ЭЛЕКТРОННАЯ ОТПАЯННАЯ ПУШКА ДЛЯ ВЫВОДА ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА ИЗ ВАКУУМНОЙ ОБЛАСТИ ПУШКИ В АТМОСФЕРУ ИЛИ ИНУЮ ГАЗОВУЮ СРЕДУ Российский патент 2003 года по МПК H01J3/02 H01J23/06 H01J29/48 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электронным пушкам, обеспечивающим вывод электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, и предназначено для использования, например, в области медицины: стерилизация медицинских инструментов, имплантируемых изделий и материалов. Оно может быть использовано также для радиационной полимеризации, для радиационной модификации полиэтилена и других полимеров, для исследований воздействия радиации на свойства различных материалов. Изобретение может быть также использовано и для создания электроионизационных лазеров.

Уровень техники
Радиационная обработка с помощью потока ускоренных электронов является высокопроизводительным, надежным и экологически чистым способом стерилизации изделий и материалов. Она широко применяется и в других областях радиационной технологии.

Для радиационной обработки используются различные конструкции пушек. Эти пушки содержат катод, фокусирующий электрод и анод с окном вывода электронов, через которое формируемый в вакуумной области электронный поток выводится в атмосферу или иную газовую среду.

Известна электронная пушка для формирования электронного потока с большим поперечным сечением [1]. Пушка содержит соосно расположенные цилиндрический катод с торцевой сферической эмиттирующей поверхностью, первый фокусирующий электрод, имеющий форму цилиндрического стакана с пролетным отверстием в торцевой части, и анод, выполненный в виде полого цилиндра, в торцевой части которого вакуумно-плотно размещено окно вывода электронов, при этом в центре сферической поверхности катода сделан неэмиттирующий участок, а в боковой цилиндрической части фокусирующего электрода выполнена сквозная кольцевая проточка с перемычками.

В этой пушке формируется расходящийся электронный поток с равномерным распределением плотности тока на окне, при этом размеры электронного потока на окне существенно больше радиуса катода. Однако в такой пушке электронный поток на окне имеет форму круга, что существенно ограничивает области ее применения.

Наиболее близкой по технической сущности является электронная отпаянная пушка, выводящая протяженный электронный пучок из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду [2]. Пушка содержит корпус (анод), выполненный в виде металлической трубы прямоугольного сечения, в торцевой части которого расположено окно вывода электронов. Окно представляет собой тонкую металлическую фольгу, вакуумно-плотно соединенную с поверхностью основания окна в виде решетки, в которой имеются круглые, сотовые или прямоугольные отверстия для прохождения электронного потока и перемычки между отверстиями. Внутри корпуса расположены ряд круглых катодов, каждый из которых окружен фокусирующим электродом цилиндрической формы. В области каждого катода создается расходящийся электронный поток, в результате суммарного действия всех катодов на окне формируется протяженный электронный поток. Однако такая пушка имеет существенные недостатки:
1. В формируемых пушкой расходящихся электронных потоках электроны двигаются под углом к окну и попадают не только на торцевые поверхности перемычек основания окна, но и на боковые поверхности перемычек, в результате чего КПД таких пушек невысок. Для уменьшения потерь на перемычках основания окна путем уменьшения углов расходимости электронного потока можно удалить окно от катодов, но тогда пушка становится слишком громоздкой и нетехнологичной (неудобной в изготовлении, транспортировке и эксплуатации).

2. Каждый из катодов пушки создает круглый электронный пучок. Для получения на окне вывода электронов протяженного однородного электронного потока необходимо осуществить перекрытие электронных потоков. При этом часть электронного потока оседает на стенки анода, что также приводит к уменьшению КПД пушки.

Сущность изобретения
Актуальной задачей в настоящее время является создание удобных в эксплуатации, надежных, энергетически выгодных и компактных электронных отпаянных пушек, которые бы выводили из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду протяженный широкий электронный поток с равномерным распределением электронного потока по сечению. Тогда на их основе можно создавать и компактные установки для радиационной обработки изделий и материалов. Указанная задача решается с помощью данного изобретения.

