DE1950290B2 - Hochleistungs-Strahlerzeugungssystem - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Hochleistungs-Strahlerr.eugungssystem zur Erzeugung von hochenergetischen l:lektronenstrahlen für metallurgische Elektronenttrahlschmelzöfen mit einer Halterung für eine direkt geheizte Kathode sowie mit einer oder mehreren Elektrodui zur Fokussierung der Elektronenstrahl.

Zweck derartiger Hochleistungs-Strahlerzeugungslysteme ist es, Elektronenstrahlbündel zu erzeugen mit einer Sirahlleistung in der Größenordnung von 50 kW Vollastleistung bis zu mehreren Megawati Vollastlei- <>o stung. Solch leistungsstarke Elektronenstrahlbündel braucht man z. B. in metallurgischen Schmelzofen, in metallurgischen Wärmcbehundlungsöfen, in Bedampfungsanlagen usw.

Für diese Zwecke geeignete Strahlcrzeugungssystenie sind in einer Vielfalt von Ausführungsformen bekannt. In übersichtlicher Form sind diese Systeme in den Berichten (3) und (5) zusammengestellt. Ihnen allen gemeinsam ist daß sie in einem mögll· hst guten Vakuum aufgebaut sein müssen. Ihre wesentlichsten Bestandteile sind eine indirekt oder direkt geheizte Kathode und eine Anode, zwischen welche eine Beschleunigungsspannung in der Größenordnung von 15 bis 10OkV gelegt wird. Solche Strahlerzeugungssysteme werden im Betrieb sehr heiß (bis etwa 10ö0°C). Hierdurch entstehen bei herkömmlichen Systemen erhebliche Probleme hinsichtlich der Konstanthaltung der geometrischen Dimensionen, von denen die aus einem System zu erzielende Strahlleistung in ganz erheblichem Maße beeinflußt wird. Daneben entstehen Probleme durch Zerstäubungseffekte und durch Lichtbogenbildung an Kontaktstellen. Auch diese Effekte führen zu vorzeitigem Ausfall von Strahlerzeugungssystemen In technischen Großanlagen ist ein derartiger frühzeitiger Ausfall außerordentlich unerwünscht und mit hohen Kosten verbunden.

Die elektrisch leitenden Teile derartiger herkömmlicher Strahlerzeugungssysteme sind ausschließlich jus Metallen aufgebaut. Hierbei finden bevorzugt Metalle mit hohem Schmelzpunkt wie Tantal. Wolfram sowie hiuebeständige und hochwarmfeste Stahle Verwendung. Dort wo die geometrischen Verhältnisse es erlauben finden wassergekühlte Kupferteile Verwendung. z. B. für die Anoden.

An Hand der Zeichnung, und /war F 1 g. 1, wird der Aufbau eines Strahlerzeugungssystems erläutert, wie es im Prinzip /.. B. aus (1), (3). (4) und (5) bekannt ist.

