DE1190112B - Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahlbuendels hoher Stromstaerke und Verfahren zum Erhitzen und Schmelzen mittels einer solchen Vorrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIj

Deutsche KI.: 21g-21/01

Nummer: 1190 112

Aktenzeichen: St 16459 VIII c/21 g

Anmeldetag: 9. Mai 1960

Auslegetag: 1. April 1965

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahlbündels hoher Stromstärke zum Erhitzen und Schmelzen von Metallen, bestehend aus einer in Form einer ringförmigen Schleife um die Bündelachse herum angeordneten Kathode, einer in axialem Abstand konzentrisch zu dieser angeordneten Beschleunigungselektrode und einer auf negativerem elektrischem Potential als die Kathode liegenden Fokussierungselektrode zwischen der Kathode und der Beschleunigungselektrode, welche die Elektronen zur Strahlachse hin ablenkt. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Erhitzen und Schmelzen mittels einer solchen Vorrichtung.

Obwohl eine große Zahl von Maßnahmen und Vorrichtungen zur Erzeugung von Elektronenstrahlen sowohl für eine allgemeine Anwendung als auch für spezielle Anwendungsgebiete bekannt sind, fehlen auf bestimmten Gebieten, z. B. auf dem Gebiet des Schmelzens und Gießens von Metallen durch Elektronenbeschuß, praktisch brauchbare und gut geeignete Verfahren und Vorrichtungen. Obwohl die Erfindung und deren große Vorteile im folgenden an Hand eines Gußverfahrens dargelegt werden, ist sie keineswegs auf ein bestimmtes Gebiet beschränkt.

Es ist ein Elektronenstrahlerzeugungssystem zur Erzeugung von zwei in etwa gleicher Richtung verlaufenden Elektronenstrahlbündeln bekannt. Hierbei umgibt das von der äußeren Elektronenquelle erzeugte Elektronenstrahlbündel das von der inneren Elektronenquelle erzeugte schlauchartig. Dieses bekannte Elektronenstrahlerzeugungssystem ist nicht für die Verwendung in Elektronenstrahlschmelzöfen geeignet, da die Kathode in keiner Weise weder vor Ionenbombardement noch vor Bedampfung geschützt ist. Durch Ionenbombardement und auf der Kathode sich niederschlagende Dämpfe wird ihre Lebensdauer und damit die Lebensdauer des Elektronenstrahlerzeugungssystems wesentlich herabgesetzt, d. h., die Kathode mußte häufig ausgewechselt werden. Ein Kathodenwechsel ist aber beim Einsatz von Elektronenstrahlerzeugungssystemen in Schmelzöfen äußerst nachteilig, da dies sogar den Abbruch eines Schmelzprozesses nach sich ziehen kann und die bisherige Schmelze verworfen werden muß. Außerdem müßte beim Kathodenwechsel das Vakuum im Schmelzofen aufgehoben werden, so daß erhebliche Totzeiten die Folge wären.

Das Ziel vorliegender Erfindung ist unter anderem die Verbesserung der bekannten Elektronenstrahlerzeugung unter Vermeidung der obigen Nachteile.

Die Erfindung besteht darin, daß eine mit der Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahlbündels hoher Stromstärke und Verfahren
zum Erhitzen und Schmelzen mittels einer
solchen Vorrichtung

Anmelder:

Stauffer Chemical Company, New York, N. Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. Dr. jur. V. Busse, Patentanwalt,

Osnabrück, Möserstr. 20/24

Als Erfinder benannt:

Charles W. Hanks, Orinda, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 5. Juni 1959 (818 306)

Fokussierungselektrode zu einer baulichen Einheit vereinigte und auf gleichem Potential wie diese liegende Abschirmelektrode, welche die emittierten Elektronen von der Bündelachse weg auf die Fokussierungselektrode hin ablenkt, die Kathode über den größeren Teil ihres Querschnittsumfangs umschließt und sie dadurch gegen die Beschleunigungselektrode teilweise elektrisch und gegen von der Metallschmelze ausgehende Dampfstrahlen mechanisch abschirmt.

Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung ist die Fokussierungselektrode beweglich, vorzugsweise in axialer Richtung, an die Abschirmelektrode angesetzt. Dadurch ist die Lage des Brennpunktes des Elektronenbündels entlang der Schleifenachse verstellbar.

Vorteilhafterweise besteht die Abschirmelektrode aus einem Vollkörper mit ringförmiger Vertiefung, in der die Kathode angeordnet ist.

Bei verschiedenen Anwendungen ist es äußerst vorteilhaft, Elektronen von einer Vielzahl von Richtungen auf eine begrenzte Fläche zu leiten, sowohl vom Gesichtspunkt der schließlich zu erhaltenden Elektronenenergie als auch für verschiedene Nebeneffekte der konvergierenden Flugbahn. Ein Beispiel hierzu ist das Vakuumschmelzen von Metallen durch Elektronenbeschuß. Bei diesem Beispiel wird ein Metallblock kontinuierlich geschmolzen und gleichzeitig ein Schmelzbad dieses Metalls erhitzt.

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Das Verfahren zum Erhitzen und Schmelzen mit- Kathode 16 in der Vertiefung 14 der ringförmigen tels einer Vorrichtung nach der Erfindung besteht Elektrode 13 werden geeignete, in der Zeichnung darin, daß das Schmelzgut insbesondere in Form nicht dargestellte Isoliermittel verwendet. Die Vereines Stabes koaxial zu der schleifenförmigen Ka- tiefung 14 ist etwas einspringend ausgeführt, indem thode und den Elektroden in Richtung der Bündel- 5 eine vorspringende Lippe 17 vorgesehen ist, die unachse zum Brennpunkt bzw. zur Brennfläche hin gefahr an der radial nach innen liegenden Seite der bewegt wird, so daß das Schmelzgut im Brennpunkt Vertiefung 14 angeordnet ist und sich nach außen bzw. in der Brennfläche des kegelförmig verlaufenden erstreckt und hierbei einen Teil der Vertiefung in der Elektronenstrahlbündels erhitzt und geschmolzen Unterseite der Abschirmelektrode 13 abdeckt. Innerwird. 10 halb dieses abgedeckten Teiles der Vertiefung 14 ist

Vorteilhafterweise wird das Elektronenstrahlbündel die Kathode 16 montiert; die Gründe für diese Maßausgehend von den ringförmigen Elektroden von nähme werden im folgenden angeführt. Die Vertiezwei Kegelflächen verschiedenen Öffnungswinkels be- fung 14 ist an jener Seite der Elektrode angeordnet, grenzt, wobei sich die Erzeugenden des inneren die in radialer Richtung gesehen außen liegt. Auf der Kegels in einem unterhalb des Schmelzgutendes und 15 Elektrode 13 ist ein Fokussierungsring 18 mittels BoI-oberhalb der Schmelzform liegenden Punkt auf der zen 19, welche durch Schlitze im Ring 18 hindurch-Achse schneiden, während die Schnittlinie zwischen gesteckt und in die Elektrode 13 geschraubt sind, den Erzeugenden des inneren Kegels und den Er- axial beweglich befestigt. Dieser Fokussierungsring 18 zeugenden des äußeren Kegels eine Brennfläche ab- hängt von der Elektrode 13 an ihrem äußeren Umgrenzt, die mit der Oberfläche der Schmelzform zu- 20 fang herab und bestimmt dadurch mit der Lippe 17 sammenfällt. zusammen eine Austrittsöffnung 20 für die Elektro-