Предлагается электронная отпаянная пушка для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, содержащая соосно расположенные катод и первый фокусирующий электрод, а также корпус в виде металлической трубы прямоугольного сечения, в торцевой части которой расположено окно вывода электронов, выполненное в виде фольги, вакуумно-плотно соединенной с опорным основанием окна, при этом катод пушки выполнен в виде ряда элементарных ленточных катодов, расположенных последовательно вдоль общей оси, параллельной продольной оси окна вывода электронов, между катодом и первым фокусирующим электродом размещен второй фокусирующий электрод, расположенный вблизи катода пушки, при этом первый и второй фокусирующие электроды расположены соосно и каждый из них выполнен в виде металлической трубы прямоугольного сечения, один из концов которой снабжен торцевой стенкой с расположенным в центральной ее части сквозным прямоугольным отверстием для пропускания электронного потока от катода пушки к окну вывода электронов, причем размеры прямоугольного отверстия в торцевой стенке второго фокусирующего электрода близки размерам катода, оба фокусирующих электрода электрически соединены с катодом и находятся под потенциалом катода.

Предлагается вариант выполнения электронной отпаянной пушки согласно изобретению, в котором опорное основание окна вывода электронов выполнено в виде металлической решетки со щелями, каждая из которых расположена перпендикулярно и симметрично продольной оси окна вывода электронов. Это решение позволяет уменьшить потери на перемычках между щелями решетки и повысить КПД пушки, а также улучшить равномерность распределения электронного потока на выходе пушки в области зоны облучения объекта.

Предлагается вариант выполнения электронной отпаянной пушки согласно изобретению, в котором элементарные ленточные катоды пушки установлены с зазорами между ними.

Предлагается вариант выполнения электронной отпаянной пушки согласно изобретению, в котором перемычки между щелями металлической решетки опорного основания окна вывода электронов расположены напротив зазоров между элементарными ленточными катодами пушки.

Предлагается вариант выполнения электронной отпаянной пушки согласно изобретению, в котором ширина каждой перемычки между щелями металлической решетки меньше или равна величине противолежащего ей зазора между элементарными ленточными катодами.

Эти решения позволяют дополнительно уменьшить потери и тем самым повысить КПД пушки.

Выполнение катода в виде ряда последовательно расположенных (например, с небольшими технологическими зазорами между собой) элементарных ленточных катодов позволяет создать при работе пушки непрерывную эмиттирующую поверхность катода и получить с нее протяженный электронный поток с высокой однородностью вдоль продольной оси окна вывода электронов.

Кроме того, выполнение катода из ряда элементарных ленточных катодов обеспечивает сохранение работоспособности пушки в случае выхода из строя отдельных элементарных ленточных катодов, что существенно повышает надежность пушки.

Первый фокусирующий электрод обеспечивает заданную величину тока электронного потока пушки. При этом первый фокусирующий электрод предлагаемой конфигурации в совокупности с соосно расположенным с ним протяженным катодом электронной пушки обеспечивают заданную расходимость электронного потока в направлении, перпендикулярном продольной оси окна вывода электронов. В результате чего в области окна вывода электронов формируется широкий протяженный электронный поток с требуемой величиной тока.

Второй фокусирующий электрод предлагаемой конфигурации, расположенный вблизи катода, обеспечивает высокую однородность плотности тока на катоде.

Совокупность первого и второго фокусирующих электродов и катода обеспечивает высокую однородность тока электронного потока в области окна вывода электронов.

Предлагаемая конструкция электронной пушки, в которой оба фокусирующих электрода электрически соединены с катодом и находятся под потенциалом катода, проста и удобна в эксплуатации, так как не требует подключения дополнительных источников питания.

Перечень чертежей
На фиг.1 представлена электронная отпаянная пушка, вид спереди.

На фиг. 2 - то же, вид сбоку.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Электронная отпаянная пушка для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, один из вариантов выполнения которой показан на фиг.1 и 2, содержит следующие основные элементы:
- катод, содержащий расположенные в ряд на одной оси элементарные ленточные катоды 1 с эмиттирующими поверхностями 2;
- держатель 3 катода;
- высоковольтный изолятор 4;
- первый фокусирующий электрод 5 со сквозным отверстием 6;
- второй фокусирующий электрод 7 со сквозным отверстием 8;
- корпус пушки 9;
- окно вывода электронов 10, вакуумно-плотно установленное в торцевой части корпуса 9, выполненное в виде фольги 11, вакуумно-плотно соединенной с опорным основанием 12, выполненным в виде решетки со щелями 13 и перемычками 14;
- встроенный миниатюрный электроразрядный насос 15.

Пунктиром 16, 17 на фиг.1 и 2 схематически показаны граничные траектории движения электронного потока.

