DE1790115B1 - Vorrichtung zur erwaermung eines in einem elektrone nstrahlofen enthaltenen zielobjekts - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der Bahn beider Elektronenstrahlen hinter den Prizur Erwärmung eines in einem Elektronenstrahlofen mär-Quermagnetfeldern erzeugen, und daß das enthaltenen Zielobjekts mit Einrichtungen zur Er- Sekundär-Quermagnetfeld quer zu den Ebenen der zeugung von zumindest zwei benachbarten, bandför- Elektronenstrahlen verläuft und gebogene Flußlinien mig ausgebildeten Elektronenstrahlen, die in zunächst 5 aufweist, die in bezug auf die Einrichtungen zur parallelen ebenen Bahnen gerichtet sind, und' mit Erzeugung der Elektronenstrahlen konkav verlaufen Einrichtungen zur Erzeugung gesonderter, vonein- und die Elektronenstrahlen aufeinanderzu konverander unabhängiger Primär-Quermagnetf eider in den gieren lassen.

Bahnen der Elektronenstrahlen, wobei jedes der von- Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß sie

einander unabhängigen Primär-Quermagnetfelder in io mit relativ wenigen Ablenkfeldern auszukommen ver-Ausbreitungsrichtung des jeweiligen Elektronenstrahls mag, um die jeweils erzeugten Elektronenstrahlen auf einen ersten Bereich mit geraden Flußhnien, die im einen einzigen Punkt der jeweiligen Zielfläche konwesentlichen senkrecht zur Ebene des jeweiligen zentrieren und damit an die jeweilige Zielfläche eine Elektronenstrahls, verlaufen und diesen in einer Überhitzungsenergie abgeben zu können. bogenförmigen Bahn in seiner Ebene ablenken, und 15 An Hand von Zeichnungen werden nachstehend einen zweiten Bereich mit gebogenen Flußlinien auf- die Erfindung und zweckmäßige Weiterbildungen der weist, die in bezug auf die Einrichtungen zur Erzeu- Erfindung näher erläutert. Es zeigt gung der Elektronenstrahlen konkav verlaufen und Fig. 1- schematisch in einer Querschnittsansicht

den jeweiligen Elektronenstrahl in einer senkrecht zu einen Elektronenstrahlofen mit einer Vorrichtung geseiner Ebene verlaufenden Richtung ablenken. ao maß der Erfindung,

Im Zusammenhang mit der Erzeugung von Elek- Fig.2 eine Schnittansicht entlang der in Fig. 1

tronenstrahlen in einem Elektronenstrahlofen ist es eingetragenen Linie 2-2,

bereits bekannt (USA.-Patentschrift 3 235647), die Fig. 3 eine Vorderansicht entlang der in Fig. 1

den Elektronenstrahl liefernde Elektronenkanone an eingetragenen Linie 3-3.

einer Stelle anzuordnen, an der sie nicht so leicht 35 Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist schematisch durch schmelzendes Material verspratzt oder mit angedeutet. Der erwähnte Ofen enthält eine Vakuum-Dampfkondensat überzogen werden kann. Die von kammer mit einer Außenwand 11, die zum Teil darder Elektronenkanone abgegebenen Elektronen wer- gestellt ist. Die Vakuumkammer wird durch eine den dabei durch ein Quermagnetfeld um einen Win- Wand 12 in eine obere Kammer 13 und in eine untere kel von nahezu 270° abgelenkt. Mit Hilfe dieser 30 Kammer 14 aufgeteilt. Für jede dieser beiden Kambekannten Vorrichtung ist es jedoch nicht ohne wei- mern sind geeignete (hier nicht dargestellte) Vakuutnteres möglich, festgelegte Bereiche des jeweiligen pumpen vorgesehen. Wird die Kammer 13 evakuiert, Zielobjekts mit von der Elektronenkanone abgegebe- so verringert sich zufolge der Tatsache, daß die Kamnen Elektronen zu beschießen. mer 14 gesondert evakuiert wird, die Menge des in