In F i g. 1 ist ein Ausschnitt aus einem solchen Strahlerzeugungssystem dargestellt. Es besteht aus einer direkt geheizten Wolfram-Kathode 1. welche von zwei Einspannbacken 2 gehalten wird. Diese Kathode kann z. B. mit einem Wechselstromtrafo von einigen 10 bis 100 V Spannung auf Emissionstemperatur erhitzt werden. Die Elektronenwolke, die aus der direkt geheizten Kathode 1 austritt, wird von einer inneren Fokussierungselektrode 3 fokussiert und mittels einer Beschleunigungsspannung 101 von z. B. 1 bis 3 kV auf eine Kathodenplatte 4 geschossen. Diese Kathodenplatte 4 kann z. B. aus Tantal oder Wolfram oder einem anderen emittierenden Material bestehen. Durch den Beschüß wird die Kathodenplattc 4 so weit erhitzt, daß sie ihrerseits Elektronen emittiert, welche durch eine äußere Fokussierungselektrode 5 fokussiert und mittels einer Beschleunigungsspannung 102 von z.B. 15 bis 100 kV in Richtung auf eine Anode 6 beschleunigt werden. Herkömmliche Materialien für die genannten Bauteile sind Wolfram für die direkt geheizte Kathode 1, Tantal oder Molybdän für die Einspannbacken 2, unlegierter alterungsbeständiger Stahl für die innere Fokussierungselektrode 3, austenitischer oder ferritischer hitzebeständiger Stahl für die äußere Fokussierungselektrode 5, Kupfer für die Anode 6. Bei einem derartigen System treten keinerlei Probleme bei der wassergekühlten Kupferanode 6 auf. Hier ist eine Wasserkühlung auch ohne weiteres anzubringen, da diese im allgemeinen auf Erdpotential liegt, in Elektronenstrahlschmelzöfen z. B. direkt mit dem Ofengehäuse verbunden ist. Die auf Potential liegenden Teile lassen sich dagegen nicht ohne weiteres mit Wasser kühlen. Dies stößt einmal wegen des hohen Potentials auf Schwierigkeiten, die sich jedoch eventuell ausräumen ließen. Es wird jedoch fast unmöglich infolge der gedrängten Bauform der Teile, wobei die Abstände zwischen den einzelnen Bauelementen nur wenige Millimeter betragen und sehr genau konstant gehalten werden müssen.

Will man nun ein solches System im Dauerbetrieb.

d. h. industriell Ober 24 h/Tag, betreiben, so treten drei verschiedenartige Störungen auf, die einzeln oder in Kombination zum frühzeitigen Ausfall des Strahlerzeugungssystems und entsprechend zu Anlagenstillständen führen. Diese sind, wie dem Fachmann geläufig, während eines Schmelzvorgangs sehr PBchteilig und führen zu Ausschuß.

Der erste Störeffekt ist der folgende: Zwischen den Einspannbacken 2 und der direkt geheizten Ka'hode 1 kommt es häufig zur Bildung kleiner Lichtbögen, welehe zu einem Verschweißen beider Teile führen oder zu einem Abbrennen der direkt geheizten Kathode 1; oder es kommt sogar zu einem Verschweißen der Einspannbacken 2 mit den Stromzuführungen 7 zu diesen. Die zweite Schwierigkeit besteht darin, daß es zu einem schnellen Abtragen der Kante 8 der inneren Fokussierungselektrode kommt. Dieser Abtrag wird verursacht durch Kathodenzerstäubung durch Ionen, welche aus der Rückseite der Kathode 4 losgeschlagen werden. Bei sämtlichen bisher eingesetzten metallischen Werkstof fen erfolgt dieser Abtrag so schnell, daß bereits nach wenigen Stunden Betriebsdauer mit entsprechend hoher Leistung die Fokussierung des Elektronenstrahl bündeis 9 auf die Kathode 4 nicht mehr gewährleistet ist. Ein Teil der Elektronen des Bündels 9 gelangt dann neben die Kathode 4, was sich so bemerkbar macht, daß bei ansteigendem Heizstrom und ansteigender Emission der direkt geheizten Kathode 1 die indirekt geheizte Kathode 4 plötzlich weniger Emission bringt. Ein solcher Effekt ist z. B. beim Elektronenstrahlschmelzen äußerst unerwünscht, da mitten in einer Schmelze plötzlich nur noch 70 Prozent oder weniger der maximalen Strahlerleistung zur Verfügung stehen. Die dritte Schwierigkeit trat bei der äußeren Fokussicrungselektrode 5 auf. Diese ist einer außerordentlichen thermischen Belastung an ihrer Innenfläche 11 ausgesetzt. Diese thermische Belastung resultiert aus der hohen Strahlleistung von 50 kW bis zu mehreren Megawatt. Diese thermische Belastung führt zu einer Schrumpfung des Innendurchmessers der Fläche 11 Diese Schrumpfung ist dauerhaft und geht beim Ab kühlen nicht mehr zurück. Sie nimmt auch im Betrieb laufend zu. Durchmesser und Neigungswinkel dieser Innenfläche 11 sind aber sehr kritisch zur Erzielung einer hohen Strahlerleistung bzw. einer hohen Stromdichte des emittierten Strahlenbündels 12. So brachte /. B. das Schrumpfen des Innendurchmessers 100 um 10 bis 15 Prozent eine Verringerung der maximalen Strahlstromleistung um 50 Prozent. Bei einem 150-kW-Strahlerzeugungssystem trat ein Schrumpfen um 10 Prozent bereits nach 100 Betriebsstunden auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erläuterten Störeffekte und Schwierigkeiten durch Lichtbogenbildung, Kathodenzerstäubung und Deformation infolge Hitzeeinwirkung ab/.u:,tellen und so ein Hochleistungs-Strahlerzeugungssystem zur Verfügung zu stellen, welches wirklich für Dauerbetrieb mit hohen Leistungen geeignet ist, ohne daß es zu wiederholten, unvorhersehbaren Anlagcnstillständen und damit verbundenem Ausschuß kommt. ⁶"

