KR20100016086A - 와이어­방전 이온 플라즈마 전자 방출기를 포함하는 용융 퍼니스 - Google Patents

와이어­방전 이온 플라즈마 전자 방출기를 포함하는 용융 퍼니스 Download PDF

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Abstract

전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치가 진공 챔버 및 상기 진공 챔버 내에 배치된 허쓰(hearth)를 포함한다. 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기가 상기 진공 챔버에 인접하여 또는 그 내부에 배치되고, 넓은-면적 전자 필드를 챔버 내로 지향시키도록 배치되며, 이때 넓은-면적 전자 필드는 전기 전도성 금속 물질을 용융 온도까지 가열하기에 충분한 에너지를 가진다. 상기 장치는 챔버와 소통되고 허쓰로부터 용융 물질을 수용하도록 배치된 몰드 또는 기타 주조 또는 원자화 장치를 더 포함할 수 있다. 바람직하게, 휘발성 원소의 증발을 감소시키기 위해서, 퍼니스 챔버 내의 압력이 5.3 Pa 보다 높게 유지된다.
이온 플라즈마, 전자 방출기, 용융 퍼니스

Description

와이어­방전 이온 플라즈마 전자 방출기를 포함하는 용융 퍼니스 {MELTING FURNACE INCLUDING WIRE-DISCHARGE ION PLASMA ELECTRON EMITTER}
관련 출원의 상호 참조
본원은 2007년 3월 30일자로 출원되어 함께 계류중인 미국 가출원 번호 제 60/909,118 호에 대해서 35 U. S. C. § 119(e)에 따른 우선권을 주장한다.
본원 발명은 금속 및 금속 합금(이하 "합금"이라 한다)의 용융 기술 및 설비에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 금속 및 합금 및/또는 물질을 용융 시키고 용융 상태로 유지하기 위해서 전자를 이용하는 기술 및 설비에 관한 것이다.
합금 용융 프로세스는 적절한 물질의 장입물(charge)을 준비하는 단계 및 그 후의 장입물 용융 단계를 포함한다. 용융된 장입물 또는 "용융체"는 용융체 화학성분(chemistry)의 개선을 위해서, 용융체로부터 바람직하지 못한 성분을 제거하기 위해서, 및/또는 용융체로부터의 주조된 제품의 미세조직에 영향을 미치기 위해서 정련 및/또는 처리된다. 용융 퍼니스(furnace)는 전기 또는 화석 연료의 연소에 의해서 전력을 공급 받으며(powered), 적절한 장치의 선택은 상대적인 비용 및 적용가능한 환경 규제에 의해서, 그리고 준비되는 물질의 본질(identity)에 의해서 크 게 영향을 받는다. 다양한 용융 기술 및 장치를 오늘날 이용할 수 있다. 예를 들어, 용융 기술의 일반적인 분류(classes)는, 유도 용용(induction melting)(진공 유도 용융 포함), 아아크 용융(진공 아아크 스컬 용융(vacuum arc skull melting) 포함), 도가니 용융, 및 전자 비임 용융을 포함한다.
통상적으로, 전자 비임 용융은 목표(target) 물질을 가열하는데 이용되는 고에너지의 실질적으로 선형인 전자 스트림을 생성하기 위해서 열-이온 전자 비임 건(thermo-ionic electron beam guns)을 이용하는 단계를 포함한다. 열-이온 전자 비임 건은 필라멘트로 전류를 통과시킴으로써 작동되고, 그에 따라 필라멘트를 고온으로 가열하고 그리고 필라멘트로부터 원자들을 "보일링(boiling)"한다. 이어서, 필라멘트로부터 발생된 전자들이 매우 좁고 실질적으로 선형인 전자 비임 형태로 목표를 향해서 포커싱되고 가속된다. 또한, 이온 플라즈마 전자 비임 건의 타입을 이용하여 합금 용융체를 제조할 수 있을 것이다. 특히, V.A. Chernov, "Powerful High-Voltage Glow Discharge Electron Gun and Power Unit on Its Base", 1994 Intern. Conf. on Electron Beam Melting (Reno, Nevada), pp. 259-267에 기재된 "글로우 방전(glow discharge)" 전자 비임 건이 Ukraine, Kiev에 소재하는 Antares가 공급하는 특정 용융 퍼니스에 포함될 수 있을 것이다. 그러한 장치들은 음극을 타격(bombard)하고 전자를 생성하는 양이온(cation)을 포함하는 저온 플라즈마(cold plasma)를 생성함으로써 작동되고, 상기 생성된 전자들은 포커싱되어 실질적으로 선형인 전자 비임을 형성한다.
전술한 타입의 전자 비임 건에 의해서 생성된 실질적으로 선형인 전자 비임 이 전자 비임 용융 퍼니스의 배기된(evacuated) 용융 챔버 내로 지향되고 그리고 용융될 및/또는 융융 상태로 유지될 물질에 충돌한다. 전기 전도성 물질을 통한 전자의 전도는 그 물질을 특정 용융 온도 보다 높은 온도로 신속하게 가열한다. 예를 들어 약 100 kW/cm2 일 수 있는 실질적으로 선형인 전자 비임의 높은 에너지가 주어지는 경우에, 선형 전자 비임 건은 매우 높은 온도의 열 공급원이고 그리고 용융점을 용이하게 초과할 수 있으며, 일부 경우에는, 실질적으로 선형인 전자 비임이 충돌하는 곳에서 물질의 증발 온도를 용이하게 초과할 수 있다. 자기 편향 또는 유사한 지향(directional) 수단을 이용하여, 실질적으로 선형인 전자 비임이 용융 챔버 내의 목표 물질에 걸쳐 고주파로 래스터링되며(rastered), 그에 따라 다수의 복잡한 형상들을 가지는 목표물에 걸쳐서 그리고 넓은 면적에 걸쳐서 비임이 지향될 수 있게 된다.
전자 비임 용융이 표면 가열 방법이기 때문에, 얕은 용융 풀(pool) 만을 생성하며, 이는 주조 잉곳(cast ingot)에서의 다공성 및 편석(segregation)을 제한하는데 있어서 유리할 수 있다. 전자 비임에 의해서 생성된 과열된 금속 풀이 퍼니스 용융 챔버의 고진공 분위기 내에 배치되기 때문에, 그러한 기술은 또한 용융 금속을 탈가스 처리하는 경향을 가진다. 또한, 상대적으로 높은 증기압을 가지는 합금 내에서 바람직하지 못한 금속 및 비금속 성분들이 용융 챔버 내에서 선택적으로 증발될 수 있을 것이며, 그에 따라 합금 순도를 개선할 수 있을 것이다. 한편, 고-포커싱된(highly-focused) 실질적으로 선형인 전자 비임에 의해서 발생되는 바람 직한 성분의 증발을 고려하여야 할 것이다. 원하지 않는 증발은 생산에 있어서 반드시 인자화(factored)되어야 하며, 전자 비임 용융 퍼니스를 이용할 때 합금 생산을 상당히 복잡하게 할 수 있다.
여러 가지 용융 및 정련 방법들에는, 열-이온 전자 건을 이용하여 공급 원료(feed stock)를 전자 비임 용융하는 것이 포함된다. 드립 용융(drip melting)은, 예를 들어, 탄탈륨 및 니오븀과 같은 내화 금속을 프로세싱하기 위한 열-이온 전자 건 용융 퍼니스에서 사용되는 통상적인 방법이다. 통상적으로, 바아(bar) 형태의 원료 물질이 퍼니스 챔버로 공급되고 그리고 상기 바아에 포커싱된 선형 전자 비임이 정적인(static) 또는 회수용(withdrawal) 몰드 내로 직접적으로 상기 원료물질을 드립-용융시킨다. 회수용 몰드 내에서 주조(casting)하는 경우에, 잉곳 바닥에서 회수함으로써 성장하는 잉곳의 상부에서 액체 풀 높이가 일정하게 유지된다. 공급 물질은 전술한 탈가스 및 선택적인 증발 현상의 결과로서 정련된다.
전자 비임 저온 허쓰 용융 기술(electron beam cold hearth melting technique)은 반응성 금속 및 합금의 프로세싱 및 재활용에서 일반적으로 이용된다. 실질적으로 선형인 전자 비임을 공급 원료 바아의 단부에 충돌시킴으로써, 공급 원료가 드립-용융된다. 용융된 공급 원료가 수냉식 구리 허쓰의 단부 영역내로 드립핑되어, 보호 스컬(protective skull)을 형성한다. 용융 물질이 허쓰 내에 수집됨에 따라, 범람하여 회수용 몰드 또는 기타 주조 장치내로 중력에 의해서 낙하된다. 허쓰 내에서의 용융 물질의 체류 시간 동안에, 실질적으로 선형인 전자 비임이 물질의 표면에 걸쳐 신속하게 래스터링되며, 그 물질을 용융 형태로 유지한 다. 이는 또한 높은 증기압 성분의 증발을 통해서 용융 물질을 탈가스 및 정련하는 효과를 가진다. 또한, 허쓰는 고밀도 및 저밀도 고체 개재물(inclusions) 사이의 중력 분리(gravity separation)를 촉진하도록 크기가 결정될 수 있으며, 그러한 경우에 산화물 및 기타 상대적으로 낮은 밀도의 개재물이 용해될 수 있는 충분한 시간 동안 용융 금속 내에서 유지되는 한편, 고밀도 입자는 바닥으로 가라 앉게 되고 스컬 내에 포획(trapped)된다.
종래의 전자 비임 용융 기술의 여러 가지 이점과 함께, 이러한 기술의 추가적인 개선이 바람직할 것이다.
