DE1936434B2 - Vorrichtung zum Schmelzen von Metall mittels Elektronenbeschusses - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Schmelzen von Metall mittels Elektronenbeschusses, bei der der Elektronenstrahl durch ein Magnetfeld im ganzen um einen Bogen von 180° oder mehr abgelenkt und nach der Zielfläche zu konvergierend geformt wird.

Bei Elektronenstrahlofen werden zur Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Energie eine oder mehrere Elektronenstrahlkanonen verwendet, deren Elektronenstrahlen auf ein Zielobjekt gerichtet werden. Dieses Zielobjekt wird durch den jeweiligen Elektronenbeschuß erhitzt. Die Elektronenstrahlkanonen enthalten im allgemeinen einen Elektronen emittierenden Heizdraht und Fokussierungseinrichtungen, die die emittierten Elektronen zu einem Elektronenstrahl fokussieren. Der Elektronenstrahl wird dann entlang einer Anfangsbahn mittels einer Beschleunigungsanode beschleunigt. Mit Hilfe von Magnetfeldern kann der Elektronenstrahl dann entlang einer gewünschten Bahn auf die Oberfläche eines in dem Ofen enthaltenen Zielobjekts gerichtet und in einer gewünschten Konzentration fokussiert werden. Ferner kann die Größe des AuftrefEbereichs auf der Oberfläche des Zielobjekts geregelt werden (s. »Die Technik«, Mai 1966, S. 310).

Bei einer Form einer mit besonderem Vorteil verwendeten Elektronenstrahlkanone werden Magnetfelder benutzt, die quer zur Bewegungsrichtung der Elektronen des Elektronenstrahls verlaufen und die den Elektronenstrahl entlang einer gekrümmten Bahn auf das jeweilige Zielobjekt ablenken. Die Ablenkung des Elektronenstrahls durch Quermagnetfelder ermöglicht, den Elektronen emittierenden Heizdraht außerhalb der Sichtlinie in bezug auf das Zielobjekt anzuordnen. Damit ist der Heizdraht nicht unmittelbar den Materialien ausgesetzt, die von dem Zielobjekt verdampfen. Auf diese Weise können sich entwickelnde kondensierbare Materialien nicht ohne weiteres auf der Oberfläche des Heizdrahts kondensieren. Hieraus ergeben sich eine wesentliche Verringerung der Erosion und eine längere Lebensdauer des Elektronen emittierenden Heizdrahts. Darüber hinaus ist die Neigung der negativen Ionen und der Sekundärelektronen, in dem Elektronenstrahl eingeschlossen zu werden, durch die Verwendung von Quer- bzw. Transversalfeldern wesentlich herabgesetzt. Damit ist wiederum die Ausbildung einer Raumladung herabgesetzt, welche die Fokussierung und Ablenkung nachteilig beeinflussen kann. Eine Elektronenstrahlkanonenanordnung des vorstehend betrachteten Typs ist in der USA.-Patentschrift 3177 535 angegeben.

Bei der vorstehend betrachteten bekannten Anordnung werden durch Quermagnetfelder abgelenkte Elektronenstrahlen zur Materialschmelzung in einem aufrecht stehenden Schmelztiegel benutzt. Unter gewissen Voraussetzungen stellt dabei ein Absplittern von kondensierten Materialien von den abgekühlten Oberflächen des Vakuumbehälters und ein Verspritzen und Verspratzen von geschmolzenem Material vor einem aufrecht stehenden Schmelztiegel eine starke Beeinträchtigung des Arbeitern der jeweiligen Elektronenstrahlkanonen dar. Dadurch, daß das jeweilige Elektronen emittierende Heizelement unterhalb des Schmelztiegels angeordnet ist und der Elektronenstrahl entlang einer kurvenförmigen Bahn entsprechend einem Winkel von etwa 270° abgelenkt wird, ist das jeweilige Elektronen emittierende Heizelement vor einem Verspritzen, Verspratzen und Abplatzen von geschmolzenem Material geschützt. Außerdem ist es nicht notwendig, Abschirmungen oder ähnliche Einrichtungen vorzusehen.
Es ist auch schon ein Verfahren zur Erhitzung von Materialien durch Elektronenbeschuß bekannt (deutsche Auslegeschrift 1185 820), bei dem ein Magnetfeld erzeugt wird, das einem in einem Hochvakuumbehälter zu erhitzenden Material anliegt.