Es ist ferner eine Vorrichtung bekannt (japanische 35 der Kammer 14 enthaltenen Dampfes. Patentschrift 36-22252), bei der ein einziger Elek- In der geringen Druck besitzenden Dampfatmo-

tronenstrahl unter Verwendung mehrerer Quer- Sphäre der unteren Kammer 14 befindet sich eine magnetfelder abgelenkt und fokussiert wird. Auf Elektronenstrahlschleuder 16. Das weitgehende Fehdiese Weise gelingt es, den betreffenden Elektronen- len von Dampf in der unteren Kammer 14 erleichtert strahl in einen bestimmten Bereich der jeweiligen 40 den Betrieb der Elektronenstrahlschleuder 16. Die Zielfläche zu richten. Von Nachteil bei dieser be- Elektronenstrahlschleuder, die weiter unten noch kannten Vorrichtung ist jedoch, daß in dem Fall, daß näher beschrieben werden wird, gibt zwei Elektrozum Zwecke der Energieerhöhung mehrere Elektro- nenstrahlbündel 17 ab, deren Umhüllenden durch nenstrahlen auf ein und dieselbe Zielfläche gerichtet gestrichelte Linien angedeutet sind. Die Elektronenwerden, für jeden derartigen Elektronenstrahl eigene 45 strahlbündel 17 gelangen durch eine oder mehrere in Ablenkfelder und damit eigene Ablenkmittel vor- der Wand 12 befindliche Öffnungen 18 in die obere gesehen sein müssen. Kammer 13 hinein.

Es ist schließlieh eine Anordnung bekannt Die Elektronenstrahlbündel 17, die, worauf noch

(»Engineering« 21. August 1964, Seiten 246, 247), bei näher eingegangen werden wixd, zu einem einzigen der drei jeweils um 120° in der Horizontalebene von- 50 Elektronenstrahlbündel konvergiert oder die voneineinander beabstandete Elektronenkanonen vorge- ander verschoben sein können, werden in der Kamsehen sind, deren Elektronenstrahlen jeweils durch mer 13 um einen Winkel von 220° abgelenkt, Daein einziges Quermagnetfeld eines Elektromagneten durch treffen die Elektronenstrahlbündel auf in einem gemeinsam auf die jeweils zu schmelzende Fläche Schmelztiegel 21 befindliches, das Zielobjekt darabgelenkt werden. Von Nachteil bei dieser bekannten 55 stellendes Material 19 auf, das dadurch geschmolzen Anordnung ist, daß die einzelnen Elektronenstrahlen wird. Der in der Zeichnung im einzelnen dargestellte nicht gemeinsam in irgendeinen Bereich der Ziel- Ofen dient zur Verdampfung des Zielobjekt-Matefläche konzentriert gerichtet werden können. rials. Der Schmelztiegel 21 kann mit Kühldurchgän-Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, gen 22 versehen sein, mit deren Hufe der Schmelzeinen Weg zu zeigen, wie eine Vorrichtung der ein- 60 tiegel gekühlt wird. Dadurch bildet sich zwischen gangs genannten Art auszubilden ist, um mit relativ dem geschmolzenen Material und dem Schmelztiegel geringem Aufwand die jeweils erzeugten Elektronen- ein sogenannter Pfannenrest. Mit Hilfe eines hier strahlen auf einen einzigen Punkt der jeweiligen Ziel- nicht näher gezeigten geeigneten Mechanismus wird fläche konzentrieren bzw. richten zu können. ein Speisematerialstab 23 in das aus dem Zielmaterial Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe 65 19 bestehende Schmelzbad eingeführt, um aus dem bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art Schmelzbad bereits verdampftes Material zu ersetzen, erfindungsgemäß dadurch, daß Einrichtungen vor- Die Ablenkung der Elektronenstrahlbündel in der gesehen sind, die ein Sekundär-Quermagnetfeld in Kammer 13 erfolgt mit Hilfe einer magnetischen

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Einrichtung, die zwei Polstücke 24 und 26 enthält sich eine einen Eisenkern enthaltende Elektromagnet-

(s. hierzu auch Fig. 2). Die Polstücke besitzen im spule 39; zwischen den Polstücken 37 und 38 befindet

wesentlichen die Form eines Viertelbogens mit an sich eine einen Eisenkern enthaltende Elektromagnet-

den Oberkanten vorhandenen Ansätzen 27. Die An- spule 41. Die Polstücke erstrecken sich zu beiden sätze 27 bilden jeweils einen Teil eines zwischen den 5 Seiten der Emitter 42 und 43.

