DE1190112B - Device for generating a high current strength electron beam and method for heating and melting by means of such a device - Google Patents
Device for generating a high current strength electron beam and method for heating and melting by means of such a deviceInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. CL:Int. CL:
HOIjHOIj
Deutsche KI.: 21g-21/01 German KI .: 21g -21/01
Nummer: 1190 112Number: 1190 112
Aktenzeichen: St 16459 VIII c/21 gFile number: St 16459 VIII c / 21 g
Anmeldetag: 9. Mai 1960 Filing date: May 9, 1960
Auslegetag: 1. April 1965Open date: April 1, 1965
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahlbündels hoher Stromstärke zum Erhitzen und Schmelzen von Metallen, bestehend aus einer in Form einer ringförmigen Schleife um die Bündelachse herum angeordneten Kathode, einer in axialem Abstand konzentrisch zu dieser angeordneten Beschleunigungselektrode und einer auf negativerem elektrischem Potential als die Kathode liegenden Fokussierungselektrode zwischen der Kathode und der Beschleunigungselektrode, welche die Elektronen zur Strahlachse hin ablenkt. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Erhitzen und Schmelzen mittels einer solchen Vorrichtung.The invention relates to a device for generating a high electron beam Amperage for heating and melting metals, consisting of one in the form of an annular Loop arranged around the axis of the bundle cathode, one axially spaced concentrically to this arranged acceleration electrode and one at a more negative electrical potential than that Cathode lying focussing electrode between the cathode and the acceleration electrode, which deflects the electrons towards the beam axis. The invention also relates to a method for heating and melting by means of such a device.
Obwohl eine große Zahl von Maßnahmen und Vorrichtungen zur Erzeugung von Elektronenstrahlen sowohl für eine allgemeine Anwendung als auch für spezielle Anwendungsgebiete bekannt sind, fehlen auf bestimmten Gebieten, z. B. auf dem Gebiet des Schmelzens und Gießens von Metallen durch Elektronenbeschuß, praktisch brauchbare und gut geeignete Verfahren und Vorrichtungen. Obwohl die Erfindung und deren große Vorteile im folgenden an Hand eines Gußverfahrens dargelegt werden, ist sie keineswegs auf ein bestimmtes Gebiet beschränkt.Although a large number of measures and devices for generating electron beams which are known both for general use and for special fields of application are absent in certain areas, e.g. B. in the field of melting and casting of metals Electron bombardment, practically useful and well suited methods and devices. Although the Invention and the great advantages of which are set out below on the basis of a casting process, it is by no means restricted to a certain area.
Es ist ein Elektronenstrahlerzeugungssystem zur Erzeugung von zwei in etwa gleicher Richtung verlaufenden Elektronenstrahlbündeln bekannt. Hierbei umgibt das von der äußeren Elektronenquelle erzeugte Elektronenstrahlbündel das von der inneren Elektronenquelle erzeugte schlauchartig. Dieses bekannte Elektronenstrahlerzeugungssystem ist nicht für die Verwendung in Elektronenstrahlschmelzöfen geeignet, da die Kathode in keiner Weise weder vor Ionenbombardement noch vor Bedampfung geschützt ist. Durch Ionenbombardement und auf der Kathode sich niederschlagende Dämpfe wird ihre Lebensdauer und damit die Lebensdauer des Elektronenstrahlerzeugungssystems wesentlich herabgesetzt, d. h., die Kathode mußte häufig ausgewechselt werden. Ein Kathodenwechsel ist aber beim Einsatz von Elektronenstrahlerzeugungssystemen in Schmelzöfen äußerst nachteilig, da dies sogar den Abbruch eines Schmelzprozesses nach sich ziehen kann und die bisherige Schmelze verworfen werden muß. Außerdem müßte beim Kathodenwechsel das Vakuum im Schmelzofen aufgehoben werden, so daß erhebliche Totzeiten die Folge wären.It is an electron gun for generating two in approximately the same direction Electron beam known. This surrounds that generated by the external electron source Electron beam generated by the inner electron source like a hose. This well-known Electron gun is not for use in electron beam melting furnaces suitable because the cathode is in no way protected from ion bombardment or vapor deposition is. Ion bombardment and vapors precipitating on the cathode will reduce their service life and thus the life of the electron gun significantly reduced, d. h., the The cathode had to be changed frequently. However, a cathode change is required when using electron guns extremely disadvantageous in melting furnaces, as this even interrupts a melting process can entail and the previous melt must be discarded. Also would have to when the cathode is changed, the vacuum in the furnace is canceled, so that considerable dead times the consequence would be.
Das Ziel vorliegender Erfindung ist unter anderem die Verbesserung der bekannten Elektronenstrahlerzeugung unter Vermeidung der obigen Nachteile.The aim of the present invention is, inter alia, to improve the known electron beam generation while avoiding the above disadvantages.
