high electron emission required for such a field of application leads to difficulties with regard to radiation formation, since the heating currents generate large magnetic fields and these fields deflect the emitted electrons. A serious disadvantage of incomplete control of high current density electron beams is the undesirable bombardment of surrounding equipment with uncontrolled proportions of electron emission. In the case of very high current density electron emission, the indiscriminate propagation of even a small percentage of the electrons is quite dangerous, since indiscriminate bombardment with sufficient electron energy can then significantly affect and possibly destroy the surrounding equipment. While it is conventional practice to use accelerators so as to collect the electron emission into an electron beam and thus direct such a beam to a desired focus, it has been found that this alone is insufficient to cause significant amounts of electrons to propagate in relatively random directions then to be prevented when very large emission flows are used. According to the invention, the elongated filament arrangement serving as a cathode in front of the shielding electrode has components arranged parallel at a distance from one another, which are used for excitation by an electron beam generator in opposite directions by the electron beam generator
Electron beam furnace

Anmelder:Applicant:

Stauffer Chemical Company, N. Y. (V. St. A.)Stauffer Chemical Company, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. R. Amthor, Patentanwalt,Dipl.-Ing. R. Amthor, patent attorney,

Frankfurt/M., Eysseneckstr. 36Frankfurt / M., Eysseneckstr. 36

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Charles W. Hanks, Orinda, Calif.,Charles W. Hanks, Orinda, Calif.,

Maurice E. Tyler, El Cerrito, Calif. (V. St. A.)Maurice E. Tyler, El Cerrito, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

V. St. v. Amerika vom 15. Januar 1962 (166 255)V. St. v. America January 15, 1962 (166 255)

selben geführten elektrischen Strom vorgesehen sind, um so eine thermoionische Emission zu erzielen, wobei sich die emittierten Elektronen zunächst von der Glühdrahtanordnung aus in praktisch den gleichen Richtungen nach außen bewegen. Die Emissionsvorrichtung arbeitet damit selbst mit dem Beschleu- the same guided electric current are provided in order to achieve a thermionic emission, wherein The electrons emitted from the filament arrangement are initially practically the same Moving directions outward. The emission device thus works itself with the accelerator

3u niger bei dem Aufbau der gewünschten Strahlengeometrie zusammen, und weiterhin ergibt sich dadurch eine wesentliche Vereinfachung der Steuerung von Elektronenstrahlen hoher Stromdichte. Die durch die Bauelemente erzeugte thermoionische Emission verläuft in der speziellen Richtung teilweise auf Grund der durch diese zwei Teile des gefalteten Glühdrahtes bedingten Magnetfelder. Die erfindungsgemäße Strahlenquelle in Form eines gefalteten Glühdrahtes hat sich als außerordentlich vorteilhaft in Elekteronenstrahl-Öfen für das Erschmelzen schwerschmelzbarer Metalle erwiesen und ist natürlich auch auf andere Anwendungsgebiete der Hochenergie-Elektronenstrahlung anwendbar.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.3u niger in the construction of the desired beam geometry, and this also results in a significant simplification of the control of electron beams of high current density. The thermionic emission generated by the components runs in the special direction partly due to the magnetic fields caused by these two parts of the folded filament. The radiation source according to the invention in the form of a folded glow wire has proven to be extremely advantageous in electron beam furnaces for melting refractory metals and can of course also be used in other areas of application of high-energy electron beams.
The invention is explained below, for example, with reference to the drawings.

F i g. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahl-Generators;F i g. 1 is a perspective view of an electron beam generator according to the invention;

Fig. 2 ist eine Darstellung der Magnetfeldlinien um die erfindungsgemäßen Emissionsvorrichtungen; Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Elektronenstrahl-Ofens einschließlich des Elektronenstrahl-Generators nach Fig. 1;Fig. 2 is an illustration of the magnetic field lines around the emission devices according to the invention; Fig. 3 is a schematic representation of an electron beam furnace including the electron beam generator according to Fig. 1;