Polstücken verlaufenden Weges geringen magneti- Die Emitter 42 und 43 verlaufen parallel zueingehen Widerstands. Der erwähnte magnetische Weg ander; sie sind voneinander versetzt angeordnet, wird durch zwei elektromagnetische Eisenkernspulen Jeder Emitter enthält ein längliches Wolframdraht-28 und 29 und durch einen Verbindungsträger 31 aus stück, das derart erwärmt wird, daß in an sich bemagnetischem Material vervollständigt. Die Spulen ίο kannter Weise freie Elektronen emittiert werden. Der sind so ausgerichtet, daß zwischen den Polstücken 24 Emitter 42 ist in einer Ausnehmung 44 einer For- und 26 ein Magnetfeld entsteht. Mit der Spule 28 ist mungselektrode 46 angeordnet. Eine geerdete Beeine Steuerschaltung 32 und mit der Spule 29 eine schleunigungs-Elektrodenplatte46a mit einer darin Steuerschaltung 33 verbunden. Die Steuerschaltungen vorgesehenen Öffnung 46 & wird von der Formungs-32 und 33, die nach an sich bekannten Prinzipien 15 elektrode getragen. Dabei sind die Formungselektrode gebaut sind, gestatten, den in den Spulen 28 und 29 und die Beschleunigungselektrode voneinander isofließenden Strom zu ändern und damit die Stärke liert. Die Formungselektrode 46 wird auf einem nega- und/oder die Neigung des zwischen den Polstücken tiven Potential gehalten; sie wirkt mit der Beschleu-24 und 26 erzeugten Magnetfeldes. Ein entsprechen- nigungselektrode46a derart zusammen, daß die von des Ablenksystem ist in der USA.-Patentschrift 20 dem Emitter emittierten freien Elektroden geformt, 3 235 647 angegeben. aus der Ausnehmung heraus und durch die Öffnung

Durch Ändern der Schräglage der Feldlinien zwi- 46 b herausgeführt werden. Der Emitter 43 ist in sehen den Polstücken 24 und 26, was durch von den einer entsprechenden Formungselektrode 48 ange-Steuerschaltungen 32 und 33 her erfolgende Änderung ordnet, welche hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer der relativen Größe der die Spulen 28 und 29 durch- 25 Arbeitsweise der Elektrode 46 entspricht. In entfließenden Ströme erfolgt, werden die Elektronen- sprechender Weise ist eine Beschleunigungselektrode Strahlbündel 17 in bezug auf das Zielobjekt quer 48 α mit einer Öffnung 48 b vorgesehen. Das Ergebnis verschoben. Werden die Feldlinien z. B. von einer dieser Maßnahme ist, daß zwei streifenförmige Elekhorizontalen Stellung aus in die aus Fig. 2 ersieht- tronenstrahlbündel erzeugt werden. Obwohl die liehe Stellung verschoben, so neigen die Elektronen- 30 Emitter im dargestellten Fall zueinander und zu den Strahlbündel 17, sich in Richtung der in F i g. 2 ein- zugehörigen Polstücken parallel verlaufen, können getragenen Pfeile zu bewegen. Durch Ändern der sie jedoch auch senkrecht zu diesen Polstücken anGesamtstärke des zwischen den Polstücken 24 und 26 geordnet sein, so daß sie dann axial zueinander ausherrschenden Magnetfeldes wird der Krümmungs- gerichtet sind. Die Polstücke sind dabei so ausgelegt, radius der Ober- und Unterkanten der Elektronen- 35 daß eine gewünschte Ablenkung erfolgt. Strahlbündel bei deren Hindurchführung zwischen An die Spule 39 ist eine Steuerschaltung 49 angedie Polstücke so verändert, daß sich die Längsein- schlossen; durch welche die Spule 39 gespeist wird, stellung dieses Auftreffbereichs der Elektronenstrahl- In entsprechender Weise ist die Spule 41 an eine bündel auf die Oberfläche des geschmolzenen Mate- Steuerschaltung 51 angeschlossen, welche dem gleirials 19 ändert. Dies stellt eine wünschenswerte 40 chen Zweck dient. Die Speisung der Spulen 39 und Eigenschaft dar, da die Elektronenstrahlbündel in 41 führt zum Entstehen von zwei Primär-Quer-Längsrichtung über das jeweilige Zielobjekt geführt magnetfeldern 56 und 57. Diese Primär-Quermagnet- und auf das Ende des Speisematerialstabs 23 gerichtet felder verlaufen zwischen den Polstücken, wie dies werden können, wenn es erwünscht ist, die Zufüh- durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Die rungsgeschwindigkeit des Materials in das Schmelz- 45 Polarität des jeweiligen Polstückes ist in der Zeichbad zu steigern. nung eingetragen. Die durch die Emitter erzeugten

Die Elektronenstrahlbündel 17 werden in vertikaler Elektronenstrahlen werden bei ihrer Bewegung durch