본 발명의 하나의 비-제한적인 측면에 따라서, 전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치의 실시예가 설명된다. 그러한 장치는 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내에 배치된 허쓰, 및 상기 진공 챔버에 인접한 또는 그 내부의 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기를 포함한다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기는 넓은-면적의 전자 필드를 챔버 내로 지향시키도록 배치되며, 이때 전자 필드(electron field)는 전기 전도성 금속 물질을 용융 온도까지 가열하기에 충분한 에너지를 가진다. 몰드 또는 기타 주조 또는 원자화(atomizing) 장치가 챔버와 소통되고 허쓰로부터 용융 물질을 수용하도록 배치된다. 용융 물질로부터의 휘발성 원소의 챔버 내 증기화를 제거 또는 감소시키기 위해서, 용융 장치의 특정의 비-제한적인 실시예가 종래의 전자 비임 용융 퍼니스의 챔버 압력 보다 높은 챔버 압력에서 작동된다.
본 발명의 다른 비-제한적인 측면에 따라서, 진공 챔버 및 상기 진공 챔버 내에 배치된 허쓰를 포함하는 전자 비임 저온 허쓰 용융 퍼니스가 설명되며, 상기 허쓰는 용융 물질 보유(holding) 영역을 포함한다. 상기 퍼니스는 상기 진공 챔버에 인접한 또는 그 내부의 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기를 더욱 포함한다. 상기 허쓰 및 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기에 의해서 방출되는 넓은-면적의 전자 필드가 용융 물질 보유 영역 및 그 영역 내에 배치된 물질에 적어도 부분적으로 충돌하도록 배치된다. 회수용 몰드가 챔버와 소통되고 허쓰로부터 용융 물질을 수용하도록 배치된다. 하나 이상의 물질 공급기가 상기 챔버와 소통되고 허쓰 영역 위쪽의 위치에서 전기 전도성 공급 물질을 진공 챔버 내로 도입하도록 구성된다. 용융 물질로부터의 휘발성 원소의 챔버 내 증기화를 제거 또는 감소시키기 위해서, 전자 비임 저온 허쓰 용융 퍼니스의 특정의 비-제한적인 실시예가 종래의 전자 비임 용융 퍼니스의 챔버 압력 보다 높은 챔버 압력에서 작동된다.
본 발명의 또 다른 비-제한적인 측면에 따라서, 물질을 프로세싱하는 방법이 제공된다. 그러한 방법은 대기압 보다 낮은 압력으로 유지되는 용융 챔버 내로 전기 전도성 금속 또는 금속 합금 중 하나 이상을 포함하는 물질을 도입하는 단계를 포함한다. 상기 물질을 용융 온도 보다 높은 온도로 가열하기 위해서, 챔버 내에서 상기 물질에 넓은-면적의 전자 필드를 인가한다. 넓은-면적의 전자 필드는 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기에 의해서 적어도 부분적으로 발생된다. 선택적으로, 물질에 전자 필드를 인가하는 것에 이어서 또는 그와 동시에 물질로부터 주조물(casting) 또는 분말이 형성된다. 이러한 방법의 특정의 비-제한적인 실시예에서, 용융 챔버 내의 용융 물질로부터의 휘발성 원소의 챔버 내 증기화를 제거 또는 감소시키기 위해서, 상기 용융 챔버 내의 압력이 종래의 전자 비임 용융 퍼니스의 챔버 압력 보다 높다.
본 발명의 또 다른 비-제한적인 측면에 따라서, 물질을 프로세싱하는 방법이 제공되며, 그러한 방법은 대기압 보다 낮은 압력으로 유지되는 용융 챔버 내로 티타늄, 티타늄 합금, 텅스텐, 니오브, 탄탈륨, 플래티늄, 팔라듐, 지르코늄, 이리듐, 니켈, 니켈계 합금, 철, 철계 합금, 코발트, 및 코발트계 합금으로부터 선택된 하나 이상의 전기 전도성 물질을 도입하는 단계를 포함한다. 상기 물질을 용융 온도 보다 높은 온도로 가열하기 위해서, 챔버 내에서 상기 물질에 넓은-면적의 전자 필드를 인가하며, 상기 넓은-면적의 전자 필드는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기에 의해서 발생된다. 선택적으로, 챔버 내의 물질에 하나 이상의 합금 첨가물을 부가할 수 있을 것이다. 물질에 전자 필드를 인가하는 것에 이어서 또는 그와 동시에 물질로부터 주조물 또는 분말이 형성된다. 이러한 방법의 특정의 비-제한적인 실시예에서, 용융 챔버 내의 용융 물질로부터의 휘발성 원소의 챔버 내 증기화를 제거 또는 감소시키기 위해서, 상기 용융 챔버 내의 압력이 종래의 전자 비임 용융 퍼니스의 용융 챔버 압력 보다 높다.
본 발명의 또 다른 비-제한적인 측면에 따라서, 전자 비임 용융 퍼니스의 진공 챔버 내에서 물질을 가열하는 동안에 용융 물질로부터의 바람직하지 못한 휘발성 원소의 증발을 감소 또는 제거하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 물질이 진공 챔버 내에서 가열되는 시간의 적어도 일부 중에 진공 챔버 내의 압력을 40 μ (5.3 Pa) 이상으로 유지하는 단계를 포함한다.
본 명세서에서 설명되는 방법 및 장치들의 특징 및 이점들은 첨부 도면을 참조할 때 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 열-이온 전자 비임 건 용융 퍼니스의 실시예를 도시한 단면도이다.
도 2는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 실시예의 특정 성분들을 단순화하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 다수의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기를 포함하는 전자 비임 저온 허쓰 용융 퍼니스의 하나의 비-제한적인 실시예의 단면도이다.
도 4는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 하나의 비-제한적인 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 전자 소오스로서 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기를 포함하는 전자 비임 용융 퍼니스의 본 발명에 따른 비-제한적인 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따라 전자 비임 용융 퍼니스에서 이용하도록 구성될 수 있는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 하나의 비-제한적인 실시예를 부분적으로 단면 도시한 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 작동을 설 명하는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 전자 비임 저온 허쓰 용융 퍼니스의 하나의 실시예를 도시한 단면도이다.
본 발명에 따른 장치 및 방법의 특정의 비-제한적인 실시예에 관한 이하의 설명으로부터 전술한 그리고 기타 내용을 보다 잘 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 명세서에서 설명되는 장치 및 방법을 이용할 때 또는 실행할 때 그러한 추가적인 상세한 내용을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 비-제한적인 실시예 및 특허청구범위에 기재된 설명에서, 작업에 관한 실시예 이외에 또는 달리 기재된 것 이외에, 성분 및 제품, 프로세싱 조건들 등에 관한 수량 또는 특성을 나타내는 모든 수치는 "약"이라는 의미를 포함하는 것을 이해되어야 할 것이다. 따라서, 반대의 기재가 없다면, 이하의 상세한 설명이나 특허청구범위에 기재된 수치적 파라미터들은 본 발명에 따른 장치 및 방법에서 획득하고자 하는 희망 특성에 따라서 달라질 수 있는 근사값(approximations)이다. 적어도, 그리고 특허청구범위의 균등론의 적용을 제한하지 않는 의미에서, 각각의 수치적 파라미터는 보고된 유효 자릿수(significant digits)의 수치를 고려하여 그리고 일반적인 반올림(rounding) 기술의 적용에 의해서 해석될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 부분적으로 또는 전체적으로 참조되는 다른 임의 특허, 공보 또는 간행물은 참조되는 내용이 본원 명세서의 정의, 진술 또는 다른 개시 내용과 상충되지 않는 범위 내에서만 참조될 것이다. 그와 같은 경우에, 그리고 필요한 범위까지, 본 명세서의 기재 내용은 참조로서 본 명세서에 기재된 상충하는 내용에 우선한다. 본 명세서에서 참조되는 내용 또는 그 일부로서 본 명세서에 기재된 규정, 진술 또는 다른 내용과 상충하는 것은, 참조되는 내용과 본 명세서의 기재 내용 사이에서 상충되지 않는 범위 내에서만, 참조로서 포함될 것이다.
본원 발명은, 부분적으로, 금속 주조물 또는 분말을 준비하는데 이용하기 위해서 및/또는 금속 및 금속 합금을 용융시키기 위하여, 이들 물질을 용융 상태로 유지하기 위한 전자 비임 퍼니스에 대한 개선된 디자인에 관한 것이다. 통상적인 열-이온 전자 비임 건 용융 퍼니스가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 퍼니스(110)는 챔버 벽(115)에 의해서 둘러싸인 진공 챔버(114)를 포함한다. 다수의 열-이온 전자 비임 건(116)이 챔버(114)에 인접하여 그 외부에 배치되고 개별적인(discrete) 선형 전자 비임(118)을 챔버(114) 내로 지향시킨다. 합금 분말(122) 및 금속 바아(120) 형태의 공급 물질이 통상적인 바아 공급기(115) 및 통상적인 입자 또는 과립 공급기(117) 각각에 의해서 챔버(114) 내로 도입된다. 전자 비임 건(116)들 중 하나의 선형 전자 비임(118)이 바아(120)의 단부에 충돌하여 용융시키고, 그리고 결과적인 용융 합금(124)이 챔버(114) 내의 수냉식 구리 정련 허쓰(126)("저온 허쓰") 내로 낙하된다. 열-이온 전자 비임 건(116)은 통상적인 디자인 중 하나이고 그리고 적절한 필라멘트 물질을 가열함으로써 전자들을 발생시킨다. 건(116)은 발생 전자들을 하나의 지점으로 포커싱하고, 전자들은 조밀하게(tightly) 포커싱된 실질적으로 선형인 비임 형태로 건(116)으로부터 출사된다(projected). 그에 따라, 건(116)으로부터 출사된 전자들은 포인트 소오 스(point source) 목표에 충돌한다. 전자의 포인트 소오스에 의한 목표 가열은, 목표의 적어도 일부에 걸친 선형 전자 비임(118)의 래스터링에 의해서 촉진되는데, 이는 텔레비전의 음극선관의 인 스크린(phosphor screen)에 걸친 전자의 래스터링과 유사한 방식이다. 바아(120)의 단부 영역에 걸쳐 열-이온 전자 비임 건(116)의 실질적인 선형 전자 비임(118)을 래스터링하는 것은, 예를 들어, 바아(120)를 용융시킨다.