ίο Ferner werden bei diesem bekannten Verfahren Elektronen quer zu diesem Feld gerichtet und dabei in Richtung auf das Material hin abgelenkt, und außerdem wird durch eine steuerbare Richtungsänderung der Feldkraftlinien gegenüber ihren ursprünglichen Richtungen das Auftreffmuster der Elektronen auf dem Material geändert, und zwar im Sinne der Erreichung einer Steuerung der Heizung des Materials. Sowohl bei der oben betrachteten bekannten Vorrichtung als auch bei dem zuletzt betrachteten bekannten Verfahren kann es leicht vorkommen, daß von in einem Schmelztiegel befindlichem geschmolzenem Material aufsteigender Dampf auf den kühleren i Oberflächen der jeweils vorgesehenen Magnetpolstücke kondensiert, die sich oberhalb der Materialoberfläche befinden. Dabei kann es dann vorkommen, daß das lose haftende Kondensat sich zuweilen von seinem Träger ablöst und in den Schmelztiegel oder in die Elektronenstrahlbahn hineinfällt. Dies führt zu einer Verdampfungsinstabilität, und zwar auf Grund des Verspritzens von Partikeln und Tröpfchen. Dies wiederum ruft eine Änderung der Verdampfungsgeschwindigkeit hervor, und zwar durch Abkühlung der Schmelze infolge Einführung des kühleren Materials in diese Schmelze. Bei einer Einrichtung, die für die Ausführung langer Herstellvorgänge entsprechend ausgelegt ist, kann die Menge des sich um die jeweils vorgesehenen Polstücke ausbildenden Kondensats groß genug werden, um die Fortdauer des Verdampfungszyklus zu verhindern und eine frühzeitige Unterbrechung des Betriebs erforderlich zu machen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

einen Weg zu zeigen, wie auf besonders einfache Weise Metall durch Elektronenbeschuß geschmolzen werden kann, ohne daß sich infolge einer auftretenden Kondensation von Materialdämpfen auf den jeweils Vorhandenen Ablenk-Magnetpolstücken eine nachteilige Beeinflussung der Verdampfungsgeschwindigkeit ergibt.
Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die das Magnetfeld erzeugenden Polstücke in oder/und unterhalb der Zielfläche angeordnet sind und aus ersten Teil-Polstücken bestehen, welche sich in senkrecht zur Zielfläche verlaufenden Ebenen erstrecken und ein Magnetfeld unterhalb der Zielfläche senkrecht zur Krümmungsebene des Elektronenstrahls erzeugen, und aus weiteren Teil-Polstücken parallel zur Zielebene, welche das Magnetfeld oberhalb der Zielfläche, mit Komponente senkrecht und mit Komponente in Krümmungsebene, erzeugen, indem sie in entsprechendem Verhältnis bemessene Stirn- und Flankenflächen haben, und welche derart nach der Zielfläche zu konvergieren, daß das Verhältnis der magnetischen Feldstärke »außen« und »innen« des gekrümmten Elektronenstrahls nach der Zielebene zu anwächst, so daß der Elektronenstrahl konvergiert.

"·■"■" ' · Du=rch₄die_;E.rfindung wird der Vorteil erreicht, daß

es auf relativ einfache Weise, nämlich durch die zuvor genannte Ausbildung und Anordnung der das Magnetfeld erzeugenden Polstücke möglich ist, bei minimalem Kontakt der Dämpfpartikein mit dem vorhandenen Elektronen emittierenden Heizelement eine zu den oben aufgeführten Nachteilen führende Kondensation der aus dem jeweils geschmolzenen Material aufsteigenden Materialdämpfe zu verhindern, ohne daß Magnetpole Sicht und Arbeit im Raum oberhalb der Tiegelöffnung behinderten. Dadurch kann praktisch mit gleichbleibender Verdampfungsgeschwindigkeit gearbeitet werden, was insbesondere bei der Ausführung langer Herstellvorgänge von besonderem Vorteil ist.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung i$ nachstehend näher-erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Perspektivansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, unter Verdeutlichung der einen Elektronenstrahl ablenkenden Feldlinien eines Quermagnetfeldes;

Fig. 2 zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 1 in einer Draufsicht;

F i g. 3 zeigt eine Schnittansicht entlang der in Fig. 2 eingetragenen Schnittlinie 3-3;

F i g. 4 bis 7 verdeutlichen Schnittbilder des Elektronenstrahls in verschiedenen Ebenen, die in Fig. 3 mit 4-4, 5-5, 6-6 und 7-7 bezeichnet sind;

Fig. 8 verdeutlicht in einem Diagramm die Feldstärke an verschiedenen Stellen der Elektronenstrahlbahn;

Fig. 9 zeigt eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthalt generell Einrichtungen, die einen Elektronenstrahl erzeugen, der entlang einer Anfangsbahn gerichtet ist, und Einrichtungen, die ein Magnetfeld erzeugen, dessen Feldlinien quer zu der Anfangsbahn des Elektronenstrahls verlaufen und diesen damit entlang einer Kurvenbahn ablenken. Die Felderzeugungseinrichtungen sind von solcher Form, daß sie ein Feld er- zeugen, das nahe der Zieloberfläche einen Bereich besitzt, in welchem die Feldstärke in der Ebene der Kurvenbahn von der Innenkante des Elektronenstrahls zu dessen Außenkante hin zunimmt. Das Feld besitzt nahe der Zieloberfläche dabei eine mittlere Feldstärke, die etwa dem Zweifachen der mittleren - Feldstärke des Feldes nahe der Mitte der Elektronen-Strahlbahn entspricht. Das betreffende Feld besitzt nahe des Zielobjektes Feldlinien, die in bezug auf die Zieloberfläche konkav verlaufen.

