DE1769751C3 - Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines an seinen Enden gehalterten Stabes im Vakuum und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Das erfindungsgemäße Verfahren zum tiegelfreien kennzeichnet, daß die Stärke des magnetischen Zonenschmelzen eines an seinen Enden gehalterten Führungsfeldes (9) gewobbelt wird. 45 Stabes im Vakuum, wobei die Schmelzzone durch

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- mittels eines magnetischen Feldes geführte, fokuskennzeichnet, daß die Elektronenbeschleuni- sierte Elektronenstrahlen erhitzt wird, ist dadurch gegungsspannung bei konstantem Magnetfeld (9) kennzeichnet, daß der fokussierte Elektronenstrahl um einen Mittelwert gewobbelt wild. mittels des magnetischen Feldes so um die Schmelz-

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- 50 zone entlang ihres Umfanges herumgeführt wird, daß kennzeichnet, daß der Erregerstrom der elektro- er streifend auftrifft.

magnetischen Fokussierungslinse (S) gewobbelt Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung die-

wird. ses Verfahrens besteht aus einem Elektronenstrahler

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- mit Fokussiereinrichtung und mit einer Haltevorrichkennzeichnet, daß die Einfallsrichtung des Elek- 55 tung für den zu behandelnden Stab, wobei der Elektronenstrahls in das Magnetfeld (9) mit Hilfe tronenstrahler und der Stab räumlich so angeordnet einer Ablenkvorrichtung (10) periodisch verän- sind, daß die Richtung des Elektronenstrahls an dem dertwird. Stab in der Höhe der zu erzeugenden Schmelzzone

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- vorbeizielt und wobei Mittel zur Erzeugung eines im kennzeichnet, daß die Breite und/oder Tempera- 60 wesentlichen zum Stab parallelen Magnetfeldes vor_r tür der Schmelzzone auf dem Stab (6) durch pe- gesehen sind. Bei Betrieb wird dann ein Magnetfeld riodische Ablenkung des einfallenden Elektro- solcher Konfiguration und Feldstärke erzeugt, daß nenstrahls in Richtung der Längsausdehnung des der Elektronenstrahl gegen das Schmelzgut hin abge-Stabes gesteuert wird. lenkt wird, mit einem Krümmungsradius, welcher

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- 65 einen streifenden Einfall des Strahles auf die rens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, Schmelzzone ergibt.

daß Elektronenstrahler (1,2,3) und Stab (6) Die Fig. la und Ib zeigen ein Ausführungsbei-

räumlich so angeordnet sind, daß die Richtung spiel. Ein Elektronenstrahler bekannter Art, beispiels-

weise bestehend aus Glühkathode 1, Wehneltzylinder 2 und Anode 3, sendet einen Elektronenstrahl 4 aus, welcher z. B. durch eine magnetische Linse 5 fokussiert wird. Um den zonenweise m schmelzenden Stab 6 herum sind zwei magnetische Linsen 8 so angeordnet, daß sie ein Magnetfeld 9 erzeugen, das im wesentlichen parallel zur Achse des Stabes verläuft. Der am Schmelzgut vorbeizielende Elektronenstrahl 4 wird bei geeigneter Richtung des Magnetfeldes 9 beim Eintritt in dieses zum Schmelzgut hin gebogen. Die Magnetfeldstärke wird nun im Verhältnis zur Beschleunigungsspannung der Elektronen so gewählt, daß der Radius der Bahn, welche die Elektronen beschreiben, in der Nähe der Oberfläche des Schmelzgutes etwa gleich oder etwas kleiner dem halben Stabdurchmesser wird, so daß die Elektronen den Stab umkreisen und rings um die Schmelzzone herum streifend auf diese einfallen. Diese Einstellung ist leicht zu erreichen und kann durch Beobachtung der Schmelzzone überwacht werfen.

Besonders vorteilhaft ist die in F i g. 1 b gezeigte Feldform des Magnetfeldes 9 mit von außen nach dem Schmelzgut hin leicht abnehmender Feldstärke, da der Krümmungsradius der Bahn solcher Elektronen, deren Richtung beispielsweise durch etwaige Reflexion am Stab geändert wirf, bei Entfernung von der Schmelzzone wieder kleiner wird, so daß sie auf diese zurückgelenkt werden. Die Elektronen bleiben damit in der Umgebung der Schmelzzon: gefangen, bis sie in diese einfallen.

Wenn das Magnetfeld 9 elektromagnetisch erzeugt wird, so kann die geeignete Feldstärke leicht durch Änderung des Magnetisierungsstromes der Spulen 8 erreicht werden. Bei Erzeugung durch Permanentmagneten kann dagegen die Beschleunigungsspannung der Elektronen entsprechend angepaßt werden. Die Magnete werden zum Schutz gegen die Wärmestrahlung vorteilhaft gekühlt und abgeschirmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine ringsherum gleichmäßige Aufheizung der Schmelzzone, wenn Magnetfeld, Beschleunigungsspannung und Fokussierung geeignet eingestellt werden; allerdings ist eine so genaue Einstellung mühsam. Durch Drehen des Stabes um seine Längsachse kann die Gleichmäßigkeit der Aufheizung auch bei ungenauer Einstellung verbessert werfen. Besonders geeignet, eine rasche Ausmittelung zu ermöglichen, sind elektrische Verfahren. Eine Wobbelung der Magnetfeldstärke um einen Mittelwert verändert den Krüm- srsas ^Sa

