ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА С ПЛАЗМЕННЫМ ЭМИТТЕРОМ Российский патент 2001 года по МПК H01J3/02 

Изобретение относится к электроннолучевым устройствам и может быть использовано в электроннолучевой технологии, например, для сварки изделий в вакууме, в ускорительной технике, экспериментальной физике.

В технологии электроннолучевой сварки все большее применение находят плазменные источники электронов (ПИЭЛ) с высокой яркостью пучка, которые, как правило, состоят из газоразрядной камеры, электродами которой ограничивается область формирования эмиттирующей плазмы, системы ускорения электронов и первичного формирования пучка, а также эмиссионного канала, соединяющего эти области и определяющего степень их взаимного влияния.

Известно, что реальный ресурс эмиссионных систем ПИЭЛ ограничивается эрозией эмиттера в разряде, приводящей к изменению его геометрических размеров и запылению катодным материалом. Существенную роль может играть также разрушение узкого эмиссионного канала быстрыми ионами из ускоряющего промежутка и частицами из разряда (С.И. Белюк и др. Ресурс эмиссионной системы сварочной электронной пушки с плазменным катодом.- Автоматическая сварка, 1980, N 6, с. 74-75).

Известен энергоблок для электроннолучевой сварочной установки, содержащий пушку с плазменным эмиттером, разрядная камера которой состоит из полого катода, анода и эмиттерного катода, электронный пучок формируется между полым катодом и ускоряющим электродом (С. И. Белюк и др. Энергоблок для электроннолучевой сварочной установки, содержащий пушку с плазменным эмиттером. - Автоматическая сварка, 1988, N 11, с. 72-74).

Одним из недостатков таких пушек является малый ресурс работы, который ограничивается изменением геометрических размеров эмиссионного канала разрядной камеры, происходящим в результате бомбардировки катода ионами из ускоряющего промежутка и разряда.

Известна электронная пушка с плазменным эмиттером, содержащая полый катод, цилиндрический анод, эмиттерный катод с эмиссионным каналом в виде двух смежных цилиндрических полостей, систему извлечения, систему комбинированной фокусировки (М.А. Завьялов и др. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 63-64, рис. 3.14(а) - прототип).

Недостатком конструкции известной электронной пушки является нарушение стабильности рабочего процесса и снижение эффективности извлечения электронного пучка вследствие разрушения полости эмиссионного канала, обращенной в сторону ускоряющего промежутка, и торцевых поверхностей катодов, обращенных внутрь разрядной камеры, под действием ионной бомбардировки. Для восстановления эксплуатационных характеристик пушки вследствие изменения геометрических размеров полостей эмиссионного канала под действием ионной бомбардировки требуется замена эмиттерного катода.

Изготовление эмиттерного катода, имеющего сложную конфигурацию, и получение эмиссионных каналов с требуемой глубиной меньшей полости достаточно трудоемкая операция. В случае отклонения глубины меньшей полости в большую сторону от оптимальной электронная пушка не обеспечивает номинальный ток пучка при том же токе разряда. Если глубина полости меньше оптимальной, то извлечение пучка электронов в диапазоне малых токов становится не устойчивым, что недопустимо для электроннолучевой сварки при выводе кратера.

Целью изобретения является повышение устойчивости рабочего процесса, стабилизация эффективности извлечения электронного пучка и снижение трудоемкости профилактического обслуживания электронной пушки.

Указанная цель достигается тем, что в известной электронной пушке с плазменным эмиттером, содержащей полый катод, цилиндрический анод, эмиттерный катод с эмиссионным каналом в виде двух смежных цилиндрических полостей, систему извлечения и систему комбинированной фокусировки, отношение глубины цилиндрической полости канала эмиссии, обращенной к системе извлечения пучка, к ее диаметру составляет 0,1-0,25, упомянутая полость образована отверстием в сменной шайбе, установленной в цилиндрической полости канала эмиссии, обращенной в сторону полого катода, состоящего из двух частей, причем часть, содержащая катодную, полость является сменной, а торцевые поверхности сменной части полого катода и эмиттерного катода, обращенные внутрь разрядной камеры, и сменная шайба выполнены из материала, стойкого к ионной бомбардировке (например, тантал).

Выполнение полого катода из двух частей - корпуса и сменной вставки - и использование сменной шайбы в эмиттерном катоде позволяют, не отключая пушку от установки, вскрыть ускоряющий промежуток и без больших трудозатрат произвести профилактическое обслуживание полого и эмиттерного катодов.

Выполнение сменной шайбы и торцевых поверхностей катодов из материала, стойкого к ионной бомбардировке, значительно снижает эрозию основного материала эмиттерного и полого катодов, практически исключает замыкание межэлектродных промежутков разрядной камеры продуктами эрозии и позволяет длительное время сохранять оптимальным соотношение геометрических размеров полостей эмиссионного канала.