도 1을 참조하면, 허쓰(126) 내에 쌓이는 용융 합금(124)은, 용융 합금(124)의 표면을 가로질러 소정의 프로그램된 패턴으로 실질적인 선형 전자 비임(118)으로 래스터링함으로써, 용융 상태로 유지된다. 공급기(117)에 의해서 용융 합금(124) 내로 도입되는 분말형 또는 과립형 합금 물질(122)이 용융 물질 내로 통합된다. 용융 합금(124)은 허쓰(126)를 가로질러 진행하고 그리고 중력에 의해서 허쓰로부터 구리제 회수용 몰드(130) 내로 낙하된다. 성장하는 잉곳(132)의 길이를 수용할 수 있도록, 회수용 몰드(130)는 병진이동가능한(translatable) 베이스(134)를 포함한다. 용융 합금(124)은 초기에 용융 풀(131)로서 회수용 몰드(130) 내에 수집되고, 이어서 잉곳(132)으로 점진적으로 응고된다. 바람직하게, 풀의 표면에 걸친 하나 이상의 실질적인 선형 전자 비임(118)의 래스터링에 의한 용융 풀(131)에의 전자 충돌은 특히 풀 엣지(edges)에서 풀(131)의 영역을 용융 상태로 유지한다.
통상적인 열-이온 전자 비임 건 용융 퍼니스와 같이, 퍼니스 챔버 내의 물질을 가열하기 위해서 하나 이상의 실질적인 선형 전자 비임을 이용하는 퍼니스에서, 휘발성 원소, 즉 퍼니스 용융 온도에서 상대적으로 높은 증기압을 가지는 원소들을 포함하는 합금은 용융 풀로부터 끓어 오르는(boil off) 경향이 있고 퍼니스 챔버의 상대적으로 저온인 벽에서 응축되는 경향이 있다(전자 비임 용융에 의해서 통상적으로 달성되는 온도에서 비교적 높은 증기압을 가지는 일반적인 합금 원소에는, 예를 들어, 알루미늄 및 크롬이 포함된다). 실질적인 선형 전자 비임 용융 기술은 휘발화(volatilization)에 특히 기여하게 되며, 그러한 휘발화는, 정련 또는 정제와 반대로, 그리고 다음과 같은 적어도 2가지 이유로, 합금화할 때 통상적인 전자 비임 퍼니스에서는 상당한 단점이 된다. 첫번째 이유로, 용융 중에 합금의 전체적인 그리고 국부적인 화학적 조성을 제어하기가 곤란해지는데, 이는 용융 풀로부터의 고 휘발성 원소의 불가피한 손실에 기인한다. 두번째 이유로, 증기화된 원소들의 응축물이 시간이 경과됨에 따라 퍼니스 벽에 축적되는 경향이 있고 용융체 내로 다시 낙하되는 경향이 있으며, 그에 따라 개재물에 의한 용융체의 오염 및 용융체 화학성분에서의 국부적인 변동이 발생된다.
특정 이론에 구속됨이 없이, 본원 발명의 발명자들은 종래의 전자 비임 용융 퍼니스의 전술한 단점들이 전자 비임 퍼니스 내에서 프로세싱되는 물질에 대한 종래의 실질적인 선형 전자 비임의 작용으로부터 초래된 것으로 생각한다. 도 1에 대한 설명과 관련하여 전술한 바와 같이, 종래의 전자 비임 저온 허쓰 용융 기술은, 퍼니스 내로 도입된 원료 물질을 용융시키기 위해서, 그리고 용융 물질이 저온 허쓰를 따라서 그 위에서 흘러 주조 몰드 내로 유동할 수 있도록 용융 물질의 온도를 유지하기 위해서, 실질적인 선형 전자 비임을 이용한다. 통상적으로, 그러한 퍼니스는 다수의 전자 비임 소오스를 포함하며, 각각의 소오스는 본질적으로 포인트 소오스인 실질적인 선형 전자 비임을 생성한다. 높은(intense) 전자 농도의 이들 "포인트"가 가열 면적들에 걸쳐 신속하게 래스터링되어, 물질을 용융시키는데 필요한 그리고 융융된 물질이 적절하게 유동할 수 있도록 허용하는데 필요한 평균 온도에 목표 면적 전체가 도달할 수 있도록 하여야 한다. 그러나, 선형 전자 비임(118)의 포인트 소오스 특성으로 인해서, 전자 비임이 합금에 충돌하는 스폿(spot)이 매우 높은 온도로 가열된다. 이러한 국부적인 집중 가열 현상은, 전자 비임이 퍼니스 내의 고체 또는 용융 합금과 충돌하는 특정 스폿으로부터 방출되는 가시적인 백색 복사선으로서 관찰될 수 있다. 퍼니스 챔버 내에서 유지되는 높은 진공과 함께, 이들 스폿들에서 발생되는 집중적인 과열이 합금 내의 상대적인 휘발성 원소들을 용이하게 증발시킬 것이며, 이는 휘발성 원소의 과다한 증발 및 그에 따른 챔버 벽 상의 응축을 초래한다고 생각된다. 전술한 바와 같이, 그러한 응축은 응축 물질이 용융 합금 내로 다시 낙하됨에 따른 배쓰(bath; 용융욕)의 오염 위험을 초래하며, 이는, 예를 들어, 주조 잉곳에서의 두드러진 조성적 이질성(heterogeneities)을 초래할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 설명되는 전자 비임 용융 퍼니스에 대한 개선된 디자인은 퍼니스 내의 전자 소오스의 적어도 일부로서 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기를 이용한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기"는, 양으로 대전된 이온을 음극(cathode)에 충돌시킴으로써 그리고 그에 따라 음극으로부터 전자를 방출시킴으로써, 전자의 비교적 넓은 비-선형 필드 를 생성하는 장치를 지칭한다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기에 의해서 생성된 전자 비임은 선형 비임이 아니며, 그 대신에 전자의 3-차원적인 필드 또는 "플러드(flood)"이며, 그러한 전자의 3-차원적인 필드는, 목표에 충돌하였을 때, 실질적인 선형 전자 비임을 목표에 충돌시킴으로써 커버링되는(covered) 작은 포인트에 비해서 매우 큰 2-차원적인 영역을 커버링한다. 그와 같은 경우에, 전자 비임 용융 퍼니스 내에서 사용되는 종래의 전자 건들에 의해서 생성되는 상당히 작은 접촉 포인트들에 대비하여, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기에 의해서 생성된 전자 필드를 "넓은-면적" 전자 필드라 지칭한다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기는 (관련 없는 용도에서의 이용을 위한) 종래 기술에서 공지되어 있으며, 예를 들어, "와이어 이온 플라즈마(WIP) 전자" 건 또는 방출기, "WIP 전자" 건 또는 방출기, 그리고 다소 혼란스럽지만 "선형 전자 비임 방출기"(장치의 특정 실시예에서 플라즈마-생성 와이어 전극(들)의 선형 특성을 나타냄)로서 다양하게 지칭되고 있다.
와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기는 다양한 디자인으로 이용될 수 있으나, 그러한 모든 방출기는 특정의 기본적인 디자인 특징을 공유한다. 각각의 그러한 방출기는 양이온을 포함하는 플라즈마를 생성하기 위한 긴 와이어 양극(anode) 형태의 양 이온 소오스를 포함하는 플라즈마 또는 이온화 영역, 그리고 상기 와이어로부터 이격되어 와이어에 의해서 생성된 양 이온들을 인터셉팅(intercept)하도록 배치되는 음극을 포함한다. 큰 음의 전압이 음극에 인가되어, 와이어 양 이온 소오스에 의해서 생성된 플라즈마 내의 양 이온의 일부가 음극 표면을 향해서 가속되고 충돌되게 하며, 그에 따라 2차 전자("일차" 전자는 양의 이온과 함께 플라즈마 내에 존재한다)가 그러한 음극으로부터 방출되게 한다. 음극 표면으로부터 생성된 2차 전자는 음극에 충돌하는 양 이온 플라즈마의 3-차원적인 형상을 통상적으로 가지는 비-선형 전자 필드를 형성한다. 2차 전자들은 음극 부근으로부터 양극을 향해서 가속되며, 방출기 내의 저압 가스를 통한 통과 프로세스에서는 충돌이 거의 일어나지 않는다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 여러 부품들을 적절하게 디자인하고 정렬시킴으로써, 에너지를 포함하는(energetic) 2차 전자들의 넓은 필드가 음극에서 형성될 수 있고 방출기로부터 목표를 향해서 가속될 수 있을 것이다. 도 2는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 부품들을 단순화하여 도시한 도면으로서, 여기에서 전류가 얇은 와이어 양극(12)으로 인가되어 플라즈마(14)를 생성한다. 플라즈마(14) 내의 양 이온(16)이 음으로-대전된 음극(18)을 향해 가속되고 충돌하여 넓은-면적의 2차 전자 클라우드(cloud; 구름; 20)를 방출하고, 이는 두 전극들 사이의 전기 필드의 작용에 의해서 양극(12) 방향으로 그리고 목표를 향해서 가속된다.
