ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ ПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ Российский патент 2015 года по МПК C22B9/22 H01J3/00 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет согласно разделу 35 Свода законов США, § 120, и является частичным продолжением заявки на патент США с порядковым № 12/055415, поданной 26 марта 2008 г., которая испрашивает приоритет согласно разделу 35 Свода законов США, § 119(е), предварительной заявки на патент США с порядковым № 60/909118, поданной 30 марта 2007 г. Обе из указанных ранее поданных заявок включены сюда по ссылке во всей их полноте.

Основы технологии

Область техники

[0002] Изобретение относится к оборудованию и методам для плавления металлов и металлических сплавов (в дальнейшем "сплавов"). Более конкретно, настоящее изобретение относится к оборудованию и методам с использованием электронов для плавления или нагревания сплавов и/или конденсата, образовавшегося внутри расплавленных сплавов.

Описание уровня техники

[0003] Процесс плавления сплава включает приготовление шихты из подходящих материалов и затем плавление шихты. Расплавленная шихта или "расплав" затем может быть рафинирована и/или обработана, чтобы модифицировать химию расплава, удалить нежелательные компоненты из расплава и/или воздействовать на микроструктуру изделий, отливаемых из расплава. Плавильные печи работают либо на электроэнергии, либо на сжигании ископаемых топлив, и выбор подходящего устройства в значительной степени зависит от относительной стоимости и применяемых экологических нормативов, а также от характера приготавливаемого материала. Сегодня доступно множество методов плавки и плавильных устройств. Общие классы методов плавки включают, например, индукционную плавку (включая вакуумную индукционную плавку), дуговую плавку (включая вакуумно-дуговую гарнисажную плавку), тигельную плавку и электронно-лучевую плавку.

[0004] Электронно-лучевая плавка обычно включает использование термоионных электронно-лучевых пушек для генерирования высокоэнергетических, по существу линейных потоков электронов, которые используются для нагревания материалов-мишеней. Термоионные электронно-лучевые пушки работают посредством пропускания тока по нити накала, тем самым нагревая нить накала до высокой температуры и вызывая "выкипание" электронов из нити накала. Генерируемые электроны из нити накала затем фокусируются и ускоряются к мишени в форме очень узкого, по существу линейного электронного луча. Ионно-плазменную электронно-лучевую пушку одного типа также использовали для получения расплавов сплавов. В частности, электронно-лучевая пушка "тлеющего разряда", описанная в докладе В.A. Чернова "Мощная высоковольтная электронная пушка тлеющего разряда и силовой блок на ее основе" на Международной конференции по электронно-лучевой плавке 1994 года (Рено, Невада), стр. 259-267, была встроена в некоторые плавильные печи, доступные от компании «Антарес», г. Киев, Украина. Такие устройства работают за счет получения холодной плазмы с катионами, которые бомбардируют катод и производят электроны, которые фокусируются с образованием по существу линейного электронного луча.

[0005] По существу линейные электронные лучи, производимые существующими типами электронно-лучевых пушек, направляются в вакуумированную плавильную камеру электронно-лучевой плавильной печи и падают на материалы, которые необходимо плавить и/или поддерживать в расплавленном состоянии. Проводимость электронов через электропроводящие материалы быстро нагревает их до температуры свыше их конкретной температуры плавления. Обладая высокой энергией по существу линейных электронных лучей, которая может составлять, например, примерно 100 кВт/см², линейные электронно-лучевые пушки являются источниками тепла с очень высокой температурой и способны легко превышать температуры плавления и, в некоторых случаях, испарения материалов, на которые падают эти по существу линейные лучи. Используя магнитное отклонение или подобные направляющие средства, по существу линейными электронными лучами сканируют с высокой частотой по материалам-мишеням внутри плавильной камеры, что позволяет направлять луч по обширной зоне и по мишеням, имеющим различные и сложные формы.

[0006] Поскольку электронно-лучевая плавка является способом нагревания поверхности, она обычно дает лишь мелкую ванну расплава, что может быть выгодным с точки зрения ограничения пористости и сегрегации в отлитом слитке. Поскольку перегретая ванна жидкого металла, производимая электронным лучом, расположена внутри вакуумной среды плавильной камеры печи, этот метод также имеет полезную тенденцию дегазировать расплавленный материал. Кроме того, нежелательные металлические и неметаллические составляющие в сплаве, имеющие относительно высокие давления паров, могут быть выборочно испарены в плавильной камере, тем самым повышая чистоту сплава. С другой стороны, следует учитывать испарение желательных составляющих, производимое сильно сфокусированным, по существу линейным электронным лучом. Нежелательное испарение должно учитываться в производстве и может значительно усложнить производство сплава при использовании электронно-лучевых плавильных печей.

[0007] Различные способы плавления и рафинирования включают электронно-лучевую плавку исходного сырья с использованием термоионных электронных пушек. Капельная плавка является классическим способом, используемым в плавильных печах с термоионными электронно-лучевыми пушками для обработки тугоплавких металлов, таких как, например, тантал и ниобий. Исходный материал в виде прутка обычно подают в камеру печи, и сфокусированный на прутке линейный электронный луч капельно плавит материал непосредственно в стационарный или вытяжной кристаллизатор. При литье в вытяжной кристаллизатор уровень ванны жидкого металла поддерживается наверху растущего слитка посредством отодвигания (вытягивания) основания слитка. Исходный материал рафинируется в результате описанных выше явлений дегазации и избирательного испарения.

[0008] Метод электронно-лучевой холодноподовой плавки обычно используют при обработке и переработке химически активных металлов и сплавов. Сырье подвергают капельной плавке при падении по существу линейного электронного луча на конец прутка сырья. Расплавленное сырье капает в концевую зону водоохлаждаемого медного пода, образуя защитный гарнисаж. По мере того как расплавленный материал собирается в поде, он переливается и падает под действием силы тяжести в вытяжной кристаллизатор или другое литейное устройство. Во время выдержки расплавленного материала внутри пода по существу линейными электронными лучами быстро сканируют по поверхности материала, поддерживая его в расплавленном виде. Это также дает эффекты дегазации и рафинирования расплавленного материала посредством испарения компонентов с высоким давлением паров. Под также может быть выполнен с такими размерами, чтобы содействовать гравитационному разделению между твердыми включениями с низкой плотностью и высокой плотностью, при котором оксидные и другие включения относительно низкой плотности остаются в расплавленном металле в течение времени, достаточного для обеспечения растворения, в то время как частицы высокой плотности оседают на дно и задерживаются в гарнисаже.

[0009] Принимая во внимание различные преимущества традиционных методов электронно-лучевой плавки, было бы выгодно дополнительно усовершенствовать эту технологию.

Сущность изобретения

[0010] Согласно одному неограничивающему аспекту настоящего изобретения описано устройство для плавления электропроводящего металлического материала. Устройство содержит вакуумную камеру, расположенный в вакуумной камере под и по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов, расположенный в вакуумной камере или смежно с ней и размещенный для направления первого поля электронов, имеющего первую площадь поперечного сечения, в вакуумную камеру. Первое поле электронов имеет достаточную энергию для нагревания электропроводящего металлического материала до его температуры плавления. Устройство дополнительно содержит по меньшей мере одно из кристаллизатора и распылительного устройства, размещенного для приема электропроводящего металлического материала из пода, и вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов, расположенный в вакуумной камере или смежно с ней и размещенный для направления второго поля электронов, имеющего вторую площадь поперечного сечения, в вакуумную камеру. Второе поле электронов имеет достаточную энергию для по меньшей мере одного из нагревания частей электропроводящего металлического материала до по меньшей мере его температуры плавления, плавления любого твердого конденсата внутри электропроводящего металлического материала и подачи тепла в зоны образующегося слитка. Первая площадь поперечного сечения первого поля электронов отличается от второй площади поперечного сечения второго поля электронов. Второе поле электронов, испускаемых вспомогательным ионно-плазменным излучателем электронов, является ориентируемым.

[0011] Согласно другому неограничивающему аспекту настоящего изобретения описано устройство для плавления электропроводящего металлического материала. Устройство содержит вакуумную камеру, расположенный в вакуумной камере под и плавильное приспособление, выполненное с возможностью плавления электропроводящего металлического материала. Устройство дополнительно содержит по меньшей мере одно из кристаллизатора и распылительного устройства, размещенного для приема расплавленного электропроводящего металлического материала из пода, и вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов, расположенный в вакуумной камере или смежно с ней и размещенный для направления сфокусированного поля электронов, имеющего площадь поперечного сечения, в вакуумную камеру. Сфокусированное поле электронов имеет достаточную энергию для по меньшей мере одного из плавления частей электропроводящего металлического материала, плавления твердого конденсата внутри электропроводящего металлического материала и нагревания зон затвердевающего слитка. Сфокусированное поле электронов является ориентируемым для направления сфокусированного поля электронов к по меньшей мере одному из частей электропроводящего металлического материала, твердого конденсата и затвердевающего слитка.

[0012] Согласно еще одному неограничивающему аспекту настоящего изобретения описано устройство для плавления электропроводящего металлического материала. Устройство содержит вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов, выполненный с возможностью создания сфокусированного поля электронов с профилем поперечного сечения, имеющим первую форму. Устройство дополнительно содержит систему ориентирования, выполненную с возможностью направления сфокусированного поля электронов для падения сфокусированного поля электронов на по меньшей мере часть электропроводящего металлического материала для по меньшей мере одного из плавления любых затвердевших частей электропроводящего металлического материала, плавления любого твердого конденсата внутри электропроводящего металлического материала и подачи тепла в зоны образующегося слитка.

[0013] Согласно другому дополнительному аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ обработки материала. Способ содержит введение материала, содержащего по меньшей мере один из металла и металлического сплава, в камеру печи, поддерживаемую при низком давлении относительно атмосферного давления, и генерирование первого поля электронов, имеющего первую площадь поперечного сечения, с использованием по меньшей мере первого ионно-плазменного излучателя электронов. Способ дополнительно содержит подвергание материала внутри камеры печи воздействию первого поля электронов для нагревания материала до температуры выше температуры плавления этого материала и генерирование второго поля электронов, имеющего вторую площадь поперечного сечения, с использованием второго ионно-плазменного излучателя электронов. Способ дополнительно содержит подвергание по меньшей мере одного из любого твердого конденсата внутри материала, любых затвердевших частей материала и зон затвердевающего слитка воздействию второго поля электронов с использованием системы ориентирования для плавления или нагревания по меньшей мере одного из твердого конденсата, затвердевших частей и зон затвердевающего слитка. Первая площадь поперечного сечения первого поля электронов отличается от второй площади поперечного сечения второго поля электронов.

[0014] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ обработки материала. Способ содержит введение материала, содержащего по меньшей мере один из металла и металлического сплава, в камеру печи, поддерживаемую при низком давлении относительно атмосферного давления, и подвергание материала внутри камеры печи воздействию плавильного приспособления, выполненного с возможностью нагревания материала до температуры выше температуры плавления этого материала. Способ дополнительно содержит генерирование сфокусированного поля электронов с использованием вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов и подвергание по меньшей мере одного из любого твердого конденсата внутри материала, любых затвердевших частей материала и зон затвердевающего слитка воздействию сфокусированного поля электронов с использованием системы ориентирования для плавления или нагревания по меньшей мере одного из твердого конденсата, затвердевших частей и зон затвердевающего слитка.

[0015] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ обработки материала. Способ содержит генерирование сфокусированного поля электронов с профилем поперечного сечения, имеющим первую форму, с использованием вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов, и ориентирование сфокусированного поля электронов для падения сфокусированного поля электронов на материал и плавления или нагревания по меньшей мере одного из любого твердого конденсата внутри материала, любых затвердевших частей материала и зон затвердевающего слитка.

[0016] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ генерирования поля электронов для плавления электропроводящего материала внутри плавильной печи. Способ содержит обеспечение анода, имеющего первую нелинейную форму, подачу напряжения на анод и получение плазмы, содержащей положительные катионы, на аноде. Способ дополнительно содержит обеспечение катода, имеющего вторую форму, размещение катода относительно анода и подачу напряжения на катод. Напряжение приспособлено для придания катоду отрицательного заряда. Способ дополнительно содержит ускорение положительных катионов к катоду для генерирования свободных вторичных электронов и формирование поля электронов с использованием свободных вторичных электронов. Поле электронов имеет профиль поперечного сечения с третьей формой. Третья форма соответствует первой нелинейной форме анода.

Краткое описание чертежей

[0017] Признаки и преимущества описанных здесь устройств и способов могут быть лучше поняты при обращении к прилагаемым чертежам, на которых:

[0018] фиг. 1 - схематическая иллюстрация в сечении варианта реализации обычной плавильной печи с термоионной электронно-лучевой пушкой;

[0019] фиг. 2 - упрощенное изображение некоторых компонентов варианта реализации проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов;

[0020] фиг. 3 - схематическая иллюстрация в сечении одного неограничивающего варианта реализации электронно-лучевой плавильной печи с холодным подом, включающей множественные проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов согласно настоящему изобретению;

[0021] фиг. 4 - схематическая иллюстрация одного неограничивающего варианта реализации проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов;

[0022] фиг. 5 - схематическая иллюстрация одного неограничивающего варианта реализации согласно настоящему изобретению электронно-лучевой плавильной печи, включающей в качестве источника электронов проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов;

[0023] фиг. 6 - вид в перспективе, частично в сечении, одного неограничивающего варианта реализации проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов, который может быть приспособлен для использования в электронно-лучевой плавильной печи согласно настоящему изобретению;

[0024] фиг. 7 - схема, иллюстрирующая работу проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов, показанного на фиг. 6;

[0025] фиг. 8 - схематическая иллюстрация в сечении одного варианта реализации электронно-лучевой плавильной печи с холодным подом согласно настоящему изобретению;

[0026] фиг. 9 - схематическая иллюстрация в сечении одного неограничивающего варианта реализации электронно-лучевой плавильной печи с холодным подом, включающей множественные ионно-плазменные излучатели электронов и вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов согласно настоящему изобретению;

[0027] фиг. 10 - схематическая иллюстрация в сечении одного неограничивающего варианта реализации электронно-лучевой плавильной печи с холодным подом, включающей вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов согласно настоящему изобретению;

[0028] фиг. 11 - схематическая иллюстрация одного неограничивающего варианта реализации системы ориентирования для вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов согласно настоящему изобретению;

[0029] фиг. 12 - схематическая иллюстрация сверху одного неограничивающего варианта реализации системы ориентирования для вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов согласно настоящему изобретению;

[0030] фиг. 13 - схематическая иллюстрация на виде сверху одного неограничивающего варианта реализации вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов согласно настоящему изобретению;

[0031] фиг. 14 - другая схематическая иллюстрация на виде сверху одного неограничивающего варианта реализации вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов согласно настоящему изобретению;

[0032] фиг. 15 - еще одна схематическая иллюстрация на виде сверху одного неограничивающего варианта реализации вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов согласно настоящему изобретению.

