DE1565880A1 - Elektronenkanone - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. F.WzicKMANN, Dr. Ing. A.Weickmann, Dipi.-Ing. H.Weickuann

\ '-": DiPL₀-PhYS. Dr. K. FiNCKE Patentanwälte

8 MÜNCHEN 27, MDHLSTIIASSE 22, RUFNUMMER <S3921/22

Iemesoal Metalluurgioal Corporation, 285o Seventh Street, Berkelej -. . California, UVSVA. ■■·'.-.

Elektronenkanone

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung

zum Erhitzen und betrifft des näheren eine verbesserte Elektro-

• - t - - ' nenkanone für die Erhitzung einer Zielscheibe, auch Auffanger _;

genannt»

Elektronenkanonen sind nützlich für Schmelz-, Gieß-_fVergasungs- und Tempe'rungsprozesse und andere^Warmebehanalungen von Metallen, Legierungen, G-emische», Kunststoffen und sonstigen Materialien» Elektronenkanonen weisen allgemein eine Üefctronenquelle auf, die einen Elektronenstrahl aussendet, sowit Vorrichtungsteile zur Erzeugung eines Magnetfeiides in dem Weg -des Elektronenstrahles, ^{äas deri}- Elektronenatrahl auf einer Bahn führt und auf der Oberfläche der zu erhitzenden Züaohnilae fokussiert. " ■

Die Elektronenquelle arbeitet im Hochvakuuia| 4jafe^ eini ■ |aueh die Zielscheibe und die Kanone in einem zweokmäßigen

- * BAD ORIGINAL

1565-890

Vakuumbehälter eingeschlossen, der beispielsweise auf einem Unterdruck von weniger als 1 mm Hg absolut gehalten wird· Di« Kanone ist an einer passenden Stelle in dem Vakuumbehälter untergebracht» Die Elektronenquelle, die eine emittierende Kathode sein kann, wird angeregt, so daß sie einen Elektronenstrahl aussendet. Der Elektronenstrahl wird in Sichtung seiner anfänglichen Bahn durch eine Beschleunigungsanode in das Magnetfeld hinein beschleunigt, welches den Elektronenstrahl auf die Oberfläche der Zielscheibe lenkt.

Es sind bereits verschiedene Arten von solchen Elektronenkanonen bekannt.- Bei einer Art wird die Kanone über der Zielscheibe angebracht und richtet einen Elektronenstrahl in einer .geraden Bahn auf die Zielscheibe. Derartige Kanonen, bei denen die Elektronen emittierende Oberfläche und die Zielscheibe in direkter Sichtlinie liegen, sind sehr empfindlich für Verunreinigung und Kurzschluß durch die Kondensation von flüchtigen, aus der Zielscheibe verdampften Stoffen an der Oberfläche der Elektronenquelle.

Um die Elektronenquelle vor einer Verunreinigung durch Kondensation aus der erhitzten Zielscheibe stammender flüchtiger Stoffe und ionisierter Atome zu schützen, ist ein weiterer Typ einer Kanone entwickelt worden, bei dem diese auf der einen Seite derart neben der Zielscheibe angeordnet wird, daß keine direkte Sichtlinie zwischen Elektronenquelle und Zielscheibe besteht. Solche Elektronenkanonen sind allgemein als "Querfeld-Kanonen¹¹ bekannt· Sie werden in der U.S.A.-Pa-T tentschrift 3 132 198 und der schwebenden U*S.A.-Anmeldung

000809/0690 bad original''

15Β38βθ

|. Jj < Sajpiel Ir· 26c 158« eingereicht am 21.Feb*uar 1963» be- · Bex einsr Querf«Id-Eaaone schickt die Elektronen-

'■; j' quelle einen Elektronenstrahl in ein Magnetfeld» das quer zur

\ !' fsrtptlanBungariohtung des Elektronenstrahls errichtet ist und

j den Blektronenctrehl-auf einer gekrUmmeten Bahn zur Oberfläche l< '- dfj? Zielscheibe ablenkt» Wenn die Elektronenquelle außerhalb

. _t der BiGhtlinis der Zielscheibe angeordnet ist, ist sie den auto

'r \ der Sielsßheibe herauggedempften Stoffen nicht unmittelbar aus-

: getetit und die entetehenden kondensier baren Stoffe schlagen

eteä ohne weiteres an der Elektronenquelle nieder· Die ITertüi tiJMsigUJSg der Slektrone&qLuelle nimmt beträchtlich ab und die glinatige Fplge ist eine längert Lebensdauer der Elektronen-

' . Wenn jedoch die Elektronenquelle Seite an Seite knapp unterhalb der Zielscheibe angeordnet ist - dies ist dann der Tel If «eon die Sielaoheibe in. einem oben offenen, aufrechten 3ohKtIige£ÄS 'jaitergebraoht ist - kenn die Elektronenquelle duroh Abspaltung kondeneie^ter Stoffe von den gekühlten Oberflfiohen uad Abaciiinauiigea 'des Vakuumbehält era oberhalb der neutronenquelle Yerunreinigt oder kurageeohloeBen werden· Dies let ϊί©Bonders der Fall, nenn die Elektronenkanone^ dazu verwendet ivirdf einen Stoff au verdampfen, der in höhest MaSe kon-

flüchtige Verunreinigungen enthält« Ein Schutz-

■ ■■ %

aohild ait einem Sohliti, der awischen der Elektronenquelle und

-^i ■ . ■ -

der ,Zielscheibe angeordnet wird» beseitigt diese Schwierigkeit teilweise» siehe U.S.A.Patentsohrift 3 132 198. Damit der Sohuteschild seinen Zweck erfüllen kann, darf der Schlitz nur

009809/0698 bad Original ■

schmal sein und dies bedingt eine sehr genaue Einstellung der Kanone, um den Elektronenstrahl durch den Schlitz zu schicken« Zudem verteuert der Schutzschild die Konstrukion dee Elektronenstrahlofen^ und schränkt in gewissem MaS dessen Verwendungsmögliehkeiten ein· Außerdem können sich flüchtige Kondensationeprodukte an den Bändern des Schlitzes ansammeln und die Schlitzweite verringern und abgespaltene Kondensate können durch den Schlitz auf die Elektronenquelle fallen·

Ein weiteres Problem bei einem Elektronenstrahl-Erhitzer stellt das Eindringen grober Feststoffe in eine geschmolzene, von der Kanone erhitzte Zielscheibe dar. Im allgemeinen tritt ein Verspritzen des geschmolzenen Materials ein, wenn die groben Peststoffe auf die geschmolzene Oberfläch· ge-, langen· Wenn die Elektronenquelle knapp unterhalb der Oberfläche der geschmolzenen Zielscheibe an deren einer Seite angeordnet ist, kann ein merklicher Anteil des geschmolzenen Materials, das aus der Zielscheibe herausspritzt, auf die Elektronenquelle herabfallen und sie verunreinigen·

Die Verunreinigung der Elektronenquelle, durch die Anhäufung von Kondensat verursacht eine Betriebsstörung dir Elektronenkanone und kann sogar die Kanone kurz β anließen» Um eine derartige Störung zu verhindern, muß die Erhitzungsvorrichtung bisher nach etwa 2o-stündigem Setrieb ausgeschaltet und die Elektronenquelle ausgewechselt werden, wenn ein Material

ι * verdampft wird, das einen großen Anteil kondensierfähigtr

fluchtiger Verunreinigungen enthält·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine yer- '

besserte Elektronenkanone zur Erhitzung einer Zielscheibe CU j ,

009809/0691 ' "ITT ^ --<

BAD ORIGINAL

ς ' ν 15558-80

'^! ■- ■ . " ■' -■ ■■■■"■■ ■-·..

sohaffen· Die Erfindung schafft eine Elektronenkanone mit langer Iie/bensdauer, auch dann, wenn die Kanone zur Verdampfung von Materialien verwendet wird, die einen hohen Anteil flUch-. tiger, kondensierbarer Verunreinigung enthalten. Gemäß der Erfindung wird die Elektronenkanone bezüglich der zu erhitzenden Zielscheibe derart angeordnet, daß die Elektronenquelle*nicht durch Kondensate verunreinigt wird, die sich ah den Innenflächen des Elektronenstrahlofens angesammelt haben und .sich von dort abspalten. Weiter soll gemäß der Erfindung die relative Lage "von 'Zielscheibe und Elektronenquelle so sein, daß letztere nicht durch Bestandteile der Zielscheibe verunreinigt wird, die dann herausspritzen, wenn grobe "Feststoffe auf die von der Kanone erhitzte geschmolzene Oberfläche der Zielscheibe ge~ langen. '.-...

• Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der · nachfolgenden genauen Beschreibung anhand der Zeichnungen hervor. Es zeigens

Fig.1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektronenkanone in bidlicher, zum Teil sohematischer Darstellung j '

iUg.g eine Seitenansicht hierzu}
Jig*3 eine Querschnittsskizze einer erfindungagemäßen Elektro-

nenkanonej :
Pig«4 eine der Jig.3 entsprechende Ansicht einer anderen Aus-

führungsformj ' _;

.5 eine weitere solche Skizze von no.ch einer· anderen Aus-Λ führung^ I

009809/0698 ^{BAD 0RIGINÄ} '

Fig.6 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektronenkanone in einer bildlichen leildarstellungj '

Fig. 7 einen Vertikalechnitt hierzu;

Pig.8» ein rotierendes Schmelzgefäß, um welches in Abständen drei erfindungsgemäße Elektronenkanonen einer weiteren Ausführungsform angeordnet sind, in bildlicher Darstellung}

Pig.9 eine Vorderansicht hj.erzu$

Pig.Io einen Schnitt nach der Linie I0-I0 der Pig.9$

Pig.11 eine skizzierte Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle\

Pig.12 eine Draufsicht hierzu.

Unter Bezug auf Fcg.i wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in großen Zügen geschildert. Sie umfaßt eine Irlektro- , nenkanone 11, zu der eine Elektronenquelle 13 gehört, die einen insgesamt mit 15 bezeichneten Elektronenstrahl aussendet, sowie eine magnetische Linse 17» die ein transversales Magnetfeld mit einer bestimmten Konfiguration in der Bahn des Elektronenstrahles erzeugt, welches den Elektronenstrahl bündelt und auf die Oberfläche einer Zielscheibe 19 lenkt. Gemäß der Erfindung weist die magnetische Linse 17 zwei Pole 23, 23a auf, die in der anfänglichen Bahn des Elektronenstrahls ein erstes Magnetfeld mit zunehmender Stärke errichten sowie auf dem ,Weg des das erste Magnetfeld verlassenden Elektronenstrahl ein zweites Magnetfeld mit praktisch konstanter Stärke. Das Magnetfeld mit wachsender Stärke hajkt Feldlinien, die sich in Hichtung der Elektronenquelle stärker krümmen und dadurch das Di-vtergenzhestreben des hochintensiven Elektronenstrahls herabsetzen· * ' Um eine Verschmutzung der Elektronenquelle durch sieh ·

009809/0698 - .