В пушке могут быть использованы элементарные ленточные катоды 1 различных типов: прямонакальные, подогревные, ненакаливаемые. Элементарные ленточные катоды, например металлопористые, оксидные, устанавливают в предлагаемой конструкции пушки с технологическими зазорами 18 между ними. Размеры зазоров выбраны так, что при подаче накала на катоды в результате теплового расширения элементарные ленточные катоды плотно примыкают друг другу, создавая непрерывную эмиттирующую поверхность катода. Эмиттирующие поверхности элементарных ленточных катодов, которые могут иметь плоскую или цилиндрическую (выпуклую, вогнутую) формы, обращены в сторону окна вывода электронов. Внутри держателя 3 катода находятся один или несколько проводников, по которым подается ток накала на ленточные катоды.

Высоковольтный изолятор 4 обеспечивает электрическую прочность при подаче высокого напряжения между катодом и корпусом пушки.

Первый фокусирующий электрод 5 выполнен в виде металлической трубы прямоугольного сечения, один из концов которой снабжен торцевой стенкой с расположенной в центральной ее части сквозным прямоугольным отверстием 6 для пропускания электронного потока от катода пушки к окну вывода электронов 10.

Второй фокусирующий электрод 7, размещенный между катодом и первым фокусирующим электродом, расположен вблизи эмиттирующей поверхности катода пушки соосно относительно первого фокусирующего электрода и катода пушки. Второй фокусирующий электрод 7 выполнен также в виде металлической трубы прямоугольного сечения, один из ее концов снабжен торцевой стенкой с расположенной в центральной ее части сквозным прямоугольным отверстием 8 для пропускания электронного потока.

При этом форма отверстий в торцевых стенках первого и второго фокусирующих электродов подобна форме проекции эмиттирующей части катода на плоскость, параллельную окну, а размеры отверстия в торцевой стенке второго фокусирующего электрода 7 близки размерам торцевой части катода. Оба фокусирующих электрода электрически соединены с катодом и находятся под потенциалом катода.

Корпус пушки 9 выполнен также в виде металлической трубы прямоугольного сечения, охватывает фокусирующие электроды и катод и расположен соосно им.

В торцевой части корпуса вакуумно-плотно установлено окно вывода электронов 10, которое выполнено в виде фольги 11, вакуумно-плотно соединенной с опорным основанием 12 в виде металлической решетки со щелями 13 для прохождения электронного потока. Перемычки 14 между щелями решетки создают жесткость окна и обеспечивают теплоотвод от фольги к охлаждаемому опорному основанию.

Миниатюрный встроенный в отпаянную электронную пушку электроразрядный насос 15 служит для поддержания высокого вакуума в пушке во время ее эксплуатации. Малые размеры насоса и отсутствие разъемных соединений позволяют создать весьма компактную электронную отпаянную пушку и компактные установки на ее основе.

Электронная отпаянная пушка, приведенная на фиг.1 и 2, работает следующим образом.

Между катодом и корпусом пушки подается высокое напряжение (≈200 кВ). Под воздействием первого и второго фокусирующих электродов в прикатодной области создается заданное распределение электрического поля, которое обеспечивает формирование протяженного электронного пучка, расходящегося на всю ширину окна вывода электронов, с равномерным распределением плотности тока по площади окна. При этом роль первого фокусирующего электрода состоит в обеспечении величины требуемого электрического тока и заданного угла расходимости электронного потока. Роль второго фокусирующего электрода состоит в обеспечении однородного распределения плотности тока на катоде и на окне вывода электронов. При этом и первый фокусирующий электрод вносит определенный вклад в обеспечении однородности плотности тока на окне, улучшая ее.

Проведенные расчеты показывают, что при отсутствии второго фокусирующего электрода неоднородность распределения тока по поперечной оси окна составляет более ±20% от среднего значения, а по поверхности катода - более ±15%. При введении в конструкцию пушки второго фокусирующего электрода, расположенного вблизи катода, величины неоднородности существенно уменьшаются и составляют не более ±9% и ±7% по поперечной оси окна и по поверхности катода соответственно. Такая высокая однородность плотности тока на катоде обеспечивает высокую долговечность катода и тем самым высокую надежность пушки. По продольной оси окна вывода электронов электронный поток имеет высокую однородность, обеспечиваемую конструкцией катода. При отсутствии первого фокусирующего электрода ток пушки получается значительным и практически весь электронный поток идет в сторону боковых стенок корпуса пушки и оседает на них.