Die Erfindung besteht darin, daß eine mit der Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahlbündels
hoher Stromstärke und Verfahren
zum Erhitzen und Schmelzen mittels einer
solchen VorrichtungThe invention consists in that one with the device for generating an electron beam high amperage and method
for heating and melting by means of a
such device
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 W. Hanks, Orinda, Calif. (V. St. A.)Charles W. Hanks, Orinda, Calif. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
V. St. v. Amerika vom 5. Juni 1959 (818 306)V. St. v. America June 5, 1959 (818 306)
Fokussierungselektrode zu einer baulichen Einheit vereinigte und auf gleichem Potential wie diese liegende Abschirmelektrode, welche die emittierten Elektronen von der Bündelachse weg auf die Fokussierungselektrode hin ablenkt, die Kathode über den größeren Teil ihres Querschnittsumfangs umschließt und sie dadurch gegen die Beschleunigungselektrode teilweise elektrisch und gegen von der Metallschmelze ausgehende Dampfstrahlen mechanisch abschirmt.Focusing electrode combined into a structural unit and lying on the same potential as this Shielding electrode which directs the emitted electrons away from the beam axis onto the focusing electrode deflects out, enclosing the cathode over the greater part of its cross-sectional circumference and thereby partially electrical against the accelerating electrode and against the molten metal mechanically shields outgoing steam jets.
Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung ist die Fokussierungselektrode beweglich, vorzugsweise in axialer Richtung, an die Abschirmelektrode angesetzt. Dadurch ist die Lage des Brennpunktes des Elektronenbündels entlang der Schleifenachse verstellbar.According to an advantageous embodiment of the device, the focusing electrode is movable, preferably in the axial direction, attached to the shielding electrode. This is the location of the focal point of the electron beam adjustable along the loop axis.
Vorteilhafterweise besteht die Abschirmelektrode aus einem Vollkörper mit ringförmiger Vertiefung, in der die Kathode angeordnet ist.The shielding electrode advantageously consists of a solid body with an annular recess, in which the cathode is arranged.
Bei verschiedenen Anwendungen ist es äußerst vorteilhaft, Elektronen von einer Vielzahl von Richtungen auf eine begrenzte Fläche zu leiten, sowohl vom Gesichtspunkt der schließlich zu erhaltenden Elektronenenergie als auch für verschiedene Nebeneffekte der konvergierenden Flugbahn. Ein Beispiel hierzu ist das Vakuumschmelzen von Metallen durch Elektronenbeschuß. Bei diesem Beispiel wird ein Metallblock kontinuierlich geschmolzen und gleichzeitig ein Schmelzbad dieses Metalls erhitzt.In various applications it is extremely beneficial to have electrons coming from a variety of directions to direct on a limited area, both from the point of view of the eventual to be preserved Electron energy as well as various side effects of the converging trajectory. An example this is the vacuum melting of metals by electron bombardment. In this example, a The metal block is continuously melted and a molten pool of this metal is heated at the same time.
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Das Verfahren zum Erhitzen und Schmelzen mit- Kathode 16 in der Vertiefung 14 der ringförmigen tels einer Vorrichtung nach der Erfindung besteht Elektrode 13 werden geeignete, in der Zeichnung darin, daß das Schmelzgut insbesondere in Form nicht dargestellte Isoliermittel verwendet. Die Vereines Stabes koaxial zu der schleifenförmigen Ka- tiefung 14 ist etwas einspringend ausgeführt, indem thode und den Elektroden in Richtung der Bündel- 5 eine vorspringende Lippe 17 vorgesehen ist, die unachse zum Brennpunkt bzw. zur Brennfläche hin gefahr an der radial nach innen liegenden Seite der bewegt wird, so daß das Schmelzgut im Brennpunkt Vertiefung 14 angeordnet ist und sich nach außen bzw. in der Brennfläche des kegelförmig verlaufenden erstreckt und hierbei einen Teil der Vertiefung in der Elektronenstrahlbündels erhitzt und geschmolzen Unterseite der Abschirmelektrode 13 abdeckt. Innerwird. 10 halb dieses abgedeckten Teiles der Vertiefung 14 istThe method of heating and melting with- cathode 16 in the recess 14 of the annular means of a device according to the invention consists of electrode 13 are suitable in the drawing in that the melting material is used in particular in the form of insulating means, not shown. The association Rod coaxially to the loop-shaped recess 14 is made somewhat re-entrant by method and the electrodes in the direction of the bundle 5 a protruding lip 17 is provided, the off-axis to the focal point or to the focal surface danger on the radially inward side of the is moved so that the melt is arranged in the focal point recess 14 and to the outside or in the focal surface of the conically extending and here part of the recess in the Electron beam heated and melted underside of the shielding electrode 13 covers. Inner will. 10 half of this covered part of the recess 14 is
