DE2148714A1

DE2148714A1 - Heizsystem fuer einen Elektronenstrahlofen

Info

Publication number: DE2148714A1
Application number: DE19712148714
Authority: DE
Inventors: Kennedy Kurt David
Original assignee: Air Reduction Co Inc
Current assignee: Airco Inc
Priority date: 1970-09-29
Filing date: 1971-09-29
Publication date: 1972-03-30
Also published as: IT939321B; US3622679A; FR2108281A5; SE380160B; GB1323235A; CA923981A

Description

-—' Patentanwälte >^

Dipl. Ing. F. Weickmann, - '- ' — Dipl, Ing, H. Weickmann, Dipl. Phys. Dr. K. Fincke Dipl. ing. F. A. Weickraann, Dipl. Chem. B. Huber B München 27, MShlstr. 22

Air Reduction Company, Incorporated 150 East 42 nd Street, New York, N₀Y., V. St. A.

Heizsystem für einen Elektronenstrahlofen

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenstrahlofen und insbesondere auf ein Heizsystem zur Anwendung in einem Elektronenstrahlofen.

Elektronenstrahlofen in einer Vielzahl von Ausführungsformen sind bei der Bearbeitung bzw. Verarbeitung vieler Metalle, Legierungen oder anderer Materialien von besonderem Nutzen, und zwar zum Beispiel in den Fällen, in denen hohe Reinheitsgrade durch Entgasung oder durch Vermeidung einer Reaktion mit Sauerstoff oder Stickstoff zu erzielen sind. Andere Anwendungsbereiche von Elektronenstrahlofen sind dann gegeben, wenn eine Trägerschicht bzw. ein Substrat durch Verdampfung und Kondensation eines Materials zu überziehen ist. Die Anwendung von Elektronenstrahlen stellt eine besonders vorteilhafte form der Erhitzung dar, und zwar insofern, als es möglich ist, Hitze in eine Schmelze lokal einzuführen oder einen Elektronenstrahl über eine grosse Zielfläche zu führen. Elektronenstrahlofen enthalten in

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typischer Weise einen evakuierten Behälter, ein Heizsystem mit einer oder mehreren Elektronenstrahlkanonen und zugehörigen Ablenksystemen zur Leimung und Fokussierung der Elektronenstrahlen und eine Zielfläche bzw. AuftrefffLäche. Bei dieser Zielfläche kann es sich um einen Behälter für geschmolzenes Material handeln, welches be- oder verarbeitet wird, oder aber um ein vor oder während des Überziehens zu erhitzendes Substrat.

In Abhängigkeit von der besonderen Art der ausgeführten Be-™ bzw. Verarbeitung kann ein Behälter für geschmolzenes Material eine Vielzahl von Formen aufweisen. In dem Pail, dass es erwünscht ist, das Material in dem Behälter zu verdampfen und anschliessend auf einem in geeigneter Weise abgestützten Substrat zu dessen Überziehen kondensieren zu lassen, umfasst ein typischer Behälter einen aufrecht stehenden, auf der Oberseite offenen Schmelztiegel. Die Elektronenstrahlheizung ermöglicht dabei, den Schmelztiegel selbst zu kühlen, wodurch zwischen dem Schmelztiegel und dem geschmolzenen Material eine Schicht aus verfestigtem Material gebildet wird. Diese Schicht schützt die Reinheit des geschmolzenen Materials und macht die Verwendung von hitzebeständigen Auskleidungen für hohe Temperaturen für die Schmelztiegelkonatrüktion überflüssig.

Eine andere Art der Be- bzw. Verarbeitung ist die Reinigung von Metallen und Legierungen in der Weiae, dass das geschmolzene Material oder die geschmolzene Legierung über einen flachen Herd geleitet wird. Dadurch, dass die betreffende Materialoberfläche koinzident einem Vakuum und der Elektronenstrahlerhitzung ausgesetzt wird, werden viele flüchtige Verunreinigungen und eingeschlossene Gase aus dem geschmolzenen Material abgeführt, wodurch ein in starkem Umfang gereinigtes Erzeugnis gewonnen wird. Andere Formen von verwendbaren Behältern umfassen sogenannte Tundishe, Rinnen und G-iesspfannen zum Zwecke·

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des Transports des geschmolzenen Materials zwischen verschiedenen Punkten. Die Elektronenstrahlheizung kann dazu herangezogen werden, das Material im geschmolzenen Zustand zu halten, währenddessen es in derartigen Behältern enthalten ist.