409 597/303409 597/303

rungskante einer derartigen Elektrode benachbart und unter der Lippe 13 der Abschirmelektrode vorliegt. Die Elektronenemission aus der Glühdrahtanordnung 14 wird durch Energiezufuhr erreicht, wo-5 bei hier z. B. die schematisch gezeigte Energiequelle 21 vorgesehen ist, die mit den freien Enden der zwei Emitter 16 und 17 verbunden ist. Durch geeignete Erregung der Beschleunigungselektrode 19 wird ein elektrisches Beschleunigungsfeld aufgebaut, und das-adjacent edge of such an electrode and is under the lip 13 of the shield electrode. The electron emission from the filament arrangement 14 is achieved by supplying energy, where-5 at here z. B. the energy source shown schematically 21 is provided, which is connected to the free ends of the two emitters 16 and 17. Through suitable Excitation of the acceleration electrode 19, an electric acceleration field is built up, and the-

F i g. 4 ist ein Querschnitt durch eine abgewandelte Form des erfindungsgemäßen Elektronenstrahl-Generators. F i g. 4 is a cross section through a modified one Form of the electron beam generator according to the invention.

Erfindungsgemäß findet im wesentlichen eine Abschirmelektrode Anwendung, die eine längliche Emissionskammer begrenzt, die bezüglich des Äußeren der Elektrode eine öffnung aufweist. Im Inneren dieser Kammer ist ein Paar im Abstand zueinander angeordneter paralleler ElektronenemitterAccording to the invention, a shielding electrode is essentially used, which is an elongated Emission chamber limited, which has an opening with respect to the exterior of the electrode. in the Inside this chamber is a pair of spaced apart parallel electron emitters

vorgesehen, die an einem Ende unter Ausbildung io selbe ist schematisch durch die Batterie22 (s. Fig. 1) eines U-förmigen Glühdrahtes verbunden sind. Durch gezeigt. Das positive Ende dieser Batterie ist elekden so ausgebildeten Glühdraht wird ein elektrischer trisch mit der Elektrode verbunden, und das negative Strom hindurchgeschickt, um so eine ausreichend Ende derselben ist über eine Erfindung mit der Abhohe Temperatur für die Elektronenemission zu schirmelektrode und der Glühdrahtanordnung verschaffen. Dieser Strom führt zur Ausbildung von Ma- 15 bunden.provided, which is the same at one end under formation io schematically by the battery22 (see Fig. 1) a U-shaped filament are connected. Shown by. The positive end of this battery is elecden The glow wire formed in this way is electrically connected to the electrode, and the negative one Current sent through, so that a sufficient end of the same is about an invention with the Abhohe Provide temperature for the electron emission to the shield electrode and the filament arrangement. This current leads to the formation of bonds.

gnetfeldern um die Emitter herum. Da der Strom in Das Hindurchleiten eines Stroms durch die Emittergnet fields around the emitter. As the current in Passing a current through the emitter