Vorteilhafterweise wird das Elektronenstrahlbündel die Kathode 16 montiert; die Gründe für diese Maßausgehend von den ringförmigen Elektroden von nähme werden im folgenden angeführt. Die Vertiezwei Kegelflächen verschiedenen Öffnungswinkels be- fung 14 ist an jener Seite der Elektrode angeordnet, grenzt, wobei sich die Erzeugenden des inneren die in radialer Richtung gesehen außen liegt. Auf der Kegels in einem unterhalb des Schmelzgutendes und 15 Elektrode 13 ist ein Fokussierungsring 18 mittels BoI-oberhalb der Schmelzform liegenden Punkt auf der zen 19, welche durch Schlitze im Ring 18 hindurch-Achse schneiden, während die Schnittlinie zwischen gesteckt und in die Elektrode 13 geschraubt sind, den Erzeugenden des inneren Kegels und den Er- axial beweglich befestigt. Dieser Fokussierungsring 18 zeugenden des äußeren Kegels eine Brennfläche ab- hängt von der Elektrode 13 an ihrem äußeren Umgrenzt, die mit der Oberfläche der Schmelzform zu- 20 fang herab und bestimmt dadurch mit der Lippe 17 sammenfällt. zusammen eine Austrittsöffnung 20 für die Elektro-The electron beam is advantageously mounted on the cathode 16; based on the reasons for this measure of the ring-shaped electrodes of takme are listed below. The two Conical surfaces with different opening angles, the position 14 is arranged on that side of the electrode borders, with the generatrix of the inner lying on the outside seen in the radial direction. On the Cone in one below the end of the melting material and 15 electrode 13 is a focusing ring 18 by means of BoI above the melting point lying on the zen 19, which axis through slots in the ring 18 cut while the cutting line is stuck between and screwed into the electrode 13, the generatrices of the inner cone and the axially moveable attached. This focus ring 18 generating the outer cone a focal surface depends on the electrode 13 at its outer boundaries, that descends with the surface of the enamel mold and thereby determines with the lip 17 collapses. together an outlet opening 20 for the electrical
Durch vorliegende Erfindung wird nicht nur ein nen zwischen der Vertiefung 14 und dem Äußeren sehr intensiver Elektronenstrahlbeschuß einer ge- der Abschirmelektrode 13. Unmittelbar unterhalb wünschten, begrenzten Fläche, die wesentlich vom der Abschirmelektrode 13 befindet sich eine Be-Strahlenursprung entfernt ist, erzielt. Durch die Kon- 25 schleunigungselektrode 21, die vorzugsweise mit vergenz der beschießenden Elektronen ist es auch einem abgerundeten Außenrand versehen ist und als ermöglicht, das Schmelzgut zu schmelzen und zu- ein Ring ausgebildet ist, der unterhalb der Abschirmgleich das Schmelzbad zu erhitzen. elektrode 13 angeordnet ist und sich in radialer Rich-The present invention not only creates a gap between the recess 14 and the exterior very intensive electron beam bombardment of one of the shielding electrode 13. Immediately below desired, limited area which is located substantially from the shielding electrode 13 is a Be radiation origin removed, scored. By means of the acceleration electrode 21, which is preferably with vergence of the bombarding electrons it is also provided with a rounded outer edge and as makes it possible to melt the material to be melted and to form a ring which is below the shielding level to heat the weld pool. electrode 13 is arranged and is located in the radial direction
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich tung nach außen weiter als die Lippe 17 erstreckt. an Hand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele 30 Es ist ersichtlich, daß bei der beschriebenen Ausdargestellt sind. So ist insbesondere unter ringförmig bildung die Weite der Öffnung 20 unterhalb der nicht nur eine Kreisringform, sondern auch eine Abschirmelektrode 13 durch die Beschleunigungs-Ellipsenform und dergleichen Formen zu verstehen. elektrode 21 vermindert wird, weil diese innerhalb des Gleiches gilt auch für die Kegelform des Elektronen- Fokussierungsringes 18 radial von diesem weniger als Strahls, womit alle konvergierenden Figuren zu ver- 35 die Lippe 17 entfernt ist. Für die Beschleunigungsstehen sind. elektrode 21 können geeignete Befestigungsmittel Further details of the invention result device further outward than the lip 17 extends. with reference to the drawing, in the exemplary embodiment 30. It can be seen that illustrated in the described are. In particular, the width of the opening 20 is below the annular formation not only a circular ring shape, but also a shielding electrode 13 by the acceleration elliptical shape and the like to understand forms. electrode 21 is reduced because this is within the The same also applies to the conical shape of the electron focusing ring 18 radially less than this Ray, with which all converging figures to be 35 the lip 17 is removed. For the acceleration standing are. electrode 21 can use suitable fasteners
Fi g. 1 zeigt schematisch eine Schrägansicht einer vorgesehen werden, z. B. kann, wie dies in der Zeich-Fi g. 1 shows schematically an oblique view of a device to be provided, e.g. B. can, as shown in the drawing
Vorrichtung zur Erzeugung von Elektronenstrahlen nung dargestellt ist, am inneren Umfang der Be-Device for generating electron radiation is shown, on the inner circumference of the loading
einschließlich der erzielten konvergierenden Elek- schleunigungselektrode 21 ein zylinderförmiger Rand-including the achieved converging electrode acceleration electrode 21 a cylindrical edge
tronenstrahlbahnen, 40 teil vorgesehen werden, der sich innerhalb derelectron beam paths, 40 are provided in part, which is located within the
F i g. 2 einen Aufriß einer Vorrichtung zum Abschirmelektrode 13 erstreckt. Geeignete KühlmittelF i g. Fig. 2 is an elevation of a device for shielding electrode 13 extends. Suitable coolants
Schmelzen mit Hilfe eines konvergierenden Elek- werden je nach Erfordernis für die einzelnen EIe-Melting with the help of a converging elec-
tronenstrahlbündels, wie sie in einem Elektronen- mente der Vorrichtung vorgesehen. Die Beschleu-electron beam as provided in an electron element of the device. The acceleration
strahlschmelzofen verwendet werden kann, nigungselektrode 21 ist vorzugsweise mit einem Kühl-jet melting furnace can be used, inclination electrode 21 is preferably with a cooling
F i g. 3 einen Querschnitt gemäß der Linie 3-3 von 45 rohr 22 versehen, das unterhalb der Elektrode an-F i g. 3, a cross-section along the line 3-3 of 45 tube 22, which is attached below the electrode.
