ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2002 года по МПК H01J37/30 C23C14/30 B23K15/00 

Изобретение относится к приборам, предназначенным для электронно-лучевой обработки объектов, и может использоваться для обработки изделий электронным лучом как при вертикальном, так и при горизонтальном положении рабочей камеры и лучевого тракта, в том числе в условиях низкого вакуума в рабочей камере.

Известна электронно-лучевая установка для микросварки и микрообработки изделий в вакууме, содержащая триодную электронную пушку, установленную на торце цилиндрического вакуумного корпуса, аксиально-симметричный блок транспортировки электронного пучка, рабочую камеру с координатным столом. Питание установки осуществляется от высоковольтного источника, выполненного по схеме с промежуточным преобразованием частоты и выходным выпрямительно-конденсаторным умножителем напряжения. Блок автоматического управления обеспечивает стабилизацию высокого напряжения по сигналу с высокоомного делителя напряжения, а также подавление пульсаций напряжения на выходе с помощью контура, который формирует напряжение в противофазе с напряжением пульсаций [1].

Основными недостатками данного устройства являются отсутствие возможности механической юстировки блока транспортировки электронного пучка, что ограничивает функциональные возможности установки, и большая протяженность тракта ускорения пучка в условиях поддержания высокого вакуума (не ниже 10^-5 мм рт. ст.) в рабочей камере, необходимого для стабилизации положения и диаметра электронного пучка. При возникновении случайного пробоя в электронно-лучевом тракте или в рабочей камере, а также при любых механизмах повышения давления, несмотря на быстродействующую защиту, пучок попадает на промежуточные электроды тракта; при этом нарушается симметрия элементов блока транспортировки пучка и, в итоге, сокращается ресурс установки в целом. Кроме того, габариты установки достаточно велики.

Известна также электронно-лучевая установка, содержащая вакуумный корпус с откачным патрубком, внутри которого последовательно размещены закрепленная на торце корпуса триодная электронная пушка, аксиально симметричная система транспортировки электронного пучка с магнитными линзами и вырезающими диафрагмами и вмонтированная в вакуумный корпус фокусирующая магнитная линза с двухполюсным наконечником, формирующая выходящий из вакуумного корпуса электронный пучок. Установка содержит также рабочую камеру с откачным патрубком и координатным столом, вход которой сопряжен с выходом вакуумного корпуса через систему дифференциальной откачки с диафрагмами, обеспечивающими необходимый перепад давлений между рабочей камерой и зоной формирования электронного пучка. Система питания установки снабжена датчиками контроля режимов питания накала, управляющего электрода пушки и магнитных линз, подключенными к соответствующим выводам блока автоматического управления режимом транспортировки электронного пучка [2]. Данная конструкция как наиболее близкая к предлагаемой принята за прототип.

По сравнению с установкой [1] данная конструкция компактнее, удобнее в эксплуатации, в ней легче управлять электронным лучом. Наличие на выходе вакуумного корпуса фокусирующей магнитной линзы обеспечивает развязку рабочей камеры от вакуумного объема, в котором происходит транспортировка электронного пучка. Это повышает надежность и позволяет проводить размерную обработку деталей. Однако и в данной конструкции отсутствует возможность механической юстировки системы транспортировки электронного пучка. Это не позволяет компоновать и использовать вакуумный корпус пушки и электронного тракта в горизонтальном положении, что ограничивает функциональные возможности установки. Из-за возможного развития пучково-плазменного разряда в рабочей камере и расфокусировки пучка необходимо поддерживать в ней высокий вакуум. При возникновении частичных разрядов или пробоев в электронно-лучевом тракте или в рабочей камере необходимо быстрое отключение высоковольтного источника питания, выдержка паузы для восстановления вакуума и повторное включение цепей питания. В переходных режимах такого типа неизбежно происходит перераспределение энергии источника питания и луча, повышается термический износ основных элементов лучевого тракта и сокращается ресурс установки. Габариты установки также не вполне отвечают современным требованиям.

Настоящее изобретение решает задачу расширения функциональных возможностей установки при одновременном уменьшении ее габаритов, повышении надежности и эксплуатационного ресурса.