Während der Be- bzw. Verarbeitung von geschmolzenem Material in einem Elektronenstrahlofen kann das verdampfte Material Ionisationsprobleme hervorrufen oder die verschiedenen Teile der Elektronenstrahlkanone überziehen, wodurch deren Betrieb beeinträchtigt wird. Darüber hinaus kann das Abplatzen kondensierter Materialien von gekühlten Oberflächen des Vakuumbehälters sowie das Verspritzen und Verspratzen des geschmolzenen Materials von dem Schmelztiegel ebenfalls den Betrieb der Elektronenstrahlkanone beeinträchtigen. Dadurch, dass die Elektronenstrahlkanone unterhalb des das geschmolzene Matrial enthaltenden Behälters angeordnet wird, und dadurch, dass der Elektronenstrahl über eine gekrümmte Bahn von 180° bzw. um einen noch grösseren Winkel abgelenkt wird, sind eine Verunreinigung und ein Kurzschluss der Elektronenstrahlkanone auf einen minimalen Wert gebracht.

Bei einigen Arten von Elektronenstrahlofen sind grosse Zielflächen zu erhitzen. In dem Fall, dass zum Beispiel geschmolzenes Material in einem grossen Herd zu bearbeiten bzw. verarbeiten ist, oder in dem Fall, dass Bandmaterial, das überzogen wird, durch Elektronenstrahlen vorgewärmt wird, steht eine sehr grosse Zielfläche für die Erhitzung zur Verfügung. In derartigen Fällen ist ea häufig wünschenswert, den Elektronenstrahl in zwei oder mehreren Richtungen abzulenken, um die Anzahl der erforderlichen Elektronenstrahlkanonen auf einen minimalen Wert herabzusetzen und dennoch ein gleiohmässiges Wärmemuster auf der Zielflache zu erzielen. Um die gewünschte Elektronenstrahlablenkung bei einer Umlenkung dee Elektronenstrahls um einen grösseren Winkel als 180° ssu erzielen, werden magnetische Transverealfelder verwendet, die hinsichtlich ihrer Feldstärke veränderbar sind. Ein wünschenswerter Weg

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zur Erzeugung eines ortbogonalen-oder x/y-Ablenkmustera besteht, darin, zumindest zwei Transversalfeider bzw. Querfelder zu verwenden, deren Flusslinien um 90 geger&nander und in Bezug auf den Elektrbnenstrahlweg versetzt sind. Wenn der Ofenbehälter relativ gross ist, mag dies kein bedeutsames Problem mit sich bringen. Wenn jedoch der Raum relativ klein ist, kann die Unterbringung der zur Erzeugung der beiden magnetischen Transversalfelder vorgesehenen Einrichtungen dicht beieinander erhebliche Schwierigkeiten mit sich bringen, und zwar aufgrund der gegenseitigen Störung und der Verzerrung der Felder. Aus dem gleichen Grund ist auch die Erhitzung grosser Oberflächen in Elektronenstrahlofen schwierig, die eine grosae Anzahl von Elektron en strahlkanon en mit gesondeitenAblenkfeldern für jeden Elektronenstrahl verwenden.

In typischer Weise weist ein zwischen Polstücken erzeugtes Magnetfeld einen Bereich mit im wesentlichen gleichmässiger Feldstärke nahe der Mitte des betreffenden Feldes auf, während zu den Kanten des Feldes hin erhebliche Änderungen auftreten. Zur maximalen Raumausnutzung und einer guten Steuerung der Elektronenstrahllage ist es erwünscht, die G-rösse des gleichmassigen Feldbereichs bei einem gegebenen Polatückabstand auf efaen maximalen Wert zu bringen. Der Grund hierfür liegt darin, dass die ungleichmäseigen Bereiche eines Feldes Schwierigkeiten bezüglich der Strahlsteuerung mit sich bringen und häufig eine Kompensation durch geeignete Änderung der Gesamtfeldstärke dee magnetischen Feldes erfordern. Bei bisher bekannten Systemen haben sich überdies gewisse Schwierigkeiten hinsichtlich der Erzielung von Feldern mit grossen gleichmäseigen Bereichen ergeben, wenn nicht das gesamte Feld dadurch grosser gemacht wurde, dass grössere Polstücke verwendet wurden und dass der Abstand zwischen den Polstücken vergrössert wurde. Dies erfordert nicht nur einen gröeseren Ofenraum, sondern auch gröeeere Polstücke und einen grösseren Polstückabstand sowie die Bereitstellung einer gröeseren Leistung für eine bestimmte Feldstärke.