F i g. 2 durch eine vorzugsweise Ausführungsform geordnet ist und mit ihr in guter wärmeleitender Ver-F i g. 2 is ordered by a preferred embodiment and with it in good heat-conducting relationship
der Vorrichtung. bindung steht, um die durch gestreute Elektronen,the device. bond to which the scattered electrons,
In F i g. 1 ist die Vorrichtung 11 zur Erzeugung die die Beschleunigungselektrode beschießen, er-In Fig. 1 is the device 11 for generating which bombard the acceleration electrode,
eines intensiven Elektronenstrahls nur schematisch zeugte Wärme abzuleiten. Ähnliche Kühlvorrichtun-of an intense electron beam only schematically dissipate the heat generated. Similar cooling devices
angedeutet. Sie erzeugt das hohle kegelförmige Elek- 50 gen können auch für den Fokussierungsring undindicated. It creates the hollow cone-shaped elec- 50 can also be used for the focusing ring and
tronenstrahlbündel 12. Das Elektronenstrahlbündel ebenso für die Elektrode 13 vorgesehen werden, ob-electron beam 12. The electron beam can also be provided for the electrode 13, whether-
wird in einiger Entfernung von der Strahlenquelle wohl normalerweise nur die Beschleunigungselek-at some distance from the radiation source, normally only the accelerating elec-
fokussiert. trode während des Betriebes so stark erhitzt wird,focused. trode is heated so much during operation that
Wie aus F i g. 2 und 3 zu ersehen ist, besitzt die daß das Entfernen größerer Wärmemengen erforder-As shown in FIG. 2 and 3 shows that the removal of larger amounts of heat is necessary.
Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung eine ringför- 55 lieh ist.Electron gun is a ring-shaped 55 borrowed.
mige Abschirmelektrode 13, die im Grundriß eine Zum Betrieb der Elektronenstrahlerzeugungsvor-mige shielding electrode 13, which in plan is a For operation of the electron beam generating device
Kreisform, eine elliptische Form od. dgl. haben kann. richtung wird die Kathode 16 auf die Emissions-Circular shape, an elliptical shape or the like. May have. direction, the cathode 16 is directed to the emission
Es gibt eine verhältnismäßig große Anzahl von mög- temperatur erhitzt, indem man von einer äußerenThere are a relatively large number of possi- ble temperatures by being heated by an external
liehen Figuren für die Grundrißform der Elektronen- Energiequelle einen Strom durch die Kathode 16borrowed figures for the plan shape of the electron energy source a current through the cathode 16
Strahlerzeugungsvorrichtung, und der Ausdruck 6<> fließen läßt, was der Einfachheit halber in der Zeich-Beam generating device, and the expression 6 <> lets flow, which for the sake of simplicity in the drawing
»ringförmig« wird daher im folgenden für alle diese nung nicht dargestellt ist. Das gewünschte Elektro-"Ring-shaped" is therefore not shown in the following for any of these reasons. The desired electrical
verschiedenen Formen verwendet. Die Abschirm- nenbeschleunigungs- und Ablenkfeld wird durch An-different forms used. The shielding acceleration and deflection field is
elektrode 13, die im folgenden der Einfachheit halber legen einer Spannung zwischen der Elektrode 13 undelectrode 13, which in the following for the sake of simplicity put a voltage between the electrode 13 and
als kreisringförmig betrachtet wird, hat auf ihrer der Beschleunigungselektrode 21 erzeugt. In deris considered to be circular, has generated the acceleration electrode 21 on it. In the
Unterseite eine Mulde oder Vertiefung 14. In dieser 65 Zeichnung ist dies durch eine Batterie 23 angedeutet,Underside a trough or recess 14. In this drawing, this is indicated by a battery 23,
Vertiefung ist eine elektronenemittierende Kathode deren negativer Pol mit der Elektrode 13 und derenWell is an electron-emitting cathode whose negative pole with the electrode 13 and their
16 angeordnet, welche mit der Elektrode 13 keinen positiver Pol mit der Beschleunigungselektrode 2116 arranged, which with the electrode 13 does not have a positive pole with the acceleration electrode 21
elektrischen Kontakt besitzt. Zur Befestigung der verbunden ist. Die Verbindungsleitungen sind mithas electrical contact. To attach the connected. The connecting lines are with
24 bezeichnet. Da der Fokussierungsring 18 mit der Elektrode 13 in elektrischem Kontakt ist, liegt der Fokussierungsring auf dem gleichen Potential wie die Elektrode 13. Gewünschtenfalls kann die Kathode 16 auf ein Potential gebracht werden, das zwischen dem der Elektrode 13 und dem der Beschleunigungselektrode 21 liegt, so daß die Elektrode24 designated. Since the focusing ring 18 is in electrical contact with the electrode 13, the Focusing ring at the same potential as electrode 13. If desired, the cathode 16 can be brought to a potential between that of the electrode 13 and that of the accelerating electrode 21 is so that the electrode