Nachstehend sei insbesondere die in Fig. 1 bis 3 dargestellte Vorrichtung näher betrachtet. In einem massiven Block 13 aus Kupfer ist ein Schmelztiegel Il gebildet, der zur Aufnahme von zu erhitzendem geschmolzenem Material 12 dient. Der Kupferblock 13 weist Durchgänge 14 auf, durch die ein Kühlmitteistrom hindurchführbar ist, mit dessen Hilfe der Schmelztiegel gekühlt wird. Zur Durchleitung des Kühlmittels durch die Durchgänge 14 und zur Abführung dieses Kühlmittels aus diesen Durchgängen können geeignete Einlaß- und Auslaßrohre vorgesehen sein (nicht dargestellt).

Wie noch ersichtlich werden wird, wird das Material 12 dadurch in einem geschmolzenen Zustand gehalten, daß seine Oberfläche dem Beschüß durch einen Elektronenstrahl ausgesetzt wird. Infolge der Abkühlung bildet sich zwischen dem geschmolzenen Material und der abgekühlten Wand des Schmeiztiegels eine Haut 16 aus erstarrtem Material aus. Dies verhindert eine Erosion der Schmelztiegelwand und eine Reaktion zwischen dem Sehmelztiegelrnaterial und dem in der Schmelze enthaltenen heißen Material. Dadurch tritt keine Verunreinigung der Schmelze auf, und es wird eine nahezu reine Schmelze erhalten.

Der Block 13 enthält ein Simsteill7, das auf der Oberseite einseitig auslädt. Unterhalb des Simsteiles 17 ist eine Elektronenstrahlkanone 18 von geeigneten, in der Zeichnung nicht näher dargestellten Einrichtungen getragen. Die Elektronenstrahlkanone 18 ist damit vor aus dem geschmolzenen Material 12 abspritzenden und abspratzenden Partikeln geschützt. Die Elektronenstrahlkanone bzw. die Elektronenstrählschleuder 18 gibt einen Elektronenstrahl von hoher Energie ab. Die Achse dieses Elektronenstrahls ist durch die gestrichelte Linie 19 angedeutet. Die Elektrönenstfählkanone enthält einen Elektronen emittierenden Heizdraht oder Emitter 21, der in einer einspringenden Öffnung oder Ausnehmung 22 in einer Rückenelektrode 23 angeordnet ist. Neben der Rückenelektrode 23 ist eine Anodenplatte 24 angeordnet, iri der sich eine zu dem Emitter 21 ausgerichtete Öffnung 26 befindet. Mit Hilfe in der Zeichnung nicht dargestellter geeigneter Einrichtungen wird ein Strom zum Aufheizen des Emitters 21 zugeführt, um die Temperatur des Emitters auf einen für eine Elektronenemission geeigneten Wert zu erhöhen. Ferner sind geeignete Einrichtungen vorgesehen, die das Potential der Rückenelektrode 23 Und des Emitters 21 auf einem hohen negativen Wert in bezug auf das an der Anödenplatte 24 liegende Potential halten. Die von dem Emitter 21 abgegebenen Elekrtonen werden damit von der Rückenelektrode 23 weg durch die öffnung 26 hindurch entlang einer Anfangsbahn beschleunigt, die im wesentlichen senkrecht zu der Platte 24 verläuft. Auf Grund der länglichen Ausbildung des Emitters 21 wird ein bandförmiger Elektronenstrahl erzeugt, der sich im wesentlichen senkrecht zu dem Heizdraht erstreckt und der unter Zugrundelegung der Ansicht gemäß F i g. 3 im wesentlichen in einer senkrecht zu der Papierebene liegenden Ebene verläuft.

Gemäß der Erfindung sind Einrichtungen vorgesehen, die ein Querniägnetfeld erzeugen, dessen Feldlinien quer zu der Bahn des Elektronenstrahls verlaufen und damit den Elektronenstrahl entlang einer Kurvenbahn ablenken. Die Felderzeugungsernrichtungen besitzen dabei keine Bauelemente, die über den Pegel des in dem Schmelztiegel U enthaltenen flüssigen Materials 12 hinausragen. Mit Hilfe des so erzeugten Magnetfeldes kann darüber hinaus der Elektronenstrahl so folojssiert werden, daß nennenswerte Leistungsdichten erzielt werden, Und zwar auch dann, wenn die Elektronenstrahlablenkung entsprechend einem Winkel von 270° sich in der Richtung ändert. In vielen Fallen ist eine hohe Leistungsdichte erwünscht, um eine geforderte Verdampfungsgeschwindigkeit zu erzielen oder um extreme Wärmegradienten in der Schmelze hervorzurufen.