Durch vorliegende Erfindung wird nicht nur ein nen zwischen der Vertiefung 14 und dem Äußeren sehr intensiver Elektronenstrahlbeschuß einer ge- der Abschirmelektrode 13. Unmittelbar unterhalb wünschten, begrenzten Fläche, die wesentlich vom der Abschirmelektrode 13 befindet sich eine Be-Strahlenursprung entfernt ist, erzielt. Durch die Kon- 25 schleunigungselektrode 21, die vorzugsweise mit vergenz der beschießenden Elektronen ist es auch einem abgerundeten Außenrand versehen ist und als ermöglicht, das Schmelzgut zu schmelzen und zu- ein Ring ausgebildet ist, der unterhalb der Abschirmgleich das Schmelzbad zu erhitzen. elektrode 13 angeordnet ist und sich in radialer Rich-

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich tung nach außen weiter als die Lippe 17 erstreckt. an Hand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele 30 Es ist ersichtlich, daß bei der beschriebenen Ausdargestellt sind. So ist insbesondere unter ringförmig bildung die Weite der Öffnung 20 unterhalb der nicht nur eine Kreisringform, sondern auch eine Abschirmelektrode 13 durch die Beschleunigungs-Ellipsenform und dergleichen Formen zu verstehen. elektrode 21 vermindert wird, weil diese innerhalb des Gleiches gilt auch für die Kegelform des Elektronen- Fokussierungsringes 18 radial von diesem weniger als Strahls, womit alle konvergierenden Figuren zu ver- 35 die Lippe 17 entfernt ist. Für die Beschleunigungsstehen sind. elektrode 21 können geeignete Befestigungsmittel

Fi g. 1 zeigt schematisch eine Schrägansicht einer vorgesehen werden, z. B. kann, wie dies in der Zeich-

Vorrichtung zur Erzeugung von Elektronenstrahlen nung dargestellt ist, am inneren Umfang der Be-

einschließlich der erzielten konvergierenden Elek- schleunigungselektrode 21 ein zylinderförmiger Rand-

tronenstrahlbahnen, 40 teil vorgesehen werden, der sich innerhalb der

F i g. 2 einen Aufriß einer Vorrichtung zum Abschirmelektrode 13 erstreckt. Geeignete Kühlmittel

Schmelzen mit Hilfe eines konvergierenden Elek- werden je nach Erfordernis für die einzelnen EIe-

tronenstrahlbündels, wie sie in einem Elektronen- mente der Vorrichtung vorgesehen. Die Beschleu-

strahlschmelzofen verwendet werden kann, nigungselektrode 21 ist vorzugsweise mit einem Kühl-

F i g. 3 einen Querschnitt gemäß der Linie 3-3 von 45 rohr 22 versehen, das unterhalb der Elektrode an-

F i g. 2 durch eine vorzugsweise Ausführungsform geordnet ist und mit ihr in guter wärmeleitender Ver-

der Vorrichtung. bindung steht, um die durch gestreute Elektronen,

In F i g. 1 ist die Vorrichtung 11 zur Erzeugung die die Beschleunigungselektrode beschießen, er-

eines intensiven Elektronenstrahls nur schematisch zeugte Wärme abzuleiten. Ähnliche Kühlvorrichtun-

angedeutet. Sie erzeugt das hohle kegelförmige Elek- 50 gen können auch für den Fokussierungsring und

tronenstrahlbündel 12. Das Elektronenstrahlbündel ebenso für die Elektrode 13 vorgesehen werden, ob-

wird in einiger Entfernung von der Strahlenquelle wohl normalerweise nur die Beschleunigungselek-

fokussiert. trode während des Betriebes so stark erhitzt wird,

Wie aus F i g. 2 und 3 zu ersehen ist, besitzt die daß das Entfernen größerer Wärmemengen erforder-

Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung eine ringför- 55 lieh ist.

mige Abschirmelektrode 13, die im Grundriß eine Zum Betrieb der Elektronenstrahlerzeugungsvor-

Kreisform, eine elliptische Form od. dgl. haben kann. richtung wird die Kathode 16 auf die Emissions-

Es gibt eine verhältnismäßig große Anzahl von mög- temperatur erhitzt, indem man von einer äußeren

liehen Figuren für die Grundrißform der Elektronen- Energiequelle einen Strom durch die Kathode 16