13 auf einem bezüglich der Kathode negativen Potential gehalten wird und so Elektronen abstößt. Durch das Vorhandensein einer Potentialdifferenz zwischen der Beschleunigungselektrode 21 und der Elektrode 13 entsteht, besonders zwischen dem äußeren Ende der Beschleunigungselektrode 21 und der Lippe 17 der Elektrode 13, ein elektrisches Feld, dessen Kraftlinien durch die Linien26 in Fig. 3 der Zeichnung angedeutet sind. Dieses Feld, das durch die gezeichneten Feldlinien 26 angedeutet ist, ist zwischen der Beschleunigungselektrode 21 und der Lippe 17 gekrümmt, wodurch die von der Kathode 16 emittierten Elektronen gezwungen werden, in Übereinstimmung mit der Krümmung der Kraftlinien einer gekrümmten Bahn zu folgen. Die von der Kathode 16 emittierten Elektronen werden von der mit einer positiven Spannung versehenen Beschleunigungselektrode 21 angezogen, so daß ein Elektronenstrahlbündel 27 entsteht, das von der Vertiefung13 is kept at a negative potential with respect to the cathode and thus repels electrons. By the presence of a potential difference between the acceleration electrode 21 and the Electrode 13 is formed, especially between the outer end of the accelerating electrode 21 and of the lip 17 of the electrode 13, an electric field, the lines of force of which are indicated by the lines 26 in FIG the drawing are indicated. This field, which is indicated by the drawn field lines 26, is curved between the accelerating electrode 21 and the lip 17, thereby reducing that of the cathode 16 emitted electrons are forced, in accordance with the curvature of the lines of force to follow a curved path. The electrons emitted by the cathode 16 are from the With a positive voltage provided acceleration electrode 21 attracted, so that an electron beam 27 arises, that of the recess
14 in der Elektrode 13 nach außen strömt. Dieses Elektronenstrahlbündel 27 verläßt die Kathode 16 in einer Richtung, die im wesentlichen radial von ihr nach außen führt, und wird durch das Feld 26 von der Elektrode 13 durch die Öffnung 20 nach unten und dann weiter gegen die Achse 28 (F i g. 1) der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung gerichtet. Der Krümmungsgrad bzw. die dem Elektronenstrahlbündel 27 erteilte Ablenkung ist durch die Größe und Krümmung des beschleunigenden elektrischen Feldes bestimmt. Somit ermöglicht die Regelung der Beschleunigungsspannung auch die Regelung des Schnittpunktes des Elektronenstrahlbündels 27 mit der Achse 28 der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung. Als weitere Regelung für die Elektronenstrahlbahn ist der Fokussierungsring 18 verstellbar auf der Elektrode 13 montiert, so daß er axial beweglich ist. Da der Fokussierungsring 18 elektrisch mit der Elektrode 13 verbunden ist, erzeugt eine tiefere Lage des Fokussierungsringes bezüglich der Elektrode 13 ein negatives elektrisches Feld, das entlang des äußeren Umfanges der Elektronenstrahlbahn tiefer reicht. Durch Senken des Fokussierungsringes 18 ist es also möglich, die radiale Ablenkung des Elektronenstrahls innerhalb der Erzeugungsvorrichtung zu vergrößern.14 in the electrode 13 flows to the outside. This electron beam 27 leaves the cathode 16 in a direction which leads substantially radially outward from it, and is through the field 26 of of the electrode 13 through the opening 20 downwards and then further against the axis 28 (FIG. 1) of the Directed electron gun. The degree of curvature or that of the electron beam The deflection given is by the size and curvature of the accelerating electric Field determined. The regulation of the acceleration voltage thus also enables the regulation of the Point of intersection of the electron beam 27 with the axis 28 of the electron beam generating device. As a further control for the electron beam path, the focusing ring 18 is adjustable mounted on the electrode 13 so that it is axially movable. Since the focusing ring 18 is electrical is connected to the electrode 13, creates a deeper position of the focusing ring with respect to the Electrode 13 creates a negative electric field along the outer periphery of the electron beam path goes deeper. By lowering the focusing ring 18, it is possible to reduce the radial deflection of the To enlarge the electron beam within the generating device.
