生成電子場的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種生成電子場的方法，用于使熔化爐內(nèi)的導(dǎo)電材料熔化。該方法包括：設(shè)置具有第一非線性形狀的陽極；向所述陽極施加電壓；在所述陽極處生成包含正陽離子的等離子；設(shè)置具有第二形狀的陰極；相對于所述陽極定位所述陰極；向所述陰極施加電壓，其中所述電壓構(gòu)造成對所述陰極充負電；朝所述陰極加速所述正陽離子以生成自由的二次電子；以及使用所述自由的二次電子形成電子場，所述電子場的截面輪廓具有第三形狀，其中所述第三形狀對應(yīng)于所述陽極的所述第一非線性形狀。
【專利說明】生成電子場的方法
[0001]本申請是申請日為2010年8月10日，申請?zhí)枮?01080048029.7，發(fā)明名稱為“用于熔化爐的離子等離子電子發(fā)射器”的申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請在35 U.S.C.§ 120下要求2008年3月26日提交的美國專利申請N0.12/055,415的優(yōu)先權(quán)并且是美國專利申請N0.12/055,415的部分繼續(xù)申請，而美國專利申請N0.12/055，415在35 U.S.C.§ 119(e)下要求2007年3月30日提交的美國臨時專利申請N0.60/909，118的優(yōu)先權(quán)。這兩個提及的在先申請均通過引用整體并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本公開涉及用于熔化金屬和金屬合金(以下稱為“合金”)的設(shè)備和技術(shù)。本公開更具體地說涉及利用電子來熔化或者加熱合金和/或形成在熔融合金內(nèi)的冷凝物的設(shè)備和技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0005]合金熔化過程涉及制備適當(dāng)材料的爐料然后熔化爐料。熔融的爐料或者“熔體”然后可以被精煉和/或處理，以改變?nèi)垠w化學(xué)性質(zhì)，從熔體中去除不想要的成分，和/或影響由熔體鑄成的制品的顯微結(jié)構(gòu)。熔化爐通過電力或者通過化石燃料的燃燒供給能量，并且適當(dāng)設(shè)備的選擇受到相對成本和可適用的環(huán)境規(guī)制以及被制備材料的特征的極大影響。目前可獲得多種不同的熔化技術(shù)和設(shè)備。熔化技術(shù)的一般類別包括例如感應(yīng)熔化(包括真空感應(yīng)熔化)、電弧熔化(包括真空電弧凝殼熔化)、坩鍋熔化和電子束熔化。
[0006]電子束熔化通常涉及利用熱離子電子束槍來生成高能量大致線性的電子流，這些電子流用于加熱標(biāo)靶材料。熱離子電子束槍通過向絲極供送電流進行操作，從而加熱絲極至高溫，并使電子“沸騰”脫離絲極。從絲極生成的電子然后被聚焦，并以非常窄的大致線性的電子束的形式朝標(biāo)靶加速。一種離子等離子電子束槍也已用于制備合金熔體。具體說，在V.A.Chernov 的“Powerful High-Voltage Glow Discharge Electron Gun and Power Uniton Its Base” 1994 年 Electron Beam Melting 的國際會議(Reno, Nevada),第 259-267 頁中描述的“輝光放電”電子束槍，已被并入可從烏克蘭基輔Antares獲得的某些熔化爐中。這種裝置通過生成包括陽離子的冷等離子進行操作，所述陽離子轟擊陰極并生成電子，所述電子被聚焦以形成大致線性的電子束。
[0007]通過前述類型的電子束槍生成的大致線性的電子束被引導(dǎo)到電子束熔煉爐的真空熔化室中，并入射到待熔化和/或保持在熔融狀態(tài)的材料上。電子穿過導(dǎo)電材料的傳導(dǎo)將它們快速地加熱至超過特定熔點的溫度。鑒于大致線性的電子束的高能量，其可以是例如約lOOkW/cm2，線性電子束槍是非常高溫的熱源，并且能夠輕松地超過大致線性的射束入射到其上的材料的熔點，在一些情況下，超過汽化溫度。使用磁氣偏轉(zhuǎn)或者類似的方向性器件，大致線性的電子束以高頻率掃描橫跨熔化室內(nèi)的標(biāo)靶材料，使被引導(dǎo)的射束橫跨寬的區(qū)域并且橫跨具有多個和復(fù)雜形狀的標(biāo)靶。
[0008]因為電子束熔化是表面加熱方法，它通常只生成淺的熔池，其就限制鑄錠中的縮松和偏析而言是有利的。因為由電子束生成的過熱金屬池處于爐子熔化室的高真空環(huán)境內(nèi)，所以該技術(shù)也有益地趨向于對熔融材料除氣。此外，合金內(nèi)具有比較高的蒸汽壓的不想要的金屬和非金屬組分可以選擇性地在熔化室中蒸發(fā)掉，從而改進合金純度。另一方面，則必須考慮到由高聚焦的大致線性的電子束造成的想要組分的蒸發(fā)。不想要的蒸發(fā)必須被納入生產(chǎn)的考慮中，并且可能在使用電子束熔煉爐時顯著地復(fù)雜化合金生產(chǎn)。
[0009]各種熔化和精煉方法涉及使用熱離子電子槍對供給坯料進行電子束熔化。吹灰熔煉是一種在熱離子電子束槍熔化爐中使用的用于處理例如鉭和鈮等耐火金屬的經(jīng)典方法。呈棒材形式的原料通常被供給到爐室中，并且聚焦在棒材上的線性電子束將材料直接滴熔進靜態(tài)或者拉拔模具(withdrawal mold)中。當(dāng)在拉拔模具中鑄造時,通過抽拔鑄錠底部，在生長的鑄錠的頂部上維持液池水平。所供給的材料作為上述除氣和選擇性蒸發(fā)現(xiàn)象的結(jié)果得到精煉。
[0010]電子束冷爐膛熔化技術(shù)常用于處理和回收活性金屬和合金。通過向給料棒材的一端上入射大致線性的電子束來滴落式熔化給料。熔化的給料滴落到水冷銅質(zhì)爐膛的端部區(qū)域中，形成保護性凝殼。隨著熔融材料會集在爐膛中，它發(fā)生外溢并通過重力掉落到拉拔模具或者其它鑄造裝置中。在熔融材料在爐膛內(nèi)的滯留時間期間，大致線性的電子束被快速地掃描橫跨材料的表面，使它保持熔融形態(tài)。這通過蒸發(fā)掉高蒸汽壓成分，還還具有對熔融材料進行除氣和精煉的效果。爐膛還可以將尺寸做成促進高密度與低密度固體夾雜物之間的重力分離，這時氧化物和其它較低密度的夾雜物殘留在熔融金屬中達到足以允許溶解的時間，而高密度顆粒沉入底部并滯留在凝殼中。
[0011]鑒于常規(guī)電子束熔化技術(shù)的各種好處，對該技術(shù)做進一步改進是有利的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]根據(jù)本公開的一個非限制性方面，描述了一種用于熔化導(dǎo)電金屬材料的設(shè)備。該設(shè)備包括真空室、設(shè)置在真空室中的爐膛和至少一個離子等離子電子發(fā)射器，所述至少一個離子等離子電子發(fā)射器設(shè)置成位于所述真空室中或者鄰近所述真空室，并且定位成向真空室中引導(dǎo)具有第一截面積的第一電子場。第一電子場具有足夠的能量，以將導(dǎo)電金屬材料加熱至其熔點。所述設(shè)備進一步包括定位成從爐膛接收導(dǎo)電金屬材料的模具和霧化設(shè)備中的至少一者，以及設(shè)置成位于真空室中或者鄰近真空室并且定位成向真空室中引導(dǎo)具有第二截面積的第二電子場的輔助離子等離子電子發(fā)射器。第二電子場具有足夠的能量，以實現(xiàn)以下情況中的至少一者:將導(dǎo)電金屬材料的部分加熱至至少其熔點，熔化導(dǎo)電金屬材料內(nèi)的任何固體冷凝物，以及向正形成的鑄錠的區(qū)域提供熱量。所述第一電子場的第一截面積不同于所述第二電子場的第二截面積。由輔助離子等離子電子發(fā)射器發(fā)射的第二電子場是可導(dǎo)向的。
[0013]根據(jù)本公開的另一非限制性方面，描述了一種用于熔化導(dǎo)電金屬材料的設(shè)備。該設(shè)備包括真空室、設(shè)置在真空室中的爐膛和構(gòu)造成熔化導(dǎo)電金屬材料的熔化裝置。所述設(shè)備進一步包括定位成從爐膛接收熔融導(dǎo)電金屬材料的模具和霧化設(shè)備中的至少一者，以及設(shè)置成位于真空室中或者鄰近真空室并且定位成向真空室中引導(dǎo)具有截面積的聚焦電子場的輔助離子等離子電子發(fā)射器。聚焦電子場具有足夠的能量，以實現(xiàn)以下情況中的至少一者:熔化導(dǎo)電金屬材料的部分，熔化導(dǎo)電金屬材料內(nèi)的固體冷凝物，以及加熱正凝固鑄錠的區(qū)域。聚焦電子場是可導(dǎo)向的，以朝導(dǎo)電金屬材料的部分、固體冷凝物和正凝固的鑄錠中的至少一者引導(dǎo)聚焦電子場。
[0014]根據(jù)本公開的又一非限制性方面，描述了一種用于熔化導(dǎo)電金屬材料的設(shè)備。該設(shè)備包括輔助離子等離子電子發(fā)射器，其構(gòu)造成生成包括具有第一形狀的截面輪廓的聚焦電子場。該設(shè)備進一步包括導(dǎo)向系統(tǒng)，其構(gòu)造成引導(dǎo)所述聚焦電子場，以將所述聚焦電子場入射到所述導(dǎo)電金屬材料的至少一部分上，以實現(xiàn)以下情況中的至少一者:熔化所述導(dǎo)電金屬材料的任何凝固部分，熔化所述導(dǎo)電金屬材料內(nèi)的任何固體冷凝物，以及向正形成的鑄錠的區(qū)域提供熱量。
[0015]根據(jù)本公開的再一方面，提供了一種處理材料的方法。該方法包括:向相對于大氣壓維持在低壓的爐室中引入包括金屬和金屬合金中的至少一者的材料，以及使用至少第一離子等離子電子發(fā)射器生成具有第一截面積的第一電子場。該方法進一步包括:使?fàn)t室內(nèi)的材料受到第一電子場的作用以加熱所述材料至高于所述材料的熔點的溫度，以及使用第二離子等離子電子發(fā)射器生成具有第二截面積的第二電子場。該方法進一步包括使用導(dǎo)向系統(tǒng)來使所述材料內(nèi)的任何固體冷凝物、所述材料的任何凝固部分和正凝固鑄錠的區(qū)域中的至少一者受到第二電子場的作用，以熔化或者加熱所述固體冷凝物、所述凝固部分和所述正凝固鑄錠的區(qū)域中的至少一者。所述第一電子場的第一截面積不同于所述第二電子場的第二截面積。
[0016]根據(jù)本公開的再一方面，提供了一種處理材料的方法。該方法包括:向相對于大氣壓維持在低壓的爐室中引入包括金屬和金屬合金中的至少一者的材料，以及使所述爐室內(nèi)的材料受到構(gòu)造成將所述材料加熱至高于所述材料的熔點的溫度的熔化裝置的作用。所述方法進一步可以包括:使用輔助離子等離子電子發(fā)射器生成聚焦電子場，并使用導(dǎo)向系統(tǒng)來使所述材料內(nèi)的任何固體冷凝物、所述材料的任何凝固部分和正凝固鑄錠的區(qū)域中的至少一者受到所述聚焦電子場的作用，以熔化或者加熱所述固體冷凝物、所述凝固部分和所述正凝固鑄錠的區(qū)域中的至少一者。
[0017]根據(jù)本公開的又一方面，提供了一種處理材料的方法。所述方法包括:使用輔助離子等離子電子發(fā)射器生成包括具有第一形狀的截面輪廓的聚焦電子場，并對所述聚焦電子場進行導(dǎo)向以使所述聚焦電子場入射到所述材料上，并熔化或者加熱所述材料內(nèi)的任何固體冷凝物、所述材料的任何凝固部分和正凝固鑄錠的區(qū)域中的至少一者。
[0018]根據(jù)本公開的再一方面，提供了一種生成用于使熔化爐內(nèi)的導(dǎo)電材料熔化的電子場的方法。該方法包括:設(shè)置具有第一非線性形狀的陽極，向陽極施加電壓，以及在陽極處生成包含正陽離子的等離子。所述方法進一步包括:設(shè)置具有第二形狀的陰極，相對于所述陽極定位所述陰極，以及向所述陰極施加電壓。該電壓構(gòu)造成對所述陰極充負電。所述方法進一步包括:使正陽離子朝所述陰極加速以生成自由的二次電子，以及使用自由的二次電子形成電子場。所述電子場具有呈第三形狀的截面輪廓。所述第三形狀對應(yīng)于陽極的第一非線性形狀。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]可以通過參考附圖來更好地理解本文所述方法和設(shè)備的特征和優(yōu)點，附圖中:
[0020]圖1是一常規(guī)熱離子電子束槍熔化爐的實施例的截面示意圖；
[0021]圖2是絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的實施例的某些部件的簡化視圖；
[0022]圖3是本公開的包括多個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的電子束冷爐膛熔化爐的一個非限制性實施例的截面示意圖；
[0023]圖4是絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的一個非限制性實施例的示意圖；
[0024]圖5是包括作為電子源的絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的電子束熔煉爐的本公開的一個非限制性實施例的示意圖；
[0025]圖6是可以適配成在本公開的電子束熔煉爐中使用的絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的一個非限制性實施例的部分剖切的透視圖；
[0026]圖7是示出圖6所示絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的操作的圖；
[0027]圖8是本公開的電子束冷爐膛熔化爐的一個實施例的截面示意圖；
[0028]圖9是本公開的包括多個離子等離子電子發(fā)射器和輔助離子等離子電子發(fā)射器的電子束冷爐膛熔化爐的一個非限制性實施例的截面示意圖；
[0029]圖10是本公開的包括輔助離子等離子電子發(fā)射器的電子束冷爐膛熔化爐的一個非限制性實施例的截面示意圖；
[0030]圖11是本公開的用于輔助離子等離子電子發(fā)射器的導(dǎo)向系統(tǒng)的一個非限制性實施例的示意圖；
[0031]圖12是本公開的用于輔助離子等離子電子發(fā)射器的導(dǎo)向系統(tǒng)的一個非限制性實施例的從頂部透視的示意圖；
[0032]圖13是本公開的輔助離子等離子電子發(fā)射器的一個非限制性實施例的俯視示意圖；
[0033]圖14是本公開的輔助離子等離子電子發(fā)射器的一個非限制性實施例的另一俯視示意圖；而
[0034]圖15是本公開的輔助離子等離子電子發(fā)射器的一個非限制性實施例的再一俯視示意圖。
[0035]讀者在考慮本公開的設(shè)備和方法的某些非限制性實施例的以下詳細描述后將理解上述詳情以及其它方面。讀者還能在實施或者使用本文所述設(shè)備和方法后領(lǐng)會某些這種附加詳情。

【具體實施方式】
[0036]在對非限制性實施例的描述中，除在操作示例中或者另有說明外，表示成分和產(chǎn)品的數(shù)量或特性的所有數(shù)字以及加工條件等均應(yīng)理解為在所有情況下均被術(shù)語“約”修正過。因此，除非有相反說明，在以下描述中給出的任意數(shù)字參數(shù)均為近似值，該近似值可以根據(jù)某人尋求在本公開的設(shè)備和方法中獲得的期望性能發(fā)生變化。至少來說，并非為了試圖限制相當(dāng)于權(quán)利要求的范圍的教義的應(yīng)用，每個這種數(shù)字參數(shù)均應(yīng)至少根據(jù)報告過的有效數(shù)字的數(shù)字并通過應(yīng)用常規(guī)舍入技術(shù)來解釋。
[0037]整體地或者部分地被敘述為通過引用并入本文的任何專利、出版物或者其它公開材料，只被并入達到使所并入的材料不與本公開中給出的現(xiàn)有定義、陳述或者其它公開材料發(fā)生沖突的程度。如此一來，并且達到必要的程度，如本文所給出的公開將取代通過引用并入本文的任何沖突材料。被敘述為通過引用并入本文但是與本文給出的現(xiàn)有定義、陳述或者其它公開材料有沖突的任何材料或其部分，只被并入達到在所并入的材料與現(xiàn)有公開材料之間不發(fā)生沖突的程度。
[0038]本公開部分地涉及一種改善的設(shè)計，用于熔化金屬和金屬合金的電子束爐和/或用于將材料維持在熔融狀態(tài)以便于制備金屬鑄件或者粉末。常規(guī)熱離子電子束槍熔化爐在圖1中示意性地示出。爐I1包括被室壁115圍繞的真空室114。多個熱離子電子束槍116定位在室114外并鄰近室114，并且引導(dǎo)離散的線性電子束118進入室114中。呈金屬棒材120和合金粉末122形式的供給材料分別被常規(guī)棒材供給器119和常規(guī)顆?；蛘呒毩９┙o器117引入室114中。電子束槍116之一的線性電子束118入射到棒材120的端部上并熔化棒材120的端部，所得熔融合金124掉落到室114內(nèi)的水冷銅精煉爐膛126( “冷爐膛”)中。熱離子電子束槍116屬于常規(guī)設(shè)計，并通過加熱適當(dāng)?shù)慕z極材料生成電子。槍116將生成的電子聚焦到一點，并且電子以緊緊聚焦的大致線性的射束形式從槍116射出。因此，從槍116射出的電子基本作為點源入射到標(biāo)靶。電子點源對標(biāo)靶的加熱通過線性電子束118橫跨對象的至少一部分進行掃描而得到促進，類似于電子橫跨陰極射線電視管的熒光屏進行掃描的方式。例如，橫跨棒材120的端部區(qū)域掃描熱離子電子束槍116的大致線性的電子束118，熔化棒材120。
[0039]進一步參考圖1，沉積在爐膛126中的熔融合金124通過橫跨熔融合金124的表面以預(yù)定和程式化的模式掃描某些大致線性的電子束118，而維持在熔融狀態(tài)。通過供給器117引入熔融合金124中的粉末或者微粒狀合金材料122被并入熔融材料中。熔融合金124橫跨爐膛126前進，并通過重力從爐膛降落到銅質(zhì)拉拔模具130中。拉拔模具130包括可平移基座134，以容納生長鑄錠132的長度。熔融合金124最初作為熔池131會集在拉拔模具130中，并逐漸凝固成鑄錠132。電子通過橫跨熔池的表面掃描大致線性的電子束118中的一個或多個而向熔池131上的入射，有利地將熔池131的區(qū)域，特別是池緣，維持在熔融狀態(tài)。
[0040]在利用一個或多個大致線性的電子束來加熱爐室中的材料的爐中，例如常規(guī)熱離子電子束槍熔化爐，包括揮發(fā)性元素(即，在爐子熔點處蒸汽壓比較高的元素)的合金趨于從熔池蒸發(fā)，并冷凝在爐室的比較冷的壁上。(在一般通過電子束熔化獲得的溫度下具有比較高的蒸汽壓的常見合金元素包括例如鋁和鉻。)大致線性電子束熔化技術(shù)特別有助于促進揮發(fā)，相對于精煉或者凈化，這在合金化處理時是常規(guī)電子束爐的一個顯著缺點，原因至少有兩個。第一，由于高揮發(fā)性元素從熔池的不可避免的損失，合金的整體和局部化學(xué)成分在熔化期間變得難以控制。第二，揮發(fā)元素的冷凝物隨著時間的流逝趨于積累在爐壁上，并且可能降落回到熔體中，由此，以夾雜物污染熔體，并導(dǎo)致熔體化學(xué)性質(zhì)的局部變化。
[0041]在不打算被任何特定理論約束的情況下，發(fā)明人認為常規(guī)電子束熔化爐的前述缺點是由于常規(guī)的大致線性的電子束對在電子束爐內(nèi)受到處理的材料的作用引起的。如以上參考圖1的描述所建議的，常規(guī)電子束冷爐膛熔化技術(shù)利用大致線性的電子束來熔化被引入爐中的原料，并且隨著熔融材料沿冷爐膛流動并且流過冷爐膛進入鑄造模具中，維持熔融材料溫度。這種爐子通常包括多個電子束源，其中每個源生成基本為點源的大致線性的電子束。強烈電子濃度的這些“點”必須迅速地掃描待加熱的區(qū)域，以便在整個標(biāo)靶區(qū)域中達到熔化材料并允許熔融材料充分流動所需的平均溫度。然而，由于線性電子束的點源性質(zhì)，電子束入射到合金上的點位被加熱至極高的溫度。這種局部強烈加熱的現(xiàn)象可以作為從電子束入射到爐內(nèi)的固態(tài)或者熔融合金上的特定點位發(fā)射的可見白色輻射被觀察到?？梢哉J為，出現(xiàn)在這些點位的強烈過熱效果，以及爐室中維持的高真空，容易使合金內(nèi)比較容易揮發(fā)的元素蒸發(fā)，導(dǎo)致?lián)]發(fā)性元素的過度蒸發(fā)以及在室壁上的伴隨冷凝。如上所述，這種冷凝導(dǎo)致使池污染的風(fēng)險，因為冷凝的材料降落回到熔融合金中，而這可能例如在鑄錠中引起顯著的成分不均勻。
[0042]本文所述的電子束熔化爐的改進設(shè)計利用一個或多個離子等離子電子發(fā)射器，例如絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器，來作為這種爐子中的電子源的至少一部分。雖然在本文中作為示例性離子等離子電子發(fā)射器公開的是絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器，但是應(yīng)該明白的是，本公開也可以使用其它適當(dāng)?shù)碾x子等離子電子發(fā)射器(例如，非絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器)，如以下將更詳細地論述的。如本文所使用的，術(shù)語“離子等離子電子發(fā)射器”和“絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器”是指通過向陰極上入射帶正電的離子來生成相對較寬的非線性電子場，從而從陰極釋放二次電子場的設(shè)備。由離子等離子電子發(fā)射器生成的電子束不是線性射束，而是三維場或者電子“潮”，其在入射到標(biāo)靶上時，覆蓋二維區(qū)域，該二維區(qū)域相對于被向標(biāo)靶上入射大致線性的電子束覆蓋的小點是非常大的。如此一來，由離子等離子電子發(fā)射器生成的電子場在本文被稱為“寬域”電子場，對照的是由電子束熔化爐中使用的常規(guī)電子槍生成的相對非常小的接觸點。絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器在本領(lǐng)域是已知的(用于不相關(guān)的應(yīng)用)并且有多種稱呼，例如，“金屬絲離子等離子(WIP，Wire 1n plasma)電子”槍或發(fā)射器，“WIP電子”槍或發(fā)射器，以及稍微有點迷惑的“線性電子束發(fā)射器”(涉及的是裝置的某些實施例內(nèi)的等離子生成用絲狀電極的線性性質(zhì))。
[0043]絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器能以多種不同設(shè)計獲得，但是所有這類發(fā)射器共享某些基本的設(shè)計屬性。每個這種發(fā)射器包括等離子或者電離區(qū)域，所述等離子或者電離區(qū)域包括呈細長絲狀陽極的形式以生成包括陽離子的等離子的正離子源，以及與金屬絲所生成的正離子分離并定位成攔截金屬絲所生成的正離子的陰極。大的負電壓被施加至陰極，使由金屬絲正離子源生成的等離子中的正離子的一部分朝陰極表面加速并與陰極表面碰撞，以使二次電子從陰極射出(“一次”電子與正離子一起存在于等離子內(nèi))。從陰極表面生成的二次電子形成非線性電子場，其通常具有影響陰極的正離子等離子的三維形狀。二次電子然后從陰極背面附近朝陽極加速，在穿越發(fā)射器內(nèi)的低壓氣體的過程中經(jīng)受幾次碰撞。通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計和配置絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的各個部件，高能二次電子的寬場能夠在陰極處形成，并從發(fā)射器加速并趨向標(biāo)靶。圖2是絲狀放電等離子離子電子發(fā)射器的部件的簡化視圖，其中電流被施加至細絲狀陽極12以生成等離子14。等離子14內(nèi)的正離子16朝帶負電的陰極18加速并與帶負電的陰極18碰撞，釋放出寬域二次電子云20，其通過電極之間的電場的作用，沿陽極12的方向加速，并趨向標(biāo)靶。
[0044]根據(jù)本公開的一個非限制性實施例，呈電子束熔化爐形式的用于熔化導(dǎo)電金屬材料的設(shè)備包括真空室(熔化室)和設(shè)置在真空室中并適配成保持熔融材料的爐膛。至少一個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器被設(shè)置成處于真空室中或者鄰近真空室，并且定位成引導(dǎo)由發(fā)射器生成的非線性的寬域電子場進入室中。絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器生成非線性電子場，具有足夠的能量以將導(dǎo)電金屬材料加熱至其熔點。模具或者其它鑄造或霧化(atomizing)裝置被設(shè)置成與室連通，并定位且適配成從爐膛接收材料。該爐子可以用于熔化能夠使用常規(guī)電子束熔化爐熔化的任何材料，例如，鈦、鈦合金、鎢、鈮、鉭、鉬、鈀、鋯、銥、鎳、鎳基合金、鐵、鐵基合金、鈷和鈷基合金等。
[0045]根據(jù)本公開的電子束熔化爐的實施例可以包括適配成向真空室中引入導(dǎo)電材料或者其它合金化添加劑的一個或多個材料供給器。優(yōu)選地，供給器將材料引入真空室中處在高于爐膛的至少一個區(qū)域或者位于所述至少一個區(qū)域之上的一個位置，以使重力允許呈固態(tài)或者熔融態(tài)的材料向下掉落并進入爐膛中。供給器類型可以包括例如棒材供給器和線材供給器，并且所選擇的供給器類型將取決于爐子的特定設(shè)計要求。在本公開的爐子的某些實施例中，爐子的一個或多個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器中的至少一個和材料供給器被設(shè)置成使得由絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器發(fā)射的電子場至少部分地入射到被供給器引入室中的材料上。如果被供給器引入真空室中的材料是導(dǎo)電的，則電子場，如果具有足夠強度，將加熱和熔化材料。
[0046]并入本公開的熔化爐的實施例中的爐膛可以從本領(lǐng)域已知的各種爐膛類型中選擇。例如，爐子可以通過在真空室中并入冷爐膛，或者更具體地說例如水冷銅質(zhì)冷爐膛，而呈電子束冷爐膛熔化爐的性質(zhì)。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的，冷爐膛包括使?fàn)t膛內(nèi)的熔融材料冷凝至爐膛表面并在其上形成保護層的冷卻器件。作為另一示例，爐膛可以“自生”爐膛，它是鍍有在爐子中熔化的合金或者由在爐子中熔化的合金制成的爐膛，這時爐膛的底面也可以被水冷以防止燒穿。
[0047]包括在真空室中的特定爐膛可以包括熔融材料保持區(qū)域，其中熔融材料停留一定的滯留時間，然后去往與真空室流體連通的鑄造或者霧化裝置。在本公開的爐子的某些實施例中，爐膛和爐子的一個或多個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器中的至少一個被設(shè)置成使得由絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器發(fā)射的電子場至少部分地入射到熔融材料保持區(qū)域上。這樣，電子場可以被施加，以將熔融材料保持區(qū)域內(nèi)的材料維持在熔融狀態(tài)，并且電子場的加熱作用也可以用于對熔融材料進行除氣和精煉。
[0048]本公開的爐子的某些非限制性實施例包括用于鑄造熔融材料的模具。該模具可以是本領(lǐng)域已知的任意適當(dāng)?shù)哪＞?，例如靜態(tài)模具、拉拔模具或者連續(xù)鑄造模具。替代地，爐子可以包括用于從熔融材料生成例如粉末材料的霧化設(shè)備，或者與所述霧化設(shè)備相關(guān)聯(lián)。
[0049]本公開的電子束熔化爐的一個特定非限制性實施例包括真空室和設(shè)置在真空室中的爐膛，其中所述爐膛包括熔融材料保持區(qū)域。爐子進一步包括設(shè)置成處于真空室中或者鄰近真空室的一個或多個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器。爐膛和所述至少一個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器被設(shè)置成使得由發(fā)射器生成的電子場至少部分地入射到熔融材料保持區(qū)域上。拉拔模具與真空室連通，并且定位成從爐膛接收熔融材料。至少一個供給器被包括在爐子中，并且被適配成將材料引入真空室中位于爐膛的至少一個區(qū)域之上的一個位置。
[0050]關(guān)于本公開的設(shè)備，可以使用任意適當(dāng)?shù)慕z狀放電離子等離子電子發(fā)射器。絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的適當(dāng)實施例在例如美國專利N0.4，025，818 ；N0.4，642，522 ；N0.4，694，222 ；N0.4，755，722和N0.4，786，844中公開，它們的全部內(nèi)容通過引用并入本文。適當(dāng)?shù)陌l(fā)射器包括能夠生成非線性寬域電子場的發(fā)射器，所述非線性寬域電子場能夠被引導(dǎo)進入爐子的真空室中，并且將置入爐室中的導(dǎo)電供給材料加熱至期望的溫度。
[0051]在絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的一個實施例中，發(fā)射器包括等離子區(qū)域和陰極區(qū)域。等離子區(qū)域包括至少一個細長絲狀陽極，所述至少一個細長絲狀陽極被適配成生成包括正離子的等離子。陰極區(qū)域包括陰極，所述陰極電氣地連接至被適配成對陰極充負電的高電壓電源。在絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器中，用于生成等離子的電極可以是沿等離子區(qū)域的長度定位的一個金屬絲或者多個金屬絲。被正離子沖擊的陰極的至少一部分由適合于生成電子的材料構(gòu)成。設(shè)置于發(fā)射器的陰極區(qū)域中的陰極的某些非限制性實施例還可以包括插入物，例如具有高熔點和低功函數(shù)以促進電子生成的鑰插入物等。陰極和陽極相對于彼此定位成使得由絲狀陽極生成的等離子中的正離子在電極之間的電場的影響下朝陰極加速并入射到陰極上，以從陰極釋放出寬域二次電子場。
[0052]絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的某些非限制性實施例包括至少一個適當(dāng)?shù)碾娮油干浯翱冢绱┻^爐子真空室的壁開設(shè)的細電子透射鈦或鋁箔。可以構(gòu)成電子透射窗口的替代材料包括例如BN、金剛石和由低原子序數(shù)元素構(gòu)成的某些其它材料。如本文論述的，絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的另一些實施例不包括電子透射窗口，這時發(fā)射器的等離子區(qū)域與保持熔融材料的真空室流體連通。在任一情況下，所得寬域電子場進入爐室，并且能夠入射到室內(nèi)的材料上。如果電子透射窗口使電子發(fā)射器的內(nèi)部與真空室分離(如本文進一步論述的)，則電子場穿過窗口，正如它從電子發(fā)射器射出進入真空室中一樣。在絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的某些非限制性實施例中，電氣地耦合至陰極的高電壓電源對陰極供電至大于20，000伏特的負電壓。負電壓起到使等離子中的正離子朝陰極加速的功能，然后從陰極并且朝陽極排斥二次電子場。
[0053]如果絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器內(nèi)的壓力與爐室內(nèi)的壓力有顯著不同，則電子透射窗口是必需的，這時箔窗口用于隔離兩個不同壓力的相鄰區(qū)域。絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器相對于例如熱離子電子束槍等不含氣體的電子發(fā)射器的優(yōu)點是:絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器必須在等離子區(qū)域內(nèi)包括氣體以用作等離子源。雖然絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器可以在極低的氣壓下操作，但是這種裝置也可以在比較高的氣壓下有效地操作。相比之下，常規(guī)電子束熔化爐一般在超低真空狀態(tài)進行操作，這時電子透射窗口將是必需的，以使絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器內(nèi)的氣體氛圍與附近的爐室內(nèi)真空環(huán)境分離。然而，看起來爐室內(nèi)的揮發(fā)性元素蒸發(fā)可以通過使?fàn)t室內(nèi)的氣壓增大超過常規(guī)線性(熱離子發(fā)射器)電子束熔化爐的超低水平而得到降低。這些常規(guī)壓力水平通常處于10_3到7.5 μ (10_3到IPa)，并且不超過15 μ (2Pa)。使?fàn)t室內(nèi)的壓力增大超過常規(guī)水平，即，至超過40μ (5.3Pa)的壓力，或者更優(yōu)選超過300 μ (40Pa)，會增大爐子內(nèi)熔融材料的表面處的壓力，從而降低不想要的汽化的驅(qū)動力。例如，在H.Duval等人的“Theoretical andExperimental Approach of the Volatilizat1n in Vacuum Metallurgy，，中提出的數(shù)據(jù)表明，相對于4.27Pa(35mTorr)気氣,在66.7Pa(500mTorr) IS氣下,鉻蒸汽輸送顯著減少。因為絲狀放電等離子離子電子發(fā)射器已經(jīng)需要部分氣壓環(huán)境(通常是氦氣)來得到操作，發(fā)明人認為絲狀放電等離子離子電子發(fā)射器和爐室兩者能夠以大致相同的壓力進行操作，其中壓力是充分高的，以允許電子發(fā)射器操作并且高于常規(guī)電子束爐中的，從而降低爐室內(nèi)的不想要的揮發(fā)。在這種情況下，電子透射窗口可以被省略，使得發(fā)射器和爐室內(nèi)的氣體環(huán)境是大致相同的。替代地，在絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的另一實施例中，由發(fā)射器生成的電子穿過對電子是可穿透的不透氣窗口，其中發(fā)射器內(nèi)的可離子化氣體的壓力適合于電子發(fā)射器操作，并且爐室在大于電子束爐中的常規(guī)壓力的壓力下得到操作，并且適合于最小化或者降低不想要的揮發(fā)。應(yīng)該明白的是，不想要的基本汽化的降低將通過利用一個或多個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器(其不生成強烈加熱點)以及大于電子束爐中的常規(guī)壓力的爐室壓力兩者，得到最佳化。
[0054]以下給出對電子束熔化爐的可能實施例以及相對于本公開的爐子有用的絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的可能實施例的進一步討論。
[0055]圖3示意性地示出了本公開的改進電子束熔化爐的一個可能的非限制性實施例。爐子210包括至少部分地由室壁215限定出的真空室214。絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器216定位在室214外并且鄰近室214。絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器216向室214的內(nèi)部中射出寬域電子場218。類似于圖1所示的常規(guī)爐子110，合金棒材220被棒材供給器219引入室214中。通過將至少一個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器216的寬域電子場218入射到棒材220上，生成熔融合金226。從棒材220熔化出的熔融合金226降落到水冷銅質(zhì)爐膛224中，并在爐膛224中停留一定滯留時間，這里它通過由發(fā)射器216生成的寬域電子場218中的一個或多個得到加熱、除氣和精煉。熔融合金226最終從爐膛224降落到銅質(zhì)模具230中，并形成熔池231。熔池231最終且逐漸地凝固在模具230中以形成鑄錠232。寬域電子場218中的至少一個優(yōu)選以有利于控制所形成鑄錠232的凝固速率的方式加熱池231內(nèi)的熔融合金。
[0056]如上所述，爐子210的絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器216設(shè)計成生成高能電子的場或“潮”，相對于由常規(guī)電子束爐中使用的電子束槍生成的大致線性的射束的點狀覆蓋，覆蓋寬區(qū)域。電子場發(fā)射器216將電子擴散到寬區(qū)域上，并且入射到爐子210內(nèi)待熔化的和/或維持在熔融狀態(tài)的材料上。因為它生成的電子場將覆蓋爐室內(nèi)的寬區(qū)域，絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器將相對于常規(guī)電子束爐在電子束熔化爐內(nèi)維持更均勻的溫度，并且消除掃描高度聚焦的電子點位的必要。然而，本公開的電子束爐的某些實施例可以包括生成電場的部件或者按照需要對一個或多個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器生成的電子場進行導(dǎo)向的其它適當(dāng)部件。例如，在爐子210中，可以希望的是從一側(cè)到另一側(cè)掃描由絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器216生成的廣闊場，以實現(xiàn)對爐膛224的邊緣的額外加熱。通過以高能電子場掃射比較寬的區(qū)域，而不是橫跨該區(qū)域掃描電子點源，會顯著地降低與使用常規(guī)電子束熔化爐時出現(xiàn)的大致線性的電子束相關(guān)聯(lián)的局部強烈加熱效果(例如，能量每單位面積)。這消除了或者至少顯著地降低了相對容易揮發(fā)的合金元素的不希望地蒸發(fā)的程度，因為沒有生成相對極高的溫度點。這進而部分地或者全部地消除了常規(guī)電子束爐設(shè)計中固有的成分控制和污染問題。
[0057]如以上指出的，絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的各種實施例通常包括生成正離子等離子的一個或多個細長絲狀陽極，其中等離子入射到陰極上以生成二次電子的場，所述二次電子能夠被加速以入射到待加熱的標(biāo)靶上。先前使用在其它不相關(guān)的應(yīng)用中的絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的一個已知設(shè)計的示意圖在圖4中示出。該發(fā)射器310包括在其中生成正離子等離子的電離或者等離子區(qū)域314，和包括陰極318的陰極區(qū)域316。等離子區(qū)域314填充有處于低壓的可離子化氣體，所述氣體在等離子區(qū)域中電離，以生成含陽離子的等離子。例如，電離區(qū)域314可以填充有例如處于大致20mTorr的氦氣。小直徑細長絲狀陽極319穿過等離子區(qū)域314的長度。正電壓通過電源322施加至絲狀陽極319，這引發(fā)氦氣電離成包括氦陽離子和自由電子(“一次”電子)的等離子。一旦氦氣的電離被引發(fā)后，等離子通過向細絲狀陽極319施加電壓而得到保持。等離子內(nèi)的帶正電的氦離子通過維持在高負電位的取出柵326從電離室314中取出，并通過高電壓間隙加速進入陰極區(qū)域316中，其中等離子中的陽離子沖擊高負電壓陰極318。陰極318可以是例如有涂層或者沒有涂層的金屬或者合金。氦離子對陰極318的沖擊從陰極318釋放出二次電子。高電壓間隙328沿與氦陽離子的運動方向相反的方向加速二次電子，穿過取出柵326并進入等離子區(qū)域314中，然后穿過由對電子穿透性較高的材料制成的薄金屬箔窗口 329。如以上指出的，取決于電子發(fā)射器和爐室內(nèi)的相對氣壓，可以省略箔窗口 329,這時由發(fā)射器生成的電子將直接進入爐室。
[0058]絲狀電極319和陰極318可以設(shè)計并配置成更好地促進帶正電的氦離子向陰極318的移動。此外，陰極318和取出柵326可以設(shè)計并配置成使穿過柵326的二次電子透射最大化，并具有適合于穿透箔窗口 329 (如果存在的話)的射束輪廓。離開發(fā)射器310的高能電子寬域場可以被引導(dǎo)成入射到定位在箔窗口 329的相反側(cè)并且位于熔化爐的真空室內(nèi)的標(biāo)靶上。此外，窗口 329的尺寸可以做成盡可能薄，以使從發(fā)射器310的電子透射最大化。如有必要，厚度允許足夠的電子透射同時還在發(fā)射器310內(nèi)維持低真空環(huán)境的鋁型或者鈦型箔，可以用作箔窗口 329。可以用作設(shè)備中的窗口(如果存在的話)的其它強度適當(dāng)并且電子透射率可接受的材料對本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是已知的。如本文大體論述的，如果發(fā)射器310的內(nèi)部與包含標(biāo)靶的真空室之間的壓力差不明顯，則可以省略窗口 329。
[0059]根據(jù)本公開，一個或多個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器，例如發(fā)射器310，可以設(shè)置成向電子束熔化爐的真空室中供給高能電子，替代生成大致線性的電子束的電子束槍。如圖5所示，本公開的電子束熔化爐330的一個非限制性實施例包括定位成鄰近真空室311的一個或多個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器310。寬域電子場332穿過膜窗口329離開發(fā)射器310，并涌向爐膛336中的熔融合金334的表面的至少一個區(qū)域，從而加熱合金以將它維持在熔融狀態(tài)。因為入射到爐膛336中的合金上的電子橫跨比較寬的區(qū)域擴散，所以在任何特定局部區(qū)域中聚焦在熔融材料上的能量不足以從合金引起有問題程度的元素揮發(fā)，從而降低或者消除在常規(guī)電子束熔化爐的使用中固有的合金污染和不均質(zhì)性問題。如以上指出的，如果發(fā)射器310與真空室311之間的操作壓力差不明顯，則可以省略膜窗口 329。此外，如以上指出的，真空室311優(yōu)選以高于常規(guī)壓力的壓力進行操作，以進一步降低或者消除不想要的基本汽化，而這時對于將電子發(fā)射器與爐室分隔的膜窗口的需求將再次取決于設(shè)計中固有的特定壓力差?？蛇x地，用于對寬域電子場進行磁性導(dǎo)向的部件340被設(shè)置成允許進一步對真空室311內(nèi)的熔化過程進行改進的控制。
[0060]雖然圖5提供的是本公開的絲狀放電離子等離子電子熔化爐的包括有單個電子發(fā)射器的一個實施例的簡化視圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是這種設(shè)備的實際或者替代實施例可以具有多個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器。還應(yīng)清楚的是，一個或多個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器可以被并入這種設(shè)備中以:(1)熔化被引入爐子中的呈例如合金棒材或者線材形式的原料；(2)將停留在爐膛中的熔融合金維持在高于合金熔點的溫度(并且可能對熔融合金進行除氣和/或精煉)；和(3)將逐漸前進的鑄錠的表面上的熔池的期望區(qū)域維持在熔融狀態(tài)，從而以期望方式影響鑄錠凝固速率。此外，在某些實施例中，一個或多個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器可以與生成常規(guī)大致線性的電子束的一個或多個電子束槍一起使用。
[0061]圖6和7提供了與可以適于在本公開的電子束熔化爐的一個實施例中用作高能電子源的絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器510的一個可能非限制性實施例有關(guān)的額外詳情。圖6是絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器實施例510的部分剖切的透視圖。圖7是以簡化方法不出了發(fā)射器510的操作的不意圖。發(fā)射器510包括電氣地接地的殼體513,所述殼體513包括陰極區(qū)域511，電離或者等離子區(qū)域514，以及電子透射性箔窗口 515。細長絲狀電極516延伸穿過電離區(qū)域514的長度。箔窗口 515電氣地耦合至室513，從而形成陽極，該陽極進行操作以使室513內(nèi)的電子加速穿過其中，從而以箭頭“A”所示的一般方向離開室513。室513填充有處于例如1-1OmTorr的低壓的氦氣，并且以氣源517供氣。氣源517通過穿過閥521的管道519連接至殼體513。通過泵523在室513中維持低真空環(huán)境，所述泵523通過管道524連接至室513。
[0062]陰極區(qū)域511包括陰極518，陰極518進而包括安裝在其下表面上的插入物520。插入物520可以由例如鑰構(gòu)成，但是也可以由具有適當(dāng)高的二次電子發(fā)射系數(shù)的任何材料構(gòu)成。陰極518與殼體513的壁適當(dāng)?shù)鼐鶆虻亻g隔開，以防止Paschen崩潰。陰極518通過電纜525耦合至高電壓電源522，所述電纜525穿過絕緣體526并進入電阻器528中。電源522向陰極518供給高的負電位，例如200-300KV。陰極518和插入物520可以被例如穿過管道527循環(huán)的油或者其它適當(dāng)?shù)睦鋮s流體適當(dāng)?shù)乩鋮s。
[0063]電離區(qū)域514包括電氣地并且機械地稱合的多個薄金屬肋條530。每個肋條530包括中心切口區(qū)域，以允許絲狀電極516穿過電離室514。肋條530的面對陰極518的側(cè)部形成取出柵534。全部或者一部分肋條530的相反側(cè)為電子透射箔窗口 515提供支承柵536?？梢栽O(shè)置冷卻通道540來穿過肋條530并在肋條530附近循環(huán)冷卻流體，以允許熱從電離區(qū)域514排出。電子透射箔窗口 515，其可以由例如鋁或鈦箔構(gòu)成，被支承在柵536上，并且被O形圈或者足以在殼體513內(nèi)維持高真空氦氣環(huán)境的其它結(jié)構(gòu)密封至殼體513。在發(fā)射器510的某些實施例中，設(shè)置氣體歧管來冷卻箔窗口 515，例如以加壓氮氣。如本文大體論述的，如果發(fā)射器510的室513的內(nèi)部與包含電子場的標(biāo)靶的室之間的壓力差不明顯，則窗口 515可以省略。
[0064]電氣控制裝置548經(jīng)由連接器549連接至絲狀電極516。在控制裝置548的激活時，絲狀電極516被通電至高的正電位，并且電離區(qū)域514內(nèi)的氦氣被電離以生成包括氦陽離子的等離子。一旦等離子在電離區(qū)域514中被引發(fā)后，陰極518被電源522供電。電離區(qū)域514中的氦陽離子被從陰極518延伸到等離子區(qū)域514中的電場電氣地吸引至陰極518。氦陽離子沿場線行進，穿過取出柵534，并進入陰極區(qū)域511中。在陰極區(qū)域511中，氦陽離子加速橫跨由通電陰極518生成的電場的整個電位，并且作為陽離子的平行射束有力地入射到陰極518上。沖擊的陽離子從插入物520中釋放出二次電子。由插入物520生成的二次電子場沿與氦陽離子的行進方向相反的方向加速，趨向絲狀電極516，并穿過箔窗口 515 (如果存在的話)。
[0065]可以設(shè)置器件來監(jiān)視室513內(nèi)的實際氣壓，因為壓力的變化能夠影響氦離子等離子的密度，進而影響在陰極518處生成的二次電子場的密度?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)的閥521在殼體513內(nèi)設(shè)定初始壓力。一旦在等離子區(qū)域514中引發(fā)含陽離子的等離子后，可以設(shè)置電壓監(jiān)視器550來間接地監(jiān)視室513內(nèi)的即時靜態(tài)壓力。電壓的上升表明較低的室壓力。電壓監(jiān)視器550的輸出信號用于通過閥控制器552控制閥521。通過控制裝置548供給至絲狀電極516的電流也受控于電壓監(jiān)視器550的信號。利用由電壓監(jiān)視器550生成的信號來控制氣源閥521和控制裝置548，能允許來自發(fā)射器510的穩(wěn)定電子場輸出。
[0066]由發(fā)射器510生成的電流可以通過沖擊陰極518的陽離子的密度確定。沖擊陰極518的陽離子的密度可以通過經(jīng)由控制裝置548調(diào)節(jié)絲狀電極516上的電壓來控制。從陰極518射出的電子的能量可以通過經(jīng)由電源522調(diào)節(jié)陰極518上的電壓來控制。發(fā)射出的電子的電流和能量兩者可以被獨立地控制，并且這些參數(shù)與外加電壓之間的關(guān)系是線性的，使發(fā)射器510的控制既高效又有效。相比之下，常規(guī)熱離子電子束槍在調(diào)節(jié)射束參數(shù)時不能以相應(yīng)的線性方式控制。
[0067]圖8是本公開的電子束熔化爐的一個實施例的示意圖，其中爐子610包括有兩個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器614、616，它們具有如圖6和7大致示出并且如以上參考這些附圖描述的設(shè)計。爐子610包括真空室620、材料供給器622和鑄造或者霧化裝置624。如上所述，操作發(fā)射器614和616所需的電流通過電源線626供給至發(fā)射器，并且發(fā)射器614,616與真空室620之間的界面包括電子透射箔窗口 634、636，它們允許發(fā)射器614、616生成的電子場638進入真空室620。如果發(fā)射器614、616與真空室內(nèi)的操作壓力相同或者沒有顯著不同，則可以省略箔窗口 634、636?？梢詫⒂糜趯﹄娮訄?38進行磁性導(dǎo)向的器件639包括在真空室620內(nèi)，以提供額外的工藝控制。爐膛640，其可以是例如冷爐膛，設(shè)置在真空室620中。操作中，絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器614、616被通電，并生成電子場618。導(dǎo)電供給材料644被供給器622引入真空室620中，被從發(fā)射器614射出的電子場638熔化，并降落至爐膛640。由發(fā)射器616發(fā)射的寬域電子場638在停留于爐膛640中的同時對熔融材料642進行加熱、除氣和精煉。熔融材料642沿爐膛640前進，并降落到鑄造或者霧化裝置624中，并被處理成期望形態(tài)。
[0068]本公開的離子等離子電子發(fā)射器的多個不同非限制性實施例，例如上述絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器等，可以在高于常規(guī)熱離子電子束槍的真空壓力處操作。熔化爐在這些較高壓力的操作能夠降低被熔化材料內(nèi)的揮發(fā)性元素的揮發(fā)，也如以上詳細地論述的。然而，如果這些揮發(fā)性元素中的任一種確實從熔融材料蒸發(fā)了，即使在熔化爐中的較高蒸汽壓條件下，并冷凝在熔化爐的比較冷的室壁上，所形成的冷凝物也可能從室壁脫落并掉入熔體中。掉進熔體中的冷凝物可能以夾雜物污染熔體和/或在熔體化學(xué)性質(zhì)中產(chǎn)生局部變異。發(fā)明人感覺到有利的是開發(fā)出用于防止或者抑制這種冷凝物在離子等離子電子發(fā)射器熔化爐和其它類型的熔化爐中的形成的設(shè)備和方法。
[0069]如此一來，本公開，部分地，涉及包括至少一個輔助電子發(fā)射器的設(shè)備，所述至少一個輔助電子發(fā)射器呈離子等離子電子發(fā)射器的形式，例如絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器等，其構(gòu)造成與包括一個或多個其它離子等離子電子發(fā)射器(例如絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器)的熔化爐一起使用，以熔化導(dǎo)電金屬材料。本公開的其它非限制性實施例涉及包括至少一個輔助電子發(fā)射器的設(shè)備，所述至少一個輔助電子發(fā)射器呈離子等離子電子發(fā)射器的形式，例如輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器，其構(gòu)造成與包括一個或多個熱離子電子束槍的熔化爐和/或其它熔化裝置一起使用。因為本公開的輔助電子發(fā)射器包括作為電子源的離子等離子電子發(fā)射器，在本文中稱為輔助離子等離子電子發(fā)射器、輔助電子發(fā)射器，或者在一個示例性實施例中稱為輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在檢閱本公開后將意識到，雖然絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器和輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器在本文做了詳細論述，但是任意其它適當(dāng)?shù)碾x子等離子電子發(fā)射器或者輔助離子等離子電子發(fā)射器也可以被使用，并處于本公開的范圍內(nèi)。其它適當(dāng)?shù)碾x子等離子電子發(fā)射器和其它適當(dāng)?shù)妮o助離子等離子電子發(fā)射器的示例在以下更詳細地論述。此外，如下所述，絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器和輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的“絲狀(wire)”可以形成為任意適當(dāng)?shù)男螤?，例如圓形、線形、方形、矩形、卵形、橢圓形或者三角形等，以形成具有各種形狀的截面積或者輪廓的電子場。
[0070]在某些非限制性實施例中，本公開的輔助電子發(fā)射器可以包括構(gòu)造和功能與上述各種絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器相同或者相似的絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器。例如，輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器可以包括等離子區(qū)域和陰極區(qū)域，所述等離子區(qū)域包括絲狀電極，例如構(gòu)造成生成包括正離子的等離子的細長絲狀陽極，所述陰極區(qū)域包括與高電壓電源電氣地連接的陰極，所述高電壓電源構(gòu)造成對陰極充負電。在多個不同非限制性實施例中，陰極可以相對于絲狀電極定位成使得由絲狀電極生成的正離子朝陰極加速并入射到陰極上，從陰極釋放出電子并生成電子場，例如聚焦電子場等。聚焦電子場可以通過例如電磁體的使用，被電磁地“聚焦”和/或引導(dǎo)至熔化室的適當(dāng)區(qū)域。為了本公開的目的，短語“聚焦電子場”是指至少在電磁聚焦后截面積小于由上述各種離子等離子電子發(fā)射器發(fā)射的電子場(以下稱為“寬域電子場”)的截面積的場。電子場的聚焦可以通過例如提供更大的電子密度每單位面積，來使電子場能量更高。應(yīng)該明白的是，當(dāng)在本公開中提及電子場的“截面積”或者“截面輪廓”時，截面將是在某一特定時刻沿與各種電子場的行進路徑大致垂直的方向所取得的。
[0071]在某些非限制性實施例中，當(dāng)與由上述各種絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器生成的能量較低、密度較稀且聚焦度較低的電子場相比時，輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器可以以比上述各種絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器高的能量來進行操作，以提供更高能量、更高電子密度和/或聚焦的電子場。在一個示例性實施例中，如果陰極被充電至較高的負電壓，則電子場的電子能量將更大，因為從陰極出來的自由電子的電子能量更高。此外，如果陽極被施加較高電壓，則電子場的電子的密度將更大，因為陽極處生成的離子數(shù)量更多。在另一示例性實施例中，較高電壓可以被施加至陽極和陰極(負電壓)，以生成更高能量和更密集的電子場。該電子場于是可以被電磁地聚焦和/或引導(dǎo)至熔體的一些部分。如此一來，這類實施例的聚焦電子場可以用于熔化例如冷凝物、熔體內(nèi)的冷凝物、熔體內(nèi)的凝固部分和/或熔體內(nèi)的未熔化部分。聚焦電子場也可以用于將熔化爐的真空室內(nèi)的熔融材料在適當(dāng)?shù)臏囟认戮S持在真空室的各個不同區(qū)域處?？梢允褂幂^高能量、較密集和/或更聚焦的電子場，因為熔體內(nèi)的冷凝物、凝固部分和/或未熔化部分在真空室的區(qū)域中的停留時間有限。如此一來，希望的是在冷凝物、凝固部分和/或未熔化部分向真空室的其它區(qū)域中移動前熔化它們。輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器也可以被適配成或者可導(dǎo)向成使得由輔助電子發(fā)射器生成的聚焦電子場的方向可以移動和/或被引導(dǎo)至例如熔化爐的真空室內(nèi)的任何其它適當(dāng)區(qū)域，以使它入射到特定的期望標(biāo)靶上。在一個非限制性實施例中，例如，聚焦電子場可以入射到正形成或者正凝固鑄錠的一個區(qū)域上，以有利地影響熔池231的凝固動力學(xué)，從而影響固態(tài)鑄錠232的特征。
[0072]本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到的是，本公開的輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器可以包括例如上述各種絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的任意適當(dāng)?shù)奶卣?。如此一來，為了簡潔之故，這些特征在相對于輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的這部分中將不再做具體敘述。應(yīng)該明白的是，圖9-15中標(biāo)號與上述圖1-8中任何部件、要素和/或部分相同的任何部件、要素和/或部分可以是相同或者相似的，并且可以具有相同或者相似的結(jié)構(gòu)和/或功能。此外，以上相對于圖1-8所示的各種示例性實施例描述的部件、要素和/或部分中的任一個可以與圖9-15中描述的各種不例性實施例協(xié)同使用。
[0073]在一個非限制性實施例中，參考圖9，輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器700可以定位成位于熔化爐210的真空室214中或者鄰近熔化爐210的真空室214。輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器700可以與一個或多個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器216協(xié)同地或者獨立地使用。在一個非限制性實施例中，一個或多個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器216可以用于加熱和熔化金屬材料的棒材220，并且一個或多個絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器216可以用于加熱和精煉爐膛224中的熔融金屬材料226。在某些非限制性實施例中，輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器700可以用于熔化形成于真空室214的壁215上的任何冷凝物，和/或熔化存在于爐膛224中的已熔化金屬材料中的包括冷凝物的任何凝固部分。在另一些非限制性實施例中，輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器可以用于加熱熔池231或者用于正形成或正凝固鑄錠232的其它區(qū)域，如本文論述的。
[0074]因此，在多個不同非限制性實施例中，輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器700可以適配成選擇性地熔化形成于室壁215上的冷凝物，從而防止或者降低固態(tài)冷凝物從室壁215脫離并掉入熔融材料226中的可能性。此外，在多個不同非限制性實施例中，輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器700可以適配成例如沿爐膛224在期望區(qū)域處提供額外的加熱，以熔化熔融材料226內(nèi)的例如冷凝物等固體，和/或在沿爐膛224的一個或多個區(qū)域處將熔融材料226維持在熔融狀態(tài)。此外，在多個不同非限制性實施例中，輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器700可以適配成加熱熔池231的區(qū)域，并且有利地影響熔池231的凝固動力學(xué)和鑄錠232的特征。向熔池231施加由輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器700發(fā)射的聚焦電子場，能夠改善拉拔期間鑄錠232的表面光潔度，使鑄錠232內(nèi)的金屬撕裂最小化，和/或有利地影響例如鑄錠232的所得顯微結(jié)構(gòu)。
[0075]在一個非限制性實施例中，仍然參考圖9，輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器700構(gòu)造成生成聚焦的電子場，例如聚焦電子場702等。該聚焦電子場702是三維電子場，因此，當(dāng)入射到標(biāo)靶上時，覆蓋的區(qū)域遠大于由常規(guī)熱離子電子束槍生成的大致線性的電子“束”所覆蓋的區(qū)域。然而，聚焦電子場702可以覆蓋面積比例如由如上所述的絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器216發(fā)射的相對寬域的電子場218所覆蓋的區(qū)域小或者小得多的區(qū)域。在一個非限制性實施例中，聚焦電子場702在它入射到熔化爐的真空室中的標(biāo)靶上時，可以具有例如0.5平方英寸到50平方英寸的面積，或者I平方英寸到30平方英寸的面積，或者I平方英寸到20平方英寸的面積。聚焦電子束，在某些實施例中，是可導(dǎo)向的，或者至少是可引導(dǎo)的，以使它能夠入射到熔體內(nèi)的冷凝物或者其它固態(tài)部分上。本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在考慮本公開后，將意識到的是聚焦電子場對于特定應(yīng)用可以具有任意適當(dāng)?shù)慕孛娣e或者輪廓。
[0076]在一個非限制性實施例中，聚焦電子場702的截面積和/或截面形狀可以是例如輔助電子發(fā)射器的陽極和/或陰極的尺寸和形狀的函數(shù)。例如，在某些非限制性實施例中，陽極和陰極具有比較大的尺寸，并且聚焦電子場702覆蓋比較大的截面積。然而，該比較大的截面積通常小于寬域電子場的截面積，但是充分大于由常規(guī)熱離子電子發(fā)射器發(fā)射的大致線性的“射束”的基本為“點狀”覆蓋面積?；陉枠O的形狀，聚焦電子場還可以包括各種截面形狀，例如圓形或者正方形等。在一個非限制性實施例中，可以協(xié)同陰極使用具有圓形形狀的陽極，以生成具有例如圓形或者大致圓形的截面形狀的聚焦電子場。
[0077]在一個非限制性實施例中，再次參考圖9，絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器216可以發(fā)射具有第一截面積的至少一個第一電子場218 (即，寬域電子場)。輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器700可以發(fā)射具有第二截面積的第二電子場，例如聚焦電子場702。在多個不同實施例中，第一截面積可以大于、等于或者小于第二截面積。涉及描述特定電子場時，術(shù)語“面積”可以指電子場入射到熔融材料內(nèi)的冷凝物、固態(tài)部分上時的電子場的覆蓋面積，正形成或者正凝固鑄錠的區(qū)域，和/或真空室的其它區(qū)域。
[0078]在一個非限制性實施例中，由輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器700發(fā)射的聚焦電子場702具有比絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器216發(fā)射的寬域電子場小的截面積。在該實施例中，比起絲狀放電離子電子發(fā)射器216發(fā)射的寬域電子場，聚焦電子場702可以更聚焦，并且可選地具有更高的能量(例如，更高電子密度和/或更高能量電子)。聚焦電子場702的更高電子密度可以例如通過向陽極施加更高電壓來生成，以在陽極處生成更多離子，從而生成更多來自陰極的二次電子。聚焦電子場702的能量可以增大或者減小，以適當(dāng)?shù)厝刍垠w的冷凝物或者固態(tài)部分。在這種實施例中，例如，陰極的電子加速電壓(kV)和電子電流(kW)可以變化，以進行適當(dāng)?shù)娜刍?。在一個非限制性實施例中，電子電流(kW)可以增大成引起更快的熔化。在另一些非限制性實施例中，聚焦電子場702也可以進一步聚焦，以增大聚焦電子場702內(nèi)的電子密度，從而引起更快的熔化。
[0079]在一個非限制性實施例中，聚焦電子場702可以被引導(dǎo)朝向熔融合金226或者熔池231內(nèi)的任何冷凝物、凝固部分和/或未熔化部分。另外，在某些實施例中，聚焦電子場702可以被引導(dǎo)至熔池231，以影響熔融材料向鑄錠232中的凝固。聚焦電子場702也可以被引導(dǎo)至室壁215的在其上具有冷凝物的區(qū)域以熔化冷凝物，或者被引導(dǎo)至熔化爐210的其它區(qū)域。
[0080]再次參考圖9,聚焦電子場702可以被導(dǎo)向系統(tǒng)引導(dǎo),例如導(dǎo)向系統(tǒng)704。導(dǎo)向系統(tǒng)704例如可以生成和操作一個或多個電場和/或磁場，以對聚焦電子場702進行導(dǎo)向，以將之入射到熔化爐210的真空室214內(nèi)的期望區(qū)域或者物體上。本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的例如磁偏轉(zhuǎn)等用于操作電子場的方向的常規(guī)技術(shù)和設(shè)備，可以適當(dāng)?shù)剡m配成用于導(dǎo)向系統(tǒng)704中。鑒于用于操作電子場的這種技術(shù)和設(shè)備對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的，所以在本文將不做詳細描述。此外，例如，導(dǎo)向系統(tǒng)704可以設(shè)計成圍繞熔化爐210的真空室214內(nèi)的特定區(qū)域，選擇性地掃描由輔助離子等離子電子發(fā)射器700生成的聚焦電子場702。各種常規(guī)技術(shù)和設(shè)備用來掃描電子束對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的，并且可以適當(dāng)?shù)剡m配成用于導(dǎo)向系統(tǒng)704中。鑒于用于掃描電子場的這種技術(shù)和設(shè)備對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的，所以在本文將不做詳細描述。在一個非限制性實施例中，聚焦電子場702的掃描可以將場快速地移動到室壁215上的冷凝材料的區(qū)域上以熔化冷凝物，移動到爐膛224內(nèi)的材料的凝固部分或者未熔化部分上以熔化材料，和/或移動到熔池231上以按照需要影響正形成鑄錠232的凝固。聚焦電子場702的掃描還可以用于消除或者至少有助于降低以下可能性:多余的動力或者能量被聚焦電子場702傳輸至聚焦電子場702所入射到其上的冷凝物、凝固部分和/或熔融材料。多余的電子能量/單位面積和/或電子密度/單位面積向冷凝物、凝固部分和/或熔融材料的施加，可能使冷凝物或者材料內(nèi)的揮發(fā)性元素揮發(fā)，這可能使材料在室壁215上的冷凝惡化。在一個非限制性實施例中，導(dǎo)向系統(tǒng)704可以用于將聚焦電子場702引導(dǎo)至熔化爐210內(nèi)的任意適當(dāng)?shù)奈恢谩?br> [0081]在一個非限制性實施例中，用于聚焦電子場702的導(dǎo)向系統(tǒng)可以被選擇性地操作，以使操作員能夠?qū)⒕劢闺娮訄?02具體地引導(dǎo)至熔體的需要熔化和/或重新加熱的特定部分。這種選擇性的導(dǎo)向系統(tǒng)可以移動導(dǎo)向裝置704，或者其它導(dǎo)向裝置，從而引導(dǎo)聚焦電子場702至真空室內(nèi)的適當(dāng)區(qū)域，例如引導(dǎo)至熔體內(nèi)的冷凝物顆粒上。在另一些非限制性實施例中，各種不同的導(dǎo)向裝置，例如電磁體等，可以在真空室內(nèi)恰當(dāng)?shù)嘏渲?，以使聚焦電子?02能夠被引導(dǎo)至真空室的預(yù)定區(qū)域，和/或能夠通過操作員例如在真空室的第一預(yù)定區(qū)域與真空室的第二預(yù)定區(qū)域之間是可選擇性地移動的。
[0082]圖10示出了包括在電子束熔化爐610中的另一非限制性實施例的輔助離子等離子電子發(fā)射器700’，例如絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器。電子束熔化爐610的各種要素以包括在圖8中的并在以上描述過的標(biāo)號標(biāo)出。輔助離子等離子電子發(fā)射器700’可以發(fā)射類似于聚焦電子場700的聚焦電子場702’，其可以入射到設(shè)置于爐膛640中的熔融材料642和/或熔融材料642內(nèi)的固體(例如從室壁掉落的冷凝物)上。在一個非限制性實施例中，輔助離子等離子電子發(fā)射器700’可以包括導(dǎo)向系統(tǒng)704’，其例如可以具有如上所述的構(gòu)造。
[0083]在圖11中示意性地示出的一個非限制性實施例中，一示例性導(dǎo)向系統(tǒng)被適配成與輔助離子等離子電子發(fā)射器700或700’(總稱為“700”)協(xié)同使用。用于輔助離子等離子電子發(fā)射器700的聚焦電子場702的導(dǎo)向系統(tǒng)可以包括第一磁氣和/或電氣導(dǎo)向裝置706和第二磁氣和/或電氣導(dǎo)向裝置708。第一導(dǎo)向裝置706可以定位在聚焦電子場702的第一側(cè)上，而第二導(dǎo)向裝置708可以定位在聚焦電子場702的第二側(cè)上。第一和第二導(dǎo)向裝置706、708可以構(gòu)造成在其間生成磁場和/或電場，所述磁場和/或電場是可平移的，以沿期望方向引導(dǎo)聚焦電子場702。作為結(jié)果，第一和第二導(dǎo)向裝置706、708可以用于將聚焦電子場702引導(dǎo)至熔化爐的真空室內(nèi)的期望區(qū)域或者位置。導(dǎo)向系統(tǒng)可以包括額外的導(dǎo)向裝置，以使聚焦電子場702能夠在真空室內(nèi)沿任意適當(dāng)?shù)姆较虻玫揭龑?dǎo)。圖11所示的示例性導(dǎo)向系統(tǒng)還可以用于使聚焦電子場702聚焦或者進一步聚焦。
[0084]用于聚焦電子場702的導(dǎo)向系統(tǒng)的另一非限制性實施例在圖12中示意性地示出。在這種實施例中，導(dǎo)向系統(tǒng)可以包括圍繞聚焦電子場702定位的多于一個的導(dǎo)向裝置710 (圖12中未示出，但是沿進入頁面中并且大致垂直于頁面的路徑突出)。類似于以上第一和第二導(dǎo)向裝置706和708，導(dǎo)向裝置710可以各自生成構(gòu)造成作用于聚焦電子場702上的磁場和/或電場。通過設(shè)置例如多于一個、多于兩個或者多于三個的導(dǎo)向裝置710，聚焦電子場702能夠被精確地引導(dǎo)至熔化爐的真空室內(nèi)的任何期望區(qū)域或者物體。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到的是，可以協(xié)同本文所述的輔助離子等離子電子發(fā)射器使用用于對電子場進行導(dǎo)向的其它常規(guī)系統(tǒng)，以引導(dǎo)聚焦電子場702的方向。類似于圖11的示例性導(dǎo)向系統(tǒng)，圖12的示例性導(dǎo)向系統(tǒng)也可以用于使聚焦電子場702聚焦或者進一步聚焦。
[0085]在一個非限制性實施例中，用于熔化導(dǎo)電金屬材料的設(shè)備可以包括輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器和導(dǎo)向系統(tǒng)，所述輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器構(gòu)造成生成包括具有第一形狀的截面輪廓的聚焦電子場，所述導(dǎo)向系統(tǒng)構(gòu)造成引導(dǎo)聚焦電子場，以入射到導(dǎo)電金屬材料的至少一部分上，以熔化其中的任何固體冷凝物或者其它固體。聚焦電子場還可以被導(dǎo)向系統(tǒng)引導(dǎo)到熔池或者正形成或正凝固鑄錠的其它區(qū)域上，以有利地影響鑄錠的凝固動力學(xué)。在這種非限制性實施例中，設(shè)備可以包括具有第二形狀的絲狀電極和具有第三形狀的陰極。在至少一個實施例中，第一形狀可以大致類似于或者相同于第二形狀和/或第三形狀。電子場的截面輪廓的第一形狀可以例如大致呈圓形、三角形、矩形、方形、橢圓形或者卵形，也可以呈任意其它適當(dāng)?shù)男螤睢Ｒ虼?，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識到的是，聚焦電子場的截面輪廓的第一形狀可以是適合于熔化冷凝物、熔化熔體內(nèi)的固體、熔化熔體內(nèi)的金屬材料的未熔化部分，和/或以期望方式加熱正凝固鑄錠的熔池的任何形狀。例如，如果希望具有大致三角形截面輪廓的聚焦電子場，則輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器可以包括大致三角形的絲狀電極和/或大致三角形的陰極。
[0086]在一個非限制性實施例中，離子等離子電子發(fā)射器或者輔助離子等離子電子發(fā)射器可以包括除絲狀陽極外的陽極(或者陽離子生成電極)。在這種實施例中，陽極可以是構(gòu)造成允許從陰極射出的聚焦電子場輕松地穿過其中的導(dǎo)電薄板、片材或者箔。在另一些實施例中，陽極可以包括任意其它適當(dāng)?shù)臉?gòu)造。導(dǎo)電薄板、片材或者箔式陽極可以包括任意適當(dāng)?shù)男螤?，例如大致呈圓形、方形、矩形、三角形、橢圓形、卵形或者任意其它適當(dāng)?shù)男螤?。通過以這些種類的形狀或者其它各種形狀設(shè)置陽極，能夠控制寬域電子場和/或聚焦電子場的截面積或者輪廓的形狀。例如，為了生成具有圓形截面形狀的聚焦電子場，可以使用圓形薄板、片材或者箔式陽極。在一個非限制性實施例中，離子等離子電子發(fā)射器或者輔助離子等離子電子發(fā)射器的陰極也可以由具有任意適當(dāng)尺寸的任何導(dǎo)電薄板、片材或者箔構(gòu)成。該導(dǎo)電薄板、片材或者箔式陰極可以包括形狀與上述各種陽極相似的形狀。在一個非限制性實施例中，陰極的形狀可以與陽極的形狀協(xié)同工作，以生成具有各種形狀的截面積或者輪廓的寬域電子場或者聚焦電子場。雖然以上參考示例性絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器描述了生成寬域電子場的離子等離子電子發(fā)射器，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到的是，具有“非絲狀”或者“非直的絲狀”陽極的離子等離子電子發(fā)射器也可以被使用，并且處于本公開的范圍內(nèi)。
[0087]類似于上述各種絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器，輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的多個不同非限制性實施例可以包括:構(gòu)造成生成含陽離子的等離子的一個或多個細長絲狀陽極，其中等離子陽離子入射到陰極上以生成二次電子場(即，聚焦電子場)，其被加速以入射到例如冷凝物等標(biāo)靶上，所述冷凝物將被熔化以降低熔體內(nèi)的固體夾雜物。細長絲狀陽極可以具有充分大于其厚度尺寸的長度尺寸。雖然描述為“細長”，但是細長絲狀陽極可以形成為任意適當(dāng)?shù)男螤?。輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器可以以大致相同于或者基本類似于以上針對各種絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器描述的方式來構(gòu)成。如此一來，以上對各種絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的描述被并入目前對輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器的設(shè)計的描述中。另外，在以下給出對本公開的輔助離子等離子電子發(fā)射器的某些非限制性實施例的構(gòu)造和操作的方式的描述。
[0088]如以上指出的，本公開的輔助離子等離子電子發(fā)射器可以構(gòu)造成生成具有任意適當(dāng)?shù)慕孛孑喞蛘咝螤畹木劢闺娮訄?，例如大致圓形、正方形、矩形、三角形、卵形或者橢圓形截面輪廓，或者具有任意其它適當(dāng)?shù)挠羞呅螤畹钠渌孛孑喞?。在某些非限制性實施例中，本公開的例如輔助絲狀放電離子等離子電子發(fā)射器等輔助離子等離子電子發(fā)射器，可以生成具有大致矩形截面輪廓(見圖13和14)或者大致圓形截面輪廓(見圖15)的電子場。參考圖13，輔助離子等離子電子發(fā)射器802可以包括電離或者等離子區(qū)域和陰極區(qū)域，所述電離或者等離子區(qū)域類似于圖4的等離子區(qū)域314，其包括構(gòu)造成生成含陽離子的等離子的絲狀陽極或者導(dǎo)電薄板、片材或者箔式陽極819 ( —起稱為819)，所述陰極區(qū)域類似于圖4的陰極區(qū)域316，其包括陰極818。陰極818可以具有任意適當(dāng)?shù)男螤?。該等離子區(qū)域可以填充有處于低壓的可離子化氣體，所述氣體可以在等離子區(qū)域中電離，以生成含陽離子的等離子。例如，等離子區(qū)域可以填充有例如處于大致20mTorr的氦氣。小直徑絲狀陽極或者導(dǎo)電薄板、片材或者箔式陽極819可以定位在等離子區(qū)域內(nèi)。該陽極819可以具有任意適當(dāng)?shù)男螤?，雖然圖13示出的是矩形構(gòu)造?？梢酝ㄟ^高電壓電源822向陽極819施加正電壓，以引發(fā)氦氣電離成包括氦陽離子和自由“一次”電子的等離子。一旦氦氣的電離被引發(fā)后，等離子通過向陽極819施加電壓而得到保持。等離子內(nèi)的帶正電的氦離子經(jīng)由被維持在高負電位的類似于圖4的取出柵326的取出柵而從等離子區(qū)域中被取出，并經(jīng)由類似于圖4的高電壓間隙328的高電壓間隙得到加速，進入陰極區(qū)域中，在這里等離子中的陽離子沖擊被維持在高負電壓的陰極818。陰極818可以是例如有涂層或者沒有涂層的金屬或者合金。在一個非限制性實施例中，陰極818可以包括具有高熔點和低功函數(shù)的插入物。高電壓電源，例如圖6的高電壓電源522，對陰極818給予例如大于20，000伏特的負電壓。
[0089]氦陽離子向陰極818上的沖擊從陰極818中釋放出二次電子，從而形成聚焦電子場。二次電子被高電壓間隙沿與氦陽離子的運動方向相反的方向加速，穿過取出柵并進入等離子區(qū)域中(穿過導(dǎo)電板、片材或者箔，如果存在的話)，然后穿過薄金屬箔窗口(如果存在的話)，所述薄金屬箔窗口類似于圖4的薄金屬箔窗口 329，由對電子穿透性較高的材料制成。如以上指出的，取決于輔助電子發(fā)射器與熔化爐室內(nèi)的相對氣壓，可能能夠省略電子透射窗口，這時由輔助電子發(fā)射器生成的電子將直接進入熔化爐真空室。
[0090]仍然參考圖13，在一個非限制性實施例中，來自陽極819的正離子可以被加速以入射到陰極818上，以生成具有呈矩形或者大致矩形的截面輪廓的聚焦電子場。矩形或者大致矩形的陽極819和陰極818可以設(shè)計并配置成更好地促進帶正電的氦離子向陰極818的透射。此外，陰極818和取出柵可以設(shè)計并配置成使透射穿過取出柵的二次電子最大化，并且以適合于穿透電子透射窗口(如果存在的話)(和導(dǎo)電薄板、片材或者箔陽極，如果存在的話)的場輪廓透射穿過取出柵。離開輔助電子發(fā)射器802的聚焦高能電子場可以被引導(dǎo)以入射到熔化爐的真空室內(nèi)的標(biāo)靶上。此外，電子透射窗口，如果存在的話，可以大小做成盡可能薄，以使從輔助離子等離子電子發(fā)射器802透射的電子最大化。如有必要，厚度允許足夠的電子透射同時還在輔助離子等離子電子發(fā)射器802內(nèi)維持低真空環(huán)境的鋁型或者鈦型箔，可以用作箔窗口?？梢杂米髟O(shè)備中的窗口(如果存在的話)的其它強度適當(dāng)并且電子透射率可接受的材料對本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是已知的。如本文大體論述的，如果輔助電子發(fā)射器802的內(nèi)部與包含標(biāo)靶的真空室之間的壓力差不明顯，則可以省略窗口。
[0091]在一個實施例中，參考圖14，輔助離子等離子電子發(fā)射器902可以包括類似于輔助離子等離子電子發(fā)射器802的某些特征。然而，輔助電子發(fā)射器902包括定位在等離子區(qū)域內(nèi)的矩形或者大致矩形的絲狀陽極或者導(dǎo)電薄板、片材或者箔式陽極(一起稱為919)，以及位于陰極區(qū)域內(nèi)的矩形或者大致矩形的陰極918。來自陽極919的正離子可以朝陰極918加速以生成具有呈矩形或者大致矩形的截面輪廓的聚焦電子場，所述聚焦電子場構(gòu)造成沖擊任何冷凝物、凝固部分或者熔體內(nèi)材料的未熔化部分，和/或沖擊到正形成或正凝固鑄錠的區(qū)域上。輔助電子發(fā)射器902還可以包括構(gòu)造成向陽極919供給正電壓的電源。雖然未示出，但是應(yīng)該明白的是，陰極918將連接至構(gòu)造成將陰極918充電至高負電壓的電源。
[0092]在圖15所示的一個實施例中，本公開的輔助電子發(fā)射器1002可以包括類似于輔助電子發(fā)射器802和902的某些特征。然而，輔助電子發(fā)射器1002包括定位在等離子區(qū)域內(nèi)的圓形或者大致圓形的絲狀陽極或者導(dǎo)電薄板、片材或者箔式陽極(一起稱為1019)，以及位于陰極區(qū)域內(nèi)的圓形或者大致圓形的陰極1018。來自陽極1019的正離子可以朝陰極1018加速以生成具有呈圓形或者大致圓形的截面輪廓的聚焦電子場，所述聚焦電子場構(gòu)造成沖擊任何冷凝物、凝固部分或者熔體內(nèi)的未熔化部分，和/或沖擊到正形成或正凝固鑄錠的區(qū)域上。輔助電子發(fā)射器1002還可以包括構(gòu)造成向陽極1019供給正電壓的電源。雖然未示出，但是應(yīng)該明白的是，陰極1018將連接至構(gòu)造成將陰極1018充電至高負電壓的電源。
[0093]本公開的各種輔助電子發(fā)射器的能量取決于陽極生成的陽離子的密度以及陰極的負電壓。電離期間生成的離子的數(shù)量取決于向陽極施加的電壓(即，越高的電壓在單位時間生成的離子數(shù)量越多，從而增大生成的電子場的密度)，而聚焦電子場內(nèi)的電子的能量取決于陰極的負電壓。在不希望被任何特定理論約束的同時，發(fā)明人認為真空室內(nèi)正熔化的冷凝物將通過利用具有比較高的能量(例如，電子密度和電子能量)的聚焦電子場得到促進，因為在冷凝物在熔體內(nèi)流動到真空室的另一區(qū)域前，任何冷凝物要在真空室的特定區(qū)域中被熔化的可利用的停留時間是有限的。相同或者相似理論適用于熔化所述熔體內(nèi)的已凝固或者未熔化部分。
[0094]在一個非限制性實施例中，用于熔化導(dǎo)電金屬材料的設(shè)備包括真空室、設(shè)置于真空室中的爐膛和構(gòu)造成熔化導(dǎo)電金屬材料的熔化裝置。該設(shè)備還可以包括與真空室連通的并且定位成從爐膛接收熔融的導(dǎo)電金屬材料的模具、鑄造設(shè)備和霧化設(shè)備中的至少一個。該設(shè)備可以包括輔助離子等離子電子發(fā)射器，所述輔助離子等離子電子發(fā)射器設(shè)置成位于真空室中或者鄰近真空室，并且定位成向真空室中引導(dǎo)具有截面積的聚焦電子場。聚焦電子場可以具有足夠的能量以在利用導(dǎo)向裝置或者系統(tǒng)被引導(dǎo)向?qū)щ姴牧稀⒐腆w冷凝物和凝固鑄錠的區(qū)域時，實現(xiàn)以下中的至少一者:熔化或者重新熔化導(dǎo)電金屬材料的部分，熔化導(dǎo)電金屬材料內(nèi)的固體冷凝物，以及加熱凝固鑄錠的區(qū)域。在一個非限制性實施例中，熔化裝置包括設(shè)置成位于真空室中或者鄰近真空室、并且定位成向真空室中引導(dǎo)寬域電子場的至少一個離子等離子電子發(fā)射器。寬域電子場可以具有足夠的能量，來加熱導(dǎo)電金屬材料至其熔點。在另一非限制性實施例中，熔化裝置可以包括至少一個熱離子電子束槍，所述至少一個熱離子電子束槍構(gòu)造成發(fā)射具有足夠能量以將導(dǎo)電金屬材料加熱至其熔點的電子束。
[0095]在一個非限制性實施例中，輔助離子等離子電子發(fā)射器可以與包括一個或多個熱離子電子束槍的熔化爐一起使用。鑒于使用熱離子電子束槍的熔化爐通常具有壓力(例如，13到7.5μ (13到IPa)到15μ (2Pa))比使用離子等離子電子發(fā)射器的熔化爐的壓力(例如，大于40 μ (5.3Pa)的壓力或者大于300 μ (40Pa)的壓力)低得多的真空室這一事實，可以在輔助電子發(fā)射器700’與真空室214之間設(shè)置電子透射箔，例如圖10的電子透射箔705，以例如在真空室214和輔助電子發(fā)射器700’中維持單獨的壓力。如此一來，各種輔助電子發(fā)射器都可以與包括有一個或多個熱離子電子束槍和/或其它適當(dāng)熔化裝置的熔化爐一起使用，而不管熔化爐的操作壓力如何。在多個不同實施例中，可以在一個熔化爐中使用任意適當(dāng)數(shù)量的輔助離子等離子電子發(fā)射器。
[0096]在一個非限制性實施例中，提供了用于使熔化爐內(nèi)的導(dǎo)電材料熔化的電子場生成方法。該方法可以包括:設(shè)置具有第一非線性形狀的陽極，向陽極施加電壓，以及在陽極處生成包含正陽離子的等離子。術(shù)語“非線性形狀”可以指除直線或者大致直線外的形狀。術(shù)語“非線性形狀”也可以指具有除例如細長絲狀電極516等上述各種電極的形狀外的形狀。所述方法可以進一步包括:設(shè)置具有第二形狀的陰極，相對于所述陽極定位所述陰極，以及向所述陰極施加電壓。該電壓可以構(gòu)造成對所述陰極充負電。所述方法可以進一步包括:使正陽離子朝所述陰極加速以生成自由的二次電子，以及使用自由的二次電子形成電子場。電子場可以具有呈第三形狀的截面輪廓。電子場的第三形狀可以對應(yīng)于陽極的第一非線性形狀和/或陰極的第二形狀。在一個實施例中，電子場的第三形狀可以大致相同于陽極的第一非線性形狀和/或陰極的第二形狀。在多個不同實施例中，陽極可以包括導(dǎo)電的細長絲狀陽極、導(dǎo)電的薄板陽極、導(dǎo)電的薄片陽極或者導(dǎo)電的薄箔陽極。
[0097]在一個非限制性實施例中，一種處理材料的方法可以包括:向相對于大氣壓維持在低壓的爐室中引入包括金屬和金屬合金中的至少一者的材料，以及使用第一離子等離子電子發(fā)射器生成具有第一截面積的第一電子場。所述爐室內(nèi)的材料然后可以受到所述第一電子場的作用，以將所述材料加熱至高于所述材料的熔點的溫度。所述方法還可以包括使用第二離子等離子電子發(fā)射器生成具有第二截面積的第二電子場。使用導(dǎo)向裝置，可以使所述材料內(nèi)的固體冷凝物、所述材料的凝固部分和正凝固鑄錠的區(qū)域中的至少一者受到第二電子場的作用，以熔化或者加熱特定標(biāo)靶。此外，第一電子場的第一截面積可以大于或者以其它方式不同于第二電子場的第二截面積。第一離子等離子電子發(fā)射器和第二離子等離子電子發(fā)射器內(nèi)的壓力可以被維持成相同或者大致相同于存在于爐室內(nèi)的壓力。在另一些非限制性實施例中，爐室內(nèi)的壓力可以被維持成例如小于第一離子等離子電子發(fā)射器和第二離子等離子電子發(fā)射器內(nèi)的壓力的壓力。
[0098]在另一非限制性實施例中，一種處理材料的方法可以包括:向相對于大氣壓維持在低壓的爐室中引入包括金屬和金屬合金中的至少一者的材料，以及使所述爐室內(nèi)的材料受到構(gòu)造成將所述材料加熱至高于所述材料的熔點的溫度的熔化裝置的作用。所述方法還可以包括:使用輔助離子等離子電子發(fā)射器生成聚焦電子場，并使用導(dǎo)向裝置使所述材料內(nèi)的任何冷凝物、所述材料的任何凝固部分和正形成或正凝固鑄錠的區(qū)域中的至少一者受到所述聚焦電子場的作用，以熔化或者加熱所述冷凝物、所述凝固部分和正形成或正凝固鑄錠的區(qū)域中的至少一者。在多個不同非限制性實施例中，熔化裝置可以包括至少一個熱離子電子束槍或者至少一個離子等離子電子發(fā)射器。
[0099]在再一些非限制性實施例中，一種處理材料的方法可以包括:使用輔助離子等離子電子發(fā)射器生成包括具有第一形狀的截面輪廓的聚焦電子場，并對所述聚焦電子場進行導(dǎo)向以使所述聚焦電子場入射到所述材料上，并熔化或者加熱所述材料內(nèi)的任何固體冷凝物、所述材料的任何凝固部分和/或正形成或正凝固鑄錠的區(qū)域中的至少一者。所述方法還可以包括使用具有第二形狀的電極和具有第三形狀的陰極生成聚焦電子場，其中第一形狀大致類似于第二形狀和/或第三形狀。在一個非限制性實施例中，從所述輔助離子等離子電子發(fā)射器射出的所生成的聚焦電子場可以具有大致圓形截面輪廓和大致矩形截面輪廓中的一者。這種聚焦電子場例如可以使用大致圓形的電極或陽極和大致圓形的陰極生成，或者使用大致矩形的電極或陽極和大致矩形的陰極生成。
[0100]雖然以上描述必然只能提供有限數(shù)量的實施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本文所描述和圖示的示例的設(shè)備和方法以及其它細節(jié)做出多種不同的變型，而所有這些變型均將保持在本文和所附權(quán)利要求中所表達的本公開的原理和范圍內(nèi)。例如，雖然本公開必然只提供本公開的電子束熔煉爐的有限數(shù)量的實施例，并且必然只論述了有限數(shù)量的離子等離子電子發(fā)射器和輔助離子等離子電子發(fā)射器設(shè)計，但是應(yīng)該明白的是，本公開和相關(guān)聯(lián)的權(quán)利要求并不局限于此。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在考慮本公開后，將在本文所論述的必然為有限數(shù)量的實施例的精神內(nèi)并沿著主線，輕松地識別出額外的離子等離子電子發(fā)射器和輔助離子等離子電子發(fā)射器設(shè)計，并且可以理解額外的爐子設(shè)計。因此，應(yīng)該明白的是，本發(fā)明并不局限于本文所公開的或者所包含的特定實施例，而是旨在覆蓋如權(quán)利要求所限定出的處于本發(fā)明的原理和范圍內(nèi)的變型。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)理解的是，在不背離本發(fā)明的一般創(chuàng)新概念的情況下，可以對上述實施例做出變化。
【權(quán)利要求】
1.一種生成電子場的方法，用于使熔化爐內(nèi)的導(dǎo)電材料熔化，所述方法包括: 設(shè)置具有第一非線性形狀的陽極； 向所述陽極施加電壓； 在所述陽極處生成包含正陽離子的等離子； 設(shè)置具有第二形狀的陰極； 相對于所述陽極定位所述陰極； 向所述陰極施加電壓，其中所述電壓構(gòu)造成對所述陰極充負電； 朝所述陰極加速所述正陽離子以生成自由的二次電子；以及 使用所述自由的二次電子形成電子場，所述電子場的截面輪廓具有第三形狀，其中所述第三形狀對應(yīng)于所述陽極的所述第一非線性形狀。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述電子場的第三形狀對應(yīng)于所述陰極的所述第二形狀。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述電子場的第三形狀大致與所述陰極的所述第二形狀相同。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述陽極包括金屬絲、導(dǎo)電薄板、導(dǎo)電薄片和導(dǎo)電薄箔中的一者。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述電子場的第三形狀大致與所述陽極的所述第一非線性形狀相同。
【文檔編號】H01J37/077GK104409306SQ201410655724
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日:2009年8月25日
【發(fā)明者】R·M·福布斯瓊斯 申請人:Ati資產(chǎn)公司