Для решения этой задачи в известной электронно-лучевой установке, содержащей вакуумный корпус с откачным патрубком, внутри которого последовательно размещены установленная в торце триодная электронная пушка, аксиально-симметричная система транспортировки электронного пучка с магнитными линзами и вырезающими диафрагмами и вмонтированная в вакуумный корпус фокусирующая магнитная линза с двухполюсным наконечником, формирующая выходящий из вакуумного корпуса электронный пучок, рабочую камеру с откачным патрубком и координатным столом, вход которой сопряжен с выходом вакуумного корпуса через систему дифференциальной откачки с диафрагмами, обеспечивающими необходимый перепад давления между рабочей камерой и зоной формирования электронного пучка, систему питания с датчиками контроля режимов питания накала, управляющего электрода пушки и магнитных линз, подключенными к соответствующим выводам блока автоматического управления режимом транспортировки электронного пучка, аксиально-симметричная система транспортировки электронного пучка выполнена в виде секции, установленной с возможностью поступательно-вращательного перемещения относительно продольной оси вакуумного корпуса, на торцевом фланце которой закреплен анод триодной пушки, причем в нее введены датчики контроля тока и положения пучка, подключенные к соответствующим выводам блока автоматического управления режимом транспортировки электронного пучка, катодный блок пушки смонтирован с возможностью поворота на 90^o относительно продольной оси вакуумного корпуса, рабочая камера совмещена с системой дифференциальной откачки и содержит на входе промежуточную камеру, образованную внешней частью корпуса рабочей камеры, полюсными наконечниками магнитной линзы и откачным патрубком, а диафрагмы системы дифференциальной откачки установлены между внешним полюсным наконечником фокусирующей магнитной линзы и стенкой рабочей камеры, причем первая диафрагма выполнена в виде усеченного конуса, установленного осесимметрично в верхнем основании внешнего корпуса полюсного наконечника, а вторая диафрагма установлена в стенке рабочей камеры и снабжена вакуумным клапаном.

Для обеспечения возможности работы в горизонтальном положении рабочая камера может быть выполнена в виде горизонтального цилиндра, сопряженного ортогонально через систему диафрагм с вакуумным корпусом, а координатный стол может быть выполнен в виде коаксиальной вращающейся цилиндрической поверхности.

Для обеспечения возможности поворота катодного блока пушки на 90^o относительно продольной оси вакуумного корпуса он может быть смонтирован на изоляторе с вакуумным кабельным вводом и размещен в камере, снабженной шарнирным поворотным фланцем и вакуумно-плотно состыкованной с вакуумным корпусом.

Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлена схема предлагаемой электронно-лучевой установки;
на фиг.2 - вид сбоку вакуумного корпуса с рабочей камерой;
на фиг.3 - рабочая камера с системой дифференциальной откачки;
на фиг.4 - вариант конструкции катодного блока электронной пушки.

Предлагаемая электронно-лучевая установка содержит вакуумный корпус 1 с откачным патрубком 2; в вакуумном корпусе 1 последовательно размещены: установленная в торце триодная электронная пушка 3, секция 4 транспортировки электронного пучка и фокусирующая магнитная линза 5 с двухполюсными наконечниками 6 и 7, формирующая выходящий из вакуумного корпуса 1 электронный пучок 8. Магнитная линза 5 снабжена наружным магнитопроводом 9.

Электронная пушка 3 содержит анод 10, жестко закрепленный на торце секции 4 транспортировки электронного пучка, и катодный блок 11, включающий прямонакальный катод 12 и управляющий электрод 13.

В данном варианте выполнения катодный блок 11 смонтирован на изоляторе 14 с вакуумным кабельным вводом питания 15 и размещен в камере 16, снабженной поворотным магнитным фланцем 17. Фланец 17 обеспечивает вакуумно-плотное сочленение камеры 16 с вакуумным корпусом 1 и возможность поворота катодного блока 11 на 90^o относительно продольной оси корпуса 1. Как правило, катодный блок 11 окружают электростатическим экраном 18. Внутри секции 4 транспортировки электронного пучка вдоль оси пучка 8 установлены юстировочная магнитная линза 19, вырезающая диафрагма 20, заземленная выводом 21, стигматор 22 и датчики контроля тока и положения пучка 23 и 24.