Die Magnetfelderzeügungseinrichtüng bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 3 enthält zwei flache Polstücke 27 und 28, die auf gegenüberliegenden Seiten des Schmelztiegels 11 angeordnet sind und die von zwei Jöchteilen 29 und 31 getragen werden. Die Jochteile und die Polstücke bestehen aus einem Material, das einen niedrigen magnetischen Wider-

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stand besitzt. Zwischen den den Polstücken 27 und daraus, daß der Abstand der Jochteile und der Ab-

28 gegenüberliegenden Enden der Jochteile 29 und stand zu der Spule 33 geringer wird, die den Streu-31 erstreckt sich ein die beiden Jochteile berührender nuß erzeugt, der neben der Spule und parallel zu dem Kern 32, der ebenfalls aus einem Material mit niedri- Kern 32 verläuft. Dadurch wird die Feldstärke in gern magnetischem Widerstand besteht. Der Kern 32 5 diesem Bereich verstärkt. Auf Grund des Streuflusses trägt eine Elektromagnetspule 33, an welche hier der Spule 33 nimmt die Magnetfeldstärke des Manicht näher dargestellte geeignete Erregereinrich- gnetfeldes in dem Bereich 36 in der Ebene der kurtungen angeschlossen sind, die mit Speisung der venförmigen Elektronenstrahlbahn (das ist die Papier-Spule 33 ein Magnetfeld zwischen den Polstücken ebene unter Zugrundelegung der Ansicht gemäß und den Jochteilen erzeugen. Hierauf wird weiter io Fig. 3) von der Innenkante 38 des Elektronenstrahls unten noch näher eingegangen werden. Der Schmelz- 19 zu dessen Außenkante 39 hin zu. Eine Zunahme tiegelblock 13 und die Spule 33 werden von einer der Feldstärke zwischen etwa 20 und 40 % bewirkt, Traganordnung 34 getragen, die zwei abgebogene daß die Elektronen zu der Außenkante des Elektrohorizontal verlaufende Abschnitte und einen diese nenstrahls hin abgelenkt werden, und zwar um einen beiden Abschnitte verbindenden vertikalen Ab- 15 hinreichend höheren Betrag als jene, die zu der schnitt aufweist. Die Traganordnung 34 besteht aus Innenkante hin abgelenkt werden, so daß die Elekeinem Material, das der Anordnung eine entspre- tronen von ihren ursprünglich divergierenden Bahnen chende Baufestigkeit verleiht. An dem Tragelement zu einer im wesentlichen konvergierenden Bahn fo-34 sind mit Hilfe hier nicht näher dargestellter ge- kussiert werden, und zwar in der Papierebene unter eignerer Einrichtungen verschiedene Elemente der 20 Zugrundelegung der Ansicht gemäß Fig. 3. Dieser Anordnung befestigt. In dem vertikalen Bereich des Zustand tritt etwa im Bereich der ersten 60° der sich Tragelementes 34 ist eine Öffnung 35 vorgesehen, in der Richtung ändernden Elektronenstrahlbahn auf. durch die es möglich ist, daß der von der Spule 33 Nach Verlassen des Bereiches 36 gelangt der ausgehende Streufluß den Fluß schließt, der zwischen Elektronenstrahl in den Zwischenraum zwischen den den Jochteilen 29 und 31 vorhanden ist. Der Grund 25 Jochteilen 29 und 31. In diesem Zwischenraum ist für diese Maßnahme wird weiter unten noch näher das Magnetfeld weitgehend gleichförmig. Da die erläutert werden. Elektronen in Richtung zu der Außenkante des kur-

Wird die Elektromagnetspule 33 gespeist, indem venförmig verlaufenden Elektronenstrahls auf Grund durch sie ein Gleichstrom hindurchgeleitet wird, so ihrer größeren Bahnlänge einen längeren Weg zurückbaut sich zwischen den Polstücken 27 und 28 und 30 legen, ist ein Divergieren des Elektronenstrahls verden Jochteilen 29 und 31 ein Magnetfeld auf. Dieses hindert. In Abhängigkeit von physikalischen VerMagnetfeld besitzt kurvenförmig verlaufende Feld- hältnissen kann in gewissem Ausmaß ein Konvergielinien in dem Randbereich 36 zwischen dem Emitter ren erzielt werden. In dem Bereich zwischen den 21 und dem Zwischenraum zwischen den Jochteilen Polstücken 28 und 27 tritt ein Divergieren des Elek-

29 und 31 und in dem Randbereich 37 oberhalb des 35 tronenstrahls auf, da das Feld hier auf Grund der Schmelztiegels 11. Winkelbeziehung der Polstücke zu der Innenkante

Der den Emitter 21 verlassende Elektronenstrahl des Elektronenstrahls hin stärker ist. Diese Eigenbesitzt die Neigung zu divergieren, und zwar auf schaft besitzt eine vernachlässigbare Auswirkung, da Grund der gegenseitigen Wirkung negativ geladener die Polstücke in vertikaler Richtung dünn sind und Elektronen. Die kurvenförmig verlaufenden Feld- 40 da die Gesamtbahnlänge der Elektronen zu der linien im Bereich 36 besitzen jedoch die Neigung, den Außenkante hin größer ist.