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine der Fokussierungsclcktrodcn 3, 5, 22 ganz oder teilweise und/oder die Halterung 2 der direkt geheizten Kathode 1 aus Graphit hergestellt sind. ⁶S

In Ausgestaltungsformen des Hochleistungs-Strahlerzeugungssystems nach der Erfindung gemäß Ansprüchen 2 bis 5 werden weitere hiizebcaufschlagtc oder stromführende Bauteile, wie Befestigungselemente oder Fokussierungselektroden, ebenfalls aus Graphit hergestellt

Daß dieser Ersatz von metallischen Werkstoffen durch Graphit für gewisse kritische Teile des Strahlerzeugungssystems zur Beseitigung der obenerwähnten Schwierigkeiten führt, ist um so bemerkenswerter, als die Verwendung von Graphit von den Hochvakuum-Fachleuten grundsätzlich für derartige Verwendungszwecke abgelehnt wird, da man mit zu starker Gasabgabe und in Begleitung damit mit elektrischen Überschlägen usw. rechnet, die bei den verwendeten hohen Spannungen von z. B. 15 bis 100 kV nach herrschender Auffassung zu Betriebsausfällen und Zerstörungen führen müssen.

Es lag nämlich ein Vorurteil gegen die Verwendung von Graphit bei Spannungen in der Größenordnung von 15 000 bis 100 000 Volt vor; denn diese Spannungen fallen in den zur Debatte stehenden Strahlerzeugungss> stemen in großer räumlicher Nähe, d. h. im Abstand weniger mm ab. Aus diesem Grunde haben die Hersteller dieser Elektronenstrahlkanonen allergrößte Bedenken wegen möglicher Überschläge infolge möglichen Ausgast-ns der hocherhitzten Graphitteile, wie sie nach (2) zu erwarten sind.

Im gleichen Sinne gibt die 1969 erschienene zusammenfassende Darstellung (3) auch in der Fiinf-Jahres-Vorausschau noch keinen Hinweis auf den Einsatz von Graphit.

Die F i g. 1 betrifft ein zum Stand der Technik gehörendes Strahlerzeugungssystem zur Erzeugung von Elektronenstrahlen mit ringförmigem Querschnitt (1), (3), (4), (5). F i g. 2 betrifft ein ebenfalls zum Stand der Technik gehörendes Flachstrahlerzeugungssystem, wie es grundsätzlich aus (3) bekannt ist. Beide Figuren werden erfindungsgemäß ergänzt; demnach zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Strahlerzeugungssystem zur Erzeugung von Elektronenstrahlen mit ringförmigem Querschnitt in erfindungsgemäßer Ausführung,

F i g. 2 einen Querschnitt durch ein Flachslrahl-Erzeugungssystem in erfindungsgemäßer Ausführung.