Выход вакуумного корпуса 1 сопряжен с входом рабочей камеры 25 с откачным патрубком 26 и координатным столом 27 через систему дифференциальной откачки, которая совмещена с рабочей камерой 25 и содержит на входе промежуточную камеру 28 с откачным патрубком 29, образованную внешней частью 30 корпуса рабочей камеры 25, внешним полюсным наконечником 7 магнитной линзы 5 и откачным патрубком 29 (см. фиг.2). Диафрагмы 31 и 32 системы дифференциальной откачки регулируют перепад давления между зоной формирования электронного пучка внутри секции 4 и рабочей камерой 25 и установлены между внешним полюсным наконечником 7 магнитной линзы 5 и стенкой рабочей камеры 25. Первая диафрагма 31 выполнена в виде усеченного конуса, установленного осесимметрично в верхнем основании внешнего полюсного наконечника 7 магнитной линзы 5, а вторая диафрагма 32 размещена в стенке рабочей камеры 25 и снабжена вакуумным клапаном 33. Вакуумный корпус 1 содержит вакуумно-плотный патрубок 34 с крышкой, в которой установлены толкатели 35 для поступательно-вращательного перемещения опоры 36 секции 4 и котировочных магнитных линз 19 и 22 (см. фиг 2).

Система питания установки содержит высоковольтный источник 37, к которому через блок 38 автоматического управления режимом транспортировки электронного пучка подключены цепи 39 и 40 питания накала и управляющего электрода пушки соответственно, а также цепи питания 41, 42 и 43 магнитных линз. Система питания установки содержит также датчики контроля режимов питания накала, управляющего электрода пушки и магнитных линз, подключенных к соответствующим выводам блока 38 автоматического управления режимом транспортировки электронного пучка (на чертеже не показаны). Для стабилизации режима высоковольтного источника 37 служит блок 44.

Выводы 45 и 46 датчиков контроля тока 23 и положения 24 пучка 8, размещенных внутри секции 4, подключены к соответствующим выводам блока 38 автоматического управления режимом транспортировки электронного пучка.

Предлагаемая электронно-лучевая установка работает следующим образом.

Перед началом работы проводится механическая юстировка секции 4 путем поступательно-вращательного перемещения опоры 36 относительно оси корпуса 1. В процессе этой юстировки выверяется положение магнитных линз 19 и 22, вырезающей диафрагмы 20 и анода 10 электронной пушки 3.

Затем производится включение откачной системы. После получения в корпусе 1 и промежуточной камере 28 рабочего вакуума порядка 10^-5 мм рт. ст. давление в рабочей камере, поддерживаемое форвакуумным насосом, может оставаться в пределах ~10^-2 мм рт. ст.

После достижения необходимого вакуума включается блок 38 автоматического управления режимом транспортировки электронного пучка, который обеспечивает программный пуск системы, начиная с подачи питания накала на катод 12 триодной пушки 3 и подачи напряжения на управляющий электрод 13 через цепи питания 39 и 40 соответственно, а также включение, регулирование и стабилизацию напряжения высоковольтного источника 37. Блок управления 38 обеспечивает также регулирование, стабилизацию и синхронизацию работы цепей питания 41,42 и 43 магнитных линз 5, 19 и 22. При этом в предлагаемой установке осуществляется обратная связь не только по току и напряжению источника питания, но и через датчики 23 и 24 непосредственно по току самого пучка 8.

При возникновении в процессе работы установки переходных режимов в системе транспортировки электронного пучка стабилизация процесса осуществляется по сигналам с датчиков 23 и 24 и сигналам, поступающим в систему автоматического управления 38 от высоковольтного источника 37, цепи питания накала 39 и цепи питания управляющего электрода 40. При этом осуществляется стабилизация и синхронизация как высоковольтного источника 37 и цепей 39 и 40, так и источников питания 41, 42 и 43 магнитных линз 5, 19 и 22. В результате система транспортировки электронного пучка выходит на новый устойчивый режим, где параметрам электронной пушки 3, задаваемым источниками 37, 39 и 40, соответствуют пропорциональные токи магнитных линз 5, 19 и стигматора 22.