Elektronenstrahl weiter in der parallel zu dem Emit- Um ein Divergieren der Elektronen an gegenüberter verlaufenden Richtung konvergieren zu lassen. Da liegenden Kanten des Elektronenstrahls (hier in der Elektronenstrahl, der den Emitter verlassen hat, F i g. 3 durch die gestrichelten Linien 38 und 39 ansich noch nicht in einem großen Maße ausbreiten 45 gedeutet) zu verhindern, wird der Elektronenstrahl konnte, vermögen darüber hinaus die kurvenförmig über die Höhe der Polstücke 27 und 28 hinaus geverlaufenden Feldlinien in dem Bereich 36 auf ein- führt. Die Vorrichtung ist dabei so ausgelegt, daß der fache Weise, die Neigung des Elektronenstrahls sich Randbereich des Magnetfeldes oberhalb der Polauszuweiten zu verhindern und damit eine nachtei- stücke lediglich um einen vernachlässigbaren Wert lige Auswirkung auf den Betrieb der Vorrichtung. 50 mit der Entfernung von den Polstücken in dem Be-Diese Randfeldlinien beginnen ferner, den Elek- reich, den der Elektronenstrahl durchläuft, abnimmt, tronenstrahl nach oben hin abzulenken, und zwar Ist der Elektronenstrahl über die Polstücke 27 und auf Grund der Kräfte, die entsprechend der an sich 28 hinausgeführt, so bewirkt das zwischen den Polbekannten Rechtehandregel entstehen. Für die rieh- stücken vorhandene Randfeld eine Querablenkung tige Ablenkrichtung verlaufen die Feldlinien unter 55 des Elektronenstrahls um etwa 180° auf die Ziel-Zugrundelegung der Ansicht gemäß F i g. 3 aus der oberfläche. Um den Feldgradienten oberhalb der Papierebene heraus nach oben. Die nachstehend be- Magnetpolstücke 27 und 28 auf einen geringen Wert nutzte Größe der Strahlablenkung in Grad an irgend- zu bringen, sind die Polstücke (in horizontaler Richeinem Punkt ist durch den Winkel zwischen einer tung) zumindest so breit gemacht, wie sie in verti-Tangente an der kurvenförmig verlaufenden Achse 60 kaier Richtung dick sind. Hierdurch wird zumindest des Elektronenstrahls an dem bestimmten Punkt und eine ebenso große Fläche für den Streufluß auf der einer durch den bestimmten Punkt verlaufenden Oberseite der Polstücke geschaffen wie an den AnLinie bestimmt, die parallel zu der Anfangselek- lageseiten. Darüber hinaus führt dies zu einer Vertronenstrahlbahn der den Emitter verlassenden Stärkung und Verbesserung des Randfeldes ober-Elektronen verläuft. 65 halb der Polstücke. So kann z.B. ein Polstück-

Erreicht der Elektronenstrahl in dem Bereich 36 abstand von etwa 38 mm an dem dichtesten Punkt

den Zwischenraum zwischen den Jochteilen 29 und der Polstücke (in Fig. 2 durch den Abstand d be-

31, so wird das Magnetfeld stärker. Dies ergibt sich zeichnet) bei Polstücken vorgesehen sein, die etwa

6,4 mm dick und etwa 32 mm breit (das sind die Ab- den Polen für einen bestimmten Krümmungsradius messungenw in F ig. 2) sind und die unter einem der Elektronenstrahlbahn sowie durch geeignete Wahl Winkel von etwa 45° divergierend verlaufen. Dabei der Polbreiten in Bezug zu deren Dicken.. Je breiter wird eine um etwa 10 % höhere Felddichte in den die Pole sind, desto weniger schnell ändert sich die ersten 50 mm oberhalb der Pole erzielt, als bei yer- <;5 Feldstärke bei einem bestimmten Abstand entlang Wendung von etwa 13 mm breiten Polstücken' bei der Vertikalebene in der Mitte zwischen den PoI-demselben Polspalt. . stücken. Je weiter der Polzwischenraum ist, desto