본 발명의 하나의 비-제한적인 측면에 따르면, 전자 비임 용융 퍼니스 형태의 전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치의 실시예는 진공 챔버(용융 챔버) 및 상기 진공 챔버 내에 배치되고 용융 물질을 보유하도록 구성된 허쓰를 포함한다. 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기가 진공 챔버에 인접하여 또는 그 내부에 배치되고, 상기 방출기에 의해서 생성된 전자의 비-선형적인 넓은-면적의 필드를 챔버 내로 지향시키도록 위치된다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기는 전기 전도성 금속 물질을 용융 온도까지 가열할 수 있는 충분한 에너지를 가지는 비-선형적 전자 필드를 생성한다. 몰드 또는 다른 주조 혹은 원자화 장치가 챔버와 소통되고 허쓰로부터 용융 물질을 수용하도록 배치되고 구성된다. 종래의 전자 비임 용융 퍼니스를 이용하여 용융될 수 있는 어떠한 물질도 상기 퍼니스를 이용하여 용융시킬 수 있을 것이며, 예를 들어, 티타늄, 티타늄 합금, 텅스텐, 니오브, 탄탈륨, 플래티늄, 팔라듐, 지르코늄, 이리듐, 니켈, 니켈계 합금, 철, 철계 합금, 코발트, 및 코발트계 합금을 용융시킬 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 전자 비임 용융 퍼니스의 실시예는 진공 챔버 내로 전기 전도성 물질 또는 다른 합금 첨가물을 도입하도록 구성된 하나 이상의 물질 공급기를 포함할 수 있을 것이다. 바람직하게, 고체 또는 용융체 형태의 물질이 중력에 의해서 허쓰 내로 하향 낙하될 수 있도록, 상기 공급기는 물질을 적어도 허쓰 영역의 위쪽 또는 상방 위치에서 진공 챔버 내로 물질을 도입한다. 공급기 타입은, 예를 들어, 바아 공급기 및 와이어 공급기를 포함할 수 있으며, 선택되는 공급기 타입은 퍼니스에서 요구되는 특정 디자인 요건에 따라서 달라질 것이다. 본 발명에 따른 퍼니스의 특정 실시예에서, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기에 의해서 방출되는 전자 필드가 공급기에 의해서 챔버 내로 도입되는 물질에 적어도 부분적으로 충돌하도록, 물질 공급기 및 퍼니스의 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기들 중 하나 이상이 배치된다. 공급기에 의해서 진공 챔버 내로 도입되는 물질이 전기 전도성을 가진다면, 그리고 전자 필드가 충분한 세기를 가진다면, 그러한 전자 필드가 물질을 가열하고 용융시킬 것이다.
본 발명에 따른 용융 퍼니스의 실시예에 포함되는 허쓰는 소위 당업계에 공지된 여러 가지 허쓰 타입으로부터 선택될 수 있을 것이다. 예를 들어, 퍼니스는 저온 허쓰, 또는 보다 구체적으로, 예를 들어, 진공 챔버 내의 수냉식 구리 저온 허쓰를 포함함으로써 전자 비임 저온 허쓰 용융 퍼니스의 특성을 가질 수 있을 것이다. 이른바 당업자에게 공지된 바와 같이, 저온 허쓰는 허쓰 내의 용융 물질이 허쓰 표면에서 동결되도록 하고 보호 층을 형성하게 하는 냉각 수단을 포함한다. 다른 예로서, 허쓰는 "자가적(autogenous)" 허쓰일 수 있으며, 즉 퍼니스 내에서 용융되는 합금으로 제조된 또는 그러한 합금을 이용하여 도금된 허쓰일 수 있으며, 그러한 경우에 허쓰의 바닥 표면 역시 버닝(burn-through)을 방지하기 위해서 수냉될 수 있을 것이다.
진공 챔버 내에 포함되는 특정 허쓰가 용융 물질 보유 영역을 포함할 수 있으며, 그러한 영역 내에서 용융 물질이 진공 챔버에 유체적으로(fluidly) 연결된 주조 또는 원자화 장치로 전달되기에 앞서서 특정 체류 시간 동안 잔류한다. 본 발명에 따른 퍼니스의 특정 실시예에서, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기에 의해서 방출되는 전자 필드가 용융 물질 보유 영역에 적어도 부분적으로 충돌하도록, 허쓰 및 퍼니스의 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기들 중 하나 이상이 배치된다. 이러한 방식에서, 용융 물질 보유 영역 내의 물질을 용융 상태로 유지하기 위해서 전자 필드가 인가될 것이고, 그리고 전자 필드의 가열 작용은 또한 용융 물질을 탈가스 및 정련하는 역할을 할 것이다.
본 발명에 따른 퍼니스의 특정의 비-제한적인 실시예는 용융 물질을 주조하 기 위한 몰드를 포함한다. 그러한 몰드는, 예를 들어, 정적인 몰드(static mold), 회수용 몰드(withdrawal mold), 또는 연속 주조 몰드(continuous casting mold)와 같이 당업계에 공지된 적절한 임의 몰드를 포함할 것이다. 그 대신에, 퍼니스는 용융 물질로부터 분말화된 물질을 생산하기 위한 원자화 장치를 포함하거나 그와 연관될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 전자 비임 용융 퍼니스의 하나의 특정된 비-제한적인 실시예는 진공 챔버 및 상기 진공 챔버 내에 배치된 허쓰를 포함하며, 상기 허쓰는 용융 물질 보유 영역을 포함한다. 상기 퍼니스는 진공 챔버 내에 또는 그에 인접하여 배치된 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기를 더 포함한다. 상기 방출기에 의해서 생성된 전자 필드가 용융 물질 보유 영역에 적어도 부분적으로 충돌하도록, 허쓰 및 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기가 배치된다. 회수용 몰드가 진공 챔버와 소통하고 그리고 허쓰로부터 용융 물질을 수용하도록 위치된다. 하나 이상의 공급기가 퍼니스 내에 포함되고 그리고 적어도 허쓰 영역 위쪽의 위치에서 진공 챔버 내로 물질을 도입하도록 구성된다.
어떠한 적합한 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기도 본 발명에 따른 장치와 관련하여 이용될 수 있을 것이다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 적절한 실시예가, 예를 들어, 미국 특허 4,025,818; 4,642,522; 4,694,222; 4,755,722; 및 4,786,844에 개시되어 있으며, 그러한 개시 내용 전체가 본 명세서에서 참조된다. 적절한 방출기는 퍼니스의 진공 챔버 내로 지향될 수 있는 비-선형적인 넓은-영역의 전자 필드를 생성할 수 있는 것들을 포함하며, 그러한 전자 필 드는 퍼니스 챔버 내로 배치된 전기 전도성 공급 물질을 희망 온도까지 가열할 것이다.
와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 일 실시예에서, 방출기는 플라즈마 영역 및 음극 영역을 포함한다. 플라즈마 영역은 양 이온을 포함하는 플라즈마를 생성하도록 구성된 하나 이상의 긴 와이어 양극을 포함한다. 음극 영역은 음극을 음으로 대전시키도록 구성된 고전압 전원공급부에 전기적으로 연결된 음극을 포함한다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기에서, 플라즈마를 생성하기 위해서 이용되는 전극은 플라즈마 영역의 길이를 따라 위치되는 하나의 와이어 또는 다수의 와이어일 수 있다. 양의 이온에 의해서 타격되는 음극의 적어도 일부는 전자 생성에 적합한 물질로 이루어진다. 방출기의 음극 영역 내에 배치되는 음극의 특정의 비-제한적인 실시예는 또한, 전자 생성을 용이하게 하기 위해서 용융 온도가 높고 일 함수(work function)가 낮은 예를 들어, 몰리브덴 삽입체(insert)와 같은 삽입체를 포함할 수 있을 것이다. 와이어 양극에 의해서 생성된 플라즈마 내의 양 이온이 전극들 사이의 전기 필드(전기장)의 영향하에서 음극을 향해서 가속되고 그 음극에 충돌하여, 상기 음극으로부터 2차 전자의 넓은-면적 필드를 방출하도록, 음극 및 양극이 서로에 대해 상대적으로 배치된다.
와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 특정의 비-제한적인 실시예는 퍼니스 진공 챔버의 벽을 통해서 개방된 얇은 전자 투과성 티타늄 또는 알루미늄 호일과 같은 하나 이상의 적절한 전자 투과성 윈도우(window)를 포함한다. 전자 투과성 윈도우를 제조하기 위한 다른 물질에는, 예를 들어, BN, 다이아몬드, 및 낮은 원자 번호를 가지는 원소로 이루어진 다른 물질이 포함된다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 다른 실시예는 전자 투과성 윈도우를 포함하지 않으며, 그러한 경우에, 방출기의 플라즈마 영역은 용융 물질을 보유하고 있는 진공 챔버와 유체적으로 소통된다. 어느 경우에서도, 유도된 넓은-면적의 전자 필드가 퍼니스 챔버로 유입되고 그리고 챔버 내의 물질과 충돌할 것이다. 만약, (본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이) 전자 투과성 윈도우가 전자 방출기의 내부를 진공 챔버로부터 분리하지 않는다면, 전자 필드가 전자 방출기로부터 진공 챔버 내로 출사됨에 따라 그러한 전자 필드는 윈도우를 통과한다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 특정의 비-제한적인 실시예에서, 음극에 전기적으로 커플링된 고전압 전원공급부가 20,000 볼트 보다 높은 음 전압으로 음극에 전력을 공급한다. 음전압은 플라즈마 내의 양 이온을 음극을 향해 가속하는 기능을 제공하고 그리고 음극으로부터 양극을 향해서 2차 전자 필드를 방출하게 하는 기능을 제공한다.