entgegengesetzten Richtungen durch die zwei Emitter der Glühdrahtanordnung 14 führt zu der Ausbildung fließt, wird somit eine Magnetfeldform erzeugt, wo- eines magnetischen Feldes, das jeden dieser Emitter bei die Magnetfelder sich zwischen den Emitter umgibt. Erfindungsgemäß werden sehr energiereiche addieren. Die Magnetfeldform führt zu einer virtu- 20 Elektronenstrahlen erzeugt, und somit wird ein hoher eilen Elektronenquelle längs der Linie halbwegs zwi- Heizstrom angewandt, der durch die Emitter hinsehen und parallel zu den zwei Emittern, wobei sich durchgeleitet wird, um so die gewünschte Elektronendie Elektronen von einer derartigen Linie aus in der emission zu erzielen. Somit ist die Stärke der die Richtung der Kraftlinien der kombinierten Magnet- Emitter umgebenden Magnetfelder tatsächlich um felder bewegen. Diese hier beschriebene Glühdraht- 25 mehrere Größenordnungen größer, als dies normaleranordnung ist im Inneren der Emissionskammer der weise bei Elektronenquellen der Fall ist. Die geo-Abschirmelektrode angeordnet, wobei die Richtung metrische Form des Magnetfeldes um die Emitter der Elektronenemission auf eine Öffnung in einer der Glühdrahtanordnung ist schematisch in der derartigen Kammer hin gerichtet ist. Außerhalb der F i g. 2 gezeigt. Die zwei getrennten Emitterdrähte 16 Kammer sind Elektronenbeschleunigungsmittel vor- 30 und 17 sind hier durch magnetische Feldlinien umgesehen, durch die ein elektrisches Feld erzeugt wird, geben. Da der Strom in entgegengesetzten Richtungen das die aus dem Glühdraht emittierten Elektronen durch die zwei Emitter fließt, ergibt sich, daß sich beschleunigt. Es wurde gefunden, daß bei dieser geo- die Linien des Magnetfeldes z. B. in Uhrzeigerrichmetrischen Form praktisch alle die die Glühdraht- tung um den unteren Emitter 17 und entgegengesetzt anordnung verlassenden Elektronen sich in der 35 der Uhrzeigerrichtung um den oberen Emitter 16 ergleichen Richtung bewegen, da dieselben durch die strecken. Diese führt zur Ausbildung zusätzlicher um die Glühdrahtanordnung vorliegenden Magnetfelder in eine bestimmte Richtung gezwungen werden,
und somit wird die Überführung der emittierten Elektronen in einen Elekronenstrahl erheblich erleichtert. 40flows in opposite directions through the two emitters of the filament arrangement 14 leads to the formation, a magnetic field shape is thus generated, a magnetic field that surrounds each of these emitters with the magnetic fields between the emitters. According to the invention, very energetic additions will be made. The shape of the magnetic field results in a virtuoso electron beam being generated, and thus a high-speed electron source is applied along the line halfway between heating current, which looks through the emitters and parallel to the two emitters, passing through so that the desired electrons are the electrons to achieve from such a line in the emission. Thus, the strength of the magnetic fields surrounding the direction of the lines of force of the combined magnetic emitter is actually moving around fields. The filament described here is several orders of magnitude larger than the normal arrangement inside the emission chamber, which is the case with electron sources. The geo-shielding electrode is arranged, the direction metric form of the magnetic field around the emitter of the electron emission on an opening in one of the filament arrangement is directed schematically in such a chamber. Outside the FIG. 2 shown. The two separate emitter wires 16 chambers are electron accelerators - 30 and 17 are looked around here by magnetic field lines through which an electric field is generated. Since the current flows through the two emitters in opposite directions from that of the electrons emitted from the filament, it results that it accelerates. It has been found that in this geo- the lines of the magnetic field z. B. in clockwise direction metrical form practically all the electrons leaving the filament around the lower emitter 17 and opposite arrangement move in the clockwise direction around the upper emitter 16 equal direction, since the same through the stretch. This leads to the formation of additional magnetic fields around the filament arrangement, which are forced in a certain direction.
and thus the transfer of the emitted electrons into an electron beam is considerably facilitated. 40

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird die
Erfindung im folgenden im einzelnen erläutert. In der
F i g. 1 ist eine weggebrochene perspektivische Ansicht einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wiedergegeben, bei der eine Abschirm- 45 der Glühdrahtanordnung weggezogen. Während sich elektrode 11 eine im wesentlichen zylinderförmige die ausgesandten Elektronen von den Emittern weg-Emissionskammer 12 begrenzt. Diese Kammer steht bewegen, kreuzen ihre Bahnen das in F i g. 2 dargemit dem Äußeren der Abschirmelektrode an einer stellte magnetische Feld, so daß auf sie Kräfte einrelativ großen Öffnung längsseitig zu der Gegenelek- wirken, die sowohl senkrecht zur Bewegungsrichtung trode und der Kammer in Verbindung. Unmittelbar 50 der Elektronen als auch senkrecht zur Richtung der über einer unteren Lippe 13 der Abschirmelektrode magnetischen Feldlinien gerichtet sind. Obgleich die 11 und im Inneren der Kammer 12 ist eine Glüh- äußere Form des Magnetfeldes um die Glühdrahtdrahtanordnung 14 angeordnet, die einen ersten und anordnung ähnlich ist der Form eines Magnetfeldes zweiten Emitter 16 und 17 aufweist, die parallel zu- um einen einzelnen Draht, unterscheidet sich der einander angeordnet sind. Die Emitter 16 und 17 des 55 Verlauf des Magnetfeldes im Inneren doch erheblich Glühdrahtes können z. B. aus 1,78-mm-Wolfram- von demjenigen, wie es sich um einen einzelnen draht gefertigt und miteinander an einem Ende ver- Draht ausbildet. Für den Fall, daß die Elektronenbunden sein, wodurch sich die hier gezeigte U-för- emission von einem einzelnen Draht herrührt, wurde mige Form ergibt. Die zwei Emitter sind eng benach- gefunden, daß die Elektronen bei sehr hohen Glühbart parallel zueinander angeordnet, wobei der Zwi- 60 drahtströmen übermäßig unter Ablenkung ihrer schenraum zwischen den Drähten in der Größenord- Laufbahn beeinflußt werden, so daß eine bevorzugteReferring to the drawings, the
Invention explained below in detail. In the
F i g. 1 is a broken away perspective view of a preferred embodiment of the present invention with a shield 45 of the filament assembly pulled away. While electrode 11 is a substantially cylindrical emission chamber 12 that limits the emitted electrons away from the emitters. This chamber stands moving, its paths cross the one in F i g. 2 shows the outside of the shielding electrode at a magnetic field, so that forces act on it from a relatively large opening along the side of the counter-electrode, which is perpendicular to the direction of movement and in connection with the chamber. Immediately 50 of the electrons as well as perpendicular to the direction of the magnetic field lines over a lower lip 13 of the shielding electrode are directed. Although Fig. 11 and inside the chamber 12, a glowing external form of the magnetic field is arranged around the glow wire arrangement 14, which has a first and arrangement similar to the form of a magnetic field second emitters 16 and 17, which are parallel to a single wire, differs from each other. The emitters 16 and 17 of the 55 course of the magnetic field inside but considerably glow wire can z. B. 1.78 mm tungsten from what is manufactured as a single wire and forms wire together at one end. In the event that the electron bonds are bonded, whereby the U-emission shown here originates from a single wire, the result is a moderate shape. The two emitters are closely spaced, so that the electrons are arranged parallel to one another in the case of very high incandescent beards