Strahlerzeugungsvorrichtung, und der Ausdruck ⁶<> fließen läßt, was der Einfachheit halber in der Zeich-

»ringförmig« wird daher im folgenden für alle diese nung nicht dargestellt ist. Das gewünschte Elektro-

verschiedenen Formen verwendet. Die Abschirm- nenbeschleunigungs- und Ablenkfeld wird durch An-

elektrode 13, die im folgenden der Einfachheit halber legen einer Spannung zwischen der Elektrode 13 und

als kreisringförmig betrachtet wird, hat auf ihrer der Beschleunigungselektrode 21 erzeugt. In der

Unterseite eine Mulde oder Vertiefung 14. In dieser 65 Zeichnung ist dies durch eine Batterie 23 angedeutet,

Vertiefung ist eine elektronenemittierende Kathode deren negativer Pol mit der Elektrode 13 und deren

16 angeordnet, welche mit der Elektrode 13 keinen positiver Pol mit der Beschleunigungselektrode 21

elektrischen Kontakt besitzt. Zur Befestigung der verbunden ist. Die Verbindungsleitungen sind mit

24 bezeichnet. Da der Fokussierungsring 18 mit der Elektrode 13 in elektrischem Kontakt ist, liegt der Fokussierungsring auf dem gleichen Potential wie die Elektrode 13. Gewünschtenfalls kann die Kathode 16 auf ein Potential gebracht werden, das zwischen dem der Elektrode 13 und dem der Beschleunigungselektrode 21 liegt, so daß die Elektrode

13 auf einem bezüglich der Kathode negativen Potential gehalten wird und so Elektronen abstößt. Durch das Vorhandensein einer Potentialdifferenz zwischen der Beschleunigungselektrode 21 und der Elektrode 13 entsteht, besonders zwischen dem äußeren Ende der Beschleunigungselektrode 21 und der Lippe 17 der Elektrode 13, ein elektrisches Feld, dessen Kraftlinien durch die Linien26 in Fig. 3 der Zeichnung angedeutet sind. Dieses Feld, das durch die gezeichneten Feldlinien 26 angedeutet ist, ist zwischen der Beschleunigungselektrode 21 und der Lippe 17 gekrümmt, wodurch die von der Kathode 16 emittierten Elektronen gezwungen werden, in Übereinstimmung mit der Krümmung der Kraftlinien einer gekrümmten Bahn zu folgen. Die von der Kathode 16 emittierten Elektronen werden von der mit einer positiven Spannung versehenen Beschleunigungselektrode 21 angezogen, so daß ein Elektronenstrahlbündel 27 entsteht, das von der Vertiefung

14 in der Elektrode 13 nach außen strömt. Dieses Elektronenstrahlbündel 27 verläßt die Kathode 16 in einer Richtung, die im wesentlichen radial von ihr nach außen führt, und wird durch das Feld 26 von der Elektrode 13 durch die Öffnung 20 nach unten und dann weiter gegen die Achse 28 (F i g. 1) der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung gerichtet. Der Krümmungsgrad bzw. die dem Elektronenstrahlbündel 27 erteilte Ablenkung ist durch die Größe und Krümmung des beschleunigenden elektrischen Feldes bestimmt. Somit ermöglicht die Regelung der Beschleunigungsspannung auch die Regelung des Schnittpunktes des Elektronenstrahlbündels 27 mit der Achse 28 der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung. Als weitere Regelung für die Elektronenstrahlbahn ist der Fokussierungsring 18 verstellbar auf der Elektrode 13 montiert, so daß er axial beweglich ist. Da der Fokussierungsring 18 elektrisch mit der Elektrode 13 verbunden ist, erzeugt eine tiefere Lage des Fokussierungsringes bezüglich der Elektrode 13 ein negatives elektrisches Feld, das entlang des äußeren Umfanges der Elektronenstrahlbahn tiefer reicht. Durch Senken des Fokussierungsringes 18 ist es also möglich, die radiale Ablenkung des Elektronenstrahls innerhalb der Erzeugungsvorrichtung zu vergrößern.