만약 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기 내의 압력이 퍼니스 챔버 내의 압력과 상당히 다르다면 전자 투과성 윈도우는 필수적이 될 것이며, 그러한 경우에 호일 윈도우는 압력이 상이한 2개의 인접한 영역들을 격리시키는 역할을 한다. 열-이온 전자 비임 건과 같은 비-가스 함유(non-gas containing) 전자 방출기와 비교하여 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 이점은, 플라즈마 소오스로서 역할을 하기 위해서 플라즈마 영역 내에서 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기가 가스를 반드시 포함한다는 것이다. 비록 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기 가 매우 낮은 가스 압력에서 작동될 수 있지만, 그러한 장치는 또한 비교적 높은 가스 압력에서도 효과적으로 작동될 수 있을 것이다. 대조적으로, 종래의 전자 비임 용융 퍼니스는 통상적으로 극히 낮은 진공 조건에서 작동되고, 그리고 그러한 경우에 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기 내의 가스 분위기와 퍼니스 챔버 내의 거의 진공인 분위기를 분리시키기 위해서 전자 투과성 윈도우가 필수적이 될 것이다. 그러나, 퍼니스 챔버 내의 가스 압력을 종래의 선형(열-이온 방출기) 전자 비임 용융 퍼니스의 초-저(ultra-low) 레벨보다 더 크게 증대시킴으로써, 퍼니스 챔버 내의 휘발성 원소 증발이 감소될 것이다. 통상적으로, 그러한 종래 압력 레벨은 10-3 내지 7.5 μ (10-3 내지 1 Pa)이고 그리고 15 μ (2 Pa)를 초과하지 않는다. 퍼니스 챔버 내의 압력을 종래 레벨 보다 높게 즉, 40 μ (5.3 Pa), 또는 보다 바람직하게 300 μ (40 Pa)를 초과하는 압력으로 증대시키는 것은 퍼니스 내의 용융 물질의 표면에서의 압력을 높이고 그에 따라 원하지 않는 증발에 대한 구동력(driving force)을 감소시킨다. 예를 들어, H. Duval 등의, "Theoretical and Experimental Approach of the Volatilization in Vacuum Metallurgy"에서 제공된 데이터는 4.27 Pa (35 mTorr) 아르곤에 대비한 66.7 Pa (500 mTorr) 아르곤에서의 크롬 증기의 상당한 감소 변화를 제시한다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기가 이미 작동과 관련하여 (통상적으로, 헬륨의) 부분 가스 압력 분위기를 필요로 하기 때문에, 본 발명의 발명자들은 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기 및 퍼니스 챔버 양자가 실질적으로 동일한 압력에서 작동될 수 있는 가능성에 대해서 고 려하였고, 이때 그 압력은 전자 방출기의 작동을 허용할 수 있을 정도로 충분히 높고 그리고 또한 종래의 전자 비임 퍼니스 보다 높으며, 그에 따라 퍼니스 챔버 내에서의 의도하지 않는 증발을 감소시킨다. 그러한 경우에, 방출기 및 퍼니스 챔버 내의 가스 분위기가 실질적으로 동일하도록, 전자 투과성 윈도우가 생략될 수 있을 것이다. 그 대신에, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 다른 실시예에서, 방출기에 의해서 발생되는 전자들이 전자에 대해서 투과성을 가지는 가스-불침투성 윈도우를 통과하며, 이때 방출기 내의 이온화가 가능한 가스의 압력은 전자 방출기 작동에 적합하고, 그리고 퍼니스 챔버는 종래의 전자 비임 퍼니스 내의 종래 압력 보다 높은 압력에서 작동되고 또 의도하지 않는 휘발을 최소화 또는 감소시키기에 적합하다. 바람직하지 않는 원자 증기화의 감소는, 집중 가열 포인트를 생성하지 않는 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기를 이용하는 것과 함께 종래의 전자 비임 퍼니스에서의 압력 보다 높은 퍼니스 챔버 압력을 이용함으로써, 최적화될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
전자 비임 용융 퍼니스의 가능한 실시예 및 본 발명에 따른 퍼니스와 관련하여 사용될 수 있는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 가능한 실시예에 대해서 이하에서 추가로 설명한다.
도 3은 본 발명에 다른 개선된 전자 비임 용융 퍼니스의 하나의 가능한 비-제한적인 실시예를 도시한 도면이다. 퍼니스(210)는 챔버 벽(215)에 의해서 적어도 부분적으로 형성되는 진공 챔버(214)를 포함한다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기(216)가 챔버(214)에 인접하여 그 외부에 위치된다. 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기(216)는 넓은-면적 전자 필드(218)를 챔버(214)의 내부로 출사한다. 도 1에 도시된 종래의 퍼니스(110)와 유사하게, 합금 바아(220)가 바아 공급기(215)에 의해서 챔버(214) 내로 도입된다. 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기(216)의 넓은-면적 전자 필드(218)를 상기 바아(220)에 충돌시킴으로써, 용융 합금(226)이 생성된다. 바아(220)로부터 용융된 용융 합금(226)이 수냉식 구리 허쓰(224)로 낙하되고, 특정 체류 시간 동안 허쓰(224) 내에서 체류하고, 그곳에서 용융 합금은 방출기(216)에 의해서 생성된 하나 이상의 넓은-면적 전자 필드(218)에 의해서 가열, 탈가스, 및 정련된다. 용융 합금(226)은 허쓰(224)로부터 구리 몰드(230)로 최종적으로 낙하되고 그리고 용융 풀(231)을 형성한다. 용융 풀(231)은 최종적으로 그리고 점진적으로 몰드(230) 내에서 응고되어 잉곳(232)을 형성한다. 바람직하게, 하나 이상의 넓은-면적 전자 필드(218)가, 잉곳(232)을 형성하는 응고 속도를 제어하기 위한 유리한 방식으로, 풀(231) 내의 용융 합금을 가열한다.
전술한 바와 같이, 퍼니스(210)의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기(216)는 종래의 전자 비임 퍼니스 내에서 사용된 전자 비임 건에 의해서 생성된 실질적으로 선형인 비임의 스폿 커버리지(spot coverage; 스폿 피복)에 대비하여 넓은 면적을 커버링하는 에너지(energetic) 전자의 필드 또는 "플러드(flood)"를 생성하도록 디자인된다. 전자 필드 방출기(216)는 넓은 면적에 걸쳐 전자를 펼치고 그리고 퍼니스(210) 내에서 용융될 및/또는 유용 상태로 유지될 물질에 충돌시킨다. 생성되는 전자 필드가 퍼니스 챔버 내의 넓은 면적을 커버링하기 때문에, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기는 종래의 전자 비임 퍼니스에 대비하여 전자 비임 용융 퍼니스 내의 온도를 보다 균일하게 유지할 것이고, 그리고 전자들의 매우 포커싱된 스폿을 래스터링할 필요가 없게 한다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에 따른 전자 비임 퍼니스의 특정 실시예가 필요에 따라 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기에 의해서 발생된 전자들의 필드를 조향(steer)하기 위한 적절한 다른 부품들 또는 전자 필드 발생 부품들을 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 퍼니스(210) 내에서, 허쓰(224)의 엣지로 부가적인 가열을 제공하기 위해서 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기(216)에 의해서 생성된 광폭(broad) 필드를 나란히 래스터링하는 것이 바람직할 수 있을 것이다. 면적에 걸쳐 전자들의 포인트 소오스를 래스터링하는 대신에, 에너지 전자의 필드를 이용하여 비교적 넓은 면적을 플러딩함으로써, 종래의 전자 비임 용융 퍼니스를 이용할 때 발생되는 실질적으로 선형인 전자 비임과 관련한 국부적인 집중 가열 효과(예를 들어, 단위 면적당 전력)가 상당히 감소된다. 이는, 비교적 휘발성을 가지는 합금 원소들이 바람직하지 못하게 증발하는 범위를 상당히 감소시키거나 또는 방지할 수 있는데, 이는 상대적으로 매우 높은 온도의 포인트들이 발생되지 않기 때문이다. 이는, 다시, 종래의 전자 비임 퍼니스 디자인 고유의 조성 제어 및 오염 문제를 부분적으로 또는 완전히 피할 수 있게 한다.