Um die Endablenkung des Elektronenstrahls auf schwächer ist der Bogen der Magnetflußlinien. Für die Oberfläche des geschmolzenen Materials 12 zu einen bestimmten erwünschten Krümmungsradius in bewirken, nimmt die Feldstärke von der Innenkante io einer bestimmten Ausführungsform der Vorrichtung 38 des Elektronenstrahls zu dessen Außenkante 39 können geeignete Polstückbreiten und -abstände hin zu. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind zu diesem empirisch ermittelt werden. Zufriedenstellende Er-: Zweck die Polstücke 27 und 28 derart angeordnet, gebnisse können in vielen Fällen dadurch erzielt werdaß sie von den der Spule 33 benachbarten Enden den, daß das Verhältnis der Breite des jeweiligen der Polstücke aus zu dem Schmelztiegel 11 hin kon- ig Polstückes (w) zur Breite des schmälsten Zwischenvergierend verlaufen. Dies führt nicht nur dazu,. raums zwischen den Polstücken (d) zwischen etwa daß sich der zuvor erwähnte Feldgradient ergibt, son- 0,25 und etwa 1,5 gewählt wird,
dem auch dazu, daß das Feld oberhalb des Schmelz- Nachstehend seien die in F i g. 4 bis 7 dargestellten

riegels in dem Bereich 37 einen Mittelwert besitzt, der typischen Strahlquerschnitte naher betrachtet. Diese etwa dem Zweifachen der Feldstärke in dem Bereich 20 Strahlquerschnitte ergeben sich, wenn an verschieentspricht, in dem der Elektronenstrahl zuerst über denen Stellen Metallfolienblätter in die Elektronendie Höhe der Polstücke 27 und 28 hinaus geführt strahlbahn eingeführt werden. Der im Bereich oberworden ist. Die Feldstärke in demjenigen Bereich, halb der Polstücke auftretende Elektronenstrahl bein dem der Elektronenstrahl über die Polstücke hin- sitzt in einer Ebene 4-4 eine erhebliche Querschnittsaus geführt worden ist, besitzt einen solchen Wert; 25 fläche. In der Ebene 5-5 ist bereits eine geringe daß der Elektronenstrahl entlang eines angemessen Fokussierungswirkung aufgetreten, die sich in der hohen Bogens geführt wird. Dies ermöglicht es, den Ebene 6-6 fortsetzt. In der Ebene der Oberfläche der Elektronenstrahl auf das relativ weit unten liegende Schmelze 12 ist, wie Fig. 7 verdeutlicht, der Elek-Zielobjekt ,herunterzuführen, so daß das Auftreff- tronenstrahlquerschnitt auf die gewünschte Punktmuster nicht zu weit ausgebreitet ist. Eine in diesem 30 form verkleinert (z.B. auf einen Durchmesser von Bereich zufriedenstellende Feldstärke kann zwischen etwa 25 mm oder auf einen noch keineren Durchetwa 125 und 135 Gauß bei einem Elektronenstrahl messer).

mit einer Leistung von 10 kW liegen. Damit kann Wird der Winkel Θ von 45 auf 60° geändert, so

z. B. unmittelbar oberhalb der Mitte des Schmelz- folgt die seitliche Fokussierung bzw. die Fokussietiegels eine Feldstärke erreicht werden, die im Mittel 35 rung in der Richtung, die unter Zugrundelegung" der etwa 270 Gauß beträgt. Ansicht gemäß Fig. 2 in der Papierebene verläuft,

Neben der Ablenkung des Elektronenstrahls" be- bereits vor der Radialfokussierung. Demgemäß ergibt wirkt das Feld oberhalb des Schmelztiegels noch ein sich hierdurch ein größerer Punkt, als er in Fig. 7 Endkonvergieren bzw. Fokussieren. Auf Grund der dargestellt ist. Im Hinblick auf die seitliche Fokusextremen Breite der Polstücke in Bezug zu ihrer 40 sierung kann in der Ebene 6-6 ein Knotenpunkt bzw. Dicke und auf Grund der Winkelstellung der Pol- ein Punkt minimaler Querschnittsfläche vorhanden Stücke läuft der Elektronenstrahl durch einen,Be- sein. Bis zum Erreichen der Ebene7-7 divergiert der reich unmittelbar oberhalb des Schmelztiegels · hin- >. Elektronenstrahl· dann. Wird der Winkel Θ auf etwa durch, in welchem die Feldstärke in der Ebene "der 30° geändert, indem die Abmessung rf vergrößert Kurvenbahn von der Innenkante des Elektronen- 45 wird, so bewegt sich unter Zugrundelegung'der Αώ Strahls zu dessen Außenkante hin zunimmt. Da die sieht gemäß Fig. 2 der Elektronenstrahlpunkt nach ^Elektronen zur Außenkante37 des Elektronenstrahls links. -..-.'