Es ist bekannt, daß verschiedene Effekte, eingeschlossen Raumladungseffekte, das Zerstreuen eines Elektronenstrahlbündels von hoher Dichte bewirken. Das spricht im allgemeinen gegen das Erreichen der Höchstdichte eines Elektronenstrahls an irgendeinem von der Quelle des Strahles entfernten Punkt. Bei der vorliegenden Erfindung bringt das Streuen des Elektronenstrahls, wie es aus F i g. 3 der Zeichnung entnommen werden kann, keine besonderen Nachteile mit sich, und zwar deshalb, weil das Elektronenstrahlenbündel entlang eines Kreisringes erzeugt und erst in einiger Entfernung vom Ursprungspunkt auf einen Punkt konzentriert wird, wie es z. B. aus Fig. 2 der Zeichnung ersehen werden kann. Obwohl der Querschnitt jedes einzelnen von einem Punkt der Kathode ausgehenden Elektronenstrahlbündels mit wachsender Entfernung vom Erzeugungspunkt zufolge der Streuung wächst, wird das Gesamtstrahlenbündel selbst als ganzes fokussiert, so daß die Streustrahlen an einer Stelle hoher Dichte konvergieren. Dies ist am besten aus F i g. 2 der Zeichnung zu ersehen, in welcher mittels strichlierter Linien die Begrenzung des Elektronenstrahlbündels von zwei entgegengesetzten Seiten der Erzeugungsvorrichtung eingezeichnet ist und woraus man weiter erkennen kann, daß die Dichte des Elektronenstrahlbündels in einer Brennebene, die von der Erzeugungsvorrichtung axial entfernt ist, gegenüber der Elektronenstrahldichte in allen anderen Bereichen am größten ist. Es hängt von verschiedenen Faktoren, die Elektronengeschwindigkeit eingeschlossen, ab, daß sich der konvergierende Strahl tatsächlich überkreuzen kann, wie es in F i g. 2 gezeigt ist, oder daß anderseits ein mehr laminarer Elektronenfluß in der Nähe der Brennebene des Strahlenbündels existiert.Various effects, including space charge effects, are known to cause scattering of a high density electron beam. That generally speaks against that Reaching the maximum density of an electron beam at any distance from the source of the beam Period. In the present invention, the scattering of the electron beam as shown in FIG. 3 can be seen from the drawing does not entail any particular disadvantages, namely because the electron beam is generated along a circular ring and only at some distance from Point of origin is concentrated on one point, as it is e.g. B. can be seen from Fig. 2 of the drawing can. Although the cross-section of each electron beam emanating from a point on the cathode with increasing distance from the point of generation, as the scattering increases, the entire beam itself is focused as a whole, so that the scattered rays converge at a point of high density. This is best seen in FIG. 2 can be seen in the drawing, in which the delimitation of the electron beam by means of dashed lines is drawn from two opposite sides of the generating device and from what one can further see that the density of the electron beam in a focal plane which is from of the generating device is axially removed from the electron beam density in all others Areas is greatest. It depends on various factors, including the electron speed, that the converging ray can actually cross, as shown in FIG. 2 is shown or that, on the other hand, a more laminar flow of electrons in the vicinity of the focal plane of the beam exists.