Электронный пучок 8, формируемый точечной областью катода 12 и электрическим полем в системе управляющий электрод 13 - анод 10, движется в эквипотенциальном пространстве секции транспортировки 4. В области полюсных наконечников 6 и 7 магнитной линзы 5 после открытия вакуумного клапана 33 диафрагмы 32 навстречу выводимому электронному пучку 8 движется поток газа, давление которого падает по мере прохождения через диафрагмы 31 и 32, сообщающиеся с промежуточной камерой 28, расположенной на входе рабочей камеры 25. Пройдя промежуточную камеру 28, электронный пучок 8 достигает обрабатываемой детали, размещаемой на координатном столе 27. Обработка детали осуществляется по заданной программе.

В процессе работы установки в поперечном сечении конусных наконечников 6 и 7 магнитной линзы 5, совмещающих функции диафрагм перепада давления, с помощью элементов 31 и 32 формируется дополнительная слабая индукционная связь магнитного поля и тока пучка, которая участвует в общей динамике пучково-плазменного взаимодействия, происходящего в рабочей камере 25 и непосредственно на обрабатываемой детали, находящейся на координатном столе 27. При этом вероятность развития пробоя либо зажигания пучково-плазменного разряда существенно снижается, поскольку электронный пучок 8 на выходе из конусной индукционной системы 6, 7 и диафрагм 31 и 32 оказывается "замагниченным", т. е. несущим собственное магнитное поле. В этих условиях возможно только протекание начальной фазы пучково-плазменного разряда, приводящего к нейтрализации заряда пучка, но при сохранении поперечных размеров и условий фокусировки пучка на обрабатываемой детали. Поэтому в технологических процессах размерной обработки диэлектрических материалов снимается проблема электростатического наведения заряда на поверхность диэлектрика и потери качества размерной обработки из-за взаимодействия электрических полей пучка и обрабатываемой диэлектрической детали.

Введение датчиков тока 23 и положения 24 пучка, размещенных вдоль оси вакуумного корпуса 1, позволяет корректировать движение электронного пучка 8 внутри вакуумного корпуса 1 путем точного учета параметров реального пучка. При изменении тока пучка по сигналу датчиков 23 и 24, подключенных к блоку 38 автоматического управления режимом транспортировки электронного пучка, происходит корректировка магнитных линз 5, 19 и стигматора 22. Кроме того, размещение анода 10 электронной пушки 3 и магнитных линз 5, 19 и 22 в секции 4, обладающей возможностью поступательно-вращательного перемещения относительно продольной оси вакуумного корпуса 1, позволяет при настройке системы транспортировки пучка (как механической, так и магнитной) обеспечить оптимальное согласование параметров триодной электронной пушки 3 (первеанса, степени фокусировки пучка на входе в анодное отверстие) с полями (электрическими и магнитными) тракта транспортировки электронного пучка в номинальном режиме конкретного технологического процесса.

В результате обеспечивается удержание электронного пучка 8 на оси вакуумного корпуса как при горизонтальном, так и при вертикальном положении корпуса 1, что значительно расширяет функциональные возможности установки.

Важным преимуществом предлагаемой установки является осуществление вывода электронного пучка из высоковакуумной зоны транспортировки и фокусировки в рабочую камеру кратчайшим путем. Действительно, электронный пучок 8, выходящий из вакуумного корпуса 1, попадает через промежуточную камеру 28 в рабочую камеру 25 и оказывается сфокусированным в поперечном сечении диафрагмы 32, установленной в стенке рабочей камеры 25. Таким образом, отсутствует отрезок пути электронного пучка, на котором обычно происходят флуктуации и нарушается юстировка. Наличие промежуточной камеры, не удлиняя пути электронного пучка, одновременно позволяет обеспечить промежуточную дифференциальную откачку через патрубок 29, снижает габариты установки и повышает ее надежность, так как промежуточная камера 28 обеспечивает надежную вакуумную развязку процессов в секции транспортировки пучка 4 и в рабочей камере 25.

