DE2145082C3 - Elektronenstrahlkanone - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenstrahlkanone, insbesondere für die Elektrometallurgie, mit einem sich längs einer Linie erstreckenden System aus einem Thermoemitter, einer Anode und einer elektromagnetischen Spulenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen Feldlinien in dem dem Thermoemitter benachbarten Elektronenbeschleunigungsbereich gekrümmt sind und quer zu den Normalen auf der elektronenemittnerenden Oberfläche verlaufen und die im Bereich des beschleunigten und fokussierten Elektronenstroms parallel zu diesem verlaufen.

Eine solche Elektronenstrahlkanone ist aus der US-Patentschrift 33 15 110 bekannt Bei dieser bekannten Ausbildung handelt es sich um ein rotationssymmetrisches System; die Linie der Erstreckung ist also ein Kreis. Im Rädiälschnitt weisen die Normalen auf der eiektronenemittierenden Oberfläche zum Krümmungsmittelpunkt der magnetischen Feldlinien hin und die Anode ist ohne seitliche Versetzung so gegenüber dem Thermoemitter angeordnet, daß die austretenden Elektronen zunächst eine Bahn beschreiben, deren Krümmung der Krümmung der magnetischen Feldlinien entgegengesetzt ist, um dann der Krümmung der Feldlinien zu folgen. Charakteristisch für diese Elektronenbahn ist also ein Wendepunkt und daß die Bewegungsrichtung der Elektronen bei deren Austritt im wesentlichen bereits diejenige des beschleunigten und fokussierten Stroms ist

Bei der bekannten Ausbildung ist die Stabilität des beschleunigten und fokussierten Elektronenstroms nicht groß und es treten Pulsationen auf. Dies hängt mit den Bedingungen zusammen, unter denen die Elektronen in

ίο das Feld eingeführt werden, wo die Feldlinie parallel innerhalb der Spulenanordnung verlaufen. Auf dem anfänglichen Abschnitt der Ausbildung des Elektronenstroms muß eine kräftige Fokussierung sichergestellt werden, wobei die fokussierenden Kräfte die Kräfte der Raumladung beträchtlich übersteigen.

Bei der bekannten Ausbildung treten im Bereich der Anfangsbeschleunigung der Elektronen keine ausgeprägten Zentrifugalkräfte auf; die elektrischen und die magnetischen Kräfte wirken in entgegensetzten Richtungen, wodurch weder eine hohe Stabilität des Elektronenstroms noch ein Umlenkwinkel von mehr als etwa 90" erreicht werden kann. Dadurch ist auch ein Schutz der Emitteroberfläche vor schädlichen Einwirkungen in metallurgischen Anlagen nicht möglich, wenn

z. B. die von der Bearbeitungszone ausgehenden Ionen unmittelbar auf die Emissionsfläche auftreffen können.

An sich ist aus der österreichischen Patentschrift 2 57 965 eine Ausbildung bekannt, bei der der Elektronenstrom um etwa 180° umgelenkt wird. Dies geschieht jedoch in der Weise, daß die Ebene der Elektronenbahnen senkrecht zu den durch die magnetischen Kraftlinien definierten Ebenen stehen. Dieses Prinzip wäre zur Anwendung bei achsensymmetrischen Systemen nicht geeignet Im übrigen geht es hier um die Ablenkung, ohne daß eine Fokussierung und Stabilisierung des Elektronenstroms in der Weise erreicht würde, daß der Elektronenstrom des beschleunigten Strahls längs des Magnetfeldes verläuft

Dieses bekannte System ist außerütm für Elektronen-Strahlkanonen größerer Leistung nicht geeignet, da bei größeren Entfernungen zwischen den Magnetpolen eine Inhomogenität des ablenkenden Magnetfeldes auftritt, was zu Verzerrungen der Querschnittsform des Elektronenstrahls führt