전술한 바와 같이, 일반적으로, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 여러 실시예들은 양 이온 플라즈마를 생성하는 하나 이상의 긴 와이어 양극을 포함하고, 상기 플라즈마는 음극에 충돌하여 가열될 목표에 충돌되도록 가속될 수 있는 2차 전자의 필드를 생성한다. 관련이 없는 다른 용도에서 이전에 이용되었던 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 하나의 공지된 디자인이 도 4에 도시되어 있다. 이러한 방출기(310)는 내부에서 양 이온 플라즈마가 생성되는 이온화 또는 플라즈마 영역(314), 및 음극(318)을 포함하는 음극 영역(316)을 포함한다. 플라즈마 영역(314)은 저압의 이온화 가능 가스로 충진되고, 그리고 그 가스는 플라즈마 영역 내에서 이온화되어 양이온-함유 플라즈마를 생성한다. 예를 들어, 이온화 영역(314)은 예를 들어 약 20 mTorr의 헬륨 가스로 충진된다. 작은 직경의 긴 와이어 양극(319)이 플라즈마 영역(314)의 길이를 통과한다. 양 전압이 전원공급부(322)에 의해서 와이어 양극(319)에 인가되고, 이는 헬륨 가스의 플라즈마로의 이온화를 개시하며, 상기 플라즈마는 헬륨 양이온 및 자유 전자("일차" 전자)를 포함한다. 헬륨 가스의 이온화가 일단 개시되면, 얇은 와이어 양극(319)에 전압을 인가함으로써 플라즈마가 유지된다. 플라즈마 내의 양으로 대전된 헬륨 이온들은 높은 음 전위에서 유지되는 추출 그리드(326)를 통해서 이온화 챔버(314)로부터 추출되고 그리고 고전압 갭을 통해서 음극 영역(316)으로 가속되며, 상기 음극 영역에서 플라즈마 내의 양이온이 높은 음 전압 음극(318)에 충돌한다. 음극(318)은, 예를 들어, 코팅된 또는 코팅되지 않은 금속 또는 합금일 수 있다. 음극(318)에 대한 헬륨 이온의 충돌은 음극(318)으로부터 2차 전자를 방출한다. 고전압 갭(328)은, 헬륨 양이온의 이동 방향과 반대인 방향을 따라, 추출 그리드(326)를 통해서 그리고 플라즈마 영역(314) 내로, 이어서 전자에 대해서 비교적 투과성을 가지는 물질로 제조된 얇은 금속 호일 윈도우(329)를 통해서, 2차 전자를 가속한다. 전술 한 바와 같이, 전자 방출기 및 퍼니스 챔버 내에서의 상대적인 가스 압력들에 따라서, 호일 윈도우(329)를 생략할 수 있을 것이며, 그러한 경우에 방출기에 의해서 생성된 전자들이 퍼니스 챔버 내로 직접적으로 들어가게 될 것이다.
양으로 대전된 헬륨 이온이 음극(318)으로 이동하는 것을 보다 촉진하도록 와이어 전극(319) 및 음극(318)이 디자인되고 배치될 것이다. 또한, 음극(318) 및 추출 그리드(326)는 상기 그리드(326)을 통한 2차 전자 전달을 최대화하도록 그리고 호일 윈도우(329)(존재하는 경우)를 통한 투과에 적절한 비임 프로파일을 가지도록 디자인되고 배치될 것이다. 방출기(310)를 빠져나오는 에너지 전자의 넓은-면적 필드는 용융 퍼니스의 진공 챔버 내에 그리고 호일 윈도우(329)의 반대쪽에 배치된 목표에 충돌하도록 지향될 것이다. 또한, 방출기(310)로부터의 전자 전달을 최대화하기 위해서 윈도우(329)는 가능한 한 얇게 크기가 결정될 것이다. 필요에 따라서, 전자가 충분히 투과할 수 있는 두께를 가지면서도 방출기(310) 내의 약한(soft) 진공 분위기를 유지할 수 있는 알루미늄-타입 또는 티타늄-타입 호일이 호일 윈도우(329)로서 이용될 것이다. 장치 내의 윈도우(존재하는 경우)로서 사용될 수 있는 견고하면서도 허용가능한 전자 투과성을 가지는 다른 물질이 당업자에게 공지되어 있을 것이다. 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 목표물을 수용하는 진공 챔버와 방출기(310)의 내부 사이의 압력 차가 크지 않다면, 윈도우(329)가 생략될 수 있을 것이다.
본 발명에 따라서, 실질적으로 선형인 비임을 생성하는 전자 비임 건에 대한 대체물로서, 전자 비임 용융 퍼니스의 진공 챔버 내로 에너지 전자를 공급하기 위 해서, 예를 들어, 방출기(310)와 같은 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기가 제공될 수 있을 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전자 비임 용융 퍼니스의 하나의 비-제한적인 실시예가 상기 진공 챔버(330)에 인접하여 배치된 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기(310)를 포함한다. 넓은-면적 전자 필드(332)가 필름 윈도우(329)를 통해서 방출기(310)를 빠져나오고 그리고 적어도 허쓰(336) 내의 용융 합금(334)의 표면 영역을 플러딩하며, 그에 따라 합금을 가열하여 용융 상태로 유지한다. 허쓰(336) 내의 합금에 충돌하는 전자들이 비교적 넓은 면적에 걸쳐 펼쳐지기 때문에, 임의의 특정 국부 영역 내의 용융 물질에 포커싱된 에너지는 합금으로부터 원소가 휘발되는 레벨이 문제가 될 정도로 크지 않게 되며, 그에 따라 종래의 전자 비임 용융 퍼니스 이용시의 고유한 불균일성 및 합금 오염 문제를 감소시키거나 피할 수 있게 된다. 전술한 바와 같이, 만약 방출기(310)와 진공 챔버(330) 사이의 작동 압력차가 크지 않다면, 필름 윈도우(329)는 생략될 수 있을 것이다. 또한, 전술한 바와 같이, 바람직하게, 의도하지 않는 원소 증발을 추가로 제거 또는 감소시키기 위해서 진공 챔버(330)가 종래 보다 높은 압력에서 작동되며, 그러한 경우에 퍼니스 챔버로부터 전자 방출기를 구획하는 필름 윈도우에 대한 필요성은 다시 디자인 고유의 특정 압력차에 따라서 달라질 것이다. 선택적으로, 진공 챔버(330) 내의 용융 프로세스의 추가적인 개선이 가능하도록, 넓은-면적 전자 필드를 자기적으로 조향하기 위한 부품(340)이 제공된다.
비록 도 5가 단일 전자 방출기를 포함하는 본 발명에 다른 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 용융 퍼니스의 일 실시예를 간략히 도시하지만, 당업자는 그러한 장치의 실제적인 또는 대안적인 실시예가 다수의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기가 그러한 장치에 포함되어: (1) 예를 들어, 합금 바아 또는 와이어 형태로 퍼니스 내로 도입되는 원료 물질을 용융시키고; (2) 퍼니스 허쓰내에 체류하는 용융 합금을 합금 용융 온도 보다 높은 온도에서 유지하며(그리고, 가능한 경우에 용융 합금을 탈가스 및/또는 정련시키며); 그리고 (3) 점진적으로 진행하는 주조 잉곳의 표면 상의 용융 풀의 희망 영역을 용융 상태로 유지하고, 그에 따라 잉곳 응고 속도에 원하는 방식으로 영향을 미칠 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기를 종래의 실질적으로 선형인 전자 비임을 생성하는 하나 이상의 전자 비임 건과 함께 이용할 수 있을 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 전자 비임 용융 퍼니스의 실시예에서 에너지 전자의 소오스로서 이용되도록 구성될 수 있는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기의 하나의 가능한 비-제한적인 실시예와 관련된 추가적인 설명을 제공한다. 도 6은 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기를 부분적으로 단면 도시한 사시도이다. 도 7은 방출기(510)의 작동을 단순한 방식으로 설명하는 도면이다. 방출기(510)는 음극 영역(511)을 포함하는 전기적으로 접지된 외장부(enclosure; 513), 이온화 또는 플라즈마 영역(514), 및 전자 투과성 호일 윈도우(515)를 포함한다. 긴 와이어 전극(516)이 이온화 영역(514)의 길이를 통해서 연장된다. 호일 윈도 우(515)는 챔버(513)에 전기적으로 커플링되고, 그에 따라 화살표("A")를 따른 전체적인 방향으로 챔버(513)를 빠져나가기 위해서 통과하는 챔버(513) 내에서 전자를 가속하는 작용을 하는 양극을 형성한다. 챔버(513)는 1-10 mTorr와 같은 저압의 헬륨 가스로 충진되며, 가스 공급부(517)에 의해서 가스를 공급 받는다. 가스 공급부(517)는 밸브(521)를 통과하는 도관(519)에 의해서 외장부(513)에 연결된다. 도관(525)에 의해서 챔버(513)에 연결된 펌프(523)에 의해서 챔버(513) 내의 약한 진공 분위기가 유지된다.
음극 영역(511)은 음극(518)을 포함하고, 상기 음극은 다시 낮은 표면 상에 장착된 삽입체(520)를 포함한다. 삽입체(520)는, 예를 들어, 몰리브덴으로 구성될 수 있으나, 2차 전자 방출 계수가 높은 적절한 다른 물질로 구성될 수 있을 것이다. 음극(518)은 외장부(513)의 벽들로부터 적절하고 균일하게 이격되어 파센 단락(Paschen breakdown)을 방지한다. 음극은 저항(528) 및 절연체(526)를 통한 케이블(524)에 의해서 고전압 전원공급부(522)에 커플링된다. 전원공급부(522)는, 예를 들어, 200-300 KV의 높은 음 전위를 음극(518)으로 공급한다. 음극(518) 및 삽입체(520)는, 예를 들어, 도관(527)을 통해서 오일 또는 기타 적절한 냉각 유체를 순환시킴으로써, 적절하게 냉각될 수 있을 것이다.
이온화 영역(514)은 전기적으로 그리고 기계적으로 커플링된 다수의 얇은 금속 리브를 포함한다. 각 리브(530)는 와이어 전극(516)이 이온화 챔버(514)를 통과할 수 있게 허용하는 중앙 절개 영역을 포함한다. 음극(518)을 향하는 리브(530)의 측면들은 추출 그리드(534)를 형성한다. 상기 리브(530)의 전체 또는 일부의 대향 측면은 전자 투과성 호일 윈도우(515)를 위한 지지 그리드(536)를 제공한다. 리브(530)에 인접하여 그리고 리브를 통하여 냉각 유체를 순환시켜 이온화 영역(514)으로부터 열을 제거할 수 있도록 냉각 채널(540)이 제공될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 또는 티타늄 호일로 구성될 수 있는 전자 투과성 호일 윈도우(515)가 그리드(534) 상에서 지지되고 그리고 O-링이나 기타 구조물에 의해서 외장부(513)에 대해 밀봉되어 외장부(513) 내의 높은 진공의 헬륨 가스 분위기를 유지할 수 있다. 방출기(510)의 특정 실시예에서, 예를 들어 가압 질소를 이용하여 호일 윈도우(515)를 냉각시키기 위한 가스 매니폴드(544)가 제공된다. 본 명세서에서 개략적으로 설명되는 바와 같이, 만약 전자 필드의 목표물을 수용하는 챔버와 방출기(510)의 챔버(513) 내부 사이의 압력차가 크지 않다면, 윈도우(515)가 생략될 수 있을 것이다.