Es ist bekannt, daß verschiedene Effekte, eingeschlossen Raumladungseffekte, das Zerstreuen eines Elektronenstrahlbündels von hoher Dichte bewirken. Das spricht im allgemeinen gegen das Erreichen der Höchstdichte eines Elektronenstrahls an irgendeinem von der Quelle des Strahles entfernten Punkt. Bei der vorliegenden Erfindung bringt das Streuen des Elektronenstrahls, wie es aus F i g. 3 der Zeichnung entnommen werden kann, keine besonderen Nachteile mit sich, und zwar deshalb, weil das Elektronenstrahlenbündel entlang eines Kreisringes erzeugt und erst in einiger Entfernung vom Ursprungspunkt auf einen Punkt konzentriert wird, wie es z. B. aus Fig. 2 der Zeichnung ersehen werden kann. Obwohl der Querschnitt jedes einzelnen von einem Punkt der Kathode ausgehenden Elektronenstrahlbündels mit wachsender Entfernung vom Erzeugungspunkt zufolge der Streuung wächst, wird das Gesamtstrahlenbündel selbst als ganzes fokussiert, so daß die Streustrahlen an einer Stelle hoher Dichte konvergieren. Dies ist am besten aus F i g. 2 der Zeichnung zu ersehen, in welcher mittels strichlierter Linien die Begrenzung des Elektronenstrahlbündels von zwei entgegengesetzten Seiten der Erzeugungsvorrichtung eingezeichnet ist und woraus man weiter erkennen kann, daß die Dichte des Elektronenstrahlbündels in einer Brennebene, die von der Erzeugungsvorrichtung axial entfernt ist, gegenüber der Elektronenstrahldichte in allen anderen Bereichen am größten ist. Es hängt von verschiedenen Faktoren, die Elektronengeschwindigkeit eingeschlossen, ab, daß sich der konvergierende Strahl tatsächlich überkreuzen kann, wie es in F i g. 2 gezeigt ist, oder daß anderseits ein mehr laminarer Elektronenfluß in der Nähe der Brennebene des Strahlenbündels existiert.

Das erzeugte Elektronenstrahlbündel kann für viele Verwendungszwecke benutzt werden. So kann z. B. an der Brennfläche 31, wo das Elektronenstrahlbündel seinen kleinsten Durchmesser und somit die größtmögliche Dichte erreicht, eine Elektronenlinse od. dgl. angeordnet werden, durch die der resultierende Strahl in einen Apparat, in dem er verwertet wird, gelenkt werden kann. In Verbindung mit einer solchen Elektronenlinse kann z. B. auch ein Verschluß gegen Dampf angebracht werden, so daß keine Gase oder Dämpfe von dem Verwertungsapparat in das Gebiet der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung dringen können. Besonders vorteilhaft und zweckmäßig ist die Verwendung des erzeugten Elektronenstrahls in Verbindung mit Schmelzöfen, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist. Es kann z. B. ein Schmelzstock 32 vorgesehen werden, welcher in den Elektronenstrahl hinein bewegt werden kann, z. B. entlang der Achse der Strahlenerzeugungsvorrichtung. Hierbei wird der Schmelzstock fortschreitend durch den Elektronenstrahlbeschuß verflüssigt und fließt in einen Schmelztiegel 33 hinunter, wo das verflüssigte Metall durch den dorthin konvergierenden Elektronenstrahl weiter beschossen und erhitzt wird. Der Winkel, unter welchem der Elektronenstrahl in Richtung auf seine Brennebene 31 konvergiert, kann leicht durch Bewegen des Fokussierungsringes 18 der Erzeugungsvorrichtung geändert werden. Dieses Merkmal bringt besondere Vorteile mit sich, da verschiedene Verwendungszwecke verschiedene Winkel der Strahlenkonvergenz erfordern. So ist es z. B. äußerst wünschenswert, bei dem Elektronenbeschuß eines Metallschmelzbades in einem Elektronenstrahlschmelzofen für eine große Zahl von Winkeln und Richtungen zu sorgen, so daß eine vollständige und gleichmäßige Erhitzung der oberen Fläche des Schmelzbades erzielt werden kann. Die vorliegende Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung ist für eine solche Verwendung sehr gut geeignet, da, wenn auch ein Schmelzstock od. dgl. an irgendeiner gewünschten Stelle in den Elektronenstrahl gebracht werden kann, zwecks Beginns der Schmelzung des in den Schmelzofen eingebrachten Materials doch durch die Konvergenz des hier erzeugten Elektronenstrahlbündels eine Beschießung der gesamten Oberfläche des geschmolzenen Metalls im Tiegel sichert. Ein weiterer wesentlicher Vorteil bei Verwendung der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung in Elektronenstrahl-