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Der Erfindung liegt demgemäaa die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Heiz- bzw. Erhitzungssystem für einen Elektronenstrahlofen zu schaffen. Das neu zu schaffende Heizsystem soll den vorhandenen Platz und die Leistung wirksam auszunutzen gestatten. Ferner soll bei dem neu zu schaffenden Heizsystem eine orthogonale Steuerung der Ablenkung von Elektronenstrahlen mit Hilfe von magnetischen Transversalfeldern ermöglicht sein und der Raum- bzw. Volumenbedarf auf einen minimalen Wert herabgesetzt sein. Schliesslich soll . .· die orthogonale Steuerung der Ablenkung eines Elektronenstrahls relativ grossen Querschnitts mit Hilfe einer Einrichtung vorgenommen werden können, die einen minimalen Platzbedarf hat.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer Vollschnittansicht einen Teil eines ein Heizsystem gemäss der Erfindung umfassenden Elektronenstrahlofens.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht eines Teiles der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung unter Veranachaulichung eines der erzeugten Magnetfelder.

Fig. 3 zeigt in entsprechender Ansicht wie Fig. 2 ein anderes erzeugtes Magnetfeld.

Fig. 4 zeigt in einer entsprechenden Ansicht wie Fig. 2 ein noch weiteres erzeugtes Magnetfeld.

Fig. 5 zeigt in einer Draufsicht dae Ergebnis einer bestimmten Betriebsweiee der Vorrichtung geniäaa der Erfindung.

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Ganz allgemein enthält das Elektronenstrahlofen-Heizsystem gemäss der Erfindung eine Elektronenstrahlkanone 11 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 12. Vier Magnetspulen 13,14 15 und 16 sind mit ihren Achsen unter Bildung eines Rechtecks entsprechend angeordnet. Die Spulen sind dabei ao angeordnet, dass die Bahn des Elektronenstrahls durch den Bereich verläuft, der durch die betreffenden Spulen begrenzt ist. Jede Spule der genannten Spulen weist einen Kern 17, 18, 19 bzw. 20 aus einem Material niedrigen magnetischen Widerstands auf. Zur Abgabe eines Speisestroma an die betreffenden Spulen ^ sind Einrichtungen 21 vorgesehen. Durch diese Einrichtungen bzw. Speiseeinrichtungen 21 werden die Spulen in der Weise gespeist, dass gegenüberliegend angeordnete Spulen Magnetfelder erzeugen, deren Kraftlinien in den betreffenden Kernen in der gleichen Richtung verlaufen. Die Speiseeinrichtung umfasst eine Einrichtung, die den den Spulen zugeführten Strom in einer bestimmten Weiae zu ändern gestattet.

Im folgenden sei auf Pig. 1 eingegangen, in der eine Ausführ ugsform der Erfindung veranschaulicht ist. Der Elektronenstrahlofen enthält einen evakuierten Behälter 22, von dem nur ein Teil dargestellt ist. In einem langgestreckten Behälter 26 ist ein geschmolzenes Zielmaterial 24· enthalten. Der betreffende Behälter 26 wird durch ein Kühlmittel gekühlt, welches durch Durchgänge 27 zirkuliert. Auf diese Weise wird eine Schicht oder Haut 28 aus verfestigtem geschmolzenem Material zwischen dem geschmolzenen Material und den Behälterwänden gebildet. Der Behälter 26 ist als Herd dargestellt, in welchem geschmolzenes Material von einer an einem Ende vorgesehenen, hier jedoch nicht näher dargestellten Rinne einfliesst. Der Inhalt des Herdea fliesat in einer senkrecht zur Papierebene verlaufenden Richtung; die betreffende Schmelze wird an dem dem Zuführende gegenüberliegenden Ende durch geeignete, hier nieht näher dargestellte Einrichtungen abgeführt. Der Pegel des geschmolzenen Metalls in dem Herd kann durch einen nicht näher dargestellten Überlauf gesteuert werden.

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Andere Einrichtungen zur Einführung geachmolzenen Materials in den Herd und zur Abfuhr des geschmolzenen Materials aus dem Herd können Einrichtungen, wie Tundishe, Heber oder Giesspfannen,umfassen. Zwischen dem Eintritt und dem Austritt strömt das Material langsam entlang des Herdes, wodurch es einen sehr hohen Wert der Aussetzung gegenüber dem Vakuum erreicht, in welchem die dargestellte Vorrichtung untergebracht ist.

Bei der dargestellten Art der Herdanordnung wird eine grosse Oberfläche geachmolzenen Materials bei geringer Tiefe während langer Zeitspannen dem Vakuum ausgesetzt. Eine derartige Anordnung ist von besonderem Vorteil bei der Reinigung vieler Arten von Eisen- und Nickelbasialegierungen sowie bei den meisten hitzebeständigen Metallen, wie Niob, Tantal, Titan Zirkon und anderen. Untersuchungen haben gezeigt, dass viele Reinigungsreaktionen, die unterschiedliche Verdampfungsvorgänge oder andere Entgasungsarten umfassen, Verweilzeiten erfordern, gemäss denen die Oberfläche des geachmolzenen Materiala mehrere zehn Sekunden lang sehr niedrigen Drucken ausgesetzt ist. In solchen Fällen ist die dargestellte Konfiguration, das heisst die Verwendung eines langen geradlinigen Herdes, entlang dessen das geschmolzene Material langsam fliesst, von besonderem Vorteil. Elektronenstrahlen werden dabei dazu benutzt, eine Verfestigung des Materials in dem Herd zu verhindern, wenn das betreffende Material längs des Herdes fliesst. Ausserdem dienen die Elektronenstrahlen dazu, Wärmegradienten hervorzurufen und Konvektionsatröme auf der Oberfläche zu erzeugen, damit das Material dem Vakuum in noch gröeserem Umfang ausgesetzt ist.