19 hin Bereiche höherer Feldstärke durchlaufen und - Nachstehend sei das in Fig. 8 dargestellte Diain dem Feld eine längere Bewegungsbahn besitzen als gramm näher betrachtet. Bei diesem Diagramm sind diejenigen Elektronen, die an der Innenkante 36 des 50 Verhältnisse angenommen, die hinreichend hohe Elektronenstrahls auftreten, ergibt sich ein weiteres Feldgradienten hervorrufen und eine Ablenkung Konvergieren. Die Zunahme der Feldstärke von der eines 10-kW-Elektronenstrahls zu einem Punkt um Innenkante zur Außenkante liegt vorzugsweise zwi- etwa 270° bewirken. Der betreffende Punkt ist dabei sehen etwa 20 und etwa 4O"/o. Da die Kraftlinien in einem Bereich mit einer einen Durchmesser von oberhalb des Schmelztiegels (das ist der Bogen ober- 55 etwa 25,4 mm besitzenden Oberfläche enthalten, die halb des Schmelztiegels) konkav verlaufen, ergibt sich in einer Entfernung von etwa 28,6 mm hinter dem durch die Feldränder oberhalb der Polstücke eine Emitter, jedoch um etwa 25 mm höher als dieser vor-Fokussierung in der parallel zu dem Emitter (und gesehen ist. Der Winkel der Pole (β in Fig. 2) bedamit senkrecht zur Papierebene bei der Ansicht ge- trägt 45°, der Abstand w beträgt 25,4 mm, und die maß Fig. 3) verlaufenden Richtung, Dies wiederum 60 Polstückdicke beträgt etwa 6,4 mm. Der Abstand d führt zu einem Konvergieren des Elektronenstrahls beträgt etwa 17,5 mm, und der Abstand zwischen zu einem nahezu runden Punkt. Die bogenförmig den Jochteilen29 und 31 beträgt etwa 76 mm. Um verlaufenden Kraftlinien oberhalb des Schmelztiegels die angegebenen Feldstärken zu erzielen, muß die sind in F i g. 1 mit 41 bezeichnet. Spule 33 eine magnetische Induktion von 1700 Am-

Die Schaffung geeigneter Magnetfeldgradienten 65 perewindungen besitzen. Die magnetische Induktion und Kraftlinienkrümmungen in den Randbereichen an dem Scheitelpunkt bzw: an dem dichtesten Punkt

des Feldes oberhalb der Polstücke 27 und 28 erfolgt - zwischen-den- Polstücken beträgt etwa 400 Gauß. Es

durch geeignete Wahl des Zwischenraums zwischen dürfte_ersichtlich sein, daß nach außen gerichtete

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Feldgradienten zwischen der Innenkante und der Außenkante des Elektronenstrahls während der ersten 60° und während der letzten 30° der Strahlablenkung vorhanden sind/ Während des übrigen" Bereiches der Elektronenstrahlbahn verläuft der Gradient geringfügig in der entgegengesetzten Richtung, jedoch nicht in solchem Ausmaß, daß die Fokussierung nachteilig beeinflußt wird.

In F ig. 9 ist ein System gezeigt, das zur Erzeugung eines im wesentlichen runden Punktes mit einem Durchmesser von etwa 76 mm bei einem lO-kW-¹ Elektronenstrahl zufriedenstellend-arbeitet. Diejenigen in F i g. 9 dargestellten Einzelteile, deren Funktionen mit in Fig. 1 bis'3 dargestellten Einzelteilen übereinstimmen, sind hier mit den gleichen Bezugs- js zeichen bezeichnet wie die entsprechenden Einzelteile in Fig. 1, besitzen jedoch eine vorangestellte »1«'. Die Polstücke 127 und 128' verlaufen- neben der Spule 133 im wesentlichen parallel zueinander^ und zwar bis zu· einem Bereich nahe des Schmelzfiegels 111. An dieser Stelle verlaufen die Polstücke unter einem Winkel Θ von etwa 60° nach innen. Werden Pole von etwa 12-12 mm verwendet; die an ihferrl spitz zulaufenden Ende durch einen Abstand d von etwa 51mm und in ihren parallel' verläufenden Be-* reichen durch einen Abstand von etwa 89 mm voneinander getrennt sind, so kann eine züfriedenstel·: lehde Fokussierung dadurch erreicht werden, daß eine Spule 133 mit einer magnetischen Induktion von 1450 Amperewindungen verwendet wird. Die Feldstärke an der zwischen den'Polstückenl27 und 128 liegenden eingeschlossenen Stelle erreicht' etwa 130Gauß. Die Feldstärke an der Mittellinie des Schmelztiegels beträgt etwa 100 Gauß, und die Feldstärke zwischen den Parallelabschnitten der PoIt stücke beträgt etwa 126 Gauß. Die inversen Gradienten oberhalb des Schmelztiegels und nahe des Emitters ändern sich .etwa in demselben Verhältnis wie bei der vorstehend" betrachteten Ausführuiigsform.