[0033] Читатель сможет оценить указанные выше, а также другие подробности при рассмотрении нижеследующего подробного описания некоторых неограничивающих вариантов реализации устройств и способов согласно настоящему изобретению. Читатель также может понять некоторые из таких дополнительных подробностей при осуществлении или использовании описанных здесь устройств и способов.

Подробное описание некоторых неограничивающих вариантов реализации

[0034] В данном описании неограничивающих вариантов реализации изобретения, кроме рабочих примеров или где указано иное, все числа, выражающие количества или характеристики ингредиентов и продуктов, условий обработки и т.п., следует понимать как модифицированные во всех случаях термином «примерно». Соответственно, если не указано иное, любые численные параметры, приведенные в нижеследующем описании, являются приближенными величинами, которые могут изменяться в зависимости от желательных свойств, которые требуется получить в устройстве и способах согласно настоящему изобретению. Наконец и не в качестве попытки ограничить применение доктрины эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый численный параметр должен быть по меньшей мере истолкован в свете числа указанных значащих цифр и с применением обычных методик округления.

[0035] Любой патент, публикация или другой материал раскрытия, полностью или частично, который указан как включенный сюда по ссылке, включен сюда лишь в той степени, в какой включенный материал не противоречит существующим определениям, формулировкам или другим материалам раскрытия, изложенным в этом описании. Как таковое и до необходимых пределов, приведенное здесь раскрытие заменяет собой любой противоречащий материал, включенный сюда по ссылке. Любой материал или его часть, которая указана как включенная сюда по ссылке, но которая противоречит существующим определениям, формулировкам или другим приведенным здесь материалам раскрытия, включена только в той степени, которая не создает противоречия между включенным материалом и имеющимся материалом раскрытия.

[0036] Настоящее изобретение отчасти направлено на улучшенную конструкцию электронно-лучевой печи для плавления металлов и металлических сплавов и/или для поддержания материалов в расплавленном состоянии для использования при изготовлении металлических отливок или порошков. Обычная плавильная печь с термоионной электронно-лучевой пушкой схематично показана на фиг. 1. Печь 110 включает в себя вакуумную камеру 114, окруженную стенкой 115 камеры. Множественные термоионные электронно-лучевые пушки 116 размещены снаружи камеры 114 и смежно с ней и направляют отдельные линейные электронные лучи 118 в камеру 114. Исходный материал в виде металлического прутка 120 и легирующего порошка 122 вводят в камеру 114 обычным подающим пруток приспособлением (питателем) 119 и обычным подающим частицы или гранулы приспособлением (питателем) 117 соответственно. Линейный электронный луч 118 одной из электронно-лучевых пушек 116 падает на конец прутка 120 и плавит его, и получившийся расплавленный сплав 124 стекает в водоохлаждаемый медный рафинирующий под 126 ("холодный под") внутри камеры 114. Термоионные электронно-лучевые пушки 116 имеют обычную конструкцию и генерируют электроны посредством нагревания подходящего материала нити накала. Пушки 116 фокусируют генерируемые электроны в точку, и эти электроны выбрасываются из пушек 116 в виде плотно сфокусированного, по существу линейного луча. Таким образом, выбрасываемые из пушек 116 электроны по существу падают на мишень как точечный источник. Нагревание мишени точечным источником электронов облегчается сканированием (растрированием) линейных электронных лучей 118 по по меньшей мере части мишеней, подобно режиму сканирования электронов по люминофорному экрану электронно-лучевой трубки телевизора. Сканирование по существу линейным электронным лучом 118 термоионной электронно-лучевой пушки 116 по концевой зоне прутка 120, например, плавит пруток 120.

[0037] Обращаясь далее к фиг. 1, жидкий сплав 124, наплавленный в поде 126, поддерживается в расплавленном состоянии сканированием некоторых из по существу линейных электронных лучей 118 по поверхности жидкого сплава 124 с заданным и запрограммированным рисунком (растром). Порошковые или гранулированные легирующие материалы 122, вводимые в жидкий сплав 124 питателем 117, входят в состав расплавленного материала. Жидкий сплав 124 продвигается по поду 126 и стекает с пода под действием силы тяжести в медный вытяжной кристаллизатор 130. Вытяжной кристаллизатор 130 включает в себя выполненное с возможностью возвратно-поступательного движения основание 134 для того, чтобы вмещать длину растущего слитка 132. Жидкий сплав 124 первоначально собирается в вытяжном кристаллизаторе 130 в виде ванны 131 расплава и постепенно затвердевает (кристаллизуется) в слиток 132. Столкновение электронов с ванной 131 расплава посредством сканирования одним или более из по существу линейных электронных лучей 118 по поверхности ванны выгодным образом поддерживает зоны ванны 131, особенно на краях ванны, в расплавленном состоянии.

[0038] В печах с использованием одного или более по существу линейных электронных лучей для нагревания материала в камере печи, такой как обычная плавильная печь с термоионной электронно-лучевой пушкой, сплавы, включающие летучие элементы, т.е. элементы с относительно высоким давлением паров при температурах плавления в печи, склонны выпариваться из ванны расплава и конденсироваться на относительно холодных стенках камеры печи. (Обычные легирующие элементы, имеющие относительно высокие давления паров при температурах, обычно достигаемых при плавлении электронным лучом, включают, например, алюминий и хром.) Технология плавки по существу линейным электронным лучом является особенно способствующей испарению, что является значительным недостатком обычных электронно-лучевых печей при сплавлении (легировании), в противоположность рафинированию или очистке, из-за по меньшей мере двух причин. Во-первых, общий и локальный химический состав сплава становится трудно контролировать во время плавления из-за неизбежных потерь сильно летучих элементов из ванны расплава. Во-вторых, конденсат испаренных элементов имеет тенденцию со временем накапливаться на стенках печи и может падать обратно в расплав, тем самым загрязняя расплав включениями и производя локализованные изменения химического состава расплава.

[0039] Не намереваясь быть связанными какой-либо конкретной теорией, авторы изобретения полагают, что приведенные выше недостатки обычных электронно-лучевых плавильных печей следуют из действия обычных по существу линейных электронных лучей на материалы, обрабатываемые внутри электронно-лучевых печей. Как предполагалось выше в связи с описанием фиг. 1, в обычной технологии электронно-лучевой холодноподовой плавки используются по существу линейные электронные лучи как для плавления введенных в печь исходных материалов, так и для поддержания температуры расплавленного материала по мере того, как он протекает вдоль и поверх холодного пода и в литейную форму (кристаллизатор). Такие печи обычно включают множественные источники электронных лучей, причем каждый источник дает по существу линейный электронный луч, который является по существу точечным источником. Этими "точками" интенсивной концентрации электронов необходимо быстро сканировать по подлежащим нагреву площадям так, чтобы средняя температура, необходимая для расплавления материала и позволяющая расплавленному материалу адекватно протекать, достигалась по всей площади мишени. Однако из-за точечной природы источника линейных электронных лучей то пятно, на котором электронный луч падает на сплав, нагревается до чрезвычайно высокой температуры. Это явление локализованного интенсивного нагрева может наблюдаться как видимое белое излучение, испускаемое из того конкретного пятна, на котором электронный луч падает на твердый или жидкий сплав внутри печи. Представляется, что эффект интенсивного перегрева, который происходит в этих пятнах, наряду с высоким вакуумом, поддерживаемым в камере печи, легко выпаривает относительно летучие элементы в сплаве, что приводит к избыточному испарению летучих элементов и конденсации загрязнений на стенках камеры. Как указано выше, такая конденсация вызывает риск загрязнения ванны, так как конденсированный материал падает обратно в жидкий сплав, и это может приводить, например, к заметным неоднородностям состава в отлитых слитках.

[0040] Описанная здесь усовершенствованная конструкция электронно-лучевой плавильной печи предусматривает использование одного или более ионно-плазменных излучателей электронов, таких как проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов, например, в качестве по меньшей мере части источника электронов в такой печи. И хотя в качестве примерных ионно-плазменных излучателей электронов здесь раскрыты проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов, будет понятно, что согласно настоящему изобретению могут использоваться и другие подходящие ионно-плазменные излучатели электронов (например, непроволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов), как описано более подробно ниже. Используемые здесь термины "ионно-плазменный излучатель электронов" ("ion plasma electron emitter") и "проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов" ("wire-discharge ion plasma electron emitter") относятся к устройству, которое создает относительно широкое, нелинейное поле электронов посредством столкновения положительно заряженных ионов с катодом и тем самым выделения поля вторичных электронов из катода. Электронный луч, созданный ионно-плазменным излучателем электронов, не является линейным лучом, а вместо этого является трехмерным полем или "широким потоком" электронов, который при столкновении с мишенью покрывает двумерную область (зону), которая является очень большой по отношению к малому пятну, покрываемому при падении на мишень по существу линейного электронного луча. Как таковое, поле электронов, производимое ионно-плазменными излучателями электронов, называется здесь "обширным" полем электронов по сравнению с относительно намного меньшей точкой контакта, создаваемой обычными электронными пушками, используемыми в электронно-лучевых плавильных печах. Проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов известны в технике (для использования по не относящимся к данной области техники назначениям) и называются по-разному, например "проволочными ионно-плазменными электронными" пушками или излучателями ("wire ion plasma (WIP) electron" guns or emitters), просто "WIP электронными" пушками или излучателями и, несколько вводя в заблуждение, "линейными излучателями электронного луча" (указывая на линейную природу производящего плазму проволочного электрода(ов) в рамках некоторых вариантов реализации устройств).

[0041] Проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов доступны со множеством конструкций, но все такие излучатели обладают некоторыми общими фундаментальными конструктивными признаками. Каждый такой излучатель включает в себя плазменную или ионизационную зону, включающую источник положительных ионов в виде удлиненного проволочного анода для создания содержащей катионы плазмы, и катод, который отнесен от проволоки и размещен для перехватывания (задерживания) генерируемых проволокой положительных ионов. На катод подается большое отрицательное напряжение, вызывающее ускорение доли положительных ионов в плазме, генерируемой проволочным источником положительных ионов, к поверхности катода и столкновение с ней таким образом, что из катода испускаются вторичные электроны ("первичные" электроны присутствуют внутри плазмы наряду с положительными ионами). Вторичные электроны, полученные из поверхности катода, формируют нелинейное поле электронов, которое обычно имеет трехмерную форму плазмы положительных ионов, падающей на катод. Вторичные электроны затем ускоряются от положения вблизи катода назад к аноду, испытывая несколько столкновений в процессе прохождения через газ низкого давления внутри излучателя. Благодаря надлежащему конструированию и расположению различных компонентов проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов, на катоде может быть сформировано широкое поле быстрых вторичных электронов и ускорено от излучателя к мишени. На фиг. 2 показано упрощенное изображение компонентов проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов, в котором ток подается к тонкому проволочному аноду 12 для генерирования плазмы 14. Положительные ионы 16 внутри плазмы 14 ускоряются к отрицательно заряженному катоду 18 и сталкиваются с ним, высвобождая обширное облако 20 вторичных электронов, которое ускоряется в направлении анода 12 под действием электрического поля между электродами и к мишени.

[0042] В соответствии с одним неограничивающим вариантом реализации согласно настоящему изобретению, устройство для плавления электропроводящего металлического материала в виде электронно-лучевой плавильной печи включает в себя вакуумную камеру (плавильную камеру) и под, расположенный в вакуумной камере и приспособленный для удержания расплавленного материала. По меньшей мере один проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов расположен в вакуумной камере или смежно с ней и размещен для направления нелинейного, обширного поля электронов, генерируемых излучателем, в камеру. Проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов производит нелинейное поле электронов, имеющее достаточную энергию для нагревания электропроводящего металлического материала до его температуры плавления. Кристаллизатор или другое литейное или распылительное устройство расположено в сообщении с камерой и размещено и приспособлено для приема материала из пода. Печь может использоваться для плавки любого материала, который может быть расплавлен с использованием обычной электронно-лучевой плавильной печи, такого как, например, титан, титановые сплавы, вольфрам, ниобий, тантал, платина, палладий, цирконий, иридий, никель, сплавы на основе никеля, железо, сплавы на основе железа, кобальт и сплавы на основе кобальта.

[0043] Варианты реализации электронно-лучевой плавильной печи согласно настоящему изобретению могут включать одно или более приспособлений для подачи материала (питателей), приспособленных для введения электропроводящих материалов или других легирующих добавок в вакуумную камеру. Предпочтительно, питатели вводят материалы в вакуумную камеру в положении выше или над по меньшей мере одной зоной пода так, что сила тяжести будет обеспечивать падение материалов, в твердой или жидкой форме, вниз и в под. Типы питателей могут включать, например, питатели прутка и питатели проволоки, и выбранный тип питателя будет зависеть от конкретных требований к конструкции печи. В некоторых вариантах реализации печи согласно настоящему изобретению питатель материала и по меньшей мере один из упомянутых одного или более проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов печи расположены так, что поле электронов, испускаемых проволочно-разрядным ионно-плазменным излучателем электронов, по меньшей мере частично падает на материал, вводимый в камеру питателем. Если материал, который вводится в вакуумную камеру питателем, является электропроводящим, то поле электронов, если оно обладает достаточной силой, будет нагревать и плавить материал.

[0044] Под, включенный в варианты реализации плавильной печи согласно настоящему изобретению, может быть выбран из различных типов подов, известных в данной области техники. Например, печь может быть по своему характеру электронно-лучевой плавильной печью с холодным подом, включающей холодный под или, более конкретно, например, водоохлаждаемый медный холодный под в вакуумной камере. Как известно средним специалистам, холодный под включает охлаждающее средство, вызывающее застывание расплавленного материала внутри пода на поверхности пода и образование на нем защитного слоя. В качестве другого примера, под может быть "автогенным" подом, который является подом, который покрыт сплавом или изготовлен из сплава, который плавят в печи, и в таком случае донная поверхность пода также может быть снабжена водяным охлаждением для предотвращения прогорания.

[0045] Конкретный под, включенный в вакуумную камеру, может включать зону удержания расплавленного материала, в которой расплавленный материал находится в течение некоторого времени выдержки перед прохождением к литейному или распылительному устройству, проточно сообщающемуся с вакуумной камерой. В некоторых вариантах реализации печи согласно настоящему изобретению под и по меньшей мере один из упомянутых одного или более проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов печи расположены так, что поле электронов, испускаемое проволочно-разрядным ионно-плазменным излучателем электронов, по меньшей мере частично падает на зону удержания расплавленного материала. Таким образом, поле электронов может применяться для поддержания материала внутри зоны удержания расплавленного материала в расплавленном состоянии и нагревающее действие поля электронов может также служить дегазации и рафинированию расплавленного материала.

[0046] Некоторые неограничивающие варианты реализации печи согласно настоящему изобретению включают кристаллизатор для разливки расплавленного материала. Кристаллизатор может быть любым подходящим кристаллизатором, известным в данной области техники, таким как, например, стационарный кристаллизатор, вытяжной кристаллизатор или кристаллизатор непрерывной разливки. Альтернативно, печь может включать в себя распылительное устройство или может быть связана с распылительным устройством для получения, например, порошкового материала из расплавленного материала.

[0047] Один конкретный неограничивающий вариант реализации электронно-лучевой плавильной печи согласно настоящему изобретению включает вакуумную камеру и под, расположенный в вакуумной камере, причем под включает зону удержания расплавленного материала. Печь дополнительно включает в себя один или более проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов, расположенных в вакуумной камере или смежно с ней. Под и упомянутый по меньшей мере один проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов расположены так, что создаваемое излучателем поле электронов по меньшей мере частично падает на зону удержания расплавленного материала. Вытяжной кристаллизатор сообщается с вакуумной камерой и размещен для приема расплавленного материала из пода. По меньшей мере один питатель включен в состав печи и приспособлен для введения материала в вакуумную камеру в положении над по меньшей мере одной зоной пода.

[0048] Любой подходящий проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов может использоваться в связи с устройством согласно настоящему изобретению. Подходящие варианты реализации проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов раскрыты, например, в патентах США №№ 4025818, 4642522, 4694222, 4755722 и 4786844, полные описания которых включены сюда по ссылке. Подходящие излучатели включают способные создавать нелинейное, обширное электронное поле, которое может быть направлено в вакуумную камеру печи и которое будет нагревать электропроводящие исходные материалы, помещенные в камеру печи, до желательной температуры.

[0049] В одном варианте реализации проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов этот излучатель включает в себя плазменную зону и катодную зону. Плазменная зона включает в себя по меньшей мере один удлиненный проволочный анод, приспособленный для образования плазмы, содержащей положительные ионы. Катодная зона включает в себя катод, который электрически соединен с высоковольтным источником питания, приспособленным для придания катоду отрицательного заряда. В проволочно-разрядном ионно-плазменном излучателе электронов электрод, используемый для создания плазмы, может представлять собой одну проволоку или множество проволок, размещенных вдоль длины плазменной зоны. По меньшей мере часть катода, бомбардируемого положительными ионами, состоит из материала, пригодного для генерирования электронов. Некоторые неограничивающие варианты реализации катода, расположенного в катодной зоне излучателя, также могут включать вкладыш, такой как, например, вкладыш из молибдена, имеющий высокую температуру плавления и низкую работу выхода для облегчения генерирования электронов. Катод и анод размещены относительно друг друга так, что положительные ионы в плазме, генерируемой проволочным анодом, ускоряются к катоду и сталкиваются с ним под влиянием электрического поля между электродами, высвобождая обширное поле вторичных электронов из катода.

[0050] Некоторые неограничивающие варианты реализации проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов включают по меньшей мере одно пригодное проницаемое для электронов окно, такое как тонкая проницаемая для электронов титановая или алюминиевая фольга, которое открыто через стенку вакуумной камеры печи. Альтернативные материалы, из которых может быть выполнено проницаемое для электронов окно, включают, например, нитрид бора (BN), алмаз и некоторые другие материалы, состоящие из элементов с малым атомным числом. Как обсуждается здесь, другие варианты реализации проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов не включают проницаемое для электронов окно, и в этом случае плазменная зона излучателя проточно сообщается с вакуумной камерой, содержащей расплавленный материал. В любом случае, полученное обширное поле электронов входит в камеру печи и может бомбардировать материал внутри камеры. Если проницаемое для электронов окно отделяет внутреннее пространство излучателя электронов от вакуумной камеры (как обсуждается здесь далее), то поле электронов проходит через это окно по мере того, как оно выбрасывается из излучателя электронов в вакуумную камеру. В некоторых неограничивающих вариантах реализации проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов высоковольтный источник питания, электрически соединенный с катодом, запитывает катод до отрицательного напряжения более 20000 вольт. Отрицательное напряжение выполняет функции ускорения положительных ионов в плазме к катоду и затем отталкивания поля вторичных электронов от катода и к аноду.

[0051] Проницаемое для электронов окно необходимо, если давление внутри проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов значительно отличается от давления внутри камеры печи, и в таком случае фольговое окно служит для изоляции двух смежных зон с различающимся давлением. Преимущество проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов относительно не содержащих газа излучателей электронов, таких как термоионные электронно-лучевые пушки, состоит в том, что проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов должны включать газ в пределах плазменной зоны, чтобы служить источником плазмы. Хотя проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов могут работать при очень низких давлениях газа, такие устройства также могут эффективно работать при относительно высоких давлениях газа. Напротив, обычные электронно-лучевые плавильные печи обычно работают в условиях сверхнизкого вакуума, и в этом случае проницаемое для электронов окно было бы необходимо для отделения газовой атмосферы внутри проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов и близкой к вакууму среды внутри камеры печи. Однако представляется, что испарение летучих элементов внутри камеры печи можно уменьшать посредством повышения давления газа внутри камеры печи за пределы сверхнизких уровней обычных линейных электронно-лучевых плавильных печей (с термоионным излучателем). Эти обычные уровни давлений обычно находятся в пределах от 10^-3 до 7,5 µ (от 10^-3 до 1 Па) и не превышают 15 µ (2 Па). Увеличение давления внутри камеры печи за пределы обычных уровней, т.е. до давлений, превышающих 40 µ (5,3 Па) или, более предпочтительно, превышающих 300 µ (40 Па), увеличивает давление на поверхности расплавленного материала внутри печи и тем самым уменьшает движущую силу нежелательного испарения. Например, данные, представленные в работе Дюваля (H. Duval) и др. "Теоретический и экспериментальный подход к испарению в вакуумной металлургии", предполагают, что происходит значительное сокращение переноса паров хрома при давлении 66,7 Па (500 мТорр) аргона относительно давления 4,27 Па (35 мТорр) аргона. Поскольку проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов уже требуют среды с неким парциальным давлением газа (обычно гелия) для их работы, авторы настоящего изобретения считают возможным, что и проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов, и камера печи могли бы работать при по существу одинаковом давлении, причем это давление достаточно высоко, чтобы обеспечивать работу излучателя электронов, а также более высоко, чем в обычных электронно-лучевых печах, тем самым снижая нежелательное испарение внутри камеры печи. В таком случае проницаемое для электронов окно может быть исключено, так что газовая среда внутри излучателя и камеры печи по существу одинакова. Альтернативно, в другом варианте реализации проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов генерируемые излучателем электроны проходят через непроницаемое для газа окно, которое проницаемо для электронов, при этом давление ионизируемого газа внутри излучателя пригодно для работы излучателя электронов, а камера печи работает при большем давлении, чем обычные давления в электронно-лучевых печах, и пригодно для минимизации или уменьшения нежелательного испарения. Будет понятно, что уменьшение нежелательного испарения элементов было бы оптимизировано посредством использования одного или более проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов, которые не создают точек интенсивного нагрева, наряду с более высокими давлениями камеры печи, чем в обычных электронно-лучевых печах.

[0052] Дальнейшее обсуждение возможных вариантов реализации электронно-лучевой плавильной печи и возможных вариантов реализации проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов, используемого в связи с печью согласно настоящему изобретению, приведено ниже.

[0053] На фиг. 3 схематично проиллюстрирован один возможный неограничивающий вариант реализации усовершенствованной электронно-лучевой плавильной печи согласно настоящему изобретению. Печь 210 включает в себя вакуумную камеру 214, по меньшей мере частично ограниченную стенкой 215 камеры. Проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели 216 электронов расположены снаружи и смежно с камерой 214. Проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели 216 электронов выдают обширные электронные поля 218 во внутреннее пространство камеры 214. Подобно обычной печи 110, показанной на фиг. 1, пруток 220 сплава вводится в камеру 214 питателем 219 прутка. Жидкий сплав 226 получается при падении обширного электронного поля 218 от по меньшей мере одного проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя 216 электронов на пруток 220. Жидкий сплав 226, выплавляемый из прутка 220, капает в водоохлаждаемый медный под 224 и в течение некоторого времени выдержки находится в поде 224, где он нагревается, дегазируется и рафинируется одним или более из обширных электронных полей 218, производимых излучателями 216. Жидкий сплав 226 в конце концов стекает с пода 224 в медный кристаллизатор 230 и образует ванну 231 расплава. Ванна 231 расплава в конце концов и постепенно затвердевает в кристаллизаторе 230, образуя слиток 232. По меньшей мере одно из обширных электронных полей 218 предпочтительно нагревает жидкий сплав внутри ванны 231 выгодным для регулирования скорости затвердевания образующегося слитка 232 образом.

[0054] Как обсуждается выше, проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели 216 электронов печи 210 предназначены для генерирования поля или "широкого потока" быстрых электронов, покрывающего обширную площадь по отношению к точечному покрытию по существу линейного луча, создаваемого электронно-лучевыми пушками, используемыми в обычных электронно-лучевых печах. Излучатели 216 поля электронов распространяют электроны по обширной площади и бомбардируют материалы, подлежащие расплавлению и/или поддержанию в расплавленном состоянии внутри печи 210. Поскольку производимое им поле электронов будет покрывать обширную площадь внутри камеры печи, проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов будет поддерживать более равномерную температуру внутри электронно-лучевой плавильной печи по отношению к обычной электронно-лучевой печи, а также обходиться без необходимости в сканировании сильно сфокусированным пятном электронов. Тем не менее, некоторые варианты реализации электронно-лучевой печи согласно настоящему изобретению могут при желании включать компоненты, генерирующие электрические поля, или другие подходящие компоненты для ориентирования поля электронов, генерируемых одним или более проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов. Например, в печи 210 может быть желательно сканировать обширным полем, производимым проволочно-разрядным ионно-плазменным излучателем 216 электронов из стороны в сторону для подачи дополнительного тепла к краям пода 224. Посредством «затопления» относительно обширной площади полем быстрых электронов, а не сканирования по этой площади точечным источником электронов, эффект локализованного интенсивного нагрева (например, мощность на единицу площади), связанный с по существу линейными электронными лучами, который происходит при использовании обычных электронно-лучевых плавильных печей, значительно снижается. Это устраняет или по меньшей мере значительно снижает ту степень, с которой нежелательно испаряются относительно летучие легирующие элементы, поскольку точки относительно очень высокой температуры не создаются. Это, в свою очередь, частично или полностью устраняет проблемы контроля состава и загрязнения, присущие обычной конструкции электронно-лучевой печи.

[0055] Как указано выше, различные варианты реализации проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов обычно включают один или более удлиненных проволочных анодов, производящих плазму положительных ионов, причем эта плазма сталкивается с катодом, генерируя поле вторичных электронов, которые могут быть ускорены для бомбардировки мишени, которая должна быть нагрета. Схематичное представление одной известной конструкции проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов, ранее используемого по другим, не имеющим отношения к изобретению назначениям, показано на фиг. 4. Этот излучатель 310 включает в себя ионизационную или плазменную зону 314, в которой создается плазма положительных ионов, и катодную зону 316, которая включает в себя катод 318. Плазменная зона 314 заполнена ионизируемым газом при низком давлении, и этот газ ионизируется в плазменной зоне, создавая катионсодержащую плазму. Например, ионизационная зона 314 может быть заполнена газообразным гелием, например, при приблизительно 20 мТорр. Удлиненный проволочный анод 319 малого диаметра проходит по длине плазменной зоны 314. Положительное напряжение подается на проволочный анод 319 источником 322 питания, и это инициирует ионизацию газообразного гелия с получением плазмы, содержащей катионы гелия и свободные электроны ("первичные" электроны). Как только ионизация газообразного гелия инициирована, плазма поддерживается за счет подачи напряжения на тонкий проволочный анод 319. Положительно заряженные ионы гелия в плазме извлекаются из ионизационной камеры 314 при помощи вытягивающей решетки 326, поддерживаемой при высоком отрицательном электрическом потенциале, и ускоряются в высоковольтном промежутке в катодную зону 316, где катионы в плазме бомбардируют катод 318 высокого отрицательного напряжения. Катод 318 может быть, например, имеющим покрытие или не имеющим покрытия металлом или сплавом. Бомбардировка ионами гелия катода 318 выбивает вторичные электроны из катода 318. Высоковольтный промежуток 328 ускоряет вторичные электроны в направлении, противоположном направлению движения катионов гелия, через вытягивающую решетку 326 и в плазменную зону 314, а затем через окно 329 из тонкой металлической фольги, выполненной из материала, относительно проницаемого для электронов. Как указано выше, в зависимости от относительных давлений газа внутри излучателя электронов и камеры печи, может оказаться возможным исключить фольговое окно 329, и тогда производимые излучателем электроны непосредственно входили бы в камеру печи.

[0056] Проволочный электрод 319 и катод 318 могут быть устроены и расположены для лучшего содействия движению положительно заряженных ионов гелия к катоду 318. Кроме того, катод 318 и вытягивающая решетка 326 могут быть устроены и расположены для максимизации передачи вторичных электронов через решетку 326 и с профилем луча, пригодным для проникновения через фольговое окно 329, если оно имеется. Обширное поле быстрых электронов, выходящих из излучателя 310, может быть направлено для бомбардировки мишени, размещенной напротив фольгового окна 329 и внутри вакуумной камеры плавильной печи. Кроме того, окно 329 может быть выполнено как можно более тонким, чтобы максимизировать пропускание электронов от излучателя 310. В качестве фольгового окна 329, при необходимости, может использоваться фольга из алюминия или титана, имеющая толщину, допускающую достаточное пропускание электронов, и также сохраняющая среду низкого вакуума внутри излучателя 310. Другие пригодно прочные и приемлемо прозрачные для электронов материалы, которые могут использоваться в качестве окна в устройстве, если оно имеется, будут известны средним специалистам. Как обсуждается здесь в общем смысле, окно 329 может быть исключено, если перепады давления между внутренним пространством излучателя 310 и вакуумной камерой, содержащей мишень, незначительны.

[0057] Согласно настоящему изобретению один или более проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов, таких как, например, излучатель 310, могут быть предусмотрены для подачи быстрых электронов в вакуумную камеру электронно-лучевой плавильной печи в качестве замены электронно-лучевым пушкам, производящим по существу линейный электронный луч. Как показано на фиг. 5, один неограничивающий вариант реализации электронно-лучевой плавильной печи 330 согласно настоящему изобретению включает один или более проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей 310 электронов, размещенных смежно с вакуумной камерой 311. Обширное электронное поле 332 выходит из излучателя 310 через пленочное окно 329 и охватывает по меньшей мере одну зону поверхности жидкого сплава 334 в поде 336, тем самым нагревая сплав для поддержания его в расплавленном состоянии. Поскольку электроны, бомбардирующие сплав в поде 336, распространяются по относительно широкой области, энергия, сфокусированная на расплавленном материале в любой конкретной локализованной зоне, не является достаточно большой, чтобы приводить к проблематичному уровню испарения элементов из сплава, тем самым уменьшая или устраняя проблемы загрязнения и неоднородности сплава, присущие использованию обычных плавильных электронно-лучевых печей. Как указано выше, пленочное окно 329 может быть исключено, если перепад рабочего давления между излучателем 310 и вакуумной камерой 311 незначителен. Кроме того, как указано выше, вакуумная камера 311 предпочтительно работает под давлением выше обычного для дополнительного уменьшения или исключения нежелательного испарения элементов, и, в таком случае, потребность в пленочном окне, отделяющем излучатель электронов от камеры печи, будет снова зависеть от конкретного перепада давлений, присущего конструкции. Необязательно, предусмотрены компоненты 340 для магнитного ориентирования обширного электронного поля с тем, чтобы обеспечить возможность дополнительно улучшенного контроля процесса плавления внутри вакуумной камеры 311.

[0058] Хотя на фиг. 5 показан упрощенный вид одного варианта реализации проволочно-разрядной ионно-плазменной электронной плавильной печи согласно настоящему изобретению, включающей один единственный излучатель электронов, специалистам в данной области техники будет понятно, что фактические или альтернативные варианты реализации такого устройства могут иметь множество проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов. Также будет очевидно, что один или более проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов могут быть встроены в такое устройство для: (1) плавления исходных материалов, вводимых в печь в виде, например, прутка или проволоки из сплава; (2) поддержания жидкого сплава, содержащегося в поде печи, при температуре выше температуры плавления сплава (и, возможно, дегазации и/или рафинирования жидкого сплава) и (3) поддержания желательных зон ванны расплава на поверхности постепенно продвигающегося отливаемого слитка в расплавленном состоянии, тем самым влияя на скорость затвердевания слитка желательным образом. Кроме того, в некоторых вариантах реализации изобретения один или более проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов могут использоваться наряду с одной или более электронно-лучевыми пушками, производящими обычные по существу линейные электронные лучи.

[0059] На фиг. 6 и 7 показаны дополнительные подробности, относящиеся к одному возможному неограничивающему варианту реализации проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя 510 электронов, который может быть приспособлен для использования в качестве источника быстрых электронов в варианте реализации электронно-лучевой плавильной печи согласно настоящему изобретению. На фиг. 6 показан вид в перспективе, частично в сечении, варианта реализации проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя 510 электронов. На фиг. 7 показана принципиальная схема, иллюстрирующая в упрощенной форме работу излучателя 510. Излучатель 510 включает в себя электрически заземленную оболочку 513, которая включает в себя катодную зону 511, ионизационную или плазменную зону 514 и проницаемое для электронов фольговое окно 515. Удлиненный проволочный электрод 516 простирается по длине ионизационной зоны 514. Фольговое окно 515 электрически соединено с камерой 513 и тем самым образует анод, который работает для ускорения электронов внутри камеры 513 сквозь нее для выхода из камеры 513 в общем направлении, показанном стрелками "A". Камера 513 заполнена газообразным гелием при низком давлении, таком как 1-10 мТорр, и питается газом от источника 517 подачи газа. Источник 517 подачи газа связан с оболочкой 513 трубкой 519, которая проходит через клапан 521. Низковакуумная среда поддерживается в камере 513 насосом 523, который связан с камерой 513 трубкой 524.

[0060] Катодная зона 511 включает в себя катод 518, который, в свою очередь, включает в себя вкладыш 520, установленный на его нижней поверхности. Вкладыш 520 может состоять, например, из молибдена, но может состоять из любого материала с пригодным высоким коэффициентом испускания вторичных электронов. Катод 518 пригодным образом равномерно отнесен от стенок оболочки 513 для предотвращения пробоя Пашена. Катод 518 соединен с высоковольтным источником 522 питания кабелем 525, который проходит через изолятор 526 и в резистор 528. Источник 522 питания подает высокий отрицательный потенциал, например 200-300 кВ, к катоду 518. Катод 518 и вкладыш 520 могут пригодным образом охлаждаться, например, циркулирующим по трубкам 527 маслом или другой подходящей охлаждающей текучей средой (жидкостью).

[0061] Ионизационная зона 514 включает в себя множество тонких металлических ребер 530, которые соединены как электрически, так и механически. Каждое ребро 530 включает центральный вырез для обеспечения прохождения проволочного электрода 516 через ионизационную камеру 514. Стороны ребер 530, обращенные к катоду 518, образуют вытягивающую решетку 534. Противоположная сторона всех или части ребер 530 обеспечивает опорную решетку 536 для проницаемого для электронов фольгового окна 515. Могут быть предусмотрены охлаждающие каналы 540 для циркуляции охлаждающей текучей среды через ребра 530 и вблизи них для обеспечения отвода тепла из ионизационной зоны 514. Проницаемое для электронов фольговое окно 515, которое может быть выполнено, например, из алюминиевой или титановой фольги, удерживается на решетке 536 и уплотнено относительно оболочки 513 кольцевым уплотнителем или другими конструкциями, достаточными для поддержания высоковакуумной среды газообразного гелия внутри оболочки 513. В некоторых вариантах реализации излучателя 510 предусмотрен газовый коллектор для охлаждения фольгового окна 515, например, находящимся под давлением азотом. Как обсуждено здесь в целом, окно 515 может быть исключено, если перепады давления между внутренним пространством камеры 513 излучателя 510 и камерой, содержащей мишень для поля электронов, незначительны.

[0062] К проволочному электроду 516 подключено электрическое устройство 548 управления через соединитель 549. При приведении в действие устройства 548 управления проволочный электрод 516 возбуждается до высокого положительного потенциала и гелий внутри ионизационной зоны 514 ионизируется, создавая плазму, содержащую катионы гелия. Как только в ионизационной зоне 514 инициирована плазма, катод 518 возбуждается источником 522 питания. Катионы гелия в ионизационной зоне 514 электрически притягиваются к катоду 518 электрическим полем, которое проходит от катода 518 в плазменную зону 514. Катионы гелия движутся вдоль силовых линий поля, через вытягивающую решетку 534 и в катодную зону 511. В катодной зоне 511 катионы гелия ускоряются полным потенциалом электрического поля, генерируемого возбужденным катодом 518, и принудительно бомбардируют катод 518 в виде коллимированного пучка катионов. Бомбардирующие катионы высвобождают вторичные электроны из вкладыша 520. Поле вторичных электронов, производимых вкладышем 520, ускоряется в направлении, противоположном направлению движения катионов гелия, к проволочному электроду 516 и через фольговое окно 515, если оно имеется.

[0063] Может быть предусмотрено средство для контроля фактического давления газа внутри камеры 513, поскольку изменения давления могут влиять на плотность ионной плазмы гелия и, в свою очередь, плотность поля вторичных электронов, генерируемого на катоде 518. Начальное давление может быть установлено внутри оболочки 513 надлежащей регулировкой клапана 521. Когда катионсодержащая плазма инициирована в плазменной зоне 514, может быть обеспечено средство 550 контроля напряжения для косвенного контроля мгновенного статического давления внутри камеры 513. Повышение напряжения указывает на снижение давления в камере. Выходной сигнал средства 550 контроля напряжения используется для управления клапаном 521 через контроллер 552 клапана. Током, подаваемым к проволочному электроду 516 устройством 548 управления, также управляют по сигналу средства 550 контроля напряжения. Использование сигнала, генерируемого средством 550 контроля напряжения, для управления клапаном 521 подачи газа и устройством 548 управления обеспечивает устойчивый выход поля электронов из излучателя 510.

[0064] Ток, генерируемый излучателем 510, может определяться плотностью катионов, бомбардирующих катод 518. Плотностью катионов, бомбардирующих катод 518, можно управлять посредством регулирования напряжения на проволочном электроде 516 при помощи устройства 548 управления. Энергией электронов, испускаемых из катода 518, можно управлять посредством регулирования напряжения на катоде 518 при помощи источника 522 питания. Как током, так и энергией испускаемых электронов можно управлять независимо, и зависимости между этими параметрами и приложенными напряжениями линейны, делая управление излучателем 510 действенным и эффективным. Напротив, обычными термоионными электронно-лучевыми пушками нельзя управлять соответствующим линейным образом при регулировании параметров луча.

[0065] На фиг. 8 показана схематическая иллюстрация одного варианта реализации электронно-лучевой плавильной печи согласно настоящему изобретению, причем печь 610 включает два проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателя 614, 616 электронов, имеющих конструкцию, показанную в целом на фиг. 6 и 7 и обсуждавшуюся выше в связи с этими фигурами. Печь 610 включает в себя вакуумную камеру 620, питатель 622 материала и литейное или распылительное устройство 624. Ток, требуемый для работы излучателей 614 и 616, как обсуждалось выше, подается к излучателям по линиям 626 питания, и граница раздела (интерфейс) между излучателями 614, 616 и вакуумной камерой 620 включает в себя проницаемые для электронов фольговые окна 634, 636, которые позволяют электронным полям 638, генерируемым излучателями 614, 616, входить в вакуумную камеру 620. Фольговые окна 634, 636 могут быть исключены, если рабочие давления внутри излучателей 614, 616 и вакуумной камеры идентичны или отличаются незначительно. Внутри вакуумной камеры 620 могут быть включены средства 639 для магнитного ориентирования электронных полей 638 для обеспечения дополнительного управления процессом. В вакуумной камере 620 расположен под 640, который может быть, например, холодным подом. При работе проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели 614, 616 электронов возбуждаются и генерируют электронные поля 618. Электропроводящий исходный материал 644 вводится в вакуумную камеру 620 питателем 622, плавится электронным полем 638, испускаемым из излучателя 614, и стекает каплями в под 640. Обширное электронное поле 638, испускаемое излучателем 616, нагревает, дегазирует и рафинирует расплавленный материал 642 при его нахождении в поде 640. Расплавленный материал 642 продвигается вдоль пода 640 и стекает в литейное или распылительное устройство 624 и обрабатывается до желательного вида.

[0066] Различные неограничивающие варианты реализации ионно-плазменных излучателей электронов, таких как, например, обсуждавшиеся выше проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов по настоящему изобретению, могут работать при более высоких давлениях вакуума, чем обычные термоионные электронно-лучевые пушки. Работа плавильной печи при этих более высоких давлениях может уменьшать испарение летучих элементов внутри расплавляемых материалов, как также обсуждалось более подробно выше. Однако если какой-либо из этих летучих элементов все же выпаривается из расплавленного материала даже в условиях более высокого давления пара в плавильной печи и конденсируется на относительно холодных стенках камеры плавильной печи, образовавшийся конденсат может отделяться от стенок камеры и падать в расплав. Конденсат, падающий в расплав, может загрязнять расплав включениями и/или давать локализованные изменения химического состава расплава. Автор изобретения осознал, что было бы выгодно разработать устройства и способы для предотвращения или подавления образования такого конденсата в плавильных печах с ионно-плазменным излучателем электронов и в других типах плавильных печей.

[0067] По сути, настоящее изобретение отчасти направлено на устройство, включающее в себя по меньшей мере один вспомогательный излучатель электронов в виде ионно-плазменного излучателя электронов, такого как, например, проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов, который выполнен с возможностью использования с плавильной печью, содержащей один или более других ионно-плазменных излучателей электронов, таких как, например, проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов, для плавления электропроводящего металлического материала. Другой неограничивающий вариант реализации согласно настоящему изобретению направлен на устройство, включающее в себя по меньшей мере один вспомогательный излучатель электронов в виде ионно-плазменного излучателя электронов, такого как, например, вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов, который выполнен с возможностью использования с плавильной печью, содержащей одну или более термоионных электронно-лучевых пушек и/или других плавильных устройств. Поскольку вспомогательный излучатель электронов согласно настоящему изобретению содержит ионно-плазменный излучатель электронов в качестве источника электронов, он упоминается здесь как вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов, как вспомогательный излучатель электронов или, в одном примерном варианте реализации, как вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов. Специалистам в данной области техники при ознакомлении с настоящим описанием будет понятно, что хотя здесь подробно обсуждены проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов и вспомогательные проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов, любые другие подходящие ионно-плазменные излучатели электронов или вспомогательные ионно-плазменные излучатели электронов могут быть использованы и входят в объем настоящего изобретения. Примеры других подходящих ионно-плазменных излучателей электронов и других подходящих вспомогательных ионно-плазменных излучателей электронов обсуждаются более подробно ниже. Кроме того, как обсуждается ниже, "проволока" проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов и вспомогательных проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов может быть сформирована с любой подходящей формой, такой как круглая, линейная, квадратная, прямоугольная, овальная, эллиптическая или треугольная форма, например, для формирования электронных полей, имеющих разные по форме площади или профили поперечного сечения.

[0068] В некоторых неограничивающих вариантах реализации вспомогательный излучатель электронов согласно настоящему изобретению может содержать проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов, который выполнен и функционирует аналогично или подобно различным проволочно-разрядным ионно-плазменным излучателям электронов, обсуждавшимся выше. Например, вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов может содержать плазменную зону, включающую в себя проволочный электрод, такой как удлиненный проволочный анод, выполненный с возможностью создания плазмы, содержащей положительные ионы, и катодную зону, включающую в себя катод, электрически соединенный с высоковольтным источником питания, выполненным с возможностью придания катоду отрицательного заряда. В различных неограничивающих вариантах реализации катод может быть размещен относительно проволочного электрода так, чтобы положительные ионы, генерируемые проволочным электродом, ускорялись к катоду и бомбардировали его, высвобождая электроны из катода и создавая электронное поле, например, такое как сфокусированное электронное поле. Сфокусированное электронное поле может электромагнитно "фокусироваться" и/или направляться в надлежащие зоны плавильной камеры, например, за счет применения электромагнитов. В целях настоящего изобретения фраза "сфокусированное электронное поле" означает поле, имеющее площадь поперечного сечения, по меньшей мере после электромагнитного фокусирования, которая меньше, чем площадь поперечного сечения поля электронов, испускаемого различными обсуждавшимися выше ионно-плазменными излучателями электронов (упоминаемого далее как "обширное электронное поле"). Фокусировка электронных полей может сделать электронные поля более мощными, например, обеспечением большей плотности электронов на единицу площади. Будет понятно, что при ссылках на "площадь поперечного сечения" или "профиль поперечного сечения" электронного поля в настоящем изобретении имеется в виду, что поперечные сечения будут взяты в направлении, по существу перпендикулярном пути движения различных электронных полей в конкретный момент времени.

[0069] В некоторых неограничивающих вариантах реализации вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов может работать с более высокой мощностью, чем обсуждавшиеся выше различные проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов, для обеспечения более высокой мощности, более высокой плотности электронов и/или сфокусированных электронных полей по сравнению с менее мощными, менее плотными и менее сфокусированными электронными полями, генерируемыми различными проволочно-разрядными ионно-плазменными излучателями электронов, обсуждавшимися выше. В одном примерном варианте реализации, если катод заряжен до более высокого отрицательного напряжения, то энергия электронов электронного поля будет больше вследствие более высокой энергии свободных электронов, исходящих от катода. Дополнительно, если на анод будет подано более высокое напряжение, то плотность электронов электронного поля будет больше вследствие большего количества ионов, создаваемых на аноде. В другом примерном варианте реализации более высокое напряжение может быть подано и на анод, и на катод (отрицательное напряжение) для создания более высокоэнергетического и более плотного электронного поля. Это электронное поле может затем электромагнитно фокусироваться и/или направляться к частям расплава. По сути, сфокусированное электронное поле в таких вариантах реализации может использоваться, например, для плавления конденсата, конденсата внутри расплава, затвердевших частей внутри расплава и/или нерасплавленных частей внутри расплава. Сфокусированное электронное поле также может использоваться для поддержания расплавленного материала внутри вакуумной камеры плавильной печи при подходящей температуре в различных зонах вакуумной камеры. Могут использоваться более высокоэнергетические, более плотные и/или более сфокусированные электронные поля из-за ограниченного времени пребывания конденсата, затвердевших частей и/или нерасплавленных частей внутри расплава в зонах вакуумной камеры. По сути, желательно расплавить конденсат, затвердевшие части и/или нерасплавленные части перед их перемещением в другую зону вакуумной камеры. Вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов также может быть приспособлен или ориентирован так, что направление сфокусированного электронного поля, генерируемого вспомогательным излучателем электронов, может быть смещено и/или направлено в любую другую надлежащую зону внутри вакуумной камеры плавильной печи, например, так, чтобы оно падало на конкретную желательную мишень. В одном неограничивающем варианте реализации сфокусированное электронное поле может бомбардировать некую зону образующегося или затвердевающего слитка, например, чтобы выгодно влиять на кинетику затвердевания ванны 231 расплава, а значит, и на характеристики твердого слитка 232.

[0070] Специалистам в данной области техники будет понятно, что вспомогательные проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов по настоящему изобретению могут содержать, например, любые подходящие признаки различных проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов, описанных выше. Как таковые, для краткости эти признаки конкретно не указаны снова в этом разделе в отношении вспомогательных проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов. Будет понятно, что любой компонент, элемент и/или узел на фиг. 9-15, имеющий ссылочную позицию, которая является такой же, как у любого компонента, элемента и/или узла на фиг. 1-8, описанных выше, может быть аналогичным или подобным и может иметь аналогичную или подобную конструкцию и/или функцию. Кроме того, любой из компонентов, элементов и/или узлов, описанных выше в отношении различных примерных вариантов реализации, проиллюстрированных на фиг. 1-8, может использоваться в сочетании с различными примерными вариантами реализации, описанными со ссылкой на фиг. 9-15.

[0071] В одном неограничивающем варианте реализации, как показано на фиг. 9, вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель 700 электронов может быть размещен в вакуумной камере 214 плавильной печи 210 или смежно с ней. Вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель 700 электронов может использоваться в сочетании с упомянутыми одним или более проволочно-разрядными ионно-плазменными излучателями 216 электронов или независимо от них. В одном неограничивающем варианте реализации один или более проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей 216 электронов могут использоваться для нагревания и плавления прутка 220 металлического материала, и один или более проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей 216 электронов могут использоваться для нагревания и рафинирования расплавленного металлического материала 226 в поде 224. В некоторых неограничивающих вариантах реализации вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель 700 электронов может использоваться для плавления любого конденсата, образовавшегося на стенках 215 вакуумной камеры 214, и/или плавления любых затвердевших частей, включая конденсат, в расплавленном металлическом материале, содержащемся в поде 224. В других неограничивающих вариантах реализации вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов может использоваться для нагревания ванны 231 расплава или других зон образующегося или затвердевающего слитка 232, как обсуждалось здесь.

[0072] Соответственно, в различных неограничивающих вариантах реализации вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель 700 электронов может быть приспособлен для выборочной плавки конденсата, образовавшегося на стенке 215 камеры, и тем самым предотвращения или уменьшения вероятности отделения твердого конденсата от стенки 215 камеры и падения в расплавленный материал 226. Кроме того, в различных неограничивающих вариантах реализации вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель 700 электронов может быть приспособлен для обеспечения дополнительного нагревания в желательных зонах вдоль пода 224, например, для плавления твердых частиц, таких как конденсат, например, внутри расплавленного материала 226 и/или поддержания расплавленного материала 226 в расплавленном состоянии в одной или более зонах вдоль пода 224. Дополнительно, в различных неограничивающих вариантах реализации вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель 700 электронов может быть приспособлен для нагревания зон ванны 231 расплава и оказания выгодного влияния на кинетику затвердевания ванны 231 расплава и характеристики слитка 232. Приложение сфокусированного электронного поля, испускаемого вспомогательным проволочно-разрядным ионно-плазменным излучателем 700 электронов, к ванне 231 расплава может, например, улучшать качество (чистоту, шероховатость) поверхности слитка 232 при его извлечении, минимизировать образование трещин внутри слитка 232 и/или выгодно влиять на получаемую микроструктуру слитка 232.

[0073] В одном неограничивающем варианте реализации, как показано на фиг. 9, вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель 700 электронов выполнен с возможностью создания сфокусированного электронного поля, например, такого как сфокусированное электронное поле 702. Это сфокусированное электронное поле 702 является трехмерным полем электронов и поэтому, при попадании на мишень, покрывает намного большую зону, чем по существу линейный "луч" ("пучок") электронов, генерируемый обычной термоионной электронно-лучевой пушкой. Однако сфокусированное электронное поле 702 может покрывать зону, имеющую меньшую или намного меньшую площадь, чем зона, покрываемая относительно обширным электронным полем 218, например, испускаемым проволочно-разрядным ионно-плазменным излучателем 216 электронов, как обсуждалось выше. В одном неограничивающем варианте реализации сфокусированное электронное поле 702 может иметь площадь от 0,5 квадратного дюйма до 50 квадратных дюймов, альтернативно, от 1 квадратного дюйма до 30 квадратных дюймов и, альтернативно, от 1 квадратного дюйма до 20 квадратных дюймов, например, когда оно падает на мишень в вакуумной камере плавильной печи. Сфокусированный электронный луч в некоторых вариантах реализации является ориентируемым или по меньшей мере направляемым, так что он может бомбардировать конденсат или другие твердые части внутри расплава. Специалистам в данной области техники после рассмотрения настоящего изобретения будет понятно, что сфокусированное электронное поле может иметь любые площади или профили поперечного сечения, подходящие для конкретных применений.

[0074] В одном неограничивающем варианте реализации площадь поперечного сечения и/или форма поперечного сечения сфокусированного электронного поля 702 могут быть функцией, например, размера и формы анода и/или катода вспомогательного излучателя электронов. Например, в некоторых неограничивающих вариантах реализации анод и катод имеют относительно большой размер, и сфокусированное электронное поле 702 покрывает относительно большую площадь поперечного сечения. Однако эта относительно большая площадь поперечного сечения в целом меньше площади поперечного сечения обширного электронного поля, но существенно больше, чем по существу "точечное" покрытие по существу линейным "лучом", испускаемым обычным термоионным излучателем электронов. Сфокусированное электронное поле также может иметь различные формы поперечного сечения, например, такие как круглая или квадратная, исходя из формы анода. В одном неограничивающем варианте реализации анод, имеющий круглую форму, может использоваться в сочетании с катодом для создания сфокусированного электронного поля, имеющего, например, круглую или по существу круглую форму поперечного сечения.

[0075] В одном неограничивающем варианте реализации, как показано на фиг. 9, проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели 216 электронов могут испускать по меньшей мере одно первое поле 218 электронов (т.е. обширное электронное поле), имеющее первую площадь поперечного сечения. Вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель 700 электронов может испускать второе поле электронов, такое как сфокусированное электронное поле 702, имеющее вторую площадь поперечного сечения. В различных вариантах реализации первая площадь поперечного сечения может быть большей, такой же или меньшей, чем вторая площадь поперечного сечения. В связи с описанием конкретного поля электронов, термин "площадь" может относиться к площади покрытия полем электронов, когда поле электронов падает на конденсат, твердые части внутри расплавленного материала, зоны образующегося или затвердевающего слитка и/или другие зоны вакуумной камеры.

[0076] В одном неограничивающем варианте реализации сфокусированное электронное поле 702, испускаемое вспомогательным проволочно-разрядным ионно-плазменным излучателем 700 электронов, имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем обширное электронное поле, испускаемое проволочно-разрядным ионно-плазменным излучателем 216 электронов. В этом варианте реализации сфокусированное электронное поле 702 может быть сильнее сфокусированным и, возможно, с более высокой мощностью (например, с более высокой плотностью электронов и/или более высокой энергией электронов), чем обширное электронное поле, испускаемое проволочно-разрядным ионным излучателем 216 электронов. Более высокая плотность электронов сфокусированного электронного поля 702 может быть создана посредством подачи более высокого напряжения на анод, например, для создания большего количества ионов на аноде и, таким образом, создания большего количества вторичных электронов, исходящих от катода. Мощность сфокусированного электронного поля 702 может быть увеличена или уменьшена для надлежащего плавления конденсата или твердых частей расплава. В таком варианте реализации напряжение ускорения электронов (кВ) катода и электронный ток (кВт) могут изменяться, например, для надлежащего плавления. В одном неограничивающем варианте реализации электронный ток (кВт) может быть увеличен, чтобы вызывать более быстрое плавление. В других неограничивающих вариантах реализации сфокусированное электронное поле 702 также может быть еще более сфокусировано, чтобы увеличивать плотность электронов внутри сфокусированного электронного поля 702 и, таким образом, вызывать более быстрое плавление.

[0077] В одном неограничивающем варианте реализации сфокусированное электронное поле 702 может быть направлено к любому конденсату, затвердевшим частям и/или нерасплавленным частям внутри жидкого сплава 226 или ванны 231 расплава. Кроме того, в некоторых вариантах реализации сфокусированное электронное поле 702 может быть направлено к ванне 231 расплава, чтобы влиять на затвердевание расплавленного материала в слиток 232. Сфокусированное электронное поле 702 также может быть направлено к зонам стенок 215 камеры с конденсатом на них для плавления этого конденсата или в другие зоны плавильной печи 210.

[0078] Как опять же показано на фиг. 9, сфокусированное электронное поле 702 может быть направлено системой ориентирования, такой как, например, система 704 ориентирования. Система 704 ориентирования может генерировать одно или более электрических полей и/или магнитных полей и манипулировать ими, например, для ориентирования сфокусированного электронного поля 702 для бомбардировки им желательной зоны или предмета внутри вакуумной камеры 214 плавильной печи 210. Обычные методы и устройства, известные специалистам в данной области техники, для манипулирования направлением электронных полей, такие как, например, магнитное отклонение, могут быть подходящим образом приспособлены для использования в системе 704 ориентирования. Учитывая то, что такие методы и устройства для манипулирования электронными полями известны специалистам в данной области техники, они не описаны здесь подробно. Кроме того, например, система 704 ориентирования может быть приспособлена для выборочного сканирования сфокусированным электронным полем 702, генерируемым вспомогательным ионно-плазменным излучателем 700 электронов, вокруг конкретной зоны внутри вакуумной камеры 214 плавильной печи 210. Различные обычные методы и устройства для сканирования электронными лучами известны специалистам в данной области техники и могут быть соответственно приспособлены для использования в системе 704 ориентирования. Учитывая то, что такие методы и устройства для сканирования электронными полями известны специалистам в данной области техники, они не описаны здесь подробно. В одном неограничивающем варианте реализации сканирование сфокусированным электронным полем 702 может быстро перемещать поле по зоне конденсированного материала на стенке 215 камеры для плавления этого конденсата, по затвердевшей части или нерасплавленной части материала внутри пода 224 для плавления этого материала и/или по ванне 231 расплава, чтобы по желанию влиять на затвердевание образующегося слитка 232. Сканирование сфокусированным электронным полем 702 также может использоваться для устранения или содействия по меньшей мере уменьшению вероятности того, что избыточная мощность или энергия будет передаваться сфокусированным электронным полем 702 конденсату, затвердевшим частям и/или расплавленному материалу, на который падает сфокусированное электронное поле 702. Приложение к конденсату, затвердевшим частям и/или расплавленному материалу излишней энергии электронов на единицу площади и/или излишней плотности электронов на единицу площади может вызывать испарение летучих элементов внутри конденсата или материала, что может усиливать конденсацию материала на стенках 215 камеры. В одном неограничивающем варианте реализации система 704 ориентирования может использоваться для направления сфокусированного электронного поля 702 в любое пригодное место внутри плавильной печи 210.

[0079] В одном неограничивающем варианте реализации система ориентирования сфокусированного электронного поля 702 может выборочно эксплуатироваться таким образом, что оператор может специально направлять сфокусированное электронное поле 702 к конкретным частям расплава, которые требуют плавления и/или подогрева. Такая система выборочного ориентирования может перемещать ориентирующие устройства 704 или другие ориентирующие устройства, чтобы тем самым направлять сфокусированное электронное поле 702 к соответствующим зонам внутри вакуумной камеры, например на частицы конденсата внутри расплава. В других неограничивающих вариантах реализации различные ориентирующие устройства, такие как, например, электромагниты, могут быть должным образом скомпонованы внутри вакуумной камеры так, что сфокусированное электронное поле 702 может быть направлено в заданную зону вакуумной камеры и/или может выборочно перемещаться оператором, например, между первой заданной зоной вакуумной камеры и второй заданной зоной вакуумной камеры.

[0080] На фиг. 10 показан другой неограничивающий вариант реализации вспомогательного ионно-плазменного излучателя 700' электронов, такого как, например, проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов, включенный в электронно-лучевую плавильную печь 610. Различные элементы электронно-лучевой плавильной печи 610 обозначены ссылочными позициями, показанными на фиг. 8 и описанными выше. Вспомогательный ионно-плазменный излучатель 700' электронов может испускать сфокусированное электронное поле 702', подобное сфокусированному электронному полю 700, которое может бомбардировать расплавленный материал 642, расположенный в поде 640, и/или твердые вещества (такие как, например, конденсат, который упал со стенки камеры) внутри расплавленного материала 642. В одном неограничивающем варианте реализации вспомогательный ионно-плазменный излучатель 700' электронов может включать в себя систему 704' ориентирования, которая может иметь, например, обсуждавшуюся выше конструкцию.

[0081] В одном неограничивающем варианте реализации, изображенном схематично на фиг. 11, примерная система ориентирования приспособлена для использования в сочетании со вспомогательным ионно-плазменным излучателем 700 или 700' электронов (обозначенным общей ссылочной позицией "700"). Система ориентирования сфокусированного электронного поля 702 вспомогательного ионно-плазменного излучателя 700 электронов может содержать первое магнитное и/или электрическое ориентирующее устройство 706 и второе магнитное и/или электрическое ориентирующее устройство 708. Первое ориентирующее устройство 706 может быть размещено с первой стороны от сфокусированного электронного поля 702, а второе ориентирующее устройство 708 может быть размещено со второй стороны от сфокусированного электронного поля 702. Первое и второе ориентирующие устройства 706 и 708 могут быть выполнены с возможностью генерирования между собой магнитного и/или электрического поля, которое является перемещаемым для направления сфокусированного электронного поля 702 в желательном направлении. В результате, первое и второе ориентирующие устройства 706 и 708 могут использоваться для направления сфокусированного электронного поля 702 в желательную зону или место внутри вакуумной камеры плавильной печи. Система ориентирования может включать в себя дополнительные ориентирующие устройства, так что сфокусированное электронное поле 702 может быть направлено в любом подходящем направлении внутри вакуумной камеры. Примерная система ориентирования, показанная на фиг. 11, также может использоваться для фокусирования или еще большего фокусирования сфокусированного электронного поля 702.

[0082] Другой неограничивающий вариант реализации системы ориентирования сфокусированного электронного поля 702 схематично изображен на фиг. 12. В таком варианте реализации система ориентирования может содержать более чем одно ориентирующее устройство 710, размещенные вокруг сфокусированного электронного поля 702 (не показанного на фиг. 12, но проходящего по пути в страницу и в целом перпендикулярно странице). Подобно указанным выше первому и второму ориентирующим устройствам 706 и 708, каждое из ориентирующих устройств 710 может генерировать магнитное и/или электрическое поле, предназначенное для воздействия на сфокусированное электронное поле 702. Благодаря обеспечению, например, более чем одного, более чем двух или более чем трех ориентирующих устройств 710, сфокусированное электронное поле 702 может быть точно направлено на любую желательную зону или объект внутри вакуумной камеры плавильной печи. Специалистам в данной области техники будет понятно, что могут использоваться и другие обычные системы для ориентирования электронных полей в сочетании с описанными здесь вспомогательными ионно-плазменными излучателями электронов для ориентирования направления сфокусированного электронного поля 702. Подобно примерной системе ориентирования по фиг. 11, примерная система ориентирования по фиг. 12 также может использоваться для фокусировки или еще большей фокусировки сфокусированного электронного поля 702.

[0083] В одном неограничивающем варианте реализации устройство для плавления электропроводящего металлического материала может содержать вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов, выполненный с возможностью создания сфокусированного электронного поля с профилем поперечного сечения, имеющим первую форму, и систему ориентирования, выполненную с возможностью направления сфокусированного электронного поля для падения на по меньшей мере часть электропроводящего металлического материала с целью расплавления любого твердого конденсата или других твердых веществ в нем. Сфокусированное электронное поле также может направляться системой ориентирования на ванну расплава или другие зоны образующегося или затвердевающего слитка, чтобы оказывать выгодное влияние на кинетику затвердевания слитка. В таком неограничивающем варианте реализации устройство может содержать проволочный электрод, имеющий вторую форму, и катод, имеющий третью форму. В по меньшей мере одном варианте реализации первая форма может быть по существу подобной или аналогичной второй форме и/или третьей форме. Первая форма профиля поперечного сечения электронного поля может быть, например, по существу круглой, треугольной, прямоугольной, квадратной, эллиптической или овальной или может быть любой другой пригодной формы. Таким образом, специалистам в данной области техники будет понятно, что первая форма профиля поперечного сечения сфокусированного электронного поля может быть любой формой, пригодной для плавления конденсата, плавления твердых веществ внутри расплава, плавления нерасплавленных частей металлического материала внутри расплава и/или нагревания ванны расплава затвердевающего слитка желательным образом. Если желательно, например, сфокусированное электронное поле, имеющее по существу треугольный профиль поперечного сечения, то вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов может включать в себя по существу треугольный проволочный электрод и/или по существу треугольный катод.

[0084] В одном неограничивающем варианте реализации ионно-плазменные излучатели электронов или вспомогательные ионно-плазменные излучатели электронов могут содержать анод (или дающий катионы электрод), отличный от проволочного анода. В таком варианте реализации анод может быть электропроводящей тонкой пластиной, листом или фольгой, выполненными с возможностью легкого прохождения через них сфокусированного электронного поля, испускаемого из катода. В других вариантах реализации анод может содержать любую другую пригодную конфигурацию. Анод из электропроводящей тонкой пластины, листа или фольги может иметь любую пригодную форму, такую как по существу круглая, квадратная, прямоугольная, треугольная, эллиптическая, овальная или любая другая пригодная форма. Благодаря выполнению анода с этими различными формами или другими различными формами, можно контролировать формы поперечных сечений или профилей обширного электронного поля и/или сфокусированного электронного поля. Например, для создания сфокусированного электронного поля, имеющего круглую форму поперечного сечения, может использоваться анод в виде круглой тонкой пластины, листа или фольги. В одном неограничивающем варианте реализации катод ионно-плазменного излучателя электронов или вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов также может состоять из любой электропроводящей тонкой пластины, листа или фольги любых пригодных размеров. Эта электропроводящая тонкая пластина, лист или фольга катода могут иметь форму, подобную формам различных обсуждавшихся выше анодов. В одном неограничивающем варианте реализации форма катода может «работать» в сочетании с формой анода на создание обширного электронного поля или сфокусированного электронного поля, имеющего разные по форме поперечные сечения или профили. Хотя выше со ссылкой на примерный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов обсуждены ионно-плазменные излучатели электронов, производящие обширные электронные поля, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут использоваться ионно-плазменные излучатели электронов, имеющие "непроволочный" или "непрямой проволочный" аноды, и они входят в рамки настоящего изобретения.

[0085] Подобно описанным выше различным проволочно-разрядным ионно-плазменным излучателям электронов, различные неограничивающие варианты реализации вспомогательных проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов могут включать один или более удлиненных проволочных анодов, выполненных с возможностью создания катионсодержащей плазмы, причем катионы плазмы падают на катод, генерируя поле вторичных электронов (т.е. сфокусированное электронное поле), которые ускоряются для бомбардировки мишени, такой как, например, конденсат, который нужно расплавить для уменьшения содержания твердых включений внутри расплава. Удлиненный проволочный анод может иметь размер в длину, который существенно больше его размера в толщину. Хотя он описан как "удлиненный", удлиненный проволочный анод может быть сформирован с любой пригодной формой. Вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов может быть сконструирован по существу аналогичным или в целом похожим образом, как и описано выше со ссылками на различные проволочно-разрядные ионно-плазменные излучатели электронов. По сути, приведенное выше описание различных проволочно-разрядных ионно-плазменных излучателей электронов включено в настоящее описание конструкции вспомогательного проволочно-разрядного ионно-плазменного излучателя электронов. Кроме того, далее следует описание способа сооружения и работы некоторых неограничивающих вариантов реализации вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов согласно настоящему изобретению.

[0086] Как указано выше, вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов согласно настоящему изобретению может быть выполнен с возможностью создания сфокусированного электронного поля, имеющего любой пригодный профиль или форму поперечного сечения, такой как по существу круглый, квадратный, прямоугольный, треугольный, эллиптический, овальный профиль поперечного сечения или другой профиль поперечного сечения любой другой подходяще ограниченной формы. В некоторых неограничивающих вариантах реализации вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов, такой как вспомогательный проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель электронов согласно настоящему изобретению, может генерировать поля электронов, имеющие по существу прямоугольный профиль поперечного сечения (см. фиг. 13 и 14) или по существу круглый профиль поперечного сечения (см. фиг. 15). Как показано на фиг. 13, вспомогательный ионно-плазменный излучатель 802 электронов может включать в себя ионизационную или плазменную зону, подобную плазменной зоне 314 по фиг. 4, которая включает в себя проволочный анод или анод 819 из электропроводящей тонкой пластины, листа или фольги (совместно 819), выполненный с возможностью создания катионсодержащей плазмы, и катодную зону, подобную катодной зоне 316 по фиг. 4, которая включает в себя катод 818. Катод 818 может иметь любую пригодную форму. Плазменная зона может быть заполнена ионизируемым газом при низком давлении, и этот газ может ионизироваться в плазменной зоне для создания катионсодержащей плазмы. Например, плазменная зона может быть заполнена газообразным гелием, например, при приблизительно 20 мТорр. В плазменной зоне может быть расположен проволочный анод 819 малого диаметра или анод из электропроводящей тонкой пластины, листа или фольги. Этот анод 819 может иметь любую пригодную форму, хотя на фиг. 13 показана прямоугольная конфигурация. На анод 819 высоковольтным источником 822 питания может быть подано положительное напряжение, инициирующее ионизацию газообразного гелия в плазму, содержащую катионы гелия и свободные "первичные" электроны. Когда ионизация газообразного гелия инициирована, плазма поддерживается посредством подачи напряжения на анод 819. Положительно заряженные ионы гелия в плазме вытягиваются из плазменной зоны через вытягивающую решетку, подобную вытягивающей решетке 326 по фиг. 4, поддерживаемую под высоким отрицательным электрическим потенциалом, и ускоряются через высоковольтный промежуток, подобный высоковольтному промежутку 328 по фиг. 4, в катодную зону, где катионы в плазме бомбардируют катод 818, поддерживаемый при высоком отрицательном напряжении. Катод 818 может быть, например, металлом или сплавом с покрытием или без него. В одном неограничивающем варианте реализации катод 818 может содержать вкладыш, имеющий высокую температуру плавления и низкую работу выхода. Высоковольтный источник питания, такой как высоковольтный источник 522 питания по фиг. 6, подает отрицательное напряжение, например, более 20000 вольт на катод 818.

[0087] Бомбардировка катионами гелия катода 818 высвобождает вторичные электроны из катода 818, тем самым формируя сфокусированное электронное поле. Высоковольтный промежуток ускоряет вторичные электроны в направлении, противоположном направлению движения катионов гелия, через вытягивающую решетку и в плазменную зону (через электропроводящую пластину, лист или фольгу, если они имеются), а затем через окно из тонкой металлической фольги, если оно имеется, подобное окну 329 из тонкой металлической фольги по фиг. 4, выполненное из материала, относительно проницаемого для электронов. Как указано выше, в зависимости от относительных давлений газа внутри вспомогательного излучателя электронов и камеры плавильной печи, можно исключить проницаемое для электронов окно, и в таком случае электроны, производимые вспомогательным излучателем электронов, непосредственно входили бы в вакуумную камеру плавильной печи.

[0088] Все еще обращаясь к фиг. 13, в одном неограничивающем варианте реализации положительные ионы от анода 819 могут ускоряться для бомбардировки катода 818 с целью создания сфокусированного электронного поля, имеющего профиль поперечного сечения, который обладает прямоугольной формой или по существу прямоугольной формой. Анод 819 прямоугольной формы или по существу прямоугольной формы и катод 818 могут быть разработаны и расположены для лучшего содействия передаче положительно заряженных ионов гелия к катоду 818. Кроме того, катод 818 и вытягивающая решетка могут быть разработаны и расположены для максимизации передачи вторичных электронов через вытягивающую решетку и с профилем поля, пригодным для проникновения через проницаемое для электронов окно, если оно имеется (и анод из электропроводящей тонкой пластины, листа или фольги, если он имеется). Сфокусированное поле быстрых электронов, выходящих из вспомогательного излучателя 802 электронов, может быть направлено для бомбардировки мишени внутри вакуумной камеры плавильной печи. Кроме того, проницаемое для электронов окно, если оно имеется, может быть выполнено как можно более тонким с тем, чтобы максимизировать пропускание электронов от вспомогательного ионно-плазменного излучателя 802 электронов. В качестве фольгового окна, в случае необходимости, может использоваться алюминиевая или титановая фольга, имеющая толщину, допускающую достаточное пропускание электронов, также сохраняющая среду низкого вакуума внутри вспомогательного ионно-плазменного излучателя 802 электронов. Другие пригодно прочные и приемлемые прозрачные для электронов материалы, которые могут использоваться в качестве окна в устройстве, если оно имеется, будут известны специалистам в данной области техники. Как обсуждается здесь в целом, окно может быть исключено, если перепад давлений между внутренним пространством вспомогательного излучателя 802 электронов и вакуумной камерой, содержащей мишень, незначителен.

[0089] В одном варианте реализации, как показано на фиг. 14, вспомогательный ионно-плазменный излучатель 902 электронов может включать некоторые признаки, подобные таковым у вспомогательного ионно-плазменного излучателя 802 электронов. Однако вспомогательный излучатель 902 электронов включает в себя проволочный анод прямоугольной формы или по существу прямоугольной формы или анод из электропроводящей тонкой пластины, листа или фольги (вместе - 919), размещенный внутри плазменной зоны, и прямоугольный или по существу прямоугольный катод 918 внутри катодной зоны. Положительные ионы от анода 919 могут ускоряться к катоду 918 для создания сфокусированного электронного поля, имеющего профиль поперечного сечения, который имеет прямоугольную форму или по существу прямоугольную форму и приспособлен для падения на любой конденсат, затвердевшие части или нерасплавленные части материала внутри расплава и/или на зоны образующегося или затвердевающего слитка. Вспомогательный излучатель 902 электронов также может содержать источник питания, выполненный с возможностью подачи положительного напряжения на анод 919. Хотя это не показано, будет понятно, что катод 918 будет соединен с источником питания, выполненным с возможностью зарядки катода 918 до высокого отрицательного напряжения.

[0090] В одном варианте реализации, показанном на фиг. 15, вспомогательный излучатель 1002 электронов согласно настоящему изобретению может включать некоторые признаки, подобные признакам вспомогательных излучателей 802 и 902 электронов. Однако вспомогательный излучатель 1002 электронов включает в себя выполненный круглым или по существу круглым по форме проволочный анод или анод из электропроводящей тонкой пластины, листа или фольги (вместе - 1019), размещенный внутри плазменной зоны, и выполненный круглым или по существу круглым по форме катод 1018, размещенный внутри катодной зоны. Положительные ионы от анода 1019 могут быть ускорены к катоду 1018 для создания сфокусированного электронного поля, имеющего профиль поперечного сечения, который имеет круглую или по существу круглую форму и приспособлен для падения на любой конденсат, затвердевшие части или нерасплавленные части внутри расплава и/или на зоны образующегося или затвердевающего слитка. Вспомогательный излучатель 1002 электронов также может содержать источник питания, выполненный с возможностью подачи положительного напряжения на анод 1019. Хотя это не показано, будет понятно, что катод 1018 будет соединен с источником питания, выполненным с возможностью зарядки катода 1018 до высокого отрицательного напряжения.

[0091] Мощность различных вспомогательных излучателей электронов согласно настоящему изобретению зависит от плотности катионов, создаваемых анодом, и отрицательного напряжения катода. Количество создаваемых при ионизации ионов зависит от напряжения, прилагаемого к аноду (т.е. более высокое напряжение генерирует большее количество ионов за единицу времени и увеличивает плотность производимого электронного поля), а энергия электронов внутри сфокусированного электронного поля зависит от отрицательного напряжения катода. Не намереваясь ограничиваться какой-либо конкретной теорией, автор изобретения полагает, что плавление конденсата внутри вакуумной камеры будет облегчаться при использовании сфокусированного электронного поля, имеющего относительно высокую мощность (например, плотность электронов и энергию электронов), поскольку может быть ограничено время пребывания, доступное в конкретной зоне вакуумной камеры для любого конденсата, подлежащего расплавлению до того, как конденсат перетечет внутри расплава в другую зону вакуумной камеры. Те же или подобные принципы относятся к плавлению затвердевших или нерасплавленных частей внутри расплава.

[0092] В одном неограничивающем варианте реализации устройство для плавления электропроводящего металлического материала содержит вакуумную камеру, расположенный в вакуумной камере под и плавильное приспособление, выполненное с возможностью плавления электропроводящего металлического материала. Устройство может также содержать по меньшей мере одно из кристаллизатора, литейного устройства и распылительного устройства, сообщающегося с вакуумной камерой и размещенного для приема расплавленного электропроводящего металлического материала из пода. Устройство может содержать вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов, расположенный в вакуумной камере или смежно с ней и размещенный для направления сфокусированного электронного поля, имеющего площадь поперечного сечения, в вакуумную камеру. Сфокусированное поле электронов может иметь достаточную энергию для по меньшей мере одного из плавления или переплавки частей электропроводящего металлического материала, плавления твердого конденсата внутри электропроводящего металлического материала и нагревания зон затвердевающего слитка, когда оно направлено на электропроводящий материал, твердый конденсат и зоны затвердевающего слитка с использованием ориентирующего устройства или системы ориентирования. В одном неограничивающем варианте реализации плавильное приспособление содержит по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов, расположенный в вакуумной камере или смежно с ней и размещенный для направления обширного электронного поля в вакуумную камеру. Обширное электронное поле может иметь достаточную энергию для нагревания электропроводящего металлического материала до его температуры плавления. В другом неограничивающем варианте реализации плавильное приспособление может содержать по меньшей мере одну термоионную электронно-лучевую пушку, выполненную с возможностью испускания электронного луча, имеющего достаточную энергию для нагревания электропроводящего металлического материала до его температуры плавления.

[0093] В одном неограничивающем варианте реализации вспомогательные ионно-плазменные излучатели электронов могут использоваться с плавильной печью, включающей в себя одну или более термоионных электронно-лучевых пушек. С учетом того факта, что плавильная печь с использованием термоионных электронно-лучевых пушек обычно имеет вакуумную камеру, имеющую значительно меньшее давление (например, от 10³ до 7,5 µ (от 10³ до 1 Па) до 15 µ (2 Па)), чем давление в плавильной печи с использованием ионно-плазменных излучателей электронов (например, давления больше 40 µ (5,3 Па)) или давления больше 300 µ (40 Па)), проницаемая для электронов фольга, такая как, например, проницаемая для электронов фольга 705 по фиг. 10, может быть размещена между вспомогательным излучателем 700' электронов и вакуумной камерой 214 для поддержания разных давлений, например, в вакуумной камере 214 и вспомогательном излучателе 700' электронов. По сути, различные вспомогательные излучатели электронов могут использоваться с плавильной печью, включающей одну или более термоионных электронно-лучевых пушек и/или других подходящих плавильных приспособлений, независимо от рабочего давления плавильной печи. В различных вариантах реализации в одной плавильной печи может использоваться любое пригодное число вспомогательных ионно-плазменных излучателей электронов.

[0094] В одном неограничивающем варианте реализации предусмотрен способ генерирования электронного поля для плавления электропроводящего материала внутри плавильной печи. Способ может содержать обеспечение анода, имеющего первую нелинейную форму, подачу напряжения на анод и получение содержащей положительные катионы плазмы на аноде. Термин "нелинейная форма" может означать форму, отличную от прямой линии или по существу прямой линии. Термин "нелинейная форма" также может означать форму, отличную от формы обсуждавшихся выше различных электродов, например, таких как удлиненный проволочный электрод 516. Способ может дополнительно содержать обеспечение катода, имеющего вторую форму, размещение катода относительно анода и подачу напряжения на катод. Напряжение может быть приспособлено для придания катоду отрицательного заряда. Способ может дополнительно содержать ускорение положительных катионов к катоду для генерирования свободных вторичных электронов и формирование электронного поля с использованием свободных вторичных электронов. Электронное поле может иметь профиль поперечного сечения третьей формы. Третья форма электронного поля может соответствовать первой нелинейной форме анода и/или второй форме катода. В одном варианте реализации третья форма электронного поля может быть по существу такой же, как и первая нелинейная форма анода и/или вторая форма катода. В различных вариантах реализации анод может содержать электропроводящий удлиненный проволочный анод, электропроводящий тонкий пластинчатый анод, электропроводящий тонколистовой анод или электропроводящий тонкий фольговый анод.

[0095] В одном неограничивающем варианте реализации способ обработки материала может содержать введение материала, содержащего по меньшей мере один из металла и металлического сплава, в камеру печи, поддерживаемую при низком давлении относительно атмосферного давления, и генерирование первого электронного поля, имеющего первую площадь поперечного сечения, с использованием первого ионно-плазменного излучателя электронов. Материал внутри камеры печи может затем быть подвергнут воздействию первого электронного поля для нагревания материала до температуры выше температуры плавления этого материала. Способ может также содержать генерирование второго электронного поля, имеющего вторую площадь поперечного сечения, с использованием второго ионно-плазменного излучателя электронов. По меньшей мере одно из твердого конденсата внутри материала, затвердевших частей материала и зон затвердевающего слитка может быть подвергнуто воздействию второго электронного поля с использованием ориентирующего устройства для плавления или нагревания конкретной мишени. Кроме того, первая площадь поперечного сечения первого электронного поля может быть большей или иначе отличающейся от второй площади поперечного сечения второго электронного поля. Давление внутри первого ионно-плазменного излучателя электронов и второго ионно-плазменного излучателя электронов может поддерживаться при том же или по существу том же давлении, что и существующее внутри камеры печи. В других неограничивающих вариантах реализации давление внутри камеры печи может поддерживаться при меньшем давлении, чем давление, например, внутри первого ионно-плазменного излучателя электронов и второго ионно-плазменного излучателя электронов.

[0096] В другом неограничивающем варианте реализации способ обработки материала может содержать введение материала, содержащего по меньшей мере один из металла и металлического сплава, в камеру печи, поддерживаемую при низком давлении относительно атмосферного давления, и подвергание материала внутри камеры печи воздействию плавильного приспособления, выполненного с возможностью нагревания материала до температуры выше температуры плавления этого материала. Способ может также содержать генерирование сфокусированного электронного поля с использованием вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов и подвергание по меньшей мере одного из любого конденсата внутри материала, любых затвердевших частей материала и зон образующегося или затвердевающего слитка воздействию сфокусированного электронного поля с использованием ориентирующего устройства для плавления или нагревания по меньшей мере одного из конденсата, затвердевших частей и зон образующегося или затвердевающего слитка. В различных неограничивающих вариантах реализации плавильное приспособление может содержать по меньшей мере одну термоионную электронно-лучевую пушку или по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов.

[0097] В других неограничивающих вариантах реализации способ обработки материала может содержать генерирование сфокусированного электронного поля с профилем поперечного сечения, имеющим первую форму, с использованием вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов и ориентирование сфокусированного электронного поля для падения сфокусированного электронного поля на материал и плавления или нагревания по меньшей мере одного из любого твердого конденсата внутри материала, любых затвердевших частей материала и/или зон образующегося или затвердевающего слитка. Способ может также содержать генерирование сфокусированного электронного поля с использованием электрода, имеющего вторую форму, и катода, имеющего третью форму, причем первая форма по существу подобна второй форме и/или третьей форме. В одном неограничивающем варианте реализации генерируемое сфокусированное электронное поле, испускаемое из вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов, может иметь один из по существу круглого профиля поперечного сечения и по существу прямоугольного профиля поперечного сечения. Такие сфокусированные электронные поля, например, могут генерироваться с использованием по существу круглого электрода или анода и по существу круглого катода или по существу прямоугольного электрода или анода и по существу прямоугольного катода.

[0098] Хотя предшествующее описание представило только необходимое ограниченное число вариантов реализации, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть внесены различные изменения в устройства и способы и другие подробности тех примеров, которые были описаны и показаны здесь, и все такие модификации будут оставаться в рамках принципов и объема настоящего изобретения, как изложено здесь и в прилагаемой формуле изобретения. Например, хотя настоящее описание представило только обязательное ограниченное число вариантов реализации электронно-лучевых плавильных печей согласно настоящему изобретению, а также представило только обязательное ограниченное число конструкций ионно-плазменных излучателей электронов и вспомогательных ионно-плазменных излучателей электронов, будет понятно, что настоящее описание и связанная с ним формула изобретения не ограничены ими. Специалистам в данной области техники при рассмотрении настоящего описания будет легко представить дополнительные конструкции ионно-плазменных излучателей электронов и вспомогательных ионно-плазменных излучателей электронов, и они могут представить дополнительные конструкции печей в пределах объема и сущности изобретения и необходимого ограниченного числа описанных здесь вариантов его реализации. Таким образом, понятно, что настоящее изобретение не ограничено конкретными описанными или включенными сюда вариантами его реализации, но предназначено охватывать модификации, которые находятся в рамках принципов и объема изобретения, определенных формулой изобретения. Специалистам в данной области техники также будет понятно, что в описанные выше варианты реализации изобретения могут быть внесены изменения без отхода от его широкого изобретательского замысла.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при электронно-лучевой плавке электропроводящего металлического материала. Устройство содержит вакуумную камеру с подом, по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов, выполненный с возможностью создания первого поля электронов, имеющего первую площадь покрытия, и вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов, расположенный в вакуумной камере или смежно с ней и выполненный с возможностью создания второго поля электронов, имеющего вторую площадь покрытия и достаточную энергию для нагревания части электропроводящего металлического материала до его температуры плавления, плавления твердого конденсата внутри электропроводящего металлического материала и подачи тепла в зоны образующегося слитка. Вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов выполнен с возможностью фокусирования второго поля электронов так, что вторая площадь покрытия меньше, чем первая площадь покрытия, и ориентирующее устройство выполнено с возможностью ориентирования второго поля электронов для направления его к одному из упомянутых электропроводящего металлического материала, твердого конденсата и образующегося слитка. Изобретение позволяет использовать проволочно-разрядный ионно-плазменный излучатель для направления нелинейного, обширного поля электронов на поверхность переплавляемых упомянутых материалов. 4 н. и 36 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Устройство для плавления электропроводящего металлического материала, содержащее:
вакуумную камеру;
под, расположенный в вакуумной камере;
по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов, расположенный в вакуумной камере или смежно с ней, причем упомянутый по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов выполнен с возможностью создания первого поля электронов, имеющего первую площадь покрытия и достаточную энергию для нагревания электропроводящего металлического материала до его температуры плавления, при этом электропроводящий металлический материал представляет собой по меньшей мере один материал, выбранный из титана, титанового сплава, вольфрама, ниобия, тантала, платины, палладия, циркония, иридия, никеля, сплава на основе никеля, железа, сплава на основе железа, кобальта и сплава на основе кобальта, и при этом упомянутый по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов размещен для направления первого поля электронов в вакуумную камеру;
по меньшей мере одно из кристаллизатора и распылительного устройства, размещенного для приема электропроводящего металлического материала из пода; и
вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов, расположенный в вакуумной камере или смежно с ней, причем вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов выполнен с возможностью создания второго поля электронов, имеющего вторую площадь покрытия и достаточную энергию для по меньшей мере одного из нагревания по меньшей мере части электропроводящего металлического материала до по меньшей мере его температуры плавления, плавления твердого конденсата внутри электропроводящего металлического материала и подачи тепла в зоны образующегося слитка, при этом вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов выполнен с возможностью фокусирования второго поля электронов так, что вторая площадь покрытия меньше, чем первая площадь покрытия; и
ориентирующее устройство, выполненное с возможностью ориентирования второго поля электронов, испускаемого вспомогательным ионно-плазменным излучателем электронов, для направления сфокусированного второго поля электронов к по меньшей мере одному из упомянутых по меньшей мере части электропроводящего металлического материала, твердого конденсата и образующегося слитка, и при этом ориентирующее устройство выполнено с возможностью выборочного ориентирования созданного вспомогательным ионно-плазменным излучателем электронов второго поля электронов внутри по меньшей мере зоны первой площади покрытия.

2. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее по меньшей мере один питатель, выполненный с возможностью введения электропроводящего металлического материала в вакуумную камеру в положении над по меньшей мере одной зоной пода.

3. Устройство по п. 2, в котором питатель и упомянутый по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов расположены так, что первое поле электронов, испускаемое упомянутым по меньшей мере одним ионно-плазменным излучателем электронов, по меньшей мере частично падает на электропроводящий металлический материал, введенный в вакуумную камеру питателем.

4. Устройство по п. 1, в котором под включает в себя зону удержания расплавленного материала, и при этом под и упомянутый по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов расположены так, что первое поле электронов, испускаемое упомянутым по меньшей мере одним ионно-плазменным излучателем электронов, по меньшей мере частично падает на зону удержания расплавленного материала.

5. Устройство по п. 1, в котором упомянутый по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов содержит плазменную зону, включающую в себя электрод, выполненный с возможностью создания плазмы положительных ионов.

6. Устройство по п. 5, в котором электрод содержит проволоку, размещенную вдоль части плазменной зоны.

7. Устройство по п. 5, в котором упомянутый по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов дополнительно содержит катодную зону, включающую в себя катод, электрически соединенный с высоковольтным источником питания, выполненным с возможностью придания катоду отрицательного заряда, причем катод размещен относительно электрода так, что генерируемые электродом положительные ионы ускоряются к катоду и бомбардируют его, высвобождая первое поле электронов из катода.

8. Устройство по п. 7, в котором упомянутый по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов дополнительно содержит проницаемое для электронов фольговое окно, причем фольговое окно размещено в стенке вакуумной камеры, тем самым позволяя первому полю электронов, высвобожденных из катода, входить в вакуумную камеру через фольговое окно.

9. Устройство по п. 7, в котором высоковольтный источник питания выполнен с возможностью запитывания катода до отрицательного напряжения более 20000 вольт.

10. Устройство по п. 1, в котором упомянутый по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов открыт в вакуумную камеру, так что первое поле электронов может проходить непосредственно из упомянутого по меньшей мере одного ионно-плазменного излучателя электронов в вакуумную камеру, не проходя через проницаемое для электронов окно.

11. Устройство по п. 1, в котором устройство представляет собой электронно-лучевую плавильную печь с холодным подом.

12. Устройство по п. 1, в котором первая площадь покрытия первого поля электронов представляет собой обширное электронное поле.

13. Устройство по п. 1, в котором поперечное сечение второго поля электронов имеет один из по существу круглого профиля поперечного сечения и по существу прямоугольного профиля поперечного сечения.

14. Устройство по п. 1, в котором второе поле электронов выполнено растрируемым, чтобы позволить по меньшей мере одно из нагревания частей электропроводящего металлического материала до по меньшей мере его температуры плавления, плавления твердого конденсата внутри электропроводящего металлического материала и подачи тепла в зоны образующегося слитка.

15. Устройство по п. 1, в котором вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов содержит плазменную зону, включающую в себя электрод, выполненный с возможностью создания плазмы положительных ионов.

16. Устройство по п. 15, в котором электрод содержит проволоку, размещенную в плазменной зоне вблизи конца вакуумной камеры, противоположного питателю, выполненному с возможностью введения электропроводящего металлического материала в вакуумную камеру в положении над по меньшей мере одной зоной пода.

17. Устройство по п. 15, в котором вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов дополнительно содержит катодную зону, включающую в себя катод, электрически соединенный с высоковольтным источником питания, выполненным с возможностью придания катоду отрицательного заряда, причем катод размещен относительно электрода так, что генерируемые электродом положительные ионы ускоряются к катоду и бомбардируют его, высвобождая второе поле электронов из катода.

18. Устройство по п. 17, в котором по меньшей мере один из электрода и катода является по существу круглым по форме для создания по существу круглого профиля поперечного сечения у второго поля электронов.

19. Устройство по п. 17, в котором по меньшей мере один из электрода и катода является по существу прямоугольным по форме для создания по существу прямоугольного профиля поперечного сечения у второго поля электронов.

20. Устройство по п. 17, в котором вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов дополнительно содержит проницаемое для электронов фольговое окно, причем фольговое окно размещено в стенке вакуумной камеры, тем самым позволяя второму полю электронов, высвобожденных из катода, входить в вакуумную камеру через фольговое окно.

21. Устройство по п. 17, в котором высоковольтный источник питания выполнен с возможностью запитывать катод до отрицательного напряжения более 20000 вольт.

22. Устройство по п. 1, в котором вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов открыт в вакуумную камеру, так что второе поле электронов может проходить непосредственно из вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов в вакуумную камеру, не проходя через проницаемое для электронов окно.

23. Устройство для плавления электропроводящего металлического материала, содержащее:
вакуумную камеру;
под, расположенный в вакуумной камере;
плавильное приспособление, выполненное с возможностью плавления электропроводящего металлического материала, при этом плавильное приспособление содержит по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов, расположенный в вакуумной камере или смежно с ней и размещенный для направления обширного электронного поля в вакуумную камеру, причем обширное электронное поле обладает площадью покрытия и имеет достаточную энергию для нагревания электропроводящего металлического материала до его температуры плавления;
по меньшей мере одно из кристаллизатора и распылительного устройства, размещенного для приема расплавленного электропроводящего металлического материала из пода; и
вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов, расположенный в вакуумной камере или смежно с ней, причем вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов выполнен с возможностью создания сфокусированного электронного поля, имеющего меньшую площадь покрытия, чем площадь покрытия обширного электронного поля, и достаточную энергию для по меньшей мере одного из плавления по меньшей мере части электропроводящего металлического материала, плавления твердого конденсата внутри электропроводящего металлического материала и нагревания зон затвердевающего слитка, при этом вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов включает в себя систему ориентирования, выполненную с возможностью ориентирования сфокусированного электронного поля к по меньшей мере одному из упомянутых по меньшей мере части электропроводящего металлического материала, твердого конденсата и затвердевающего слитка.

24. Устройство по п. 23, в котором плавильное приспособление дополнительно содержит по меньшей мере одну термоионную электронно-лучевую пушку, выполненную с возможностью испускания электронного луча, имеющего достаточную энергию для нагревания электропроводящего металлического материала до его температуры плавления.

25. Устройство для плавления электропроводящего металлического материала, содержащее:
по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов, расположенный в вакуумной камере или смежно с ней и размещенный для направления обширного электронного поля в вакуумную камеру, причем обширное электронное поле обладает площадью покрытия и имеет достаточную энергию для нагревания электропроводящего металлического материала до его температуры плавления;
вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов, выполненный с возможностью создания сфокусированного электронного поля, имеющего меньшую площадь покрытия, чем площадь покрытия обширного электронного поля, при этом площадь поперечного сечения сфокусированного электронного поля задает профиль поперечного сечения, имеющий первую форму; и
систему ориентирования, выполненную с возможностью выборочного ориентирования сфокусированного электронного поля внутри по меньшей мере зоны площади покрытия обширного электронного поля для падения сфокусированного электронного поля на по меньшей мере часть электропроводящего металлического материала для по меньшей мере одного из плавления любых затвердевших частей электропроводящего металлического материала, плавления любого твердого конденсата внутри электропроводящего металлического материала и подачи тепла в зоны образующегося слитка.

26. Устройство по п. 25, дополнительно содержащее электрод, имеющий вторую форму, и катод, имеющий третью форму, при этом первая форма по существу подобна по меньшей мере одной из второй формы и третьей формы.

27. Устройство по п. 25, в котором первая форма представляет собой одну из по существу круглой и по существу прямоугольной формы.

28. Устройство по п. 27, в котором вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов содержит по существу круглый электрод и по существу круглый катод, выполненные с возможностью создания сфокусированного электронного поля, имеющего по существу круглый профиль поперечного сечения.

29. Устройство по п. 27, в котором вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов содержит проволочный электрод по существу прямоугольной формы и катод по существу прямоугольной формы, выполненные с возможностью создания сфокусированного электронного поля, имеющего профиль поперечного сечения по существу прямоугольной формы.

30. Способ обработки электропроводящего металлического материала, включающий:
введение материала, содержащего по меньшей мере один из металла и металлического сплава, в камеру печи, поддерживаемую при низком давлении относительно атмосферного давления;
генерирование первого электронного поля, имеющего первую площадь покрытия, с использованием по меньшей мере первого ионно-плазменного излучателя электронов;
подвергание материала внутри камеры печи воздействию первого электронного поля для нагревания материала до температуры выше температуры плавления этого материала;
генерирование второго электронного поля, имеющего вторую площадь покрытия, с использованием второго ионно-плазменного излучателя электронов;
фокусирование второго электронного поля с получением пучка, причем вторая площадь покрытия меньше, чем первая площадь покрытия; и
подвергание по меньшей мере одного из любого твердого конденсата внутри материала, любых затвердевших частей материала и зон затвердевающего слитка воздействию второго электронного поля с использованием системы ориентирования для плавления или нагревания по меньшей мере одного из твердого конденсата, затвердевших частей и зон затвердевающего слитка.

31. Способ по п. 30, в котором материал содержит по меньшей мере один из титана, титановых сплавов, вольфрама, ниобия, тантала, платины, палладия, циркония, иридия, никеля, сплавов на основе никеля, железа, сплавов на основе железа, кобальта и сплавов на основе кобальта.

32. Способ по п. 30, дополнительно содержащий формирование отливки или порошка из материала последовательно или одновременно с подверганием материала воздействию по меньшей мере первого электронного поля.

33. Способ по п. 30, дополнительно содержащий:
введение по меньшей мере одного электропроводящего материала, выбранного из группы, состоящей из титана, титановых сплавов, вольфрама, ниобия, тантала, платины, палладия, циркония, иридия, никеля, сплавов на основе никеля, железа, сплавов на основе железа, кобальта и сплавов на основе кобальта, в камеру печи;
необязательно, добавление к материалу по меньшей мере одной легирующей добавки; и
формирование отливки или порошка из материала последовательно или одновременно с подверганием материала воздействию первого электронного поля.

34. Способ по п. 30, дополнительно содержащий поддержание давления внутри первого ионно-плазменного излучателя электронов и второго ионно-плазменного излучателя электронов, которое является по существу таким же, как и давление внутри камеры печи.

35. Способ по п. 30, дополнительно содержащий поддержание давления внутри камеры печи, которое ниже давления внутри первого ионно-плазменного излучателя электронов и второго ионно-плазменного излучателя электронов.

36. Способ по п. 30, дополнительно содержащий поддержание давления внутри камеры печи, которое больше чем 40 μ, для уменьшения или устранения нежелательного испарения летучих элементов из материала во время нагревания материала в камере печи.

37. Способ по п. 30, дополнительно содержащий поддержание давления внутри камеры печи большим чем 300 μ для уменьшения или устранения нежелательного испарения летучих элементов из материала во время нагревания материала в камере печи.

38. Способ по п. 30, дополнительно содержащий сканирование вторым электронным полем по одному из твердого конденсата, затвердевших частей и зон затвердевающего слитка для плавления или нагревания одного из твердого конденсата, затвердевших частей и зон затвердевающего слитка.

39. Способ по п. 30, дополнительно содержащий направление второго электронного поля к одному из твердого конденсата, затвердевших частей и зон затвердевающего слитка с использованием системы магнитного ориентирования.

40. Способ по п. 30, в котором второе электронное поле имеет один из по существу круглого профиля поперечного сечения и по существу прямоугольного профиля поперечного сечения.