전자 제어 장치(548)가 커넥터(549)를 통해서 와이어 전극(516)에 연결된다. 제어 장치(548)의 작용시에, 와이어 전극(516)은 높은 양 전위로 에너지를 공급 받으며, 이온화 영역(514) 내의 헬륨이 이온화되어 헬륨 양이온을 포함하는 플라즈마를 생성한다. 이온화 영역(514)에서 플라즈마가 개시되면, 음극(518)은 전원공급부(522)로부터 에너지를 공급 받는다. 이온화 영역(514) 내의 헬륨 양이온이 음극(518)으로부터 플라즈마 영역(514) 내로 연장하는 전기 필드에 의해서 음극(518)으로 전기적으로 끌어 당겨진다. 헬륨 양이온은 필드 라인을 따라서, 추출 그리드(534)를 통해서, 그리고 음극 영역(511) 내로 이동된다. 음극 영역(511)에서, 헬륨 양이온은 에너지화된 음극(518)에 의해서 생성된 전기 필드의 전체 전위에 걸 쳐 가속되고 그리고 양이온의 충돌 비임으로서 음극(518)에 강제적으로 충돌된다. 충돌하는 양이온이 삽입체(520)로부터 2차 전자를 방출시킨다. 삽입체(520)에 의해서 생성된 2차 전자 필드가 헬륨 양이온의 이동 방향과 반대인 방향을 따라 와이어 전극(516)을 향해서 그리고 호일 윈도우(515)(존재하는 경우)를 통해서 가속된다.
챔버(513) 내의 실제 가스 압력을 모니터링하기 위한 수단이 제공될 수 있는데, 이는 압력 변화가 헬륨 이온 플라즈마의 밀도에 영향을 미칠 수 있고 이는 다시 음극(518)에서 발생되는 2차 전자 필드의 밀도에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 밸브(521)를 적절히 조절하여 외장부(513) 내에서 초기 압력을 설정할 수 있을 것이다. 양이온-함유 플라즈마가 플라즈마 영역(514) 내에서 개시되면, 챔버(513) 내의 즉각적인 정적(instantaneous quiescent) 압력을 간접적으로 모니터링하기 위해서, 전압 모니터(550)가 제공될 수 있을 것이다. 전압 상승은 낮은 챔버 압력을 나타낸다. 전압 모니터(550)의 출력 신호를 이용하여, 그리고 밸브 제어부(552)를 통해서, 밸브(521)를 제어한다. 제어 장치(548)에 의해서 와이어 전극(516)으로 공급되는 전류 역시 전압 모니터(550)의 신호에 의해서 제어된다. 가스 공급 밸브(521) 및 제어 장치(548)를 제어하기 위해서 전압 모니터(550)에 의해서 생성되는 신호를 이용하는 것은 방출기(510)로부터의 안정적인 전자 필드 출력을 가능하게 한다.
방출기(510)에 의해서 발생되는 전류는 음극(518)에 충돌하는 양이온의 밀도에 의해서 결정될 수 있을 것이다. 음극(518)에 충돌하는 양이온의 밀도는 제어 장치(548)를 통해서 와이어 전극(516)에 대한 전압을 조정함으로써 제어될 수 있을 것이다. 음극(516)으로부터 방출되는 전자의 에너지는 전원공급부(522)를 통해서 음극(518)에 대한 전압을 조정함으로써 제어될 수 있을 것이다. 방출 전자의 전류(current) 및 에너지가 독립적으로 제어될 수 있을 것이며, 이들 파라미터와 인가된 전압 사이의 관계는 선형이 될 것이며, 이는 방출기(510)를 효과적이고도 효율적으로 제어할 수 있게 한다. 대조적으로, 종래의 열-이온 전자 비임 건은 비임 파라미터들을 조정할 때 대응하는 선형 방식으로 제어될 수 없다.
도 8은 본 발명에 따른 전자 비임 용융 퍼니스의 일 실시예를 도시한 도면이며, 여기에서 퍼니스(610)는 도 6 및 도 7에 도시된 디자인을 가지고 그 도면들과 관련하여 전술한 바와 같은 2개의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기(614, 616)를 포함한다. 퍼니스(610)는 진공 챔버(620), 물질 공급기(622), 및 주조 또는 원자화 장치(624)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 방출기(614, 616)의 작동에 필요한 전류가 전력 라인(626)에 의해서 방출기들로 공급되고, 그리고 방출기(614, 616)와 진공 챔버(620) 사이의 인터페이스(interface)는 전자 투과성 호일 윈도우(634, 636)를 포함하며, 상기 윈도우는 방출기(614, 616)에 의해서 발생된 전자 필드(638)가 진공 챔버(620)로 유입되는 것을 허용한다. 만약 진공 챔버와 방출기(614, 616)들 내의 작동 압력이 동일하거나 크게 차이가 나지 않는다면, 호일 윈도우(634, 636)는 생략될 수 있을 것이다. 전자 필드(638)를 자기적으로 조향하기 위한 수단(639)이 진공 챔버(620) 내에 포함되어 부가적인 프로세스 제어를 제공할 수 있을 것이다. 예를 들어, 저온 허쓰일 수 있는 허쓰(640)가 진공 챔버(620) 내 에 배치된다. 작동 중에, 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기(614, 616)가 에너지화되고 그리고 전자 필드(618)를 발생시킨다. 전기 전도성 공급 물질(644)이 공급기(622)에 의해서 진공 챔버(620) 내로 도입되고, 방출기(614)로부터 방출되는 전자 필드(638)에 의해서 용융되며, 그리고 허쓰(640)로 낙하된다. 방출기(616)에 의해서 방출되는 넓은-면적 전자 필드(638)는 용융 물질(642)이 허쓰(640) 내에 체류하는 동안에 가열, 탈가스, 및 정련한다. 용융 물질(642)은 허쓰(640)를 따라서 진행하고 그리고 주조 또는 원자화 장치(624) 내로 낙하되며 원하는 형태로 프로세싱된다.
이상의 설명이 제한된 수의 실시예들에 관한 것이지만, 당업자는 본 명세서에서 설명되고 도시된 실시예의 장치 및 방법 그리고 다른 상세 사항에 대해서 여러 가지 변화를 줄 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이고, 그러한 변형 실시예들 모두는 본 명세서에서 설명되고 특허청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 원리 및 범위에 포함될 것이다. 예를 들어, 본 발명에 따른 제한된 수의 전자 비임 용융 퍼니스에 대해서만 설명하고, 그리고 제한된 수의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기 디자인에 대해서만 설명하였지만, 본원의 상세한 설명 및 특허청구범위가 그러한 것으로 제한되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 당업자는 추가적인 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기 디자인을 용이하게 이해할 수 있을 것이고, 그리고 본 명세서에서 설명된 실시예들의 필수적인 제한된 숫자의 실시예들의 사상 내에서 추가적인 퍼니스 디자인을 구축할 수 있을 것이다. 그에 따라, 특허청구범위에 기재된 바와 같이, 본 발명은 본 명세서에서 설명되고 도시된 특정 실시예로 제한되는 것이 아니라, 본 발명의 원리 및 범위 내의 다른 변형 실시예들도 포함할 것이다. 또한, 당업자는 본 발명의 넓은 발명적 개념으로부터 벗어나지 않고 상기 실시예들에 대한 변화가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (42)

  1. 전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치로서:
    진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내에 배치된 허쓰(hearth);
    상기 진공 챔버에 인접한 또는 그 내부에 위치된 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기, 여기서 상기 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기는 넓은-면적 전자 필드를 상기 챔버 내로 지향시키도록 배치되며, 상기 넓은-면적 전자 필드는 상기 전기 전도성 금속 물질을 용융 온도까지 가열하기에 충분한 에너지를 가지며; 및
    상기 챔버와 소통되고 상기 허쓰로부터 용융 물질을 수용하도록 배치되는 몰드 및 원자화 장치 중 하나 이상;을 포함하는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 상기 허쓰의 영역 위쪽의 위치에서 상기 진공 챔버 내로 전기 전도성 물질을 도입하도록 구성된 하나 이상의 공급기를 더 포함하는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공급기가 바아 공급기, 와이어 공급기, 입자 공급기, 및 과립 공급기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기에 의해서 방출되는 넓은-면적 전자 필드가 상기 공급기에 의해서 상기 챔버 내로 도입된 전기 전도성 금속 물질에 적어도 부분적으로 충돌하도록, 상기 공급기 및 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기가 배치되는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 허쓰가 용융 물질 보유 영역을 포함하고,
    상기 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기에 의해서 방출되는 넓은-면적 전자 필드가 적어도 부분적으로 용융 물질 보유 영역에 충돌하도록, 상기 허쓰 및 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기가 배치되는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 허쓰가 저온 허쓰 및 자가적 허쓰로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 허쓰가 저온 허쓰 및 자가적 허쓰로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 몰드가 정적인 몰드, 회수용 몰드, 및 연속주조 몰드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기가 양 이온 플라즈마를 생성하도록 구성된 와이어 전극을 포함하는 플라즈마 영역을 포함하는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기는 상기 음극을 음으로 대전시키도록 구성된 고전압 전원공급부에 전기적으로 연결된 음극을 포함하는 음극 영역을 더 포함하고,