Наличие в диафрагме 32 вакуумного клапана 33 позволяет перекрывать объем рабочей камеры при смене образцов.

В предлагаемой установке возможна оперативная замена любых элементов тракта пучка, а также механическая и электромагнитная юстировка и коррекция параметров пучка при горизонтальном положении рабочей камеры 25 и вакуумного корпуса 1.

Конструкция рабочей камеры 25, функционирующей при давлении порядка 10^-2 мм рт. ст., оптимальна для таких технологических и исследовательских процессов, как упрочение, закаливание, легирование, металлизация керамики, нанесение полупроводниковых и диэлектрических покрытий.

При этом сохраняются все преимущества бесконтактного способа механической обработки изделий электронно-плазменным пучком.

Наличие поворотного фланцевого соединения катодного блока пушки и подвижной съемной юстировочной секции 4, в которую вмонтированы все элементы тракта транспортировки пучка, обеспечивает удобство наладки и эксплуатации установки.

Был изготовлен и испытан экспериментальный образец предлагаемой установки.

Для изготовления вакуумного корпуса 1 и откачных патрубков использовались нержавеющие и немагнитные стали. Электронная пушка 3 имела прямонакальный катод из вольфрама, а управляющий электрод и анод - из нержавеющей стали. Катодный блок 11 был смонтирован на изоляторе из керамики 22 ХС.

Вырезающая диафрагма 20 изготавливалась из молибдена, а диафрагмы системы дифференциальной откачки 31 и 32 и вакуумный клапан 33 - из нержавеющей стали. Полюсные наконечники 6 и 7 магнитной линзы 5 выполнялись из магнитомягкой стали АРМКО.

Для изготовления вакуумного кабельного ввода 15 использовался кабель КВЭЛ-60, снабженный несколькими промежуточными экранами.

Стигматор 22 представлял собой четырехполюсную магнитную линзу с механическим устройством для поворота вокруг продольной оси секции транспортировки электронного пучка 4 и перемещения в плоскости, ортогональной оси электронного пучка.

Датчики тока и положения пучка 23 и 24 выполнялись в виде поясов Роговского, намотанных на ферритовые кольца.

Система автоматического управления режимом транспортировки электронного пучка может выполняться по аналогии с известными системами (см., например, В. М. Спивак и др. "Системы управления лучевых технологических установок", Киев, 1988, с.202-211, рис.5.2, 5.4).

Цепи питания накала и управляющего электрода пушки 39 и 40, а также цепи питания 41, 42 и 43 магнитных линз могут выполняться по универсальной схеме транзисторно-импульсного преобразователя, которая обеспечивает регулируемый частотно-импульсный режим питания (см., например, Справочник по преобразовательной технике под ред. И.Н. Чиженко, Техника, 1988, с.221, рис.5-13).

Рабочая камера выполнялась в виде горизонтального цилиндра из нержавеющей стали и имела объем 50 л. Время откачки рабочей камеры до давления 10^-2 мм рт. ст. составлял ~ 60 сек.

Координатный стол был выполнен из бронзы в виде коаксиальной вращающейся цилиндрической поверхности.

На собранной установке проводились эксперименты по гравировке на очень твердых диэлектрических материалах (кварц, гранит), а также проводилась различная обработка поверхности тугоплавких металлов (тантал, титан) и полупроводников.

Глубина проникновения электронного пучка превышала его диаметр в десятки, а на некоторых материалах и в сотни раз. Эффективность обработки фактически не зависела от механических свойств материалов (твердости, хрупкости, пластичности), так как механизм преобразования энергии действует в пределах диаметра электронного пучка.

Глубина проникновения электронного пучка для таких материалов, как тантал, титан составляла 0,5-1,0 мм, а для диэлектриков - 2÷3 мм.

Точность обработки была не хуже 5-10% даже для материалов с низкой теплопроводностью.

Производительность установки по сравнению с известными увеличилась в 1,5-2 раза.