Um die Zielfläche des geschmolzenen Materials 24 in dem Herd 26 erhitzt zu halten, wird eine Vielzahl von ^lektronenstrahlen verwendet. Die Elektronenstrahlen können mit Hilfe einer

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Vielzahl von Elektronenstrahlkanonen 11 erzeugt werden, die hinsichtlich des Aufbaus und der Ausführung entsprechend ausgebildet sind und die jeweils ein eigenes Ablenksystem aufweisen, wie dies weiter unten in Verbindung mit der Elektronenstrahlkanone 11 erläutert werden wird.

Die Elektronenstrahlkanone 11 kann eine Elektronenstrahlkanone irgendeines geeigneten Typs sein. Eine bevorzugte Form einer Elektronenstrahlkanone ist in der US-Patentschrift 3 514 656 beschrieben. Die Elektronenstrahlkanone 11 enthält einen langgestreckten Emitter 32 zur Erzeugung von Elektronen. Der Emitter 32 ist vorzugsweise ein Wolframdraht, der sich zwischen Trägteilen 33 und 34 erstreckt. Durch hier nicht näher dargestellte Einrichtungen wird eine Gleichspannung an die Tragteile 33 und 34 angelegt, wodurch ein Gleichstrom durch den Emitter 32 fliesst. Durch den Stromfluss steigt die Temperatur des Emitters an, wodurch dieser freie Elektronen erzeugt.

Die durch den Emitter 32 erzeugten freien Elektronen werden durch eine Formungselektrode 36 an drei Seiten reflektiert. Die Elektrode 36 ist von den Emitter-Tragteilen 33 und durch Is&ierstreifen 37 bzw. 38 isoliert. Die Formungselektrode 36 ist mit einer langgestreckten Ausnehmung 39 versehen, durch die der Emitter 32 h±uurchragt. Wenn die Formungselektrode auf dem Emitterpotential gehalten wird, und zwar durch eine geeignete, hier nicht näher dargestellte Verbindung, so neigen die durch den Emitter 32 erzeugten Elektronen dazu, sich aus dem offenen Ende der genannten Ausnehmung 39 heraus und von der Formungselektrode 36 weg zu bewegen.

Die die Ausnehmung 39 in der Formungselektrode 36 verlassenden Elektronen werden in Form eines Elektronenstrahls mit Hilfe einer Beschleunigungselektrode 41 beschleunigt; sie gelangen

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durch eine in der Besehleunigungselektrode 41 enthaltene Öffnung 42 hindurch. Die Beschleunigungselektrode 41 besteht aus einer Platte, die zwei rechtwinklige Ansätze 43 und 44 aufv/eist, die an geeigneten Befestigungseinrichtungen (nicht gezeigt) angebracht sind. Die Platte 41 wird auf einem Potential gehalten, das wesentlich positiver ist als das Potential des Emitters und der Gegen- bzw. Rückenelektrode. Dadurch wird eine Beschleunigung der Elektronen bewirkt. Das Ergebnis dieser Beschleunigung ist ein bandförmiger Elektronenstrahl bzw. Bandstrahl, das heisst ein Elektronenstrahl mit einem längliehen Querschnitt, der in idealer Y/eise ein schmales Rechteck ist, jedoch an ein schmales Oval approximiert ist. Die Hauptachsenebene des Elektronenstrahls verläuft durch den Emitter.

Die Elektronen des Elektronenstrahls verlassen den Emitter unter einem spitzen Winkel in der Hauptachsenebene. Die Achse des Elektronenstrahls ist in Mg. 1 durch die Strichpunktlinie 46 angedeutet; diese Achse stellt die Mitte des Bandatrahles dar. Die von der normalen Ausrichtung des anfänglichen Elektronenweges erfolgende Ausrichtung der Elektronen in Bezug auf den Emitter 32 wM durch das starke Umfangsfeld hervorgerufen, welches durch den den Emitter durchfliessenden Heizgleichstrom erzeugt wird.