schmelzofen ist die relative Unzulänglichkeit der Kathode für kondensierenden Metalldampf, der sich vom Schmelztiegel 33 aus in Richtung auf die Kathode ausbreitet.

Da nur eine sehr begrenzte öffnung für den Austritt der Elektronen aus der emittierenden Kathoden oberfläche vorgesehen ist und da weiter diese emittierende Oberfläche in radialer Richtung wesentlich von der resultierenden Elektronenstrahlbahn entfernt ist, wird ein höchstmöglicher Schutz für die Kathode erzielt. Wenn sich also z. B. in dem vom erzeugten Elektronenstrahl durchquerten Raum Gase oder Dämpfe befinden und folglich durch Wechselwirkung des Elektronenstrahls und solcher Gase und Dämpfe Ionen entstehen, ist somit die Kathode völlig vor dem Beschluß durch solche Ionen geschützt. In dem Fall, daß wirklich Ionen in dem Raum unterhalb des Elektronenstrahlgene- rators entstehen, würden diese Ionen normalerweise von der Elektrode 13 angezogen werden und können, obwohl sie von der Beschleunigungselektrode 21 ab gestoßen werden, teilweise entlang des Elektronen- strahlweges zurückwandern. Im vorliegenden Bei spiel sind diese Ionen jedoch wegen ihrer größeren Masse zu träge, um sich auf der stark gekrümmten Bahn zu der Kathode hin zu bewegen und würden höchstens gegen den Fokussierungsring 18 oder die Elektrode 13 stoßen. Das Feld ist im Gebiet der Elektronenemission so beschaffen, daß Ionen, die sich der Erzeugungsvorrichtung nähern und durch die öffnung 20 kommen, eher von der Elektrode 13 als von der Kathode 16 angezogen werden. Die starke bauliche Ausführung der Elektrode 13 ermöglicht es, daß sie von solchen Ionen, die tatsäch lich die öffnung 20 passieren, ohne materiellen Schaden beschlossen werden kann. Eine der Schwierigkeiten bei Elektronenstrahlquellen mit hoher Dichte ist der starke Beschluß ihrer Kathode durch Ionen, die vom Elektronenstrahl erzeugt werden. Bei der Verwendung dieser Erzeugungsvorrichtungen für Elektronenstrahlschmelzöfen liegt eine noch größere Schwierigkeit darin, daß die Kathode durch Metall belegt wird, wodurch ihre Lebensdauer be deutend reduziert wird. Durch die vorliegende Erfin dung werden diese Schwierigkeiten beinahe völlig überwunden, da die Wahrscheinlichkeit des Be schüsses oder der Bildung eines Belages auf der Kathode 16 äußerst gering ist.