Das erzeugte Elektronenstrahlbündel kann für viele Verwendungszwecke benutzt werden. So kann z. B. an der Brennfläche 31, wo das Elektronenstrahlbündel seinen kleinsten Durchmesser und somit die größtmögliche Dichte erreicht, eine Elektronenlinse od. dgl. angeordnet werden, durch die der resultierende Strahl in einen Apparat, in dem er verwertet wird, gelenkt werden kann. In Verbindung mit einer solchen Elektronenlinse kann z. B. auch ein Verschluß gegen Dampf angebracht werden, so daß keine Gase oder Dämpfe von dem Verwertungsapparat in das Gebiet der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung dringen können. Besonders vorteilhaft und zweckmäßig ist die Verwendung des erzeugten Elektronenstrahls in Verbindung mit Schmelzöfen, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist. Es kann z. B. ein Schmelzstock 32 vorgesehen werden, welcher in den Elektronenstrahl hinein bewegt werden kann, z. B. entlang der Achse der Strahlenerzeugungsvorrichtung. Hierbei wird der Schmelzstock fortschreitend durch den Elektronenstrahlbeschuß verflüssigt und fließt in einen Schmelztiegel 33 hinunter, wo das verflüssigte Metall durch den dorthin konvergierenden Elektronenstrahl weiter beschossen und erhitzt wird. Der Winkel, unter welchem der Elektronenstrahl in Richtung auf seine Brennebene 31 konvergiert, kann leicht durch Bewegen des Fokussierungsringes 18 der Erzeugungsvorrichtung geändert werden. Dieses Merkmal bringt besondere Vorteile mit sich, da verschiedene Verwendungszwecke verschiedene Winkel der Strahlenkonvergenz erfordern. So ist es z. B. äußerst wünschenswert, bei dem Elektronenbeschuß eines Metallschmelzbades in einem Elektronenstrahlschmelzofen für eine große Zahl von Winkeln und Richtungen zu sorgen, so daß eine vollständige und gleichmäßige Erhitzung der oberen Fläche des Schmelzbades erzielt werden kann. Die vorliegende Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung ist für eine solche Verwendung sehr gut geeignet, da, wenn auch ein Schmelzstock od. dgl. an irgendeiner gewünschten Stelle in den Elektronenstrahl gebracht werden kann, zwecks Beginns der Schmelzung des in den Schmelzofen eingebrachten Materials doch durch die Konvergenz des hier erzeugten Elektronenstrahlbündels eine Beschießung der gesamten Oberfläche des geschmolzenen Metalls im Tiegel sichert. Ein weiterer wesentlicher Vorteil bei Verwendung der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung in Elektronenstrahl-The electron beam generated can be used for many purposes. So can z. B. at the focal surface 31, where the electron beam is its smallest diameter and thus the Maximum density achieved, an electron lens or the like. Are arranged through which the resulting Beam can be directed into an apparatus in which it is recycled. In conjunction with a such electron lens can e.g. B. also a closure against steam can be attached, so that no Gases or vapors from the recovery apparatus into the electron gun area can penetrate. It is particularly advantageous and expedient to use the generated Electron beam in connection with melting furnaces, as indicated in FIG. It can e.g. B. a Melting rod 32 can be provided which can be moved into the electron beam, e.g. B. along the axis of the beam generating device. Here the melting rod is progressively through the electron beam bombardment liquefies and flows down into a crucible 33 where the liquefied Metal is further bombarded and heated by the electron beam converging there. Of the The angle at which the electron beam converges in the direction of its focal plane 31 can easily be can be changed by moving the focus ring 18 of the generating device. This feature has particular advantages, as different uses have different angles of the Require ray convergence. So it is z. B. extremely desirable in the electron bombardment one Molten metal bath in an electron beam melting furnace for a large number of angles and Directions to ensure complete and even heating of the upper surface of the Melt bath can be achieved. The present electron gun is for one Such use is very suitable because, even if a melting rod or the like at any desired Place in the electron beam can be brought for the purpose of starting the melting of the in the melting furnace material introduced by the convergence of the electron beam generated here ensures bombardment of the entire surface of the molten metal in the crucible. Another significant advantage when using the electron beam generating device in electron beam
schmelzofen ist die relative Unzulänglichkeit der Kathode für kondensierenden Metalldampf, der sich vom Schmelztiegel 33 aus in Richtung auf die Kathode ausbreitet. Melting furnace is the cathode's relative inadequacy for condensing metal vapor that propagates from crucible 33 toward the cathode.
Da nur eine sehr begrenzte öffnung für den Austritt der Elektronen aus der emittierenden Kathoden oberfläche vorgesehen ist und da weiter diese emittierende Oberfläche in radialer Richtung wesentlich von der resultierenden Elektronenstrahlbahn entfernt ist, wird ein höchstmöglicher Schutz für die Kathode erzielt. Wenn sich also z. B. in dem vom erzeugten Elektronenstrahl durchquerten Raum Gase oder Dämpfe befinden und folglich durch Wechselwirkung des Elektronenstrahls und solcher Gase und Dämpfe Ionen entstehen, ist somit die Kathode völlig vor dem Beschluß durch solche Ionen geschützt. In dem Fall, daß wirklich Ionen in dem Raum unterhalb des Elektronenstrahlgene- rators entstehen, würden diese Ionen normalerweise von der Elektrode 13 angezogen werden und können, obwohl sie von der Beschleunigungselektrode 21 ab gestoßen werden, teilweise entlang des Elektronen- strahlweges zurückwandern. Im vorliegenden Bei spiel sind diese Ionen jedoch wegen ihrer größeren Masse zu träge, um sich auf der stark gekrümmten Bahn zu der Kathode hin zu bewegen und würden höchstens gegen den Fokussierungsring 18 oder die Elektrode 13 stoßen. Das Feld ist im Gebiet der Elektronenemission so beschaffen, daß Ionen, die sich der Erzeugungsvorrichtung nähern und durch