Emission unter einem Winkel zur Emissionsdrahtachse erfolgt. Diese unerwünschte Ablenkung wird durch die Erfindung insofern verhindert, als Elek-65 tronen mit einer Geschwindigkeitskomponente parallel zu den Emittern durch Magnetfelder entgegengesetzter Richtungen laufen und somit in Richtung der Drahtachse keine Ablenkung erfahren. Es istEmission occurs at an angle to the emission wire axis. This becomes unwanted distraction prevented by the invention insofar as Elek-65 Tron with a speed component parallel to the emitters by magnetic fields opposite Directions and thus experience no deflection in the direction of the wire axis. It is

Magnetfelder zwischen den Emittern, und wie gezeigt, verlaufen die Magnetfeldlinien zwischen den Emittern von links nach rechts.Magnetic fields between the emitters, and as shown, the magnetic field lines run between the Emitters from left to right.

Die thermoionisch von den Emittern 16 und 17 ausgesandten Elektronen werden durch das elektrische Beschleunigungsfeld, das zwischen der Beschleunigungselektrode 19 und der Glühdrahtanordnung sowie der Abschirmelektrode aufgebaut ist, vonThe thermionically emitted from the emitters 16 and 17 electrons are by the electrical Acceleration field between the acceleration electrode 19 and the filament arrangement as well as the shielding electrode is constructed by

nung des Durchmessers eines einzelnen Drahtes liegt. Es sind geeignete Isolationsträger für die Anordnung des Glühdrahtes in der hier gezeigten und beschriebenen Lage vorgesehen.tion of the diameter of a single wire. There are suitable insulation supports for the arrangement of the filament is provided in the position shown and described here.

Außerhalb der Abschirmelektrode 11 ist eine Beschleunigungselektrode 19 angeordnet, die sich längsseitig zu dem Bauelement so erstreckt, daß eine Füh-Outside the shield electrode 11 is an acceleration electrode 19 arranged, which extends along the side of the component so that a guide

weiterhin zu beachten, daß der Feldstärkeverlauf des Magnetfeldes in der Zeichenebene von F i g. 2 eine doppelte Erhöhung mit einem Tal zwischen den Emittern bildet. Die emittierten Elektronen werden in das Gebiet geringerer Feldstärke gedrängt und darin angesammelt. Auf Grund dieser geometrischen Feldform werden die Elektronen gezwungen, sich in einer Ebene zu bewegen, die senkrecht zu der Ebene der beiden Emitter steht und gleiche Entfernung zwischen diesen Emittern aufweist.It should also be noted that the course of the field strength of the magnetic field in the plane of FIG. 2 one double elevation with a valley between the emitters. The electrons emitted will be pushed into the area of lower field strength and accumulated in it. Because of this geometric Field shape, the electrons are forced to move in a plane that is perpendicular to the plane of the two emitters is and has the same distance between these emitters.