In F i g. 1 wird erfindungsgemäß das duren Lichtbogenbildung hervorgerufene Verschweißen der Einspannbacken 2 mit den Stromzuführungen 7 und der Einspannbacken mit der direkt geheizten Kathode 1 dadurch vermieden, daß die Einspannbacken 2 aus Graphit gefertigt werden. Damit fallen die obengenannten störenden Anlagenstillstände weg.

Ferner ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik, nämlich Tantal, ein außerordentlicher wirtschaftlicher Vorteil; denn die Einspannbacken aus Graphit kosten nur etwa den 50. Teil gegenüber Einspannbacken aus Tantal.

Das schnelle Abtragen der Kante 8 der inneren Fokussierungselektrode 3 konnte ebenfalls wider Erwarten dadurch auf ein Mindestmaß reduziert werden, daß entweder die gesamte innere Fokussierungselektrodc 3 oder auch nur deren innerer, der Kathodenzerstäubung unterworfene Teil 10 durch Graphit ersetzt wurde. Während herkömmliche innere Fokussierungselektroden 3 aus Metall nur wenige Betriebsstunden einwandfrei funktionierten und dann repariert oder ausgetauscht werden mußten, funktionierten innere Fokussierungsclcktrodcn aus Graphit bzw. mit Graphiteinsätzen viele hunderte Betriebsstunden ohne Störung. Auch die durch Schrumpfung des Innendurchmessers der Fläche 11 hervorgerufene Leistungsabnahme des

Strahlerzeugungssystems infolge fehlerhafter Fokussierung des Elektronenstrahlbündels 12 konnte dadurch behoben werden, daß die gesamte äußere Fokussierungselektrode 5 oder der dem Schrumpfprozeß unterworfene innenteil 13 der äußeren Fokussierungselektrode 5 durch Graphit ersetzt wurde.

Bei den herkömmlichen Strahlerzeugungssystemen für Elektronenstrahlen mit ringförmigem Querschnitt hat das eigentlich elektronenerzeugende Element, nämlich die Kathode 4 nach dem heutigen Stand der Technik eine Lebensdauer von über 200 Stunden. Eine ähnliche Lebensdauer hat die direkt geheizte Kathode 1, sofern sie nicht durch Lichtbogenbildung an den Einspannbacken vorzeitig abbrennt. Es ist nun außerordentlich störend bei derartigen herkömmlichen Systemen, daß sie infolge der obenerwähnten Störungen oft schon nach 2 Stunden ausgetauscht werden müssen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in welcher eine oder mehrere der den vorzeitigen Ausfall erzeugenden Bauteile durch Graphit ersetzt wurden, konnte der vorzeitige Ausfall der Strahlerzeugungssysteme vollständig vermieden werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die Einsatzdauer des gesamten Strahlerzeugungssystems an die Lebensdauer der indirekt geheizten Kathode 4 von mehr als 200 Stunden anzupassen.

Die entgegen dem Stand der Technik erfolgende Verwendung von Graphit in dem hohen Spannungen von vielen kV ausgesetzten Strahlerzeugungsraum hat sich also bewährt. Der Erfolg bei den Systemen gemäß F i g. 1 gab Veranlassung, die Fokussierungselektrode bei einem Flachstrahlerzeugungssystem ebenfalls aus Graphit herzustellen. Auch dies hat sich bewährt. Ein solches System ist in F i g. 2 im Querschnitt dargestellt. Es enthält als wesentliche Bestandteile eine haarnadelförmig gebogene Kathode 21, z. B. au«; Wolframdraht von 2 mm Stärke, eine linear geformte Fokussierungselektrode 22 aus Graphit und eine Anode 23, z. B. eine durch ein Kühlwasserrohr 24 gekühlte Kupferanode oder eine ungekühlte Anode aus Molybdän oder Tantal. Zur Beschleunigung der Elektronen dient hier die Beschleunigungsspannung 201 von z. B. 14 kV. Bei herkömmlichen Systemen ist auch die Fokussierungselektrode 22 aus Metall hergestellt und unterliegt leicht der Zerstäubung oder Deformation infolge Hitzeeinwirkung. Bei erfindungsgemäßer Herstellung aus Graphit behält die Fokussierungselektrode 22 ihre dimensionale Stabilität und erlaubt es ebenfalls, ein solches System 100 Stunden oder länger zu betreiben. Herkömmliche Systeme fallen meistens weit früher aus.