    상기 전극에 의해서 생성된 양 이온이 상기 음극을 향해 가속되고 충돌하여 상기 음극으로부터 넓은-면적 전자 필드를 방출하도록, 상기 음극이 상기 전극에 대응하여 배치되는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기는 상기 챔버의 벽 내에 배치되는 전자 투과성 호일 윈도우를 더 포함하며, 그에 따라 상기 음극으로부터 방출된 전자들이 상기 호일 윈도우를 통해서 상기 챔버로 유입될 수 있는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 호일 윈도우가 전자 투과성 티타늄 호일 및 전자 투과성 알루미늄 호일 중 하나 이상을 포함하는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 넓은-면적 전자 필드가 전자 투과성 윈도우를 통과하지 않고 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기로부터 상기 진공 챔버 내로 직접적으로 통과할 있도록, 상기 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기가 상기 진공 챔버 내로 개방되는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 상기 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기와 상기 진공 챔버의 중간에 전자 투과성 윈도우를 포함하지 않는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 넓은-면적 전자 필드가 전자 투과성 윈도우를 통과하지 않고 상기 플라즈마 영역으로부터 상기 진공 챔버 내로 통과할 수 있도록, 상기 플라즈마 영역이 상기 진공 챔버 내로 개방되는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 장치가 상기 플라즈마 영역과 상기 진공 챔버의 중간에 전자 투과성 윈도우를 포함하지 않는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 플라즈마 영역이 상기 진공 챔버와 유체적으로(fluidly) 소통하는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 음극은 용융 온도가 높고 일 함수가 낮은 삽입체(insert)를 포함하는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 삽입체가 몰리브덴을 포함하는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  20. 제 10 항에 있어서,
    상기 고전압 전원공급부가 상기 음극으로 전력을 공급하여 20,000 볼트 보다 큰 음 전압이 되게 하는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  21. 제 9 항에 있어서,
    상기 전극이 상기 플라즈마 챔버의 길이를 따라 배치되는 와이어를 포함하는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 전자 비임 저온 허쓰 용융 퍼니스이고, 상기 전기 전도성 금속 물질이 티타늄, 티타늄 합금, 텅스텐, 니오브, 탄탈륨, 플래티늄, 팔라듐, 지르코늄, 이리듐, 니켈, 니켈계 합금, 철, 철계 합금, 코발트, 및 코발트계 합금으로부터 선택된 하나 이상의 물질인
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 전자 비임 저온 허쓰 용융 퍼니스이고,
    상기 전자 비임 저온 허쓰 용융 퍼니스는:
    진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내에 배치되고 용융 물질 보유 영역을 포함하는 허쓰;
    상기 진공 챔버에 인접한 또는 그 내부에 위치된 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기, 여기서 상기 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기에 의해서 방출되는 넓은-면적 전자 필드가 상기 용융 물질 보유 영역에 적어도 부분적으로 충돌하도록, 상기 허쓰 및 하나 이상의 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기가 배치되며;
    상기 챔버와 소통되고 상기 허쓰로부터 물질을 수용하도록 배치되는 회수용 몰드; 및
    적어도 상기 허쓰의 영역 위쪽의 위치에서 상기 진공 챔버 내로 전기 전도성 물질을 도입하도록 구성된 하나 이상의 공급기;를 포함하는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기가 양 이온 플라즈마를 생성하도록 구성된 전극을 포함하는 플라즈마 영역을 포함하는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기는 상기 음극을 음으로 대전시키도록 구성된 고전압 전원공급부에 전기적으로 연결된 음극을 포함하는 음극 영역을 더 포함하고,
    상기 전극에 의해서 생성된 양 이온이 상기 음극을 향해 가속되고 충돌하여 상기 음극으로부터 넓은-면적 전자 필드를 방출하도록, 상기 음극이 상기 전극에 대응하여 배치되는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기는 상기 챔버의 벽 내에 배치되는 전자 투과성 호일 윈도우를 더 포함하며, 그에 따라 상기 음극으로부터 방출된 전자들이 상기 챔버로 유입될 수 있는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 고전압 전원공급부가 상기 음극으로 전력을 공급하여 20,000 볼트 보다 큰 음 전압이 되게 하는
    전기 전도성 금속 물질을 용융시키기 위한 장치.
  28. 물질을 프로세싱하는 방법으로서:
    대기압 보다 낮은 압력으로 유지되는 퍼니스 챔버 내로 금속 및 금속 합금 중 하나 이상을 포함하는 물질을 도입하는 단계; 및
    상기 물질을 용융 온도 보다 높은 온도로 가열하기 위해서, 상기 퍼니스 챔버 내에서 상기 물질에 넓은-면적 전자 필드를 인가하는 단계;를 포함하며,
    상기 넓은-면적 전자 필드는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기에 의해서 발생되는
    물질을 프로세싱 하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 물질이 티타늄, 티타늄 합금, 텅스텐, 니오브, 탄탈륨, 플래티늄, 팔라듐, 지르코늄, 이리듐, 니켈, 니켈계 합금, 철, 철계 합금, 코발트, 및 코발트계 합금으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는
    물질을 프로세싱 하는 방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 물질에 넓은-면적 전자 필드를 인가하는 단계에 후속하여 또는 그와 동시에 물질로부터 주조물 또는 분말을 형성하는 단계를 더 포함하는
    물질을 프로세싱 하는 방법.
  31. 제 28 항에 있어서,
    티타늄, 티타늄 합금, 텅스텐, 니오브, 탄탈륨, 플래티늄, 팔라듐, 지르코늄, 이리듐, 니켈, 니켈계 합금, 철, 철계 합금, 코발트, 및 코발트계 합금으로부터 선택된 하나 이상의 전기 전도성 물질을 대기압 보다 낮은 압력으로 유지되는 챔버 내로 도입하는 단계;
    상기 물질을 용융 온도 보다 높은 온도로 가열하기 위해서, 상기 퍼니스 챔버 내에서 상기 물질에 넓은-면적 전자 필드를 인가하는 단계, 여기서 상기 넓은-면적 전자 필드는 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기에 의해서 발생되며;
    선택적으로 하나 이상의 합금 첨가물을 상기 물질에 첨가하는 단계; 및
    상기 물질에 전자 필드를 인가하는 단계에 후속하여 또는 그와 동시에 상기 물질로부터 주조물 또는 분말을 형성하는 단계;를 포함하는
    물질을 프로세싱 하는 방법.
  32. 제 28 항에 있어서,
    상기 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기 내의 압력이 상기 퍼니스 챔버 내의 압력과 실질적으로 동일한
    물질을 프로세싱 하는 방법.
  33. 제 28 항에 있어서,
    상기 퍼니스 챔버 내의 압력이 상기 와이어-방전 이온 플라즈마 전자 방출기 내의 압력 보다 높은
    물질을 프로세싱 하는 방법.
  34. 제 28 항에 있어서,
    상기 퍼니스 챔버 내의 압력이 40 μ 보다 높게 유지되는
    물질을 프로세싱 하는 방법.
  35. 제 28 항에 있어서,
    상기 퍼니스 챔버 내의 압력이 300 μ 보다 높게 유지되는
    물질을 프로세싱 하는 방법.
  36. 제 34 항에 있어서,
    상기 퍼니스 챔버 내의 압력을 40 μ 보다 높게 유지하는 것은, 상기 퍼니스 챔버 내에서 물질을 가열하는 동안에 상기 물질로부터 휘발성 원소가 의도하지 않게 증발되는 것을 감소 또는 방지하는
    물질을 프로세싱 하는 방법.
  37. 제 35 항에 있어서,
    상기 퍼니스 챔버 내의 압력을 300 μ 보다 높게 유지하는 것은, 상기 퍼니스 챔버 내에서 물질을 가열하는 동안에 상기 물질로부터 휘발성 원소가 의도하지 않게 증발되는 것을 감소 또는 방지하는
    물질을 프로세싱 하는 방법.
  38. 제 31 항에 있어서,
    상기 퍼니스 챔버 내의 압력이 40 μ 보다 높게 유지되며, 그에 따라 상기 퍼니스 챔버 내에서 물질을 가열하는 동안에 상기 물질로부터 휘발성 원소가 의도하지 않게 증발되는 것이 감소 또는 방지되는
    물질을 프로세싱 하는 방법.
  39. 제 31 항에 있어서,
    상기 퍼니스 챔버 내의 압력이 300 μ 보다 높게 유지되며, 그에 따라 상기 퍼니스 챔버 내에서 물질을 가열하는 동안에 상기 물질로부터 휘발성 원소가 의도 하지 않게 증발되는 것이 감소 또는 방지되는
    물질을 프로세싱 하는 방법.
  40. 전자 비임 용융 퍼니스의 진공 챔버 내에서 물질을 가열하는 동안에 용융 물질로부터 휘발성 원소가 의도하지 않게 증발되는 것을 감소 또는 방지하기 위한 방법으로서,
    상기 진공 챔버 내의 압력을 40 μ 이상으로 유지하는 단계를 포함하는
    휘발성 원소의 증발 감소 또는 방지 방법.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 방법이 상기 진공 챔버 내의 압력을 300 μ 이상으로 유지하는 단계를 포함하는
    휘발성 원소의 증발 감소 또는 방지 방법.
  42. 제 40 항에 있어서,
    상기 용융 물질이 티타늄, 티타늄 합금, 텅스텐, 니오브, 탄탈륨, 플래티늄, 팔라듐, 지르코늄, 이리듐, 니켈, 니켈계 합금, 철, 철계 합금, 코발트, 및 코발트계 합금으로부터 선택되는
    휘발성 원소의 증발 감소 또는 방지 방법.
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