Nach Verlassen der An cudenöffnung 42 wird der Elektronenstrahl um etwa 90° längs einer gekrümmten Bahn mit Hilfe eines magnetischen Transversalfeldes umgelenkt. Das magnetische Transversalfeld bzw. transversale Magnetfeld wird am Beginn der Bahn des Elektronenstrahls zwischen zwei langgestreckten stabförmigen Polstücken 47 erzeugt, von denen nur eines dargestellt ist. Die Polstücke verlaufen im wesentlichen parallel zu dem Emitter 32 und parallel zueinander; sie sind zu beiden Seiten des Elektronenstrahls 46 derart angeordnet, dass sie parallel zu dessen Hauptachsenebene verlaufen. Ein Magnet 48

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verläuft zwischen den oberen Enden der Polatücke 47» und ein Magnet 49 verläuft zwischen den unteren Enden der Polatücke 47. Die beiden Magnete aind hinsichtlich ihrer Polaritäten in gleicher Weise .ausgelichtet; aie aind Elektromagnete, die an einer geeigneten, jedoch nicht näher dargestellten Steuerschaltung und Speisequelle angeschlossen sind. Die Polaritäten werden mit Feldlinien erzeugt, welche senkrecht aus der Zeichenebene austreten. Dadurch wird eine nach oben gerichtete Umlenkung des dargestellten Elektronenstrahls 46 bewirkt. Die Wirkung des Feldes auf den Elektronenstrahl ruft ferner eine Konvergenz der gegenüberliegenden Kanten des Elektronenstrahls zueinander in der Ebene der gekrümmten Bahn hervor, und zwar zufolge der Tatsache, dass die Bahn der Elektronen zu der Unterkante des Elektronenstrahls hin in dem durch die Polatücke 47 erzeugten Magnetfeld langer iat. Bezüglich weiterer Einzelheiten der Ablenkung und Fokuaaierung dea Elektronenstrahl aei auf daa erwähnte US-Patent hingewieaen.

Eine im wesentlichen horizontal verlaufende Dampfbarriere bzw. Dampf abschirmung 52 iat oberhalb der Elektronenatrahlkanone 11 vorgeaehen. Die Dampfabschirmung 52 weiat eine öffnung 51 auf, durch die der Elektronenstrahl nach oben in den übrigen Teil der evakuierten Ofenkammer gerichtet iat. Durch Trennung des Bereichs, in dem die Elektronenstrahlkanone 11 untergebracht ist, von dem Bereich, in dem die eigentliche Erhitzung der Zielfläche stattfindet, ist die Elektronenatrahlkanone in weit schwächerem Auamass Dampfpartikeln auageaetzt, und zwar inabesondere in dem Fall, daaa ein gesondertes Pumpsystem für den Teil des Ofens vorgesehen ist, in dem die Elektronenstrahlkanone untergebracht ist.

In dem Ofen sind oberhalb und zu beiden Seiten des Zielmaterials 24 zwei keilförmige Polatücke vorgesehen, von denen nur eines dargestellt und mit 53 bezeichnet ist. Für die Polatücke aind geeignete, hier jedoch nicht näher dargestellte elektromagnetische Erregerwpulen vorgeaehen, durch, die ein starkes magne-

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tisches Transversalfeld erzeugt wird, das sich zwischen den beiden Polstücken erstreckt. Wenn der Elektronenstrahl durch dieses Feld hindurchtritt, wird er um einen Winkel von etwa 150° umgelenkt, um auf die Oberfläche des geschmolzenen Materials 24 aufzutreffen. Da die Elektronen auf der Aussenkante des gekrümmten Elektronenstrahls in dem Feld langer verbleiben als die an der Innenkante des betreffenden Elektronenstrahls auftretenden Elektronen, ergibt sich damit eine gewisse Konvergenz des Elektronenstrahls und damit ein erwünschter Fokussierungseffekt. Durch diesen Fokussierungseffekt wird ein dichter Fleck zur Erhitzung des Materials 24 erzeugt. Anstatt der Polstücke 53 können auch andere geeignete Einrichtungen als im Rahmen der Erfindung liegend zur Umlenkung des Elektronenstrahls auf die Zielfläche verwendet werden.

Wie oben erwähnt, ist es wünschenswert, dass der Elektronenstrahlfleck auf der Oberfläche des Zielmaterials 24 in einem gewünschten Muster abgelenkt wird, um das für den vorteilhaftesten Betrieb des Systems erforderliche Erhitzungsmuster zu erhalten. Mit Ausnahme eines Umkehrbereichs bzw. Umschlagbereichs, wie er in der in der Abschirmung 52 enthaltenen öffnung 51 auftritt, weist ein durch einen langgestreckten Emitter erzeugter Elektronenstrahl in typischer Weise einen relativ grossen Querschnitt auf. Demgemäss kann die Ablenkung eines solchen Elektronenstrahls in einer orthogonalen Weise aus den vorstehend erläuterten Gründen zu Schwierigkeiten führen. G-emäss der Erfindung erfolgt eine gesteuerte orthogonale Ablenkung mit Hilfe von vier Magnet-Ablenkspulen 13» 14» 15 und 16. Die Magnetspulen oder Spulen sind in einem Viereck angeordnet, um einen viereckigen Zwischenraum festzulegen. Bei der dargestellten Anordnung begrenzen die Spulen ein Viereck, wobei die Kerne 17, 18, 19 und 20 der betreffenden Spulen an ihren Enden sich berühren und damit einen viereckigen Weg." niedrigen magnetischen Widerstands bilden. Die Spulen auf gegenüberliegenden Schenkeln oder gegenüberliegenden Seiten