Dies wird durch den Pfeil 31 in F i g. 2 angedeutet, wobei angenommen ist, daß das die Elektronen beschleunigende Feld die Elektronen in Richtung des Pfeils 31 beschleunigt. Diese magnetische Sammlung von Elektronen ist außerordentlich zweckmäßig und vorteilhaft, da hierdurch die Ausrichtung von Elektronen zu einem Elektronenstrahl sehr vereinfacht wird. Die Erzeugung eines wirklichen Elektronenstrahls ist sehr zweckmäßig und wichtig für viele Anwendungsgebiete, und zwar insbesondere für die erfindungsgemäßen Zwecke, da man ja die Elektronenenergie vollständig für das Erhitzen und Schmelzen von Materialien, wie Metalle mit hohem Schmelzpunkt, ausnutzen will.This is indicated by the arrow 31 in FIG. 2 indicated, where it is assumed that the field accelerating the electrons moves the electrons in the direction of the Arrow 31 accelerates. This magnetic collection of electrons is extremely useful and advantageous because this greatly simplifies the alignment of electrons to form an electron beam will. The generation of a real electron beam is very useful and important for many areas of application, and in particular for the purposes according to the invention, since one is the electron energy fully for heating and melting materials such as high melting point metals, wants to take advantage of.

Obgleich die Probleme einer Elektronenstrahlerzeugung gründlich untersucht worden sind, sei hier insbesondere darauf hingewiesen, daß erfindungsgemäß ein Elektronenstrahl mit ungewöhnlich hoher Energie erzeugt wird, wobei ein sehr dichter Elektronenstrahl gewonnen wird. Für die Erzeugung dieses Elektronenstrahls werden sehr hohe Glühdrahtströme angewandt, und es finden erfindungsgemäß Magnetfelder Anwendung, die um eine Glühdrahtanordnung zwecks Ausbilden einer bestimmten Elektronenemissionsrichtung aufgebaut werden, wobei gleichzeitig die ausgebildeten starken Magnetfelder daran gehindert werden, in unerwünschter Weise die emittierten Elektronen abzulenken. Bei der Anwendung sehr hoher Elektronenstrahlenergien wird es insbesondere wichtig, selbst kleine Prozentsätze einer wahllosen Elektronenemission zu begrenzen, wenn nicht vollständig auszuschließen. Das Entweichen eines geringen Prozentsatzes von Elektronen aus einem Elektronenstrahl mit einem Strom in der Größenordnung von mehreren Ampere führt zu einem erheblichen Schaden, wenn derartige unkontrolliert entwichene Anteile des Elektronenstrahls Bauelemente in der Nachbarschaft des Elektronenstrahl-Generators bombardieren. Eine relativ schnelle Zerstörung des Generators oder anderer Vorrichtungen, die sich in der Bewegungsrichtung der wahllosen Emission hoher Stromdichte befinden, tritt mit Gewißheit ein. Erfindungsgemäß wird diese verhindert, und entsprechende experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß praktisch keine Elektronen mit großen Winkeln zu der Ebene ausgesandt werden, die sich durch die Emitter der Glühdrahtanordnung erstreckt.Although the problems of electron beam generation have been thoroughly investigated, let us here particularly pointed out that according to the invention an electron beam with unusually high Energy is generated, whereby a very dense electron beam is obtained. For the generation Very high filament currents are used for this electron beam, and it is found in accordance with the invention Magnetic fields applied around a filament arrangement in order to form a specific Electron emission direction can be built up, at the same time the strong magnetic fields formed are prevented from undesirably deflecting the emitted electrons. In the Applying very high electron beam energies it becomes particularly important, even small percentages to limit, if not completely exclude, an indiscriminate electron emission. That Leakage of a small percentage of electrons from an electron beam with a current on the order of several amps will cause significant damage if left uncontrolled escaped portions of the electron beam components in the vicinity of the electron beam generator bomb. A relatively quick destruction of the generator or other devices, that are in the direction of movement of the random high-current density emission occurs with Certainty one. According to the invention this is prevented, and corresponding experimental investigations have shown that virtually no electrons are emitted at large angles to the plane extending through the emitters of the filament assembly.

Der erfindungsgemäß erzeugte Elektronenstrahl sehr hoher Energie und sehr hoher Dichte ist insbesondere für die Anwendung in Elektronenstrahl-Öfen, wie in der Fig. 3 gezeigt, geeignet. Wie hier angegeben, wird ein Gehäuse auf einen sehr geringen Druck evakuiert, wie durch die Pfeile 42 angegeben, und ein Schmelzgut 43 ist so angeordnet, daß dasselbe über einer Kokille 44 in dem Gehäuse nach unten geführt wird. Der Elektronenstrahl-Generator nach der vorliegenden Erfindung ist, wie bei 46 angezeigt, so angeordnet, daß ein Elektronenstrahl 47 sehr hoher Energie in das offene obere Ende der Kokille 44 geführt wird. Das Schmelzgut 43 wird in diesem Strahl eingeführt, so daß der Strahl einen Teil des Schmelzgutes bombardiert und somit schmilzt, so daß das Material nach unten in die Form tropft. Innerhalb der Kokille wird dieses geschmolzene Material weiterhin bombardiert und durch den gerichteten Elektronenstrahl weiter erhitzt, wobei prak-The very high energy and very high density electron beam generated according to the invention is particularly for use in electron beam furnaces, as shown in FIG. 3, suitable. Like here indicated, a housing is evacuated to a very low pressure, as indicated by the arrows 42, and a melt 43 is arranged so that the same over a mold 44 in the housing is guided downwards. The electron beam generator of the present invention is as at 46 displayed, arranged so that a very high energy electron beam 47 into the open top of the Mold 44 is performed. The melt 43 is introduced into this beam, so that the beam is a part of the melting material is bombed and thus melts, so that the material drips down into the mold. Inside the mold, this molten material continues to be bombarded and directed by the Electron beam is heated further, with practically

tisch das gesamte offene obere Ende der Kokille bombardiert wird. Diese Kokille 44 kann z. B. aus Kupfer hergestellt sein, wobei Kühlrohre für den Durchtritt von Wasser vorgesehen sind, um so eine Beschädigung der Kokille zu verhindern und ebenfalls aus dem unteren Teil des in die Kokille eintropfenden Materials die Wärme abzuführen, so daß ein erstarrter Schmelzblock 48 unter der geschmolzenen Masse des an dem oberen Ende der Kokille vorliegenden Materials ausgebildet wird. Dieser Schmelzblock 48 kann aus der Kokille kontinuierlich entfernt oder nach unten gezogen werden.table the entire open upper end of the mold is bombed. This mold 44 can, for. B. off Be made of copper, cooling pipes are provided for the passage of water, so one To prevent damage to the mold and also from the lower part of the dripping into the mold Material dissipate the heat, so that a solidified melt block 48 under the melted Mass of the material present at the upper end of the mold is formed. This Melt block 48 can be continuously removed from the mold or pulled downward.

Elektronenstrahl-Öfen der hier beschriebenen allgemeinen Art sind bekannt, und es ist sehr wichtig, daß die in denselben Anwendung findenden Elektronenstrahlen eine sehr hohe Energie aufweisen, so daß das Schmelzgut erschmolzen sowie weiterhin der Schmelzsee innerhalb der Kokille erhitzt werden kann. Es ist ebenfalls notwendig, daß der Elektronenstrahl sehr scharf ausgebildet ist, damit er nur das in ihn hineingeführte Schmelzgut bombardiert und keine veränderliche oder wahllose Bombardierung des Schmelzgutes erfolgt. In gleicher Weise ist es notwendig, daß der Elektronenstrahl gebündelt ist, so daß eine übermäßige Bombardierung des oberen Endes der Kokille verhindert wird, da hierdurch eine Zerstörung der Kokille erfolgen würde. Der erfindungsgemäße Elektronenstrahl-Generator führt zu der Erzeugung eines Elektronenstrahls, der den hier angegebenen Anforderungen entspricht.Electron beam furnaces of the general type described here are known and it is very important that that the electron beams used in the same application have a very high energy, so that the melted material is melted and the melt pool continues to be heated within the mold can. It is also necessary that the electron beam is very sharp so that it can only be used in melt material introduced into it is bombed and no changeable or indiscriminate bombing of the Melting material takes place. In the same way it is necessary that the electron beam is focused so that excessive bombardment of the upper end of the mold is prevented, as this will destroy it the mold would take place. The electron beam generator according to the invention leads to the generation an electron beam that meets the requirements specified here.