Richtung bei ihrem Durchlaufen zwischen die Pol- diese Quermagnetfelder in an sich bekannter Weise

stücke 24 und 26 fokussiert, so daß sie auf das Mate- abgelenkt. Die Ablenkung ist im Falle der F i g. 3

rial 19 in einer gewünschten Auftrefffläche auf treffen. 50 nach oben in der Papierebene gerichtet. Es sei jedoch

Dies hat seine Ursache darin, daß die eine Kante des bemerkt, daß die Feldlinien der Primär-Magnetfelder

Elektronenstrahlbündels im Vergleich zu der anderen 56 und 57 hinter den Enden der Polstücke nach

Kante eine längere Bewegungsbahn in dem Magnet- außen gebogen verlaufen. Bei der Bewegung der

feld besitzt. Elektronen der Elektronenstrahlbündel durch derart

Im folgenden sei auf Fig. 3 näher eingegangen. 55 gebogene Feldlinien werden die betreffenden Elek-Fig. 3 zeigt in einer Schnittansicht schematisch den tronen zueinander hin abgelenkt. Dies bedeutet, daß Aufbau der in der Kammer 14 enthaltenen Vorrich- die Elektronenstrahlen fokussiert werden. In Abhäntung. Der Verlauf der Elektronenstrahlbündel 17 und gigkeit von der Magnetfeldstärke kann die gerade der der Vorrichtung zugehörigen Magnetfelder (in erwähnte Ablenkung dazu herangezogen werden, ein Fig. 3 durch gestrichelte Linien angedeutet) sind der 60 Divergieren der Elektronen in dem Elektronenstrahl-Klarheit wegen in der Zeichnung nach oben ver- bündel zu verhindern, oder dazu, die Elektronenlaufend dargestellt worden. Tatsächlich verlaufen strahlen konvergieren zu lassen. Im zuletzt genannten derartige Felder jedoch von der Papierebene aus nach Fall ändert sich die Querschnittsfläche des streifenoben, wie dies ein Vergleich mit Fig. 1 erkennen förmigenElektronenstrahls von einer länglichen Ovallassen dürfte. 6g form in eine sich mehr an einen Kreis annähernde

Die Elektronenstrahlschleuderanordnung enthält Form.

zwei Polstücke 34 und 36 und zwei Polstücke 37 Um die relative Lage der beiden Elektronenstrahl-

und 38. Zwischen den Polstücken 34 und 36 befindet bündel 17 regeln zu können, ist zwischen den Pol-

stücken 36 und 37 eine Elektromagnetspule 52 vorgesehen. Mit dieser Spule ist eine Steuerschaltung 53 verbunden. Die Spulen 39 und 41 sind dabei so angeordnet, daß die äußersten Polstücke 34 und 38 einander entgegengesetzte Pole sind. Demgemäß ist also ein Sekundär-Quermagnetfeld 58 vorhanden, das zwischen den beiden äußersten Polstücken verlaufende bogenförmige Magnetfeldlinien aufweist. Dies ist in Fig. 3 durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Spule 52 ist um die Polstücke 36 und 37 derart herumgewickelt, daß sie auf einen Stromfluß hin an diesen Stellen entgegengesetzte Polverhältnisse zu schaffen versucht. Dadurch steuert die Spule 52 also das Magnetfeld 58. Wenn durch die Steuerschaltung 53 der die Spule 52 durchfließende Strom vergrößert wird, dann wird das Magnetfeld 58 abgeschwächt. Sinkt der die Spule 52 durchfließende Strom, so wird das Magnetfeld 58 wieder stärker.

Während der Führung der Elektronenstrahlbündel 17 durch das Sekundär-Quermagnetfeld 58 bewirken dessen gebogene Feldlinien, daß die Elektronenstrahlen konvergieren. Durch Ändern der Stärke des Magnetfelds kann die Lage des Konvergenzbereichs verändert werden. Auf diese Weise ist es möglieh, die beiden Elektronenstrahlbündel in der in der Wand 12 befindlichen Öffnung 18 konvergieren zu lassen. Dadurch ist es möglich, die Größe der Öffnung auf einen kleinen Wert zu halten. Auf diese Weise ist auch die Menge des Dampfes, der aus der Kammer 13 in die Kammer 14 eindringt, auf einen geringen Wert gehalten.

Die verschiedenen Steuerschalrungen können zu einer einzigen Schaltung zusammengefaßt werden. Dies hängt jedoch von der besonderen Art der Änderung ab, die im Hinblick auf eine Beeinflussung der Elektronenstrahlbündel erwünscht ist.