die öffnung 20 kommen, eher von der Elektrode 13 als von der Kathode 16 angezogen werden. Die starke bauliche Ausführung der Elektrode 13 ermöglicht es, daß sie von solchen Ionen, die tatsäch lich die öffnung 20 passieren, ohne materiellen Schaden beschlossen werden kann. Eine der Schwierigkeiten bei Elektronenstrahlquellen mit hoher Dichte ist der starke Beschluß ihrer Kathode durch Ionen, die vom Elektronenstrahl erzeugt werden. Bei der Verwendung dieser Erzeugungsvorrichtungen für Elektronenstrahlschmelzöfen liegt eine noch größere Schwierigkeit darin, daß die Kathode durch Metall belegt wird, wodurch ihre Lebensdauer be deutend reduziert wird. Durch die vorliegende Erfin dung werden diese Schwierigkeiten beinahe völlig überwunden, da die Wahrscheinlichkeit des Be schüsses oder der Bildung eines Belages auf der Kathode 16 äußerst gering ist. Since only a very limited opening is provided for the electrons to exit from the emitting cathode surface and since this emitting surface is further away from the resulting electron beam path in the radial direction, the greatest possible protection for the cathode is achieved. So if z. B. in the space traversed by the electron beam generated there are gases or vapors and consequently ions are formed by the interaction of the electron beam and such gases and vapors, the cathode is thus completely protected from the decision by such ions. In the event that ions actually arise in the space below the electron beam generator, these ions would normally be attracted by the electrode 13 and, although they are repelled by the acceleration electrode 21, can partially migrate back along the electron beam path. In the present example, however, because of their greater mass, these ions are too sluggish to move on the strongly curved path towards the cathode and would at most strike against the focusing ring 18 or the electrode 13. In the area of electron emission, the field is such that ions which approach the generating device and come through the opening 20 are more attracted to the electrode 13 than to the cathode 16. The strong structural design of the electrode 13 enables it to be resolved by ions that actually pass through the opening 20 without material damage. One of the difficulties with high density electron beam sources is that their cathode is severely demolished by ions generated by the electron beam. In using these generating devices for electron beam melting furnaces , an even greater difficulty is that the cathode is occupied by metal, which significantly reduces its service life. By the present inven tion, these difficulties are almost completely overcome, since the likelihood of loading or the formation of a deposit on the cathode 16 is extremely low.
Nachstehend werden einige nähere Angaben zur Dimensionierung von Elektronenstrahlerzeugungs- vorrichtungen angeführt. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 der Zeichnung kann die Abschirm elektrode 13 einen Innendurchmesser von 139,7 mm und einschließlich des Fokussierungsringes einen Außendurchmesser von ungefähr 209,6 mm besitzen. Die Vertiefung 14 kann im Querschnitt einen Krümmungsradius von 9,5 mm haben, weist jedoch vor und beim Übergang zur Lippe 17 eine Krüm mung mit einem Radius von 4,8 mm auf, in deren Mittelpunkt die Kathode 16 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Fokussierungsring 18 ungefähr 31,7 mm unter die Elektrode 13 herab reichen und die gesamte Tiefe der Vertiefung 14 kann ungefähr 19,1 mm gemacht werden. Bei diesem Beispiel kann die Beschleunigungselektrode elekirisch geerdet werden, und für die Elektrode 13 und den Fokussierungsring 18 kann eine negative Spannung von einigen tausend Volt verwendet werden. The following are some further details are given devices for dimensioning Elektronenstrahlerzeugungs-. In the embodiment according to FIG. 3 of the drawing , the shielding electrode 13 can have an inner diameter of 139.7 mm and, including the focusing ring, an outer diameter of approximately 209.6 mm. The recess 14 can have a radius of curvature of 9.5 mm in cross section , but has a curvature with a radius of 4.8 mm before and at the transition to the lip 17 , in the center of which the cathode 16 is arranged. In this embodiment, the focusing ring 18 can reach approximately 31.7 mm below the electrode 13 and the total depth of the recess 14 can be made approximately 19.1 mm . In this example, the accelerating electrode can be electrically grounded and a negative voltage of several thousand volts can be used for the electrode 13 and the focusing ring 18.
Hierbei ist es möglich, einen Elektronenstrahl von großer Dichte zu erzeugen, der eine hohe Elektronengeschwindigkeit hat. Obwohl der Elektronenstrahl in der Dicke divergiert, konvergiert er im Durchmesser, um sich dadurch in der Nähe seiner Brennfläche zu kreuzen und hier einen Elektronenstrahl von sehr hoher Dichte zu erzeugen. Die Brennfläche kann bei dem angeführten Ausführungsbeispiel ungefähr 305 mm unterhalb der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung vorgesehen werden. Weiter kann, falls es erwünscht ist, bei diesem Brennpunkt ein Dampfblockierungsgestell mit einer Elektronenlinse vorgesehen werden, die unterhalb desselben errichtet ist, um eine zweite Elektronenstrahlbrennfläche zu erzeugen, die weiter von der Erzeugungsvorrichtung entfernt ist.Here, it is possible to generate a high density electron beam that has a high electron velocity Has. Although the electron beam diverges in thickness, it converges in diameter, thereby becoming close to it To cross the focal surface and to generate an electron beam of very high density here. the In the exemplary embodiment cited, the focal surface can be approximately 305 mm below the electron beam generating device are provided. Further, if desired, a vapor blocking rack with a Electron lens can be provided, which is erected below the same, around a second electron beam focal surface which is further away from the generating device.
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