Nachstehend werden einige nähere Angaben zur Dimensionierung von Elektronenstrahlerzeugungs- vorrichtungen angeführt. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 der Zeichnung kann die Abschirm elektrode 13 einen Innendurchmesser von 139,7 mm und einschließlich des Fokussierungsringes einen Außendurchmesser von ungefähr 209,6 mm besitzen. Die Vertiefung 14 kann im Querschnitt einen Krümmungsradius von 9,5 mm haben, weist jedoch vor und beim Übergang zur Lippe 17 eine Krüm mung mit einem Radius von 4,8 mm auf, in deren Mittelpunkt die Kathode 16 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Fokussierungsring 18 ungefähr 31,7 mm unter die Elektrode 13 herab reichen und die gesamte Tiefe der Vertiefung 14 kann ungefähr 19,1 mm gemacht werden. Bei diesem Beispiel kann die Beschleunigungselektrode elekirisch geerdet werden, und für die Elektrode 13 und den Fokussierungsring 18 kann eine negative Spannung von einigen tausend Volt verwendet werden.

Hierbei ist es möglich, einen Elektronenstrahl von großer Dichte zu erzeugen, der eine hohe Elektronengeschwindigkeit hat. Obwohl der Elektronenstrahl in der Dicke divergiert, konvergiert er im Durchmesser, um sich dadurch in der Nähe seiner Brennfläche zu kreuzen und hier einen Elektronenstrahl von sehr hoher Dichte zu erzeugen. Die Brennfläche kann bei dem angeführten Ausführungsbeispiel ungefähr 305 mm unterhalb der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung vorgesehen werden. Weiter kann, falls es erwünscht ist, bei diesem Brennpunkt ein Dampfblockierungsgestell mit einer Elektronenlinse vorgesehen werden, die unterhalb desselben errichtet ist, um eine zweite Elektronenstrahlbrennfläche zu erzeugen, die weiter von der Erzeugungsvorrichtung entfernt ist.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahlbündels hoher Stromstärke zum Erhitzen und Schmelzen von Metallen, bestehend aus einer in Form einer ringförmigen Schleife um die Bündelachse herum angeordneten Kathode, einer in axialem Abstand konzentrisch zu dieser angeordneten Beschleunigungselektrode und einer auf negativerem elektrischem Potential als die Kathode liegenden Fokussierungselektrode zwischen der Kathode und der Beschleunigungselektrode, welche die Elektronen zur Strahlachse hin ablenkt, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Fokussierungselektrode zu einer baulichen Einheit vereinigte und auf gleichem Potential wie diese liegende Abschirmelektrode, welche die emittierten Elektronen von der Bündelachse weg auf die Fokussierungselektrode hin ablenkt, die Kathode über den größeren Teil ihres Querschnittsumfangs umschließt und sie dadurch gegen die Beschleunigungselektrode teilweise elektrisch und gegen von der Metallschmelze ausgehende Dampfstrahlen mechanisch abschirmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungselektrode (18) beweglich, vorzugsweise in axialer Richtung, an die Abschirmelektrode (13) angesetzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmelektrode (13) aus einem Vollkörper mit ringförmiger Vertiefung (14) besteht, in der die Kathode (16) angeordnet ist.

4. Verfahren zum Erhitzen und Schmelzen mittels einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzgut insbesondere in Form eines Stabes koaxial zu der schleifenförmigen Kathode und den Elektroden in Richtung der Bündelachse zum Brennpunkt bzw. zur Brennfläche hin bewegt wird, so daß das Schmelzgut im Brennpunkt bzw. in der Brennfläche des kegelförmig verlaufenden Elektrodenstrahlbündels erhitzt und geschmolzen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenstrahlbündel, ausgehend von den ringförmigen Elektroden, von zwei Kegelflächen verschiedenen Öffnungswinkels begrenzt wird, wobei sich die Erzeugenden des

inneren Kegels in einem unterhalb des Schmelzgutendes und oberhalb der Schmelzform liegenden Punkt auf der Achse schneiden, während die Schnittlinie zwischen den Erzeugenden des inneren Kegels und den Erzeugenden des äußeren

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Kegels eine Brennfläche abgrenzt, die mit der Oberfläche der Schmelzform zusammenfällt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 898 193.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 537/295 S. 65 © Bundesdruckerei Berlin