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Elektronenstrahlkanone zu schaffen, bei der Pulsationen vermieden sind und mit der ein energiereicher, gut fokussierter und stabiler Elektronenstrom erzeugt wird.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Ausbildung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in einem Schnitt quer zur Linie der Erstreckung die Normalen vom Krümmungsmittelpunkt der magnetischen Feldlinien wegweisen und die Anode seitlich neben dem Thermoemitter angeordnet ist, so daß der Umlenkungswinkel des Elektronenstroms den zwischen dem Bereich dt · Elektronenemission und dem Bereich des beschle'iiiigten und fokussierten Elektronenstrahls liegenden Krümmungswinkel der magnetischen Feldlinien um etwa 90° übersteigt

Bei einer solchen Ausbildung werden zur Verbesserung der Bedingungen bei der Einführung des Elektronenstroms in das Beschleunigungsfeld die Zentrifugalkräfte in der Weise mit ausgenutzt, daß auf dem ersten Abschnitt des Elektronenstroms die Zentrifugalkräfte, die elektrischen und die magnetischen Kräfte ins Gleichgewicht gebracht werden. Dabei sind die Zentrifugalkräfte den in ihrer Wirkungsrichtung übereinstimmenden elektrischen und magnetischen

Kräften entgegengerichtet Dies gilt bis etwa zu dem Abschnitt, wo der Elektronenstroni die gleiche Richtung annimmt, wie die magnetischen Feldlinien. Bis zu diesem Abschnitt kreuzt der Elektronenstrom die magnetischen Feldlinien zuerst in der einen Richtung und danach wieder in der anderen Richtung. Der Thermoemitter ist gut vor schädlichen Einwirkungen durch den bearbeitenden Werkstoff geschützt

Zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsvorschlags ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Eleschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert: Es zeigt

F i g. 1 den Schnitt durch eine Hälfte einer rotationssymmetrischen Elektronenstrahlkanone;

Fig.2 die Draufsicht auf die Ausbildung gemäß F i g. 1 im Bereich eines Viertelsektors;

F i g. 3 eine Ausbildung mit gerader Erstreckung des Emitter-Anoden-Systems zur Erzeugung eines ebenen Elektronenstroms;

F i g. 4 eine Ausbildung mit veränderlich gekrümmter Erstreckung des Emitter-Anoden-Systems zur Erzeugung eines Elektronenstroms mit knimmliegendem Querschnittsprofil;

F i g. 5 die Anordnung einer Elektronenstrahlkanone in einer Anlage zum Vakuumschmelzen von Metallen;

F i g. 6 die Anordnung einer ElektronenstraMkanone in einem UHF-Gerät

Bei der vorliegenden Elektronenstrahlkanone wird das Prinzip einer starken Elektronenbündeluing verwirklicht. Auf die Elektronen wirken große Querkräfte des elektrischen und magnetischen Feldes, die die Raumiadungskräfte wesentlich übertreffen, ein. Sie werden durch entsprechende, auf den krummlinigen Bahnen entstehende zentrifugale Trägheitskräfte ausgeglichen. Die Raumladungsfeldstärke stellt unter diesen Bedingungen eine dritte geringe Kraft dar, ihre Änderung wirkt sich auf die Elektronenbewegung nicht aus, und der Elektronenstrom gewinnt Stabilität. Die magnetischen Feldstärkelinien liegen bei der vorgeschlagenen Elektronenstrahlkanone in der Ebene der Ablenkung des Elektronenstroms. In der Nähe der Katode verlaufen die Elektronenbahnen senkrecht zv den magnetischen Feldstärkelinien, wie in Magnetronkanonen.