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des Vierecks sind elektrisch einander paallel oder in Serie geschaltet, wobei die Polarität so gewählt ist, dass die betreffenden Spulen ein Magnetfeld in derselben Richtung erzeugen, das heisst in Richtung der angegebenen Zeile. Mit anderen Worten ausgedrückt heisst dies, dass die Kraftlinien in den Spulenkernen 17 und 19 zu demselben Ende des Vierecks hinlaufen, und dass die Kraftlinien in den Spulenkernen 18 und 20 ebenfalls zu demselben Ende des Vierecks hinlaufen .

Jede Spule der Spule 13» 14» 15 und 16 besteht aus einer " oder mehreren schraubenlinienförmig gewickelten Windungen auf ihrem ferromagnetischen Kern. Die betreffenden Spulen können jeweils einen entsprechenden Aufbau haben wie die in den Magn_jetspulen verwendeten Spulen. Vorzugsweise weist jede Spule eine Länge auf, die zumindest dem Zweifachen ihres Durehmessers entspricht. Die Spulen werden dadurch gespeist, dass durch sie ein G-leichstrom von der Steuerschaltung 21 her geleitet wird. Eine in hohem Masse gleichmässige Feldstärke ergibt eich dabei aus der Tatsache, dass der Streufluss der einzelnen Drähte der betreffenden Spulen die Kraftlinien des Hauptfeldes in dem Bereich längs der Kanten der Spulen verstärkt, in welchem Bereich die Feldstärke bei einer konventionellen Anordnung sich vermindert. Wie an sich bekannt, wird der Streufluss durch den durch jede Windung hindurchfliessenden Strom erzeugt. Bei einer langen Spule ist der von jeder Windung ausgehende Streufluss mit dem Streufluss der jeweils benachbarten Windungen eng verbunden, wodurch lange Flusslinien gebildet werden, die längs der Spule neben deren Aussenflache und parallel zu der Spulenachse verlaufen. Die Verwendung zweier, in der oben beschriebenen Weise gespeister Magnetepulen zu beiden Seiten des rechteckförmigen Zwischenraumes bewirkt, dass das Hauptfeld an seinen Kanten durch den Streufluss der Spulen verstärkt wird. Dies führt zu einem Feld, in welchem die Feldstärke auf etwa plus oder minus 10# konstant gehalten werden kann. Das System

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kann dabei in ziemlicher Mhe neben magnetischen Anordnungen angebracht sein, ohne dass sich dadurch eine nachteilige Auswirkung ergibt.

Im folgenden sei Pig. 2, näher betrachtet. G-emäss Fig. 2 werden die Spulen 13 und 15 in der oben angegebenen Weise gespeist, während die Spulen 14 und 15 nicht gespeist sind. Die dargestellten Kraftlinien verlaufen zum grössten Teil im wesentlichen parallel zu den Achsen der gespeisten Spulen. Der Weg für diese Kraft- oder Flusalinien verläuft durch die entsprechenden Kerne 17 und 19 der Spulen j er verläuft in der gleichen Richtung wie die betreffenden Kerne. Der magnetische Weg verläuft im übrigen zum Teil durch die Kerne der nicht erregten Spulen und dann über den viereckigen Zwi s chenraum.

Das bei erregten Spulen 14 und 16 und nicht erregten bzw. gespeisten Spulen 13 und 15 sich ergebende entsprechende Ergebnis ist in Pig. 3 veranschaulicht. Aus Fig. 3 geht dabei hervor, dass die Flusslinien in dem durch die Spulen begrenzten viereckigen Bereich senkrecht zur Richtung der Flusslinien gemäss Fig. 2 verlaufen. Dies bedeutet, dass die Flusslinien nunmehr parallel zu den Achsen der gespeisten Spulen verlaufen. In entsprechender Weise zu dem in Fig. 2 dargestellten Fall verläuft der Weg für die Fluaslinien durch die Kerne 18 und 20, und zwar in derselben Richtung, in der die betreffenden Kerne verlaufen, und zum Teil durch die Kerne der nioht gespeisten Spulen.