BAD ORiGlNAL

"' abspaltendes Kondensat und/oder durch herausspritzendes ge-· ., βόηΐιοΐΒοηβΒ Material zu. vermeiden, ist die Elektronenquelle 13 zur Zielscheibe 19 derart angeordnet, daß sie vollständig verborgen ist und daß die anfängliche Bahn des Elektronenstrahls 15 eich, ton einer Senkrechten 27 auf der Zielscheibenoberfläche entfernt· Der Begriff "vollständig verborgen" sei hier so verstanden, daß die Elektronenquelle 1-3 zur Zielscheibenoberfläohe so aufgestellt istj daß von den Innenflächen des Vakuumofens aioh abspaltende Kondensate und von der Zielscheibe wegspritzendt Sonmelepartikel nicht auf die Elektronenquelle auftreffen können* Zwischen der Elektronenquelle 13 und der Zielscheibe _: 19muß aleo ein undurchlässiger Schutz schild in irgeadeiner Form eingefügt sein· Im allgemeinen ist die Elektronenquelle in sweökm&ßiger Weise oberhalb oder unterhalb der Oberfläche der Zielscheibe 19 derart angeordnet« daß sie von der Zielscheibe und deren Halterung oder von der Konstruktion der Kanone selbst abgedeckt «ird« Eine andere Möglichkeit ist, die Elektronenquelle 13 auf einer Seite der Zielscheibe unter einem ungelöcherten ^: Schild 29 (Fig.7) anzubringen» der die Elektronenquelle wirksam vor Verunreinigung durch abgespaltenes Kondensat [ und/oder herauispritsende Schmelze schützt« ' \ >

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die 'Elektronenquelle 13 und die Magnetlinse 17 so zueinander angeord-, netι daß die Elektronenquelle im Bandgebiet des zwischen den . Polplatten 23, 23a erzeugten, anwachsenden Magnetfeldes liegt*

Wenn die Elektronenkanone so konstruiert ist* daß ,die Elektronenquelle 13 vollständig vor der Zielscheibe verbor*· ■*-' gen ist, wird der Elektronenstrahl auf einem Bogen annähernd

009809/0198 . " ■'^---. "- -'«'

BAD ORIGINAL

1505880

von 18o° oder mehr von der Elektronenquelle zur Zielscheiben-Oberfläche umgelenkt.

Theoretisch kann ein gleichförmiges transversales Magnetfeld einen Elektronenstrahl um einen Bogen von etwa 18o° oder mehr ablenken. Es wurde jedoch gefunden» daß ein gleichförmiges transversales Magnetfeld für die Lenkung eines energiestarken divergierenden Elektronenstrahls nicht besonders geeignet ist. Ein solcher Elektronenstrahl mag z.B. eine Energiedichte von 5o kW/Quadratzoll (7»8 kW/cm²} hab_en. Ein gleichförmiges transversales Magnetfeld fokussiert oder bündelt einen derartigen hochintensiven Elektronenstrahl nicht. Um diesen hochintensiven Elektronenstrahl auf einem Bogen von 18o° oder mehr zu führen und auch zu fokussieren} ist eine besondere Magnetfeldkonfiguration erforderlich, die durch eine entsprechende magnetische linse erzeugt wird.

In Fig.3 ist schematisch die Elektronenquelle 13 mit dem ausgesandten Elektronenstrahl 15» die Zielscheibe 19 und das von der nicht gezeigten Magnetlinse erzeugte transversale Magnetfeld angedeutet. Die kleinen Kreise 31 stellen die von der Linse 17 erzeugten Kraftlinien dar5 der Abstand zwischen den Kreis en veranschaulicht die relative Stärke des Magnetfeldes. Das transversale Magnetfeld läßt den von der Elektronenquelle 13 auBgesandten Strahl 15 längs einer Kurvenbaha zur

Oberfläche der Zielscheibe 19 laufen.

Wie Pig.3 erkennen läßt, ist die Elektronenquelle 13 vollständig vor der Zielscheibe verborgen, dadurch daß eie senkrecht unter der Zielscheibe 19 angeordnet ist. Die Elektronenquelle 13 emittiert den Elektronenstrahl 15 länge einer zu.

009809/0698 .—- — ~ -

BAD OBiGfNAL

1155880

nächst nahezugeradlinigen Bahn,} selbstverständlich kann der Strahl dabei divergieren und eine leicht gekrümmte Kurve durchlaufen. Ein erstes Magnetfeld zunehmender Stärke, das inagesamt mit 35 bezeichnet ist, wird auf dem anfänglichen Weg des Elektronenstrahls nächst der Elektronenquelle im Bereich zwischen dieser und der mit 37 bezeichneten linie errichtet. Das Magnetfeld 35 weist gekrümmte Kraftlinien auf,.die nach unten gebogen sind und deren Krümmung in Richtung der Elektronenquelle zunimmt· Diese Kraftlinien bewirken, daß der Elektronenstrahl in einer zur papierebene der Fig.3 senkrechten Ebene konvergiert. · ^: .,'■.'-. .--■■-

Ferner ist in Fig.3 ein aweites Magnetfeld 39 mit konstanter Stärke angedeutet, das in der Bahn des das erste" Magnetfeld 35 verlassenden Elektronenstrahls zwischen der Linie 37 und einer Linie 41 -errichtet ist. Das zweite Magnetfeld 39 lenkt den Elektronenstrahl weiter zur Zielscheibe 19 hin ab und bündelt ihn in einer zur Papierebene der Fig.3 senk- ,'-■ rechten Ebene« . ' ■ . ;