Außerordentlich dichte Elektronenstrahlen werden erfindungsgemäß ausgebildet, und der Elektronenstrahl scheint an einem Punkt oder Linie zwischen den parallelen Emittern der Glühdrahtanordnung ausgebildet zu werden. Ein Divergieren des Strahls während dessen Verlauf von dem Generator zu der Bombardierungsfläche ist in der F i g. 3 gezeigt, und dies stellt die natürliche Folge der zwischen den Elektronen des Strahls bestehenden Abstoßungskräften dar. Dieses Divergieren des Strahls kann nicht nur erfindungsgemäß geduldet werden, sondern ist auch sehr zweckmäßig, um so einen breiteren Strahl an dem oberen Ende der Kokille zu erhalten, wodurch der gesamte Schmelzsee in derselben ausreichend erhitzt wird.Exceptionally dense electron beams are formed in accordance with the invention, and so is the electron beam appears to be formed at a point or line between the parallel emitters of the filament assembly to become. Divergence of the beam as it travels from the generator to the bombardment area is in FIG. 3 and this represents the natural consequence of between the electrons repulsive forces of the ray. This divergence of the ray can not only be tolerated according to the invention, but is also very useful in order to have a wider beam the upper end of the mold, whereby the entire melt pool is heated sufficiently in the same will.

Es lassen sich natürlich im Rahmen der Erfindung eine Reihe Abwandlungen ausführen, und in der Fig. 4 ist im Querschnitt ein erfindungsgemäßer Elektronenstrahl-Generator gezeigt, der ein zusätzliches Bauelement in Form einer beweglichen Vorderplatte 51 aufweist. Diese Platte ist mechanisch und elektrisch mit der Abschirmelektrode 11 verbunden und erstreckt sich teilweise über die öffnung der Emissionskammer 12. Die Vorderplatte 51 kann z. B. vermittels Bolzen 52 an der Vorderseite der Abschirmelektrode angeordnet werden. In dieser Vorderplatte sind Schlitze 53 angeordnet, so daß eine senkrechte Einstellung der Vorderplatte durchgeführt werden kann. Man sieht somit, daß auf der Eingangsseite derA number of modifications can of course be carried out within the scope of the invention, and in FIG. 4 an inventive electron beam generator is shown in cross section, which is an additional component in the form of a movable front plate 51. This plate is mechanical and electrical connected to the shielding electrode 11 and extends partially over the opening of the emission chamber 12. The front plate 51 can, for. B. mediating Bolts 52 are arranged on the front of the shielding electrode. In this faceplate slots 53 are arranged so that vertical adjustment of the faceplate can be performed can. You can see that on the input side of the