Dadurch kommen die magnetischen Kräfte arn besten zur Geltung. Im Gegensatz zu den bekannten Elektronenstrahlkanonen weisen die magnetischen Feldstärkelinien bei der vorliegenden Kanone eine scharf ausgeprägte krummlinige Form auf. Die Einführung des Elektronenstroms >n ein Magnetfeld sichert die Aufrechterhaltung der Abmessungen des Querschnitts ohne Pulsationen. Im Gegensatz zu den bekannten Elektronen wird der Elektronenstrom durch die Gesamtkraft des elektrischen und magnetischen Feldes abgelenkt so d.?3 in diesem Fall eine Bahn mit größerer Krümmung und dementsprechend mit stärkerer Bündelung realisiert werden kann; die Bewegungsrichtung des Elektronenstroms kann sich um einen wesentlich größeren Winkel als 90° ändern. Hierbei wird es möglich, die Perveanz der Quelle durch Vergrößerung der Abmessungen des in der Peripherie eines axialsymmetrischen Systems angeordneten Emitters zu erhöhen. Der Ionenbeschluß des Emitters wird beseitigt, da keine direkte Sichtverbindung zwischen Emitter und Elektro- ei nenauffänger besteht, was besonders wichtig für die Kanonen in der Metallurgie ist

Der Verlauf der magnetischen Feldstärkelinien in der Ebene der Ablenkung des Elektronenstroms gestattet es, am Ende der Ablenkung im magnetischen Längsfeld einen magnetisch fokussierten Elektronenstrom zu erhalten.

Wie in Fig. 1, 2 gezeigt, ist der ringförmige Thermoemitter 1 in der Nut einer Ringkatode 2 mit fokussierenden kegelförmigen Flächen untergebracht Auf einer Seite der Katode und gleichachsig mit dieser ist eine röhrenförmige Anode 3 mit einer toroidalen Oberfläche angeordnet

Gegenüber dem ringförmigen Thermoemitter 1 ist eine mit der Katode 2 gleichachsig auf deren Potential oder auf einem anderen der Anode 3 gegenüber negativen Potential liegende Zusatzelektrode 4 angeordnet Gleichachsig mit der Katode 2 und Anode 3 liegt eine von einem Schirm 6 aus weichmagnetischem Material umgebende Spule 5 des elektromagnetischen Systems. Auf der Achse der Elektronenstrahlkanone liegt ein Auffänger 7, den der Elektronenstrom nach dem Passieren des Durchlaufkanals £ erreicht

In F i g. 1 sind die magnetischen F_-ldstärkelinien strichpunktiert eingezeichnet Der Elektronenstrom ist schematisch durch punktierte Linien angedeutet Die Elektronenstrahlkanone arbeitet wie folgt Die aus dem ringfört.iigen Thermoemitter 1 herausfliegenden Elektronen bilden einen sich im Katodenbereich senkrecht zu den magnetischen Feldstärkelinien bewegenden ringförmigen Elektronenstrom aus. Die infolge der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld entstehende azimutale Kraft verleiht den Elektronen eine Geschwindigkeit in azimutaler Richtung. Die Wechselwirkung der azimutalen Geschwindigkeit mit dem Magnetfeld bedingt eine mit der Elektronenbeschleunigung ansteigende und in derselben Richtung, wie auch die elektrische Kraft wirkende Querkraft Unter der Wirkung dieser Kräfte wird der Elektronenstrom auf um die Anode 3 biegende Bahnen größerer Krümmung geführt und ändert die Bewegungsrichtung um 180°. Auf dieser Strecke werden die auf die Elektronen des Stroms einwirkenden Kräfte des Feldes durch große Flienkräfte ausgeglichen. Die Raumladungskräfte erweisen sich hierbei als wesentlich kleiner gegenüber den Kräften des äußeren Feldes und sind nicht in der Lage, auf die Fokussierung maßgebend Einfluß zu nphmen. Dies gewährleistet die Stabilität des Elektronenstroms. Die Anordnung der Anode 3 in der Nähe des Emitters 1 hat die Erzeugung eines starken, die Raumladung vermindernden und große Emissionsströme auslösenden elektrischen Feldes zur Folge, während ein Auftreffen des Elektronenstroms auf die Anode 3 durch die zentrifugale Fokussierung verhindert wird.