• Zur Fokussierung des Elektronenstrahls soli.te sich das Magnetfeld 35 über ein erstes Stück der Elektronenstrahl, bahn und das Magnetfeld 39mindestens Über einen Teil der verbleibenden Elektronenstrahlbahn ausdehnen. Wie später noch er- \ läutert, wird, wenn sich das Magnetfeld 39 nur über ein Mittel- ! stück der gekrümmten Elektronenbahn erstreckt, noch ein weite- I res Magnetfeld 43 auf der verbleibenden Kurvenbahn des Elektro- ; nenstrahls zwischen der Linie 41 und der Oberfläche der Zielscheibe errichtet. ■ -■ ■■'■"■ - ι

■ Der Bahnanteil dea Elektronenstrahla 15, der dem'Mag- \

009309/0698^ "bad original

netfeld 35 mit zunehmender Stärke ausgesetzt ist und der Bahnanteil, auf den das ^Magnetfeld 39 mit konstanter Stärke einwirkt", können verändert werden. Im allgemeinen wurde ermitteltι daß das Magnetfeld 35 sich über das erste Viertel bis über die erste Hälfte der Bahnkurve des Elektronenstrahls erstrecken soll, und das Magnetfeld 39 über mindestens ein Mittelstück der Bahnkurve von dem Hand dres Magnetfeldes 35 bis mindestens zu einer Stelle, die zwischen der Mitte und dem letzten Drittel der Bahnstrecke liegt.

Die Stärke des Magnetfeldes 43 kann konstant sein oder zur Oberfläche der Zielscheibe hin abnehmen. Das Magnetfeld 43, das in Fig.3 veranschaulicht ist, wird in Sichtung auf die Zielscheibe allmählich schwächer. Bs wurde ermittelt, daß eine konstante Feldstärke auf der letzten Hälfte bis auf zwei Drittel der Kurvenstrecke des Elektronenstrahls für die beste Fokussierung und Konzentration des Elektronenstrahls auf der Zielscheibe sorgt.

Eine Skizze einer Elektronenkanone mit einem Magnetfeld dieser Konfiguration ist in Fig.4 dargestellt. Besonders günstige Hesultate wurden erzielt, wenn-das .Magnetfeld 35 sich über das erste Drittel der ilektronenbahn und das Magnetfeld 39 sich über die restliche Bahnstrecke des Elektronenstrahls erstreckt. ^J

Günstige Ergebnisse, eine gute Fokussierung und Konzentration des Elektronenstrahls auf der Zielscheibe erhält man auch, wenn das Magnetfeld 35 sich über einem ersten Bahnabschnitt,· vorzugsweise über etwa dem ersten Bahndiittel, und das Magnetfeld 39 über einem Mittelstück, vorzugsweise über dem

OO98O9/OS90

mittleren Bahndrittel, und schließlich das Magnetfeld 43 mit konstanter, gegenüber dem Magnetfeld 39 geringerer Stärke, über dem verbleibenden Bahnstück, vorzugsweise über dem letzten Baondrittel erstrecken·Eine Elektronenkanone mit einer Ausrüstung „zur Errichtung von Magnetfeldern dieser Konfiguration ist. echematisch in Pig·5 der Zeichnungen dargestellt.

Für die meisten Verwendungszwecke ist es nicht erforderlich, daß das Magnetfeld über dem Endstück der gekrümmten Elektronenbahn eine konstante Stärke beibehält. In der Praxis ist es in gewissen Fällen, etwa wenn ein rotierendes Schmelzgefäß verwendet wird» bedingt durch die Konstruktion der Zielscheibe₉ nicht möglich, über dem letzten Bahnstück des Elektronenstrahls ein Magnetfeld konstanter Stärke aufrechtzuerhalten* In diesen Fällen hat sich herausgestellt, daß gleich günstige Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Stärke des Magnetfeldes längs des Endstückes der Elektronen-trahlbahn allmählich abnimmt, wie in Fig«3 der Zeichnungen angedeutet.

Zurück zu den Fig.1 und 2, die eine bildhafte Ansicht eines speziellen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Elektronene4»sah3Lkanone 11 zeigen, in der ein Elektronenstrahl 15 auf der Oberfläche einer Zielscheibe 19 fokussiert \vird· Die Zielscheibe iaag beispielsweise ein üchmelzkrater in einem aufrechten, oben offenen Schiaelzgefäß 47 sein. Die Elektro-

-■"■ - ■". ' : -4 -■"■■■

nenkanohe umfaßt ein magnetisches linsensystem 11f, das Magnetfelder der in Fig.5 gezeigten Konfiguration erzeugt· ·

Weiter weist die Kanone 11 eine horizontale ferromagnetische Grundplatte 49 auf, die die Bückführung für den Magnetfluß bildet. Die Grundplatte 48 ist an einer Kante mit ·-

·-■ 009809/0698 Bm qrig]jmal

einer Aussparung 5o versehen} diese Kante soll als Vorderkante bezeichnet werden. An den Ecken der Grundplatte sind vier nach oben stellende elektromagnetische Spulen 51» 53» 55 und 57 montiert, die einen Magnetfluß erzeugen, wie er später beschrieben wird. Sie sind in geeigneter Y/eise mit einer nicht gezeigten Gleichstromquelle verbunden.