Claims

7 87 8

Emission chamber 12 the geometric shapes of the emitter with a distance on the order of magnitude Electric field proved to be advantageous by changing the position of the wire diameter. at Front panel 51 can be controlled. It will be the size of the applied heating current a curved electric field between the Ab magnetic fields on the order of several shield electrode and the acceleration electrode 5 hundred Gauss built up immediately adjacent to the Emit, and on the generated by the filament assemblies, and thus there is a strong denial 14 emitted electrons, this pushing force acts between the separated, parallel curved electric field so that the electrons emit filament emitters arranged in relation to one another. Man a curved path in its movement out of the must exercise care to the effect that a through-emission chamber describe out. This is avoided by bending the filaments io, as every gain dashed lines in FIG. 4 displayed. The pulling of the wires distorting the around the bend of the electric field adjacent to the same existing magnetic fields and thus is sufficient to prevent the emission chamber from causing an unpredictable change in the to bend exiting electron paths. The field direction of the electron career leads. An over strength however, this is not sufficient in this area; moderate flexing of the wires can actually to cause the ions back into the emission chamber to touch, whereby to lead. This can even result in a short circuit, particularly in areas of application. When arranging Electron beam generator is important where the filament arrangement is raised inside the cabin Amounts of ions in the vacuum chamber, in the shield electrode, it is for the purpose of achieving all inventors Generator is arranged, can occur. With 20 advantages according to the invention, it is important that a line of sight the casting and cleaning of metals in one between at least one of the emitters and the Electron beam furnace can e.g. B. pre-amount considerable ion leading edge of the acceleration electrodes by bombing the metal. Although it is possible to get electrons from that and this can also be achieved by the filament arrangement made with other than the one here Ionization of various vapors and gases take place, to deduct 25 described arrangements, it has to be which were set free during the work process proved by experimental investigations that will. Since the acceleration electrode 19 then has the greatest possible steering effects relatively positive potential with respect to the target will be if the lip 13 of the shielding electrode is held, the result is that the electrode is not completely the acceleration electrode The vicinity of the opening of the emission chamber is shielded from the filament arrangement, Reaching ions then under the action of an In the context of the invention can with respect to the Electric field come through which the ions in the embodiments described here a number the emission chamber can be accelerated. As the of alterations and modifications by-filament arrangement cannot be led in line with one. So z. B. the direct path according to the invention into the emission chamber arranged 35 electron beam generator elongated in shape is, the filament assembly is designed against an ion of a ring, preferably one bombing protected. Although ions are present in the shielding electrode due to the opening, the passage through this acceleration field is directed towards the outside, and this geometric shape slight curvature of their path is experienced in certain areas of application for electronics, If they are not yet so influenced, electron beam ovens are definitely advantageous where the that their orbital curvature is sufficient to allow the glow electrons to enter the open upper end of a casting mold to meet wire arrangement. Rather, it is to be directed from a number of directions at best, wants the ions into the emission chamber. It is still possible outside of the kick and bomb the back of them. Device generated magnetic fields for an additional off for this reason, the shield electrode 11 can align the generated electron beam have a relatively massive construction so as to be easy to use. With such an additional tax one to endure such ion bombardment. tion of the electron beam it is possible to use the beam To guide the filament arrangement folded according to the invention over practically any desired angle, This is the case with regard to preferred design ovens and thus with regard to electron beam ovens form the same and in connection with a 50 possible, the electron beam generator under the preferred field of application has been explained to be placed at the top of the mold in the furnace which generates sufficient electron beam energy and generally points the electron beam in direction in order to lead even refractory metals in upward into a magnetic field, the force of which is to melt rapidly. The lines run perpendicular to this, so the ray witness the emission of electrons in this order of magnitude in a curved path above the mold and in This can be accomplished by passing a downward direction into the upper open end of the stream in the order of 115 to 125 A to force the same.

can be achieved by a 1.78 mm tungsten wire, in which case the beam itself can initially be from

the in the manner described above two parallel to the generator radially outwards and slightly towards

Has emitter. Applying z. B. a 60 are performed above the mold to such a

15 kV acceleration voltage leads to an immeasurable isolation of the generator compared to a

ordinary high-energy electron beam to achieve ion bombardment, very suitable for use in electron beam furnaces

suitable is. Patent claims:

Placing the emitters in close proximity is 65

expedient in order to achieve the greatest possible alignment 1. Electron beam generator for an elec-

of the emitted electrons, and like a further electron beam furnace, which has a shielding electrode,

ter stated above, a separation of the cathode has been an elongated filament arrangement

in front of the shielding electrode and an acceleration electrode in front of the glow wire arrangement for the emission of electrons in a beam towards it by electron bombardment having to be heated material in the furnace, characterized in that the elongated Has filament arrangement parallel at a distance from one another arranged components, those passed through them in opposite directions for excitation by one Electric current are provided in order to achieve a thermionic emission, whereby the electrons emitted initially from the filament arrangement in practically the same way Moving directions outward.

2. Electron beam generator according to claim 1, characterized in that the parallel at a distance mutually arranged components at one end to form a folded Glow wire are connected.

3. Electron beam generator according to any one of the preceding claims, characterized in that that an accelerator electrode is provided through which an accelerating the electrons Field is formed which extends to the filament arrangement so as to attract the emitted electrons.

4. Electron beam generator according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that an arrangement is provided which is at least partially between the Glow wire arrangement and the acceleration electrode extends alongside this and the on practically the same potential as the filament arrangement is kept, so as to reduce the acceleration field deflect, whereby the emitted electrons in the larger amount of the filament arrangement only along the lines of force of the acceleration field can be deducted.

1 sheet of drawings