Indem der Elektronenstrom um die Anode 3 biegt, schneiJei er den Magnetfluß erneut in umgekehrter Richtung, verringert seine azimutale Geschwindigkeit und ändert deren vOrzeichen. Beim Ausgang auf die gerade Strecke bildet sich ein Elektronenstrom rohrförmigen Querschnitts aus, wobei die beibehaltenen azimutalen Geschwindigkeiten eine zum Ausgleich der Raumladungskräfte ausreichende magnetische Kraft gewährleisten. Im folgenden, indem sieh die Elektronen längs der magnetischen Feldstärkeünien bewegen, treffen sie auf die Oberfläche des Auffängers 7 auf. Als Ionenfalle für einen sich auf Grund eines mangelhaften Vakuums und Durcbwärmens von Teilen ausbildenden Ionenstrom dient eine das Eindringen der Ionen in das Katodengebiet verhindernde ringförmige Zusatzelektrone 4.

Fig.3 zeigt eine Variante der einen flachen

Elektronenstrom erzeugenden Elektronenstromkanone, deren Emitter 1 die Form eines geraden Staibes aufweist. Die Katode 2, Anode 3 und Zusatzelektrode 4 haben Zylinderflächen, deren Erzeugende parallel zum Thermoemitter i und senkrecht zu der Ebene der magnetischen Feldstärkelinien stehen. In derselben Richtung sind die Wicklungen der Spule 5 des elektromagnetischen Systems und dessen Schirm 6 angeordnet

F i g. 4 zeigt eine Variante der einen Elektronenstrom krummlinigen Profils erzeugenden Elektronenstrahlkanone, deren Thermoemitter 1 die Form eines krummen geschlossenen (beispielsweise, eines elliptischen) oder nicht geschlossenen Stabes aufweist. Die Katode 2, Anode 3, Zusatzelektrone 4 sowie die Wicklungen der Spule 5 des elektromagnetischen Systems mit dem Schirm 6 sind entsprechend der Form des Thermoemituers ί gekrümmt

F i g. 5 zeigt eine Variante der in einer elektrometaliurgischen Anlage zur Anwendung kommenden Elektronenstrahlkanone. Der ringförmige Thermoemitter 1 ist mit seiner Katode 2 und Innenanode 3 koaxial mit dem in diesem Fall einen Tiegel 9 mit Schmelzgut darstellenden Auffänger angeordnet und umfaßt die Anode 3. Das Niveau des ringförmigen Emitters 1 kann höher, niedriger oder auf einem und demselben Niveau mit dem Tiegel 9 liegen. F i g. 5 zeigt eine Variante der Anordnung der Elektronen der Kanone über dem Tiegel 9. Ober dem ringförmigen Thermoemitter 11 und koaxial zu ihm liegt eine ringförmige, ein für die Ablenkung der Elektronen erforderliche Feld erzeugende und von der Oberfläche des Tiegels 9 kommende lonenströme auffangende Zusatzelektrode 4. Auf der Achse der Elektronenstrahlkanone ist innerhalb der Anode 3 koaxial zu dieser ein auf Anodenpotential oder auf einem diesem nahen Potential liegenden Stab 10 angeordnet Der Stab 10 ist für die Zuführung des zu erschmelzenden Materials oder für die Entfernung des aus der Schmelze gezogenen Kristalls vorbestimmt Der Stab 10 nimmt keinen großen Anteil an der Fokussierung des Elektronenstroms und kann eingeführt bzw. unter einiger Änderung der Form, Anordnung oder des Potentials der Zusatzelektrode 4 aus der Konstruktion entfernt werden.

Unter der Katodenbaugruppe liegt ein mit einem Magnetleiter 12 versehenes, dem Thermoemitter 1 gleichachsig angeordnetes elektromagnetisches System 11. Das elektromagnetische System 11 besteht bei dieser Ausführung aus zwei Solenoiden, deren oberes zur Formierung und H-rausführung des Elektronenstroms im der Zone der Beschleunigung und Ablenkung und deren unteres zur Sicherung der Fokussierung des Elektronenstroms auf die Oberfläche des Tiegels 9 dient.

Die Elektronänstrahlkanone arbeitet wie folgt.

