ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК H01J37/30 C23C14/30 

Изобретение относится к области электронно-лучевой технологии и может найти применение в любой электронно-лучевой установке (плавильной, сварочной, напылительной и т.п.), технологическая камера которой снабжена системой вакуумной откачки.

Известные вакуумные электронно-лучевые технологические установки содержат вакуумную камеру для ведения технологического процесса с собственной системой откачки и одну или несколько электронных пушек, разделенных каналом или отверстием для транспортировки электронного луча из пространства ускорения в технологическую камеру [1]
В зависимости от уровня рабочего вакуума в технологической камере для нормальной работы каждой электронной пушки обязательно наличие одной или нескольких собственных откачных систем, необходимых для поддержания в ускоряющем промежутке пушки вакуума (10^-5 10^-4 мм рт. ст.), как правило, на 1-3 порядка более высокого, чем в технологической камере (обычно 10^-4 10 ^-2 мм рт.ст.).

Наличие во время работы установки перепада давления между технологической камерой и пушкой означает существование непрерывного потока газов и паров, выделяющихся (часто взрывообразно) из обрабатываемого изделия или материала, направленного из технологической камеры в пушку. Последнее существенно уменьшает надежность работы пушки, приводя к потере электрической прочности ее ускоряющего промежутка (пробоям), потере эмиссии катода вследствие отравления его продуктами, образующимися во время ведения технологического процесса, быстрому разрушению катода (иногда за 3-4 ч), выходу из строя пушки и остановке технологической установки.

Наиболее близким аналогом предлагаемой установки является электронно-лучевая технологическая установка с электронной пушкой, в которой для улучшения проведения луча в зоне первого лучепровода между камерой пушки и камерой промежуточной откачки установлена система напуска инертного газа (аргона), посредством которой в зоне поддерживают давление на уровне 10^-4 мм рт. ст. что способствует самофокусировке пучка за счет компенсации пространственного заряда электронов ионами, образующимися по тракту транспортировки [2]
Подобные установки обладают теми же недостатками, что были перечислены и, кроме того, требуют специальных мер по защите катода электронной пушки от ионной бомбардировки.

Целью изобретения является повышение надежности работы электронно-лучевой установки, особенно в условиях пикового газоотделения и наличия реакционных газов и паров в технологической камере.

Для этого в известной электронно-лучевой установке, содержащей откачиваемую технологическую камеру и электронную пушку, разделенные отверстием для транспортировки электронного луча, и систему напуска рабочего газа, выходное устройство последней (отверстие, сопло, решетка и т.п.) расположено со стороны пушки в пространстве перед отверстием для транспортировки электронного луча в технологическую камеру, а давление рабочего газа в этом пространстве не менее чем в 2,5 раза превышает давление в технологической камере; размеры отверстия для транспортировки электронного луча должны удовлетворять условию К_n <0,3, где K_n критерий Кнудсена; рабочим газом может быть легкий газ с атомной массой до 30.

В качестве электронных пушек могут использоваться как электронные пушки с накаленным катодом, так и газоразрядные электронные пушки с накаленным катодом, так и газоразрядные электронные пушки, снабженные (или не снабженные) в зависимости от уровня рабочего вакуума собственными, а при необходимости и промежуточными системами откачки. В случае использования газоразрядных электронных пушек пространство, в котором располагается входное устройство системы напуска рабочего газа, может служить одновременно разрядным пространством пушки.

Перечисленные признаки являются существенными, так как обеспечивают во время работы установки существование стационарного потока рабочего газа, направленного в технологическую камеру через отверстие для транспортировки электронного луча со скоростью большей, чем скорость звука в среде газов, заполняющих объем технологической камеры. Этот поток защищает электронную пушку от проникновения в нее газов и паров, а также от возмущений давления в технологической камере, возникающих в процессе ведения технологического процесса и распространяющихся, как известно [3] в сплошной газовой среде со скоростью звука, оказывая отрицательное воздействие на технические характеристики, долговечность и надежность работы пушки.

Предлагаемая установка состоит из технологической камеры и снабженной системой напуска рабочего газа электронной пушки, разделенных отверстием для транспортировки электронного луча. Выходное устройство системы напуска рабочего газа (отверстие, сопло, решетка и т.п.) расположено со стороны пушки в пространстве перед отверстием для транспортировки электронного луча в технологическую камеру.

Работа установки осуществляется следующим образом.

После предварительной откачки технологической камеры на предельный вакуум с помощью системы напуска рабочего газа в пространстве перед отверстием для вывода электронного луча в технологическую камеру устанавливают давление, не менее чем в 2,5 раза превышающее давление в технологической камере, затем установку выводят на основной технологический режим, при необходимости корректируя установленное давление.

В условиях разреженной газовой среды технологических электронно-лучевых установок в отверстии (канале) для вывода электронного луча в технологическую камеру течение рабочего газа со скоростью звука достигается, как показали исследования, при величине давления перед истечением, не менее чем в 2,5 раза превышающей давление в технологической камере и при условии
К_n <0,3,
где K_n= λ/d критерий Кнудсена;
λ средняя свободная длина пробега молекул рабочего газа перед истечением в технологическую камеру;
d диаметр отверстия (канала), соединяющего пушку с технологической камерой.

При значениях К_n > 0,3 в отверстии формируется режим молекулярного течения рабочего газа, при котором становится возможным проникновение в пушку из технологической камеры газов и паров, образующихся при ведении технологического процесса.

Так как скорость звука обратно пропорциональна плотности среды в качестве рабочего газа предпочтительно использовать легкие газы. Использование газов с атомной массой более 30, как показали исследования, преимуществ не дает.

Реализация предлагаемого технического решения была проведена на плавильной электронно-лучевой установке ЕМО-250 [2] путем замены штатной электронной пушки электронной пушкой высоковольтного тлеющего разряда, в разрядном пространстве которой с помощью системы подачи рабочего газа - водорода поддерживалось давление 6-8•10^-2 мм рт.ст. Давление в технологической камере не превышало 1•10^-2 мм рт.ст. Диаметр отверстия вывода электронного луча в технологическую камеру составлял 25 мм. Критерий Кнудсена, соответствующий состоянию рабочего газа в отверстии для вывода электронного луча в технологическую камеру, находится в пределах 0,04 -0,06.

Эксплуатация установки на уровне мощности до 300 кВт при переплаве ниобия показала существенное повышение надежности ее работы, увеличив среднюю величину времени бесперебойной работы более чем в 10 раз по сравнению с традиционным техническим решением [2] что в свою очередь увеличило производительность установки и выход годного металла.

Сущность изобретения: установка содержит откачиваемую технологическую камеру и электронную пушку, разделенные отверстием для транспортировки электронного луча, а также систему напуска рабочего газа. Новым является то, что выходное устройство системы напуска рабочего газа (отверстие, сопло, решетка и т.п.)<расположено со стороны пушки в пространстве перед отверстием для транспортировки электронного луча, давление рабочего газа в этом пространстве не менее, чем в 2,5 раза превышает давление в технологической камере, а размеры отверстия для транспортировки электронного луча удовлетворяют условию К_n <0,3, где К_n - критерий Кнудсена, причем в качестве рабочего газа выбран легкий газ с атомной массой не более 30. 1 з.п. ф-лы.

1. Электронно-лучевая установка, содержащая откачиваемую технологическую камеру и электронную пушку, разделенные отверстием для транспортировки электронного луча, а также систему напуска рабочего газа, отличающаяся тем, что выходное устройство системы напуска рабочего газа (отверстие, сопло, решетка и т.п.) расположено со стороны пушки в пространстве перед отверстием для транспортировки электронного луча, давление рабочего газа в этом пространстве не менее чем в 2,5 раза превышает давление в технологической камере, а размеры отверстия для транспортировки электронного луча удовлетворяют условию К_п <0,3, где К_п критерий Кнудсена. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве рабочего газа выбран легкий газ с атомной массой не более 30.