Winkelförmige Polplatten 61, 61a liegen auf

den Spulen 51 und 53 bzw. 55 und 57 derart, daß ihr einer Schenkel nach oben ragt. Die vertikalen Schenkel 63, 63a laufen parallel in einem ausreichenden Abstand, um das Schmelzgefäß 47» in dem das Zielscheibenmaterial 19 enthalten ist, zwischen sich aufnehmen su können. Diamagnetische Stützen 65 auf der Grund-, platte 49 tragen das Schmelzgefäß 47. Die Polplatten 61, 61a ragen über die Grundplatte 49 an deren Vorderkante hinaus·

Am Vorderende jedes hochstehenden Schenkels 63 bzw. 63a ist eine ferromagnetische Stütze' 67 bzw· 67a rechtwinkelig angefügt, die in den Zwischenraum zwischen den winkelförmigen Polplatten 61, 61a hineinragt. Die Polplatten 23, 23a · aus ferromagnetischem Material sind an die inneren Kanten der Stützen 67, 67a angefügt und ragen von diesen naoh außen und unten bis zu einem Punkt unter der Grundplatte 49· Wie'aue 2?ig.1 ersichtlich, eind die herabhängenden Polplatten 23, 23a nahe an der-Auesparung 5o der Grundplatte angeordnet. Si« sind auf etwa ihrer halben Länge mit den Stützen 67 bzw· 67* ybtIq und en· Die unteren Stücke der Polplatten 23, 23a, die nicht an den Stützen festgemacht sind, bilden erste Polabschnitt* 69$ 69a_# während die oberen Stücke, die an die Stützen 67 baw· 67» »ö angefügt sind, daß eine Kraftfluflführung zuetandtkeiiat» «weite '

009809/0698

BAD ORiGiN -i

«j ■ 15§5880

Polabschnitte" 7o and 7oa bilden. In der Grundplatte 49» den Spulen 51, 53,. 55 uiid 57» den winkelförmigen Polplatten 61, 61a, den Stützen 67, 67a und in dem Iuftapalt zwisohen den senkrechten Sehenkeln 63, 62a der Polplatten 61, 61a und den herabhängenden Polplatten 23» 23a kommt ein Magnetfluß zustande. Dadurch daß die herabhängenden Polplatten 23» 23a im Bereich der Aussparung 5o angeordnet sind, wird ein direkter Magnetfluß zwischen den herabhängenden Polplatten 23» 23a und der Grrundplatte 49 vermieden.

Wie Pig.2 erkennen läßt, ist eine Elektronenquelle 13 an einer solchen Stelle unterhalb des Schmelzgefäßes 47 gehaltert, daß sie vollständig gegen das in dem Schmelzgefäß enthaltene Material der Zielscheibe abgeschirmt ist. Die Mektro· nenqiielle 13 kann eine der verschiedenen im Handel erhältlichen Einrichtungen sein. Eine Ausfuhrungsfοrm einer solchen Einrichtung weist eine langgestreckte stabförmige Kathode 73 auf, die in einer Trägerelektrode 75 angeordnet ist, sowie eine Beschleunigungsanode 77. Wenn die Elektronenquelle, wie in der Praxis üblich, an eine geeignete Stromquelle 79 angeschlossen wird, sendet die Kathode 73 den Elektronenstrahl 15 aus. .üie Elektronenquelle nimmt eine solche Stellung ein, daß der Elektronenstrahl 15 auf seiner anfänglichen Bahn von einer Senkrechten 27 zur Zielseheibenoberfläche in dem Schmelzgefäß wegläuft. Vorzugswelse ist die Elektronenquelle in einem magnetischen fiandfeld, das zur Elektronenquelle konvex ist, angeordnet, das heißt in einem Magnetfeld, in welchem die Kraftlinien sich von den Polen zur Elektronenquelle hin krümmen«, Gemäß '^±g,2 liegt die Elektronenquelle 13 in einem Abstand von den Händern

00980 9/069 9 - - ' . - ·

BAD ORIGINAL

der Polplatten 23, 22a und ist zu letzteren so orientiert, daß der Elektronenstrahl 15 in das zwischen den unteren Kanten der Polabschnitte 69, 69a verlaufende Handfeld emittiert wird·

Der Weg des geringsten »/id er st and es für den von den Spulen 51, 53, 55 und 57 erzeugten Kagnetfluß verläuft längs der winkelförmigen Polplatten 63» 63a, durch die Stützen 67, •67a und über den Luftspalt zwischen den Polabschnitten 7o, 7oa der nach unten ragenden Polplatten 23» 23a. demgemäß ist das Magnetfeld in dem Spalt zwischen den Polabschnitten 7o, 7oa am stärksten. Das La_önetfeld zwischen den nach unten ragenden Polplatten 23, 23a ist an den unteren Kanxen der Polabschnitte 69, 69a am schwächsten, da aiese Steile von dem */eg des geringsten »via erstand es zwischen den Polplatten 7o, 7oa am weitesten entfernt ist. Die Feldstärke zwischen den Polabschnitten 69, 69a nimmt längs deren Oberfläche zu bis zu der Stelle, wo aie Polabschnitte 69, 69a in die Polabschnitte 7o, 7oa übergehen} dies ist der Punkt, v/o die nerabhängenden Polplatten 23» 23a mit den Stützen 67, 6 7a verbunden sind.

Auch zwischen den senkrechten Schenkeln 63» 63a der Winkelpolplatten 61, 61a ¥/ird ein Magnetfeld konstanter Stärke errichtet. Da-jedoch der Luftspalt zwischen den Schenkeln 63, 63a größer ist als der Luftspalt zwischen den Polplatten 23, 23a, ist dieses Magnetfeld schwächer als dasjenige zwischen-den Poläbschnitten 7o, 7oa. Bei der Elektronenkanone der jj'ig.1, 2 · und 5 wird also der Elektronenstrahl 15 in einer von der senkrechten 27 wegführenden .Sichtung emittiert onu durchläuft zunächst ein Magnetfeld 35 von zunehmender Stärke, das' zwischen . den Polabschnitten "69, 69a ausgebildet ist und sich annähernd

008809/0698 "bad original

■ . . 116.5 8-8 Q 19

über das erste Drittel der Bahnkurve des iiilektronenstrahls er- , streckt. Dann verläßt der ^Elektronenstrahl dieses Magnetfeld 25 und tritt in ein liagnetfeld konstanter Stärke ein, das zwischen denPolabschnitten 7o, 7oa errichtet.ist und sich etwa über das mittlere Drittel der "Elektronenstrahlbahn erstreckt« Wenn der Elektronenstrahl aus diesem Magnetfeld 39 austritt, gelangt er in ein konstant6b Magnetfeld 43 geringerer Stärke, dme zwischen den winlce^förittigen Polplatten 61, 61a verläuft. Das konstante Magnetfeld 43 reicht über etwa das letste Drittel der Elektronenetrahlbahn· "

Im Betrieb arbeitet die Elektronenquelle bei einem potential von 15000 Ifolt und emittiert einen Elektronenstrahl mit einer Dichte von 1 A/cm . Wenn eine Elektronenquelle, die unter diesen Bedingungen arbeitet, etwa 15?2 cm (6ZoIl) unter

oben offenen Sciimelztiegel in Btellung gebracht ist, die Spulen 51* 53» 55> 57 an eine geeignete Qleichstrpmangeschlossen und erzeugen ein konstantes Lagnetfeld von etwa 5obie toö Sauß zwischen den Polabschnitten 7o, 7oa. ffenn dieses Magnetfeld etwa 7o G-auß hat, wächst das zwischen den Polabschnitten 69» 69a errichtete luagnetfeld 35 von etwa 35 &suß auf etwa 7o &auß an} es verdoppelt also etwa seine b'tärke auf der Länge der Polabschnitte 69₁ 69a. Das konstante 3PeId zwischen den Winkelpolplatten 61, 61a hat dann eine Stärke von etwa 3o Gauß· Um Elektronenstrahlen mit anderen ünergiedichten zu steaern, mögen andere Magnetfeldstärken verwendet werden.

. In deh JFig.6 und 7 ist eine· aiidere Ausführungsfοrm ,einer "erf indungsgenäJäeii Slektronenkanone 11 gezeigt· Bei diesem Beispiel ist zwischen den Polplatten 77, 77a ein gleichmäßiger

009809/06S8

■ ' BAD ORIGINAL

1585880

7$

Luftspalt gebildet. Die Kanone weist mehrere Spulen 79» 79a, "•81, 81a, 83, 83a und 85, 85a auf, die an einer ferxomagnetischen U-sohienenartigen Stütze 89 derart gehaltert sind, daß der Magnetfluß weitergeleitet wird· x)ie Stütze dient als fiückführung für den Magnetfluß» JJie Polplatten 77, 77a sind mit den Spulen verbunden und lassen zwischen sich einen Baum frei, in dem ein oben offenes, aufrechtes Schmelzgefäß 91 aufgenommen wird, das das Zielscheibenmaterial 19 enthält. Die Polplatten 771 77a haben horizontale Polabschnitte 93» 93a, die sich zu beiden Seiten des Scnmelzgefäßes 91 mindestens mit einem Teil oberhalb dessen Oberfläche erstrecken, ferner mittlere Polabschnitte 95, 95a, die von den. horizontalen Abschnitten schräg nach unten und außen ziehen, und herabhängende Polab-Bchnitte 97, 97a, die von den mittleren P.olabschnitten nach unten ragen. Die einzelnen Polabschnitte können, wie bei der Darstellung, ineinander übergehen, oder sie können mit Zwischenabständen angeordnet sein.

Zwischen den Polabschnitten 97 und 97a ist ein horizontaler ungelöcherter Schild 29 angebracht· Unter dem Schild 29 ist die Elektronenquelle 13 in der V/eise angeordnet, daß sie vollständig gegen abgespaltenes Kondensat und'/oder aus der Zielscheibe 19 herauesjpritzende Schmelze abgeschirmt ist. Sie ist derart räumlich ausgerichtet, daß der Elektronenstrahl 15 in das magnetische Bandfeld emittiert wird_# welchee gegen die Elektronenquelle 13 nin konkav ist und zwischen den unteren Kanten der Polabschnitte 97, 97a verläuft.

Die Spulen köÄnen paarweise, z.B. 79 Und 79a, 81 und 81a, an Gleichstromquellen angeschlossen sein, so daß

009809/0698 . SAD OHiGiHAL

Magnetfelder unterschiedlicher Stärke zwischen den 1?οlabschnitten 93 und 93a, 95 und 95a und 97- und 97a erzeugt werden. Die Windungszahlen der betreffenden Spulen und/oder die Gleichstromquellen können derart variiert werden, daß ein Magnetfeld 35 von zunehmender Stärke in Laufrichtung des Elektronenstrahls zwischen den Polabschnitten 97 und 97a, sowie ein Magnetfeld 39 von gleichbleibender Stärke zwischen den keäiaea^aie» mittleren Polabschnitten 95 und 95a und^zwisohea den horizont

■ - λ» ■ ■ " ■ .

talen Polabsonnitte η 93» 93a zustandekommt. Eine Elektronenkanone mit einem Magnetfeld dieser Konfiguration ist in Pig.4 schematisch dargestellt.

Die' in den I¹Ig₉O und 7 gezeigte Ausführungsform sieht ein Magnetfeld wachsender Stärke über etwa dem ersten Drittel der gekrümmten Elektronenbahnj und ein Magnetfeld konstanter Stärke über der verbleibenden Elektronenbahn vor. Sie eignet sieh besonders für Betriebsbedingungen, wo eine maximale Konzentration des Elektronenstrahls auf der Oberfläche der Zielscheibe und große.Strömungsgeschwindigkeiten des verdampften Materials angestrebt werden« -

Hoch eine andere Ausführung der Erfindung ist in den I¹Xg₈S bis Io veranschaulicht„ Wie die Pig. 8 und 9 erkennen !asserts» sind drei nach der Lehre der Erfindung gestaltete Elektronenkanonen 11 rund um die Öffnung eines horizontal liegenden rotierenden Schmelztiegels toi angeordnet. Der rotierende Sclimelatiegel lot enthält ein geschmolaenes Zielscheibenmaterial 19 (I'ig_o 10) j das durch die Zentrifugalkraft in eine Einbuchtung 1o3 auf der Innenseite der Schmelztiegelwand gepreßt wird. Ein rotierender SchmeIztiegel nach Art des gezeigten ist- eingehen- '

BAD OWGlMAL

^; 00980 9/06 99 . \ ·

der inder schwebenden U.S. Patentanmeldung Serial ifr· 287 386, eingereicht am 12. Juni 1963, beschrieben. Jede Elektronenkanone 11 weist zwei in einem Abstand parallel angeordnete Spulen 1o5, 1o5a auf, die auf je einem Badius außerhalb der Seitenwand des Schmelztiegels sitztn und in deren. Zwischenraum die Elektronenquelle 13 angeordnet ist· Die Spulen 1o5, 1o5a ^: ragen ein kleines Stück über"die Öffnung des Schmelztiegels ι hinaus, siehe S"ig«1o_f und sind an ihren hinteren Endea mit einem

ferromagnetischen Körper 1o7 verbunden, der eine Bilokführung für den Magnetfluß bildet·

An den Yorderenden der Spulen 1o5» 1o5a sind Polplatten 1o9) 1o9a angefügt, welche den Magnetfluß weiterleiten und in einem Winkel zueinander stehen. Wie Pig.9 zeigt, ragen die angewinkelten Polplatten 1o9, 1o9a von den Enden der Spulen 1o5 bzw. 1o5a schräg nach innen. An den Enden dieser Polplatten sind Polschuhe 111, 111a angefügt, die zwischen sich einen Luftspalt bilden.

Weiter zeigt Mg.9, äaß die angewinkelten Polplatten 1o9, 1o9a auf ihrer Länge einen in Biciitung zu. den Polschuhen 111, 111a enger werdenden Luftspalt begrenzen, wogegen die Polschuhe 111, 111a einen Luftspalt gleichbleiDender Breite einschließen. Die elektronenquelle 13 ist zwischen den Spulen 1o5, 1o5a nächst der .Seitenwand des Schmelztiegels 1o1 in einer solchen Lage angeordnet, daß sie vollständig gegen die Zielscheibe abgeschirmt ist. Sie nimmt eine solche Stellung ein, daß der emittierte Elektronenstrahl 15 auf seiher anfänglichen Baiin von einer Senkrechten 113 auf der Oberfläche des Ziel3cheibenmaterial£ 19 wegstrebt.

QO9803/0898 . . __ \

' SA£> ORiGiNAL

., ■' . 1555880

Die magnetische Linse der Pig.8 bis 1 ο .erzeugt ein , Magnetfeld, das dem schematiseh in Fig..3 dargestellten entspricht. Die Elektronenkanone ist hinter den angewinkelten Polplatten 1o9, 1o9a angebracht, siehe FigVioj dementsprechend wird der Elektronenstrahl in das magnetische fiandfeld emittiert, das zwischen den oberen Enden der Polplatten 1o9, 1o9a entsteht· Der Elektronenstrahl läuft durch ein Magnetfeld 35v dessen Stärke aufgrund des sich, verengenden Xuftspaltes zwischen den Polplatten 1o9f to 9a zuninaat, und gelangt von dort in ein Magnetfeld 39 konstanter ötärke zwischen den Polschuhen 111, 111a· Danach betritt der Elektronenstrahl ein Magnetfeld 43, aessen Stärke allmählich abnimmt und das von den Handpartien des Magnetfeldes 39 gebildet wird. -

Wenn die Elektronenkanone sum Erhitzen eines rotierenden Schmelztiegels verwendet wird, wie dies in den Fig. 8 bi& Io dargestellt ist, können keine Seite an Seite mit der Zielscheibe laufenden Polplatten benutzt werdenj daher schwächt sich das Feld im Bereich der Zielscheibe ab. Wie schon erwähnt, ist dies nicht gerade ungünstig und man kann mit den Gerät der Fig. 8 bis 1o eine gute Bichtungeateuerung des Elektronenstrahls erzielen.

Eine weitere Ausführungsform einer Elektronenkanone mit einer Magnetlinse 17> welche eine lüagnetfeldkonfiguration nacii Art der in Fig.5 skizzierten erzeugt, ist in den Fig. 11 und 12 dargestellt. Die Elektronenkanone weist eine Elektronenquelle 121 auf, die unter einem oben offenen Schmelztiegel 123 (siehe Fig.11) oder unter einem ungelöcherten Schild nach.Art des in Fig.7 gezeigten angeordnet ißt. Oberhalb der !Elektronenquelle

009809/0698 _

'"■.■■ ^: ■ BAD ORIGINAL

1555880

ist nahe an dem Schmelztiegel auf dem ersten'Wegstück des Elektronenstrahls ein Polplattenpaar 125» 125a angeordnet. Die Polplatten sitzen auf Spulen 127» 127a, welche über einen ferromagnetischen Körper 129 zur Rückführung des Magnetflusses verbunden sind. Da die Polplatten oberhalb der Elektronenquelle liegen, befindet sich diese in einem magietischen Handfeld, dessen Stärke in Laufrichtung des Elektronenstrahls zunimmt. Im Gebiet zwischen den Polplatten 125, 125a ist ein konstantes Magnetfeld vorhanden und in der Nähe der Zielscheibenoberflächejein Magnetfeld mit abnehmender Stärke·