Es hat sich gezeigt, daß die im vorstehenden beschriebene Vorrichtung eine äußerst genaue Steuerung der Lage, Größe und Stärke der Elektronenstrahlbündel zur Erzielung des besten Qfenbetriebs erlaubt. Werden drei oder mehr Elektronenstrahlbündel erzeugt, so werden in erfindungsgemäßer Weise weitere Sekundär-Magnetfeider erzeugt. Diese Magnetfelder können in wünschenswerter Weise gesteuert werden, um eine Elektronenstrahlfokussierung, -ablenkung und -konvergenz zu bewirken.

Abschließend sei noch bemerkt, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung ein in einem Elektronenstrahlofen befindliches Zielobjekt zu erwärmen und dabei eine Vielzahl von Elektronenstrahlbündeln einfach zu steuern gestattet. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist relativ einfach und billig herzustellen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erwärmung eines in einem Elektronenstrahlofen enthaltenen Zielobjektes, mit Einrichtungen zur Erzeugung von zumindest zwei benachbarten, bandförmig ausgebildeten Elektronenstrahlen, die in zunächst parallelen ebenen Bahnen gerichtet sind, und mit Einrichtungen zur Erzeugung gesonderter, voneinander unabhängiger Primär-Quermagnetfelder in den Bahnen der Elektronenstrahlen, wobei jedes der voneinander unabhängigen Primär-Quermagnetfelder in Ausbreitungsrichtung des jeweiligen Elektronenstrahls einen ersten Bereich mit geraden Flußlinien, die im wesentlichen senkrecht zur Ebene des jeweiligen Elektronenstrahls verlaufen und diesen in einer bogenförmigen Bahn in seiner Ebene ablenken, und einen zweiten Bereich mit gebogenen Flußlinien aufweist, die in bezug auf die Einrichtungen zur Erzeugung der Elektronenstrahlen konkav verlaufen und den jeweiligen Elektronenstrahl in einer senkrecht zu seiner Ebene verlaufenden Richtung ablenken, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (52) vorgesehen sind, die ein Sekundär-Quermagnetfeld in der Bahn beider Elektronenstrahlen (17) hinter den Primär-Quermagnetfeldern (56, 57) erzeugen, und daß das Sekundär-Quermagnetfeld (58) quer zu den Ebenen der Elektronenstrahlen (17) verläuft und gebogene Flußlinien aufweist, die in bezug auf die Einrichtungen (16) zur Erzeugung der Elektronenstrahlen konkav verlaufen und die Elektronenstrahlen (17) aufeinanderzu konvergieren lassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der das Sekundär-Quermagnetfeld (58) erzeugenden Einrichtung (52) Steuereinrichtungen (53) gekoppelt sind, die die Stärke des Sekundär-Quermagnetf eldes (58) und damit das Konvergieren der Elektronenstrahlen (17) zu steuern gestatten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der das jeweilige Primär-Quermagnetfeld (56, 57) erzeugenden Einrichtung (39, 41) Steuereinrichtungen (49, 51) gekoppelt sind, die die Stärke der Primär-Quermagnetfelder (56, 57) und damit die Ablenkung und Fokussierung des jeweiligen Elektronenstrahls (17) zu steuern gestatten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Elektronenstrahlen (17) erzeugenden Einrichtungen (16) ein Paar von langgestreckten Emittern (42) enthalten, die voneinander beabstandet nebeneinander angeordnet sind, daß die die Primär-Quermagnetfelder (56, 57) erzeugenden Einrichtungen (39, 41) zwei Paare von Polstücken (34, 36; 37, 38) enthalten, daß die Polstücke (34, 36; 37, 38) jedes Paares von Polstücken jeweils auf gegenüberliegenden Seiten eines der Emitter (42) angeordnet sind, daß mit den Polstücken (34, 36; 37, 38) Spulen (39, 41) magnetisch gekoppelt sind, daß die Paare von Polstücken (34, 36; 37, 38) derart in einer Reihe voneinander beabstandet angeordnet sind, daß die äußersten Polstücke in der Reihe von Polstücken (34, 36; 37, 38) von entgegengesetzter Polarität sind und daß die das Sekundär-Quermagnetfeld (58) erzeugende Einrichtung (52) eine Spule (52) enthält, die mit den äußersten Polstükken in der Reihe von Polstücken (34, 36; 37, 38) magnetisch gekoppelt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen