ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ ПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

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 и размещенный для направления первого поля электронов, имеющего первую площадь поперечного сечения, в вакуумную камеру, причем первое поле электронов имеет достаточную энергию для нагревания электропроводящего металлического материала до его температуры плавления;
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, причем 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, при этом первая площадь поперечного сечения первого поля электронов отличается от второй площади поперечного сечения второго поля электронов, и при этом второе поле электронов, испускаемое вспомогательным ионно-плазменным излучателем электронов, является ориентируемым.
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, при этом 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, при этом 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, при этом 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, при этом электрод содержит проволоку, размещенную вдоль части плазменной зоны.
7. Устройство по п.5, при этом 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, при этом 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, при этом высоковольтный источник питания запитывает катод до отрицательного напряжения более 20000 В.
10. Устройство по п.1, при этом 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, при этом устройство представляет собой электронно-лучевую плавильную печь с холодным подом, а электропроводящий металлический материал представляет собой по меньшей мере один из материалов, выбранных 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.
12. Устройство по п.1, при этом первая площадь поперечного сечения первого поля электронов представляет собой обширное электронное поле.
13. Устройство по п.1, при этом первая площадь поперечного сечения первого поля электронов больше, чем вторая площадь поперечного сечения второго поля электронов.
14. Устройство по п.1, при этом вторая площадь поперечного сечения второго поля электронов содержит один из, по существу, круглого профиля поперечного сечения и, по существу, прямоугольного профиля поперечного сечения.
15. Устройство по п.1, дополнительно содержащее ориентирующее устройство для ориентирования второго поля электронов, испускаемых из вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов.
16. Устройство по п.1, при этом второе поле электронов выполнено растрируемым, чтобы позволить по меньшей мере одно из нагревания части электропроводящего металлического материала до его температуры плавления, плавления твердого конденсата внутри электропроводящего металлического материала и подачи тепла в зоны образующегося слитка.
17. Устройство по п.1, при этом вспомогательный ионно-плазменный излучатель электронов содержит плазменную зону, включающую в себя электрод, выполненный с возможностью создания плазмы положительных ионов.
18. Устройство по п.17, при этом 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.
19. Устройство по п.17, при этом 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 и бомбардируют катод, высвобождая второе поле электронов из катода.
20. Устройство по п.19, при этом 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.
21. Устройство по п.19, при этом 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.
22. Устройство по п.19, при этом 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.
23. Устройство по п.19, при этом катод содержит вкладыш, имеющий высокую температуру плавления и низкую работу выхода.
24. Устройство по п.19, при этом высоковольтный источник питания запитывает катод до отрицательного напряжения более 20000 В.
25. Устройство по п.1, при этом 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.
26. Устройство для плавления электропроводящего металлического материала, содержащее:
вакуумную камеру;
под, расположенный в вакуумной камере;
плавильное приспособление, выполненное с возможностью плавления электропроводящего металлического материала;
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 электронного поля, имеющего площадь поперечного сечения, в вакуумную камеру, причем сфокусированное электронное поле 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, при этом сфокусированное электронное поле является ориентируемым для направления сфокусированного электронного поля к по меньшей мере одному из частей электропроводящего металлического материала, твердого конденсата и затвердевающего слитка.
27. Устройство по п.26, 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 имеет достаточную энергию для нагревания электропроводящего металлического материала до его температуры плавления.
28. Устройство по п.26, при этом плавильное приспособление 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.
29. Устройство для плавления электропроводящего металлического материала, содержащее:
вспомогательный 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 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.
30. Устройство по п.29, 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.
31. Устройство по п.29, при этом первая форма представляет собой одну из, по существу, круглой и, по существу, прямоугольной формы.
32. Устройство по п.31, при этом 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.
33. Устройство по п.31, при этом 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.
34. Способ обработки материала, содержащий:
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 поперечного сечения, 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 температура плавления этого материала;
генерирование второго электронного поля, имеющего вторую площадь поперечного сечения, с использованием второго 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 второго электронного поля с использованием системы ориентирования для плавления или нагревания по меньшей мере одного из твердого конденсата, затвердевших частей и зон затвердевающего слитка, при этом первая площадь поперечного сечения первого электронного поля отличается от второй площади поперечного сечения второго электронного поля.
35. Способ по п.34, при этом 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.
36. Способ по п.34, дополнительно содержащий:
формирование отливки или порошка из материала последовательно или одновременно с подверганием материала воздействию по меньшей мере первого электронного поля.
37. Способ по п.34, 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.
38. Способ по п.34, 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.
39. Способ по п.34, дополнительно содержащий поддержание давления внутри камеры печи, которое ниже давления внутри первого ионно-плазменного излучателя электронов и второго ионно-плазменного излучателя электронов.
40. Способ по п.34, 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.
41. Способ по п.34, 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.
42. Способ по п.34, при этом первая площадь поперечного сечения первого электронного поля больше, чем вторая площадь поперечного сечения второго электронного поля.
43. Способ по п.34, 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.
44. Способ по п.34, дополнительно содержащий направление второго электронного поля к одному из твердого конденсата, затвердевших частей и зон затвердевающего слитка с использованием системы магнитного ориентирования.
45. Способ по п.34, при этом второе электронное поле имеет один из, по существу, круглого профиля поперечного сечения и, по существу, прямоугольного профиля поперечного сечения.
46. Способ обработки материала, содержащий:
введение материала, содержащего по меньшей мере один из металла и металлического сплава, в камеру печи, поддерживаемую при низком давлении относительно атмосферного давления;
подвергание материала внутри камеры печи воздействию плавильного приспособления, выполненного с возможностью нагревания материала до температуры выше температуры плавления этого материала;
генерирование сфокусированного электронного поля 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 электронного поля с использованием системы ориентирования для плавления или нагревания по меньшей мере одного из твердого конденсата, затвердевших частей и зон затвердевающего слитка.
47. Способ по п.46, при этом плавильное приспособление содержит по меньшей мере одну термоионную электронно-лучевую пушку, выполненную с возможностью испускания электронного луча.
48. Способ по п.46, при этом плавильное приспособление содержит по меньшей мере один ионно-плазменный излучатель электронов.
49. Способ обработки материала, содержащий:
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 зон затвердевающего слитка.
50. Способ по п.49, дополнительно содержащий генерирование сфокусированного электронного поля с использованием электрода, имеющего вторую форму, и катода, имеющего третью форму, при этом первая форма, по существу, подобна по меньшей мере одной из второй формы и третьей формы.
51. Способ по п.49, дополнительно содержащий генерирование сфокусированного электронного поля, имеющего один из, по существу, круглого профиля поперечного сечения и, по существу, прямоугольного профиля поперечного сечения, с использованием вспомогательного ионно-плазменного излучателя электронов.
52. Способ по п.51, дополнительно содержащий генерирование сфокусированного электронного поля с использованием, по существу, круглого электрода и, по существу, круглого катода.
53. Способ по п.51, дополнительно содержащий генерирование сфокусированного электронного поля с использованием, по существу, прямоугольного электрода и, по существу, прямоугольного катода.
54. Способ генерирования электронного поля для плавления электропроводящего материала внутри плавильной печи, содержащий:
обеспечение анода, имеющего первую нелинейную форму;
подачу напряжения на анод;
получение содержащей положительные катионы плазмы на аноде;
обеспечение катода, имеющего вторую форму;
размещение катода относительно анода;
подачу напряжения на катод, причем напряжение приспособлено для придания катоду отрицательного заряда;
ускорение положительных катионов к катоду для генерирования свободных вторичных электронов; и
формирование электронного поля с использованием свободных вторичных электронов, причем электронное поле имеет профиль поперечного сечения с третьей формой, причем третья форма соответствует первой нелинейной форме анода.
55. Способ по п.54, при этом третья форма электронного поля соответствует второй форме катода.
56. Способ по п.55, при этом третья форма электронного поля, по существу, аналогична второй форме катода.
57. Способ по п.54, при этом анод содержит одно из проволоки, электропроводящей тонкой пластины, электропроводящего тонкого листа и электропроводящей тонкой фольги.
58. Способ по п.54, при этом третья форма электронного поля, по существу, аналогична первой нелинейной форме анода.