На фиг.1 и 2 схематически показаны пунктиром 16, 17 граничные траектории электронов. Электронный поток расширяется практически только в плоскости, перпендикулярной продольной оси окна вывода электронов. Достигнув окна, некоторая часть электронного потока оседает на перемычках опорного основания, а значительная часть попадает на фольгу. Чтобы на фольге "застревала" незначительная часть электронного потока фольга должна иметь минимальную толщину и должна быть выполнена из материала с малой плотностью (алюминия или титана).

Чтобы электронный поток оседал только на торцевых поверхностях перемычек опорного основания и не попадал на боковые поверхности перемычек, щели в опорном основании выполняют перпендикулярно продольной оси окна. Тогда электронный поток, который расширяется только в плоскости поперечного сечения окна, не будет попадать, в отличие от прототипа, на боковые поверхности перемычек и пушка имеет по сравнению с прототипом более высокий КПД. Размеры щелей и перемычек выбирают, исходя из требуемых условий жесткости окна, толщины и материала фольги и тепловых режимов пушки.

Возможны варианты выполнения пушки, когда перемычки можно устанавливать напротив зазоров между элементарными ленточными катодами. Тогда электронный поток практически не будет оседать на перемычках и тем самым еще вырастет КПД. Наилучшие результаты в этом случае получаются, когда ширина перемычки между соседними щелями опорного основания меньше или равна величине противолежащего зазора между элементарными ленточными катодами.

Выполнение катода пушки в виде ряда элементарных ленточных катодов, расположенных на одной оси, существенно повышает надежность пушки, так как при выходе из строя одного или нескольких элементарных катодов, пушка может оставаться работоспособной. Если же катод выполнен в виде единого ленточного катода, то при выходе катода из строя пушка неработоспособна.

Таким образом, предлагается компактная технологичная конструкция электронной отпаянной пушки, формирующей протяженный широкий электронный поток с равномерным распределением плотности тока, обладающая высокой надежностью и эффективностью. На основе этой пушки можно создавать компактные установки для радиационной обработки изделий и материалов пучками ускоренных электронов.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1107191, МКИ³ H 01 J 3/02, 12.10.81 г.

2. Авторское свидетельство СССР 1064830, МКИ² H 01 S 3/00, 04.08.76 г.

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к электронным отпаянным пушкам, обеспечивающим вывод электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, и может быть использовано, например, для стерилизации медицинских изделий. Техническим результатом является повышение равномерности распределения плотности тока электронного потока на катоде и на окне, надежности и эффективности работы пушки. Электронная отпаянная пушка содержит соосно расположенные катод, первый и второй фокусирующие электроды и корпус из металлической трубы прямоугольного сечения, в торцевой части которой расположено окно вывода электронов, выполненное в виде фольги, вакуумно-плотно соединенной с опорным основанием, например, в виде решетки со щелями. Катод пушки выполнен в виде ряда элементарных ленточных катодов, расположенных последовательно вдоль общей оси, параллельной продольной оси окна вывода электронов. Каждый из фокусирующих электродов выполнен в виде металлической полой прямоугольной трубы с отверстием на торце, причем размеры отверстия второго фокусирующего электрода близки размерам катода. Оба фокусирующих электрода находятся под потенциалом катода. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Электронная отпаянная пушка для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду, содержащая соосно расположенные катод и первый фокусирующий электрод, а также корпус в виде металлической трубы прямоугольного сечения, в торцевой части которой расположено окно вывода электронов, выполненное в виде фольги, вакуумно-плотно соединенной с опорным основанием окна, отличающаяся тем, что катод пушки выполнен в виде ряда элементарных ленточных катодов, расположенных последовательно вдоль общей оси, параллельной продольной оси окна вывода электронов, между катодом и первым фокусирующим электродом размещен второй фокусирующий электрод, расположенный вблизи катода пушки, при этом первый и второй фокусирующие электроды расположены соосно и каждый из них выполнен в виде металлической трубы прямоугольного сечения, один из концов которой снабжен торцевой стенкой с расположенным в центральной ее части сквозным прямоугольным отверстием для пропускания электронного потока от катода пушки к окну вывода электронов, причем размеры отверстия в торцевой стенке второго фокусирующего электрода близки размерам катода, оба фокусирующих электрода электрически соединены с катодом и находятся под потенциалом катода. 2. Электронная отпаянная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что опорное основание окна вывода электронов выполнено в виде металлической решетки со щелями, каждая из которых расположена перпендикулярно и симметрично продольной оси окна вывода электронов. 3. Электронная отпаянная пушка по п. 2, отличающаяся тем, что элементарные ленточные катоды пушки установлены с зазорами между ними. 4. Электронная отпаянная пушка по п. 3, отличающаяся тем, что перемычки между