Der durch den Emitter 1 ausgestrahlte ringförmige Elektronenstrom wird unter der Wirkung des durch die Elektronen 2,4₍ die Anoden 3 und das elektromagnetische System 11 mit dem Magnetleiter 12 erzeugten elektrischen und magnetischen Feldes formiert. Unter Einwirkung der elektrischen und magnetischen Kräfte wird der Elektronenstrom (in der Zeichnung durch eine punktierte Linie angedeutet) abgelenkt, hart fokussiert und in einen über dem Tiegel 9 angeordneten Durchlaufkanal 8 eingeführt. Das Magnetfeld des unteren Solenoids des elektromagnetischen Systems 11 sorgt für die Bündelung des Elektronenstroms auf der Oberfläche des Tiegels 9 sowie für das erforderliche teilweise Auftreffen des Eiektronenstroms auf den Stab 10. Der auf die Oberfläche des Tiegels 9 auftreffende Elektronenstrom dient zur Ausbildung und Unterhaltung des Schmelzbades aus Metall. Die entstehenden gasförmigen Produkte werden von der offenen Oberfläche abgesaugt. Die sich über der Oberfläche der Schmelze ausbildenden lonenströme werden durch die das Eindringen der Ionen in das Katodengebiet verhindernde Zusatzelektrode 4 aufgefangen.

F i g. 6 zeigt eine Variante der Ausnutzung der Elektronenstrahlkanone in einem HHF-Gerät.

Der ringförmige Thermoemitter 1 liegt mit seiner Katode 2, Innenancde 3 und der Zusaizelektrode 4 koaxial mit einem elektromagnetischen Hochfrequenzsystem 13. Dieses System kann in den HHF-Geräten ein Resonator- oder ein periodisches System darstellen. Das Magnetfeld, dessen Feldstärkelinien in meridanalen Ebenen des axialsymmetrischen Systems liegen, wird durch ein elektromagnetisches System 14 mit einem Magnetleiter 15 oder durch einen Dauermagneten (nicht gezeigt) ausgebildet

Die Elektronenstrahlkanone arbeitet wie folgt

Der durch den ringförmigen Emitter 1 ausgestrahlte Elektronenstrom wird unter der Wirkung des durch die Elektroden 2, 4, die Anode 3 und das elektromagnetische System 14 mit dem Magnetleiter 15 erzeugten elektrischen und magnetischen Feldes formiert Unter Einwirkung der elektrischen und magnetischen Kräfte wird der Elektronenstrom abgelenkt hart fokussiert und in einen Durchlaufkanal 8 eingeführt wo er in Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Hochfrequenzsystem 13 tritt wobei er anschließend auf den Kollektor 16 gelangt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahlkanone, insbesondere für die Elektrometallurgie, mit einem sich längs einer Linie erstreckenden System aus einem Thermoemittcr, einer Anode und einer elektromagnetischen Spulenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen Feldlinien in dem dem Thermoemitter benachbarten Elektronenbeschleunigungsbereich gekrümmt sind und quer zu den Normalen auf der elektronenemittierenden Oberfläche verlaufen und die im Bereich des beschleunigten und fokussierten Elektronenstroms parallel zu diesem verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Schnitt quer zur Linie der Erstreckung die Normalen vom Krümmungsmittelpunkt der magnetischen Feldlinien wegweisen und die Anode (3) seitlich neben dem Thermoemitter (1) angeordnet ist, so daß der Umlenkungswinkel des Elektronenstroms den zwischen df»sn Bereich der Elektronenemission und dem Bereich des beschleunigten und fokussierten Elektronenstrahls liegenden Krümmungswinkel der magnetischen Feldlinien um etwa 90° übersteigt

2. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zusatzelektrode (4), die dem Thermoemitter (1) gegenüber angeordnet ist und gegenüber der Anode (3) auf negativem Potential liegt

3. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Linie der Erstreckung Jme Gerade ist

4. Elektronenstrahlkanone ach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Linie der Erstreckung einen krummliniger Verlauf hat

5. Elektronenstrahlkanone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Linie der Erstreckung ein Kreis ist

6. Elektronenstrahlkanone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen auf Anodenpotential hegenden Stab (10), dessen Achse mit der Achse der Anordnung zusammenfällt.