Es dürfte ersichtlich sein, daß durch die Erfindung eine verbesserte Vorrichtung "geschaffen worden ist, mit deren Hilfe ein Elektronenstrahl erzeugt und entlang einer Kurvenbahn auf eine Zielöberfläche abgegeben wird. Dabei braucht kein Bauelement oberhalb des Pegels der Zieloberfläche angeordnet zu werden, und außerdem ist ein wirksames Konvergieren des Elektronenstrahls unter Erzielung einer gewünschten Punktgröße auf einfache Weise möglich. Obwohl die Erfindung'vorstehend in Verbindung mit einer Ablenkung um einen Winkel von etwa 270° (für den die Erfindung besonders vorteilhaft ist) erläutert wofdeii ist, kann die Erfindung jedoch auch für stärkere oder schwächere Ablenkungen angewandt werden". Gemäß; der Erfindung sind eine scharfe Richtungsänderung der Elektronenstrahlbahn und eine scharfe Elektronenstrahlbündelung unmittelbar oberhalb einer Zieloberfläche erzielt, ohne daß dabei Polstüeke verwery det worden sind, die über die betreffende Oberfläche hinausragen. .---".-

Claims (1)

1. . Patentansprüche: .

   1. Vorrichtung zum Schmelzen von Metall mit-!

   tels Elektronenbeschusses, bei der der Elektronen-.

   strahl durch ein Magnetfeld im ganzen um eineS

   "Bogen um 180° oder mehr abgelenkt und nach; der Zielfläche zu konvergierend geformt wird,.

   dadurch gekennzeichnet, daß die
   gnetfeld erzeugenden Polstüeke (27, 28, 29, 31, 32, 33) in oder/und unterhalb der Zielfläche (12) angeordnet sind und aus ersten Teil-Polstücken (29, 31) bestehen, welche sich in senkrecht zur Zielfläche (12) verlaufenden Ebenen erstrecken und ein Magnetfeld unterhalb der Zielfläche (12) senkrecht zur Krümmungsebene des Elektronenstrahls erzeugen, und aus weiteren Teil-Pölstükken (27, 28) parallel zur Zielebene, welche das Magnetfeld oberhalb der Zielfläche (12), ■- mit Komponente senkrecht'und mit Komponente in Krümmungsebene, erzeugen,, indem sie in ent-' sprechendem Verhältnis bemessene Stirn- und Flankenflächen haben, und welche derart nach

   • der Zielfläche zu konvergieren, daß das Verhältnis der magnetischen Feldstärke »außen« Und »Mnen« des gekrümmten Elektronenstrahles nach

   ' der Zielebene zu anwächst, so daß der Elektron '. nenstrahl konvergiert.

   '2. Vorrichtung nach Anspruch" 1, dadurch ge* kennzeichnet, daß die Feldstärke zwischen der* 'Innenkante und'der Außenkante des Elektronenstrahls in jedem Bereich zwischen etwa 20 und etwa 40 °/o zunimmt.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtänderung der Richtung des Elektronenstrahls etwa 270° beträgt

   ■ und daß die Bereiche der Feldstärkezunahme zur Außenkante des El'ektronenstfahlse;twä^die:ersteri 60° und etwa die letzten 30° der Elektronen-

   ■ strahlablenkung umfassen.

   " ' 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, da-

   ' durch gekennzeichnet, "da'ßder üßrige 'Teil "des Qüerinägnetfeldes im Bereich zwischen etwa 3Q und etwa 240° der Elektronenstrahlablenkung " in der Stärke in der Ebene der" Kurvenbahn von der Innenkante des Strahls zu dessen Außenkante " hin abnimmt.

   '5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche! bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule (33) zwischen den ersten Teil-Polstücken (29, 31) " vorgesehen ist.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge-t kennzeichnet, daß die Spule (33) neben derti Elektronenstrahl' derart angeordnet ist, daß ihr ' Streufluß den zwischen den Teil-Polstücken (29, ■31 bzw. 27, 28) verlaufenden Fluß verstärkt..

   7.· Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch, gekennzeichnet, daß die Spule (33) derart angeordnet ist, daß ein Feldbereich entsteht^ üt welchem" die Feldstärke in der Ebene der Kurvenbahn des Elektronenstrahls von dessen einer ' Kante (38)"zu dessen anderer Kante (39) zunimmt·.-

   8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1

   bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die-Innen-:

   ' kanten der zweiten Teil-Polstücke (27₄ 28) zu der Zielfläch'e. hin "in deren Ebene" unter einem Ein-, schlußwinkel" zwischen etwa 40 und.fetwa60°

   ■konvergieren. ··.···,

   " '9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche! bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite des jeweiligen.zweiten^Teil-Pol·* Stückes (27, 28) zur Breite des schmälsten. Spaltes zwischen den zweiten Teil-Polstücken (27j 28) zwischenetwa 0,25 und etwa 1,5 liegt. -

   Hierzu 1 Bläu Zeichnungen·.