Die in der Pig.11 und 12 gezeigte Elektronenkanone erzeugt ein Magnetfeld zunehmender Stärke über etwa dem ersten Drittel der Elektronenbahn, v.eiter ein Magnetfeld konstanter Stärke über dem mittleren Drittel, der Elektronenstrahlbahn, sowie ein Magnetfeld abnehmender Stärke über dem letzten Drittel. Wie schon erwähnt, gewährt eine Elektronenkanone nach Art derjenigen der Hg. 11 und 12 eine gute Steuerung des Elektronenstrahls und stellt ein einfaches und bequemes Gerät zum Erhitzen eines Zielaohäbenmaterials dar, wobei Vorsorge getroffen ist, daß die Elektronenquelle nicht durch, von den Innenwänden dBs elektronischen Ofens abgespaltene Stoffe oder durch aus der Zielscheibe herausspritzende Schmelze verunreinigt wird.

Selbstverständlich können verschiedenartige Konfigurationen der Polplatten und der Mittel zum Erzeugen des Magnetfeldes verwendet werden, wie sie dem Pachmarm zur Schaft fung einer bestimmten magnetischen Linse bekannt sind. Die .

009809/0698 1_& -

Polplatten, die die verschiedenen Magnetfelder unterschiedlicher Stärke errichten, müssen nicht in einem geschlossenen Kraftfluß liegehf auoh müssen die luftspalte zwiaohen den verschiedenen Teilen zur Erzeugung der Magnetfelder nicht unbedingt unterschiedliche Breite haben.

BAD ORiGfNAL

009809/06 9 8

Claims (1)

1. Elektronenkanone zum Erhitzen der Oberfläche-einer Zielsoheibe mit einer Elektronenquelle, die einen divergierenden Elektronenstrahl hoher Energiedichte längs einer anfänglichen Bahn emittiert und mit Vorrichtungsteilen zum Erzeugen eines transversalen Magnetfeldes auf der BaIm des Elektronenstrahles, das letzteren auf einer gekrümmten Bahn zur Oberfläche der Zielscheibe ablenkt, daduroh gekennzeichnet, daß die Vorrichtungsteile zum Erzeugen des Magnetfeldes derart gestaltet sind, daß. ein erstes transversales Magnetfeld (35) mit in Laufrichtung des Elektronenstrahls zunehmender Stärke und ein zweites transversales Magnetfeld (39) auf dem Weg des das erste Feld verlassenden Elektronenstrahls gebildet wird.

2t. Elektronenkanone nach Anspruch 1_ä dadurch gekennzeichnet, daß die Vorriciitungsteile zum Erzeugen des ersten Magnetfeldes derart ausgebildet sind, daß sich das erste transver-

009809/0698

BAD OR/G/NAL

156588Q

aale Magnetfeld (55) über das erste Viertel bis über die erste Hälfte der gekrümmten Blektronenstrahlbahn erstreckt.

3. Elektronenkanone nach Anspruch 1 oder 2_t dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungsteile zum Erzeugen des zweiten Magnetfeldes derart ausgebildet sind, daß sich dieses ■""■■■■ zweite transversale Magnetfeld (39) vom Hand des ersten .Magnetfeldes bis zu einer Stelle erstreckt, die zwischen der Hälfte und dem zweiten Drittel der gekrümmten Elektronenstrahlbann liegt·

4« EXektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungsteile zum Erzeugen der Magnetfelder auch noch ein drittes transversales Magnetfeld (43) auf dem Weg des das zweiteMagnetfeld verlassenden Elektronenstrahlaerrichten, welches sich über die restliche gekrümmte Mektronenbahn erstreckt.

5» Elektronenkanone nach Anspruch 4* dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungsteile zuin Erzeugen des dritten transversalen ,Magnetfeldes derart gestaltet sind, daß das dritte Magnetfeld eine konstante Stärke hat·

6. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Magnetfeld schwächer ist als das zweite Magnetfeld.

009809/0696

■:v

1555880

7. Elektronenkanone nach. Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet ι daß die Vorrichtungsteile zum Erzeugen des dritten Magnetfeldes derart gestaltet sind, daß die Stärke dee dritten Magnetfeldes in Laufrichtung des Elektronenstrahls abnimmt» (Hg.3).

8. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vofrichtungsteile zum Erzeugen' des zweiten transversalen Magnetfeldes derart gestaltet sind, daß sich dieses zweite Magnetfeld vom Hand des treten Magnetfeldes über die ganze verbleibende KurvemTahli des Elektronenstrahls erstreckt. (Pig.4)·

9. Elektronenkanone nach einem- der Ansprüche 1 bis Q_t dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungsteile zum Erzeugen des ersten transversalen Magnetfeldes bezüglich der Elektronenquelle (13) derart angeordnet eind| daß die Kraftlinien des ersten Magnetfeldes in Sichtung zur Elektronenquelle eine zunehmende Krümmung aufweisen.

10. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 'dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle (13) und die das Magnetfeld erzeugenden Vorrichtungsteile eine sCLcke lage zur Zielscheibe (19) einnehmen, daß das Anfangestüok der 'Elektronenbahn (15) von einer Senkrechten (27) auf der Zielecheibenoberflache wegläuft.

009809/0698

11. ' Elektronenstrahlofen mit einer Heizkammer und einem das zu erhitzende Material enthaltenden Schmelztiegel, gekennzeichnet durch eine Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 bis Io zur Erhitzung des Materials in dem ' Schmelztiegel·

BAD

00980 9/0698