In Verfolgung des Erfindungsgedankens wurden weitere Bauteile von Strahlerzeugungssystemen, die ebenfalls einem der drei Einflüsse Verschweißen, Deformation durch Hitzeeinwirkung oder Zerstäubung unterliegen, durch Graphitteile ersetzt. Diese Maßnahme bewährte sich z. B. bei der Deformation ausgesetzten Haltevorrichtungen für Elektroden, z. B. für die innere Fokussierungselektrode 3, und bei der Zerstäubung ausgesetzten Hilfselektroden, z. B. bei lonen-Absauge-Eleklroden.

Die erläuterten Beispiele dienen nur zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens. Nach Kenntnis der Tatsache, daß Graphit sich in Elektronenstrahlerzeugungssystemen hoher Leistung tatsächlich mil Erfolg einsetzen läßt, ist es dem Fachmann ohne weiteres möglich, diesen Gedanken auf andere Strahlerzeugungssysteme anzuwenden, z. B. auf die in (3) und (5) genannten.

(1) DT-AS 12 48 175;

(2) Espe; Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik, Berlin 1959, Bd. 1, S. 620 bis 627;

(3) Dietrich, Gruber, Sperner, Stephan. Zehn Jahre Fortschritt im Bau von Elektronenstrahl-Kanonen und eine Fünf-Jahres-Vorausschau, S. 95 bis 108 des Buchs »Fortschritt durch Forschung«, Leybold-Heraeus. 5 Köln-Bayental, 1969;

(4) DL-PS 47 652;

(5) Gruber, Dietrich, Erben, Heimerl. Stephan »Vakuum-Technik 3" (1963), S. 65 bis 67.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Hochleistungs-Strahlerzeugungssystem zur Erzeugung von hochenergetischen Elektronenstrahäen für metallurgische Elektronenstrahlschmelzöfen mit einer Halterung für eine c'irekt geheizte Kathode sowie mit einer oder mehreren Elektroden zur Fokussierung der Elektronenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Fokussierungselektroden (3, 5, 22) ganz oder teilweise und/oder die Halterung (2) der direkt geheizten Kathode (1) aus Graphit hergestellt sind.

2. Hochleistungs-Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1 zur Erzeugung von Elektronenstrahlen mit ringförmigem Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß es eine innere Fokussierungselektrode (3) enthält, welche ganz oder teilweise, nämlich an der der Zerstäubung ausgesetzten Kanle (10), aus Graphit besteht und welche die von der direkt geheizten Kathode (1) erzeugten Elektronenstrahlen auf eine indirekt geheizte Kathode (4) fokussiert, und daß es eine äußere Fokussierungselektrode (5) enthält, welche ebenfalls ganz oder teilweise, nämlich an der Innenseite (11), aus Graphit besteht und welche zur Fokussierung der von der indirekt geheizten Kathode (4) emittierten Elektronenstrahl auf eine Anode (6) dient.

3. Hochleistungs-Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als Flachstrahlerzeugungssystem ausgebildet ist und eine lineare aus Graphit geformte Fokussierungselektrode (22) enthält.

4. Hochleistungs-Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 2 mit zwei zylindrischen mit Innenbohrungen für die Aufnahme des Kathodendrahtes der direkt geheizten Kathode versehenen Einspannbakken, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannbakken (2) aus Graphit gefertigt sind.

5. Hochleistungs-Strahlerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiteres hilzebeaufschlagtes oder stromführendes Bauteil, wie z. B. ein Befestigungselement für die Kathodenhalterung oder für die Fokussierungselektrode oder eine Hilfselektrode, aus Graphit besteht.