Источники информации
1. Спивак В.М. и др. Системы управления лучевых технологических установок. - Киев, 1988. - С.202-206, рис.52.

2. Кабанов А.Н. и др. Электронно-лучевая установка типа ЭЛУРО для прецизионной сварки, пайки и размерной обработки. - Автоматическая сварка. - 1967. - 3. - С.72-75 (прототип).

Изобретение относится к приборам для электронно-лучевой обработки объектов и может использоваться для обработки изделий электронным лучом как при вертикальном, так и при горизонтальном положении рабочей камеры и лучевого тракта, в том числе в условиях низкого вакуума в рабочей камере. Техническим результатом является стабилизация положения и размеров пучка в переходных режимах. В установке система транспортировки электронного пучка выполнена в виде секции, установленной с возможностью поступательно-вращательного перемещения относительно продольной оси вакуумного корпуса, в котором размещена триодная электронная пушка, на торцевом фланце секции транспортировки электронного пучка закреплен анод электронной пушки и в нее введены датчики контроля тока и положения пучка, а катодный блок пушки смонтирован с возможностью поворота на 90^o относительно продольной оси вакуумного корпуса. Полюсные наконечники магнитной линзы, установленной на выходе вакуумного корпуса, совмещают функции системы дифференциальной откачки. Эти особенности конструкции обеспечивают эффективность технологического процесса в горизонтальном положении пушки и камеры, а также в условиях невысокого вакуума в зоне обработки изделий. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электронно-лучевая установка, содержащая вакуумный корпус с откачным патрубком, внутри которого последовательно размещены установленная в торце триодная электронная пушка, аксиально-симметричная система транспортировки электронного пучка с магнитными линзами и вырезающими диафрагмами и вмонтированная в вакуумный корпус фокусирующая магнитная линза с двухполюсным наконечником, формирующая выходящий из вакуумного корпуса электронный пучок, рабочую камеру с откачным патрубком и координатным столом, вход которой сопряжен с выходом вакуумного корпуса через систему дифференциальной откачки с диафрагмами, обеспечивающими необходимый перепад давления между рабочей камерой и зоной формирования электронного пучка, систему питания, содержащую высоковольтный источник и цепи питания накала и управляющего электрода, подключенные к соответствующим электродам триодной пушки, цепи питания магнитных линз и датчики контроля режимов питания накала, управляющего электрода пушки и магнитных линз, подключенные к соответствующим выводам блока автоматического управления режимом транспортировки электронного пучка, отличающаяся тем, что аксиально-симметричная система транспортировки электронного пучка выполнена в виде секции, установленной с возможностью поступательно-вращательного перемещения относительно продольной оси вакуумного корпуса, на торцевом фланце которой закреплен анод триодной пушки, причем в нее введены датчики контроля тока и положения пучка, подключенные к соответствующим выводам блока автоматического управления режимом транспортировки электронного пучка, катодный блок пушки смонтирован с возможностью поворота на 90^o относительно продольной оси вакуумного корпуса, рабочая камера совмещена с системой дифференциальной откачки и содержит на входе промежуточную камеру, образованную внешней частью корпуса рабочей камеры, полюсным наконечником магнитной линзы и откачным патрубком, а диафрагмы системы дифференциальной откачки установлены между внешним полюсным наконечником фокусирующей магнитной линзы и стенкой рабочей камеры, причем первая диафрагма выполнена в виде усеченного конуса, установленного осесимметрично в верхнем основании внешнего конуса полюсного наконечника, а вторая диафрагма установлена в стенке рабочей камеры и снабжена вакуумным клапаном. 2. Электронно-лучевая установка по п. 1, отличающаяся тем, что рабочая камера выполнена в виде цилиндра, сопряженного ортогонально через систему диафрагм с вакуумным корпусом, а координатный стол выполнен в виде вращающейся цилиндрической поверхности. 3. Электронно-лучевая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что катодный блок пушки смонтирован на изоляторе с вакуумным кабельным вводом и размещен в вакуумной камере, снабженной шарнирным поворотным фланцем и вакуумноплотно состыкованной с вакуумным корпусом.