WoSg der Fokussierung des Elektronenstrahls

richtung des Elektronenstrahls 4 »* ^u MVBtfeMS ίο miSe einer Ablenkvorrichtung 1· fuhrt ebenfalls ™ einem gleichmäßigeren Elektronen«^ auf den

in Richtung ^J" ^T '—-*¹«« ^{des Stabes wd}

™«^% f?^rS £ zone und/oder deren Temperarar ro*

oder zu korngieren. erfindunesgemäßen

Ein besonderer Sorted des erfinduBgg ^ Verfahrens besteht dann, ^ ^^J

»o abgedampftes Matern kaum ^

Elektronenkanone ge langen tonn ^!L_n dem kann noch durch eine Blende «JJ™^ £^m Stab 6 und der Elektronenkanone JJgJjJ*weraen welche die Sichtverbmdungshme *J*J« dem *tab

*₅ des Schmelzgutes undhto^™^*~f%_T tronenkanone *?**"?£ *™™EleSronenkanone Blende besteht dann daß von der ™«™3"g£Jf ausgesandte Ionen und Atome am Stab ^*^"; weil die Ionen durch das.Magnetfeld19> wemger a Dge

3» lenkt werden als die Elektroden._p ^Die _Ef_e ¹5ⁿfy_n;_t^₁

hindert auch die seitlich »» ÄfjSXSm

auswandernden Ionen und Moleküle am Auftretten

auf das Schmelzgut.

Ein besonderer Vorteil

beim Zonenschmelzen im Auftreffen des P^^ zone werden nämlich viele

zeugt, welche im Vabi^ ^J^ die Wände stoßen und Gasm°lekükfreB

«o welche^ de« Druck erbabn. D^ ve3en?daß fekt wird bei der EJ^^^ifSSolStS das rund um die S^^^g™? daSt feld eine Falle fur .^die Seku^eleklron^ da«teUt

Diese können nur in ** ^ « Polschuhe des,Magneten8

schränkte Flache, ^^hiJf2£ ^J verliert. Deshalb ist die Erfindung £«ο°*η rab für das Zonenschmelzen im Ultrahochvakuum geeig

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

des Elektronenstrahles an dem Stab in der Höhe Patentansprüche: der zu erzeugenden Schmelzzone vorbeizielt und daß Mittel (8) zur Erzeugung eines zum Stab par-

1. Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen allelen Magnetfeldes vorgesehen sind.

eines an seinen Enden gehalterten Stabes im Va- 5 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch kuum, wobei die Schmelzzone durch mittels eines gekennzeichnet, daß zwischen dem Elektronenmagnetischen Felde., geführte, fokussierte Elek- strahler (1,2,3) und dem Stab (6) in der Nähe tronenstrahlen erhitzt wird, dadurch ge- des letzteren eine Blende (12) angeordnet ist.
kennzeichnet, daß der fokussierte Elektronenstrahl (4) mittels des magnetischen Feldes (9) ta

so um die Schmelzzone entlang ihres Umfanges

herumgeführt wird, daß er streifend auftrifft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des magnetischen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren Führungsfeldes (9) so gewähl* wird, daß der 15 zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines an seinen En-Krümmungsradius der um den Stab herum- den gehalterten Stabes im Vakuum. Es ist eine Angeführten Elektronenbahnen etwa gleich dem Ordnung bekannt, bei der der Stab von einer Ringkahalben Stabdurchmesser ist. thode umgeben ist und in der Höhe der Schmelzzone

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- gleichzeitig aus allen Richtungen konzentrisch mit kennzeichnet, daß die Stärke des magnetischen ao Elektronen beschossen wird. Ein Nachteil dieser be-Führungsfeldes so gewählt wird, daß der Kriim- kannten Anordnung ist es, daß von der Ringkathode mungsradius der um den Stab (6) herumgeführten Ionen oder Atome auf das Schmelzgut gelangen und Elektronenbahnen etwas kleiner als der halbe es verunreinigen. Ferner dampft auch von der Stabdurchmesser ist. Schmelzzone Material ab und verunreinigt die

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- 25 Elektronenkanone. Deshalb wird oft der Beschüß kennzeichnet, daß das magnetische Führungsfeld der Schmelzzone mit Hilfe eines oder mehrerer Fern-(9) im Raum außerhalb des Stabes (6) mit zur fokus-Elektronenstrahler vorgezogen, wobei der Oberfläche desselben hin leicht abnehmender Nachteil, daß auch bei drehendem Schmelzgutstab Feldstärke gestaltet wird. keine symmetrische Temperaturverteilung erreicht

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- 30 wird, in Kauf genommen wird. Ein schwacher Ionenkennzeichnet, daß der Krümmungsradius der beschuß des Schmelzgutes aus der Kathode kann Elektronenbahnen bei konstantem Magnetfeld auch hier nicht vermieden werden. Diese Nachteile (9) durch Veränderung der Beschleunigungsspan- bekannter Zonenschmelzverfahren weitgehend zu nung eingestellt wird. überwinden ist das Ziel der vorliegenden Erfindung.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- 35 Es ist auch ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenkennzeichnet, daß der Stab (6) während des schmelzen eines an seinen Enden gehalterten Stabes Elektronenbeschusses um seine Achse gedreht im Vakuum bekannt, bei dem die Schmelzzone durch wird. mittels eines magnetischen Feldes geführte fokus-

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- sierte Elektronenstrahlen erhitzt wird. Diese magnetikennzeichnet, daß der Krümmungsradius der 40 sehe Strahlführung dient im bekannten Fall lediglich Elektronenbahnen periodisch vergrößert und ver- der Verschiebung der Schmelzzone entlang des Stakleinert *ird. bes.