Заявляемая электронная пушка с плазменным эмиттером отличается от прототипа тем, что отношение глубины цилиндрической полости канала эмиссии, обращенной к системе извлечения пучка, к ее диаметру составляет 0,1-0,25, упомянутая полость образована отверстием в сменной шайбе, установленной в цилиндрической полости канала эмиссии, обращенной в сторону полого катода, состоящего из двух частей, причем часть, содержащая катодную полость, является сменной, а торцевые поверхности сменной части полого катода и эмиттерного катода, обращенные внутрь разрядной камеры, и сменная шайба выполнены из материала, стойкого к ионной бомбардировке (например, тантал).

Таким образом, заявляемая электронная пушка соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями, показывает, что выполнение поверхности электродов и эмиссионного канала из материала, стойкого к ионной бомбардировке, позволяет получить новую совокупность признаков, обеспечивающих достижение нового эффекта: повышение устойчивости рабочего процесса электронной пушки, стабилизацию эффективности извлечения электронного пучка и снижение трудоемкости профилактического обслуживания за счет исключения магнитных продуктов эрозии в межэлектродных промежутках разрядной камеры и повышения срока службы полости эмиссионного канала, обращенной в сторону ускоряющего промежутка, то есть заявляемое решение обладает существенными отличиями.

Изобретение поясняется фиг. 1, на которой схематично изображено продольное сечение электронной пушки с плазменным эмиттером.

Разрядная камера образована полым катодом, состоящим из корпуса 1 и вставки 2 с катодной полостью 3, цилиндрическим анодом 4 и эмиттерным катодом 5. Канал эмиссии эмиттерного катода 5 образован двумя смежными цилиндрическими полостями 6, 7 и связывает разрядную камеру с ускоряющим промежутком, который заключен между катодом 5 и извлекающим электродом 8. Большая полость 6 обращена в сторону полого катода. Меньшая полость 7 образована отверстием в сменной шайбе 9 и обращена в сторону ускоряющего промежутка. Шайба 9 установлена в полости 6 и зафиксирована стопорным кольцом 10. Торцевые поверхности 11 катодов и шайба 9 выполнены из материала, стойкого к ионной бомбардировке.

На фиг. 2 показан отдельно эмиссионный канал в эмиттерном катоде 5.

При подаче напряжения на электроды разрядной камеры в пространстве, ограниченном полым и эмиттерным катодами, зажигается отражательный разряд с полым холодным катодом. Плазма газового разряда заполняет разрядную камеру и канал эмиссии. При наличии ускоряющего напряжения между электродами 5 и 8 в канале формируется эмиссионная поверхность плазмы, с которой происходит отбор электронов в ускоряющий промежуток. Через этот же канал из ускоряющего промежутка в разрядную камеру попадают высокоэнергетические ионы, образованные в результате ионизации электронным пучком паров сварочной ванны и остаточной атмосферы рабочей камеры. Эти ионы вызывают эрозию торцевых поверхностей катодов и в первую очередь разрушают канал эмиссии.

Эффективность извлечения электронов определяется их концентрацией у эмитирующей поверхности плазмы и площадью этой поверхности, которая формируется в эмиссионном канале. Известно, что концентрация электронов в плазме на оси канала уменьшается в направлении ускоряющего промежутка (Габович М.Д. и др. Письма в ЖТФ, 1980, т. 6, вып. 24, с. 1509). Таким образом, стремление повысить эффективность токоотбора требует уменьшения глубины (h) полости 7. При уменьшении глубины меньшей полости 7 эмиссионного канала эмитирующая поверхность плазмы перемещается из полости 7 в полость 6. Площадь эмиссионной поверхности при этом увеличивается и эффективность извлечения электронного пучка возрастает.

Однако при отношении глубины, меньшей полости эмиссионного канала к ее диаметру, меньше 0,1, то есть h/d < 0,1, происходит слишком большое проникновение ускоряющего поля в полость 6, что вызывает нарушение устойчивости извлечения пучка электронов, особенно в диапазоне малых токов (при выводе кратера).

При отношении h/d > 0,25 эффективность извлечения электронов с поверхности плазмы резко падает и становится практически неприемлемой для эксплуатации пушки.

Толщина шайбы 9, изготовленной из прецизионного проката, определяет глубину полости 7 и выбрана из соотношения 0,1≅h/d ≅0,25, которое подобрано экспериментально из условия устойчивости рабочего процесса и стабилизации эффективности извлечения электронного пучка. Поскольку отверстие в шайбе 9 выполняет роль эмиссионного канала и подвергается интенсивной бомбардировке ионами с высокой энергией из ускоряющего промежутка, то шайбу выполняют из материала, стойкого к ионной бомбардировке, например молибдена, тантала. Это позволяет длительное время сохранять оптимальным соотношение размеров меньшей полости эмиссионного канала.

Эмиттерный и полый катоды выполняют роль полюсных наконечников в магнитной системе разрядной камеры электронной пушки, поэтому для их изготовления требуются металлы с большой магнитной проницаемостью (например, сталь 40Х, сталь 45), которые, как известно, имеют низкую стойкость к ионной бомбардировке.

Ионная бомбардировка приводит к выбиванию частиц катодов в объем разрядной камеры и ухудшению технологических характеристик тлеющего разряда, нарушению устойчивости рабочего процесса. Кроме того, продукты эрозии катодов собираются под действием магнитного поля в межэлектродных промежутках разрядной камеры и вызывают замыкание между катодами и анодом.

Вышедшие из строя катоды не подлежат реставрации, а восстановление работоспособности пушки требует проведения профилактического обслуживания в условиях специализированной мастерской.

Реальной возможностью повысить ресурс работы электронной пушки и сохранить устойчивость рабочего процесса является выполнение торцевых поверхностей катодов и меньшей полости эмиссионного канала из материалов, стойких к ионной бомбардировке. В ряду таких материалов молибден обладает самой высокой стойкостью к распылению. Однако в качестве материала был выбран тантал, так как применение молибдена вызвало повышение стартового тока разряда и как следствие модуляцию электронного пучка на малых токах, то есть неустойчивую работу пушки.

Покрытия типа силицид вольфрама или тугоплавкий оксид не повышают ресурс работы полого катода (В.Ф. Гордеев и др. Термоэмиссионные дуговые катоды, M. , ЭАИ, 1988, с. 70-74). Эти вещества, при высокой температуростойкости в нейтральных и окислительных средах нестойки в восстановительных средах и при ионной бомбардировке. Они не обеспечивают также достаточной эмиссионной способности рабочих поверхностей катодов.

Следует отметить, что материал, используемый для защиты холодного катода в пушке с плазменным эмиттером, ни в коей мере не может быть использован для защиты горячего катода, так как интенсивно окисляется и проявляет геттерные свойства с температуры выше 600 K.

В качестве примера на фиг. 3, 4 показаны торцевая часть вставки полого катода без защитного покрытия и ее продольный разрез после выхода из строя электронной пушки (80 ч работы при I_п = 15 mA, U_уск. = 30 кВ). Несколько меньшей эрозии подвергается торцевая поверхность эмиттерного катода, на которую попадают ионы, отраженные от полого катода.

На фиг. 5, 6 показаны торцевая часть вставки полого катода с защитным покрытием из тантала и ее продольный разрез после 280 ч работы пушки в режиме, приведенном выше.

Как видно из фиг. 5 и 6, эрозия торцевой поверхности вставки полого катода значительно меньше, и износ ее не достиг критического уровня, при котором электронная пушка неработоспособна.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить стабильность работы непрерывных поточных линий, использующих электронные пушки с плазменным эмиттером и снизить трудоемкость профилактического обслуживания электронных пушек.

Положительным эффектом является и то, что шайбы, вырубленные из прецизионного листового проката, обеспечивают высокую точность воспроизведения требуемых размеров меньшей полости эмиссионного канала.

Изобретение относится к электроннолучевым устройствам и может быть использовано в электроннолучевой технологии, например, для сварки изделий в вакууме, в ускорительной технике, экспериментальной физике. Пушка содержит полый катод, систему извлечения, систему фокусировки, цилиндрический анод и эмиттерный катод с каналом эмиссии. Отношение глубины цилиндрической полости канала эмиссии, обращенной к системе извлечения пучка, к ее диаметру составляет 0,1-0,25, упомянутая полость образована отверстием в сменной шайбе, установленной в цилиндрической полости канала эмиссии, обращенной в сторону полого катода, состоящего из двух частей, при этом часть, содержащая катодную полость, является сменной, а торцевые поверхности сменной части полого катода и эмиттерного катода, обращенные внутрь разрядной камеры, и сменная шайба выполнены из тантала. Изобретение обеспечивает повышение устойчивости рабочего процесса, стабилизацию эффективности извлечения электронного пучка и снижение трудоемкости профилактического обслуживания электронной пушки. 6 ил.

Электронная пушка с плазменным эмиттером, содержащая полый катод, цилиндрический анод и эмиттерный катод с каналом эмиссии, выполненным в виде двух смежных цилиндрических полостей, систему извлечения, систему комбинированной фокусировки, отличающаяся тем, что отношение глубины цилиндрической полости канала эмиссии, обращенной к системе извлечения пучка, к ее диаметру составляет 0,1 - 0,25, упомянутая полость образована отверстием в сменной шайбе, установленной в цилиндрической полости канала эмиссии, обращенной в сторону полого катода, состоящего из двух частей, при этом часть, содержащая катодную полость, является сменной, а торцевые поверхности сменной части полого катода и эмиттерного катода, обращенные внутрь разрядный камеры, и сменная шайба выполнены из тантала.