Im folgenden aei auf Fig. 4 näher eingegangen. In Fig. 4 sind die Ergebnisse einer gleichen Erregung beider Magnetapulenpaare veranschaulicht. Dabei dürfte ersiohtlich sein, dasa bei einer viereckigen Anordnung von Spulen die Flusalinien unter einem Winkel von im wesentlichen 45 in Bezug auf die Jluaslinien verlaufen, die dann erzeugt werden, wenn jeweils nur ein Spulenpaar gespeist wird. Wenn die Speisung

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bzw. Erregung der betreffenden Spulenpaare relativ zueinander verändert wird, und zwar in der Ricäitung und/oder Amplitude, ao ändert sich die Richtung der Flusslinien entsprechend. Damit kann je nach der relativen Erregung der Spulenpaare jeder gewünschte Flusslinienwinkel erzielt werden, und ausserdem kann selbstverständlich die Gesamtfeldstärke des Magnetfeldes durch Verändern des Erregungsgrades verändert werden.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind Magnetspulen und Kerne gleicher länge verwendet worden, wodurch ein viereckiges ^ Magnetfeld begrenzt wird. In gewissen Fällen können die Ofen- * geometrie oder bestimmte Charakteristiken des Systems ein rechteckförmiges oder andersartig geformtes viereckiges Magnetfeld bevorzugter erscheinen lassen. So kann zum Beispiel ein breiterer Ablenkbereich in einer Richtung erwünscht sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Spulen, die sich in dieser Richtung erstrecken, in geeigneter Weise verlängert werden. In jedem Fall ist das resultierende Feld in hohem Maße gleichmässig und damit äusserst vorteilhaft hinsichtlich der Ablenkung bzw. Umlenkung von Elektronenstrahlen mit relativ grossem Querschnitt. Im übrigen ist für eine gegebene Elektronenstrahl-Ablenkstrecke die erforderliche Gesamtgrösse des Magnetfeldes auf einen minimalen Wert herabgesetzt, wenn der Elektronenstrahl in erfindungsgemasser Weise erzeugt wird.

Im folgenden sei auf Fig. 5 näher eingegangen, in der die Ergebnisse unterschiedlich starker Speisung bzw. Erregung der betreffenden Spulen hinsichtlich der Beeinflussung der Elektronenstrahlablenkung veranschaulicht sind. Die Elektronenstrahl-Fleckposition ^Ha^H stellt die Elektronenstrahlposition dar, in der keiner Spule der Spulen 13 bis 16 ein Erregerstrom zugeführt wird. Diese Position wird durch eine geeignete Geometrie in dem System erzielt; sie mag als Bezugsposition bezeichnet aein.

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In der Position ^Nb^H befindet sich der Elektronenstrahlfleck in dem Fall, dass ein Strom durch die Spulen 13 und 15 hindurchgeleitet wird, nicht aber durch die Spulen 14 und 16. Ausserdem ist damit der Fall gekennzeichnet, dass der Strom in einer Richtung durch die Spulen hindurchgeleitet wird, um die in Irage kommende Wirkung der Magnetkräfte auf die Elektronen des Elektronenstrahls hervorzurufen und den Elektronenstrahl in die betreffende Richtung zu bewegen. Der Strom kann entweder positiv oder negativ Sein, und zwar je nach der Wickelrichtung der betreffenden Spulen. Ein Strom entgegengesetzter Polarität und etwa gleicher Amplitude bewirkt, dass der Elektronenstrahlfleck in die Position ^wc^w abgelenkt wird.

In entsprechender Weise wird eine Querablenkung durch geeignete Speisung bzw. Erregung der Spulen H und 16 erreicht. Die Position "d" kennzeichnet die maximale Ablenkung mit Hilfe eines Stroms einer Polarität in den Spulen H und 16 und keinem Strom in den Spulen 13 und 15· Die Position ^Meⁿ kennzeichnet eine maximale Ablenkung zufolge eines Stroms mit zu der zuvor angenommenen Polarität entgegengesetzter Polarität. Die Positionen längs einer linie zwischen den Elektronenstrahlflecken ^wa^H, "b" und "c" können durch geeignete Änderung der Stärke und Richtung des die Spulen 13 und 15 durchfliessenden Stroms erreicht werden. In entsprechender Weise kann eine Änderung in der Position dea Elektronenstrahle längs einer linie zwischen den Elektronenatrahlfleoken ^Ka^M, "d^w und ^He^w durch geeignete Änderung des die Spulen H und 16 durchfliessenden Stroms erzielt werden.

TJm den Elektronenstrahl in die anderen Positionen zu leiten,. die nicht auf einer geraden Linie zwischen den Positionen ^wb^w und "cⁿ oder "d" und ⁿe^w liegen, wird die relative Speisung

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bzw. Erregung und die G-esamtspeisung der verschiedenen Spulen in geeigneter Weise eingestellt. Bei einer praktischen Ausführungsform scheinen die beiden magnetischen Kreise unabhängig zu arbeiten, weshalb eine orthogonale Einstellung des Elektronenstrahlflecks vorgenommen werden kann, indem der die Spulen 13 und 15 durchfliessende Strom als y-Koordinate betrachtet wird, während der die Spulen 14 und 16 durchfliessende Strom als x-KoDrdinate betrachtet wird. Durch diese Vereinfachung ist eine sehr genaue Elektronenstrahlfleckeinstellung erzielbar, obwohl die Handhabung des Magnetfeldes selbst etwas komplizierter ist..

Während des Betriebs ist das System gemäss der Erfindung durch die geringe Nähe ferromagnetischer Bauelemente oder sogar durch andere Magnetfelder nahezu unbeeinflusst. Dadurch weist das System einen geringeren Raumbedarf auf. Darüber hinaus ergibt sich eine weitere Raumersparnis dadurch, dass die orthogonale Ablenkung durch eine Ablenkanordnung erzielt wird, die eine sehr kleine Strecke des Elektronenstrahlweges beansprucht.

Aus Vorstehendem dürfte ersichtlich sein, dass durch die Erfindung ein verbessertes Heizsystem zur Verwendung in einem Elektronenstrahlofensystem geschaffen worden ist. Die Elektronenstrahlablenkung ist mit Hilfe einer Vorrichtung vornehmbar, die einen minimalen Raumbedarf hat und durch die eine äusserst genaue Einstellung der Elektronenstrahlposition möglich ist. Die Konstruktion des Systems ist einfach und billig, und aufgrund seiner Einfachheit zeichnet sich das System durch einen Betrieb mit hoher Zuverlässigkeit aus. Das System kann im übrigen dazu herangezogen werden, einen Elektronenstrahl zu steuern, der von der Elektronenstrahlkanone zu der Zielfläche hin längs eines nahezu geradlinigen Weges geleitet wird. Das System kann überdies auch zusammen mit anderen Ablenkeinrichtungen als den in der dargestellten Ausführungsform vorgesehenen Ablenkeinrichtüngen verwendet werden.

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Claims

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Patentansprüche

Heizsystem für einen Elektronenstrahlofen, enthaltend eine Kanonenstrahlkanone zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, elektromagnetische Einrichtungen zur Erzeugung eines transversalen Magnetfeldes in der Bahn des Elektronenstrahls zu dessen Ablenkung in einer gewünschten Richtung und Speiseeinrichtungen zur Abgabe eines Speisestroms an die elektromagnetischen Einrichtungen zum Zwecke der Erzeugung des Magnetfeldes, wobei die Speiseeinrichtungen den Strom für die elektromagnetischen Einrichtungen in einer bestimmten Weise zu ändern gestatten, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Einrichtungen Magnetspulen (13,15,14,16) enthalten, die mit ihren Achsen unter Bildung einer geschlossenen Form angeordnet sind, daß die Magnetspulen (13,15,14,16) so angeordnet sind, daß die Bahn des Elektronenstrahls (46) durch den durch die betreffende Magnetspulen (13,15,14,16) begrenzten Bereich hindurchtritt, daß jede Magnetspule (13,15,14,16) einen Kern (17,19,18,20) aus einem Material niedrigen magnetischen Widerstands aufweist und daß zumindest zwei Magnetspulen der Magnetspulen (13,15,14,16) so gewickelt sind, daß sie Magnetfelder erzeugen, deren Kraftlinien in den Kernen dieser Magnetspulen in unterschiedlichen Richtungen verlaufen.
2. Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (17,19,18,20) der Magnetspulen (13,15,14,16) an ihren Enden unter Bildung eines magnetischen Kreises geringen magnetischen Widerstands miteinander in Kontakt sind.
3. Heizsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Magnetspulen (13,15,14,16) vier beträgt,

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daß die Achsen der Magnetspulen (13,15,14,16) unter Bildung eines Vierecks verlaufen und daß gegenüberliegend angeordnete Magnetspulen'(13,15,14,16) so gewickelt sind, daß die Kraftlinien in ihren Kernen in derselben Richtung verlaufen.
4. Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strom ändernden Speiseeinrichtungen (21) imstande sind* den strom in Richtung und

ψ Amplitude durch zumindest zwei Sätze der betreffenden Magnetspulen (13,15,14,16) unabhängig zu ändern.
5. Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahls^ nahezu senkrecht zu einer die Achsen der Magnetspulen (13,15,14,16) enthaltenden Ebene verläuft.
6. Heizsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen (13,15,14,16) so angeordnet sind, daß ihre Achsen ein Rechteck bilden.

2098U/1120

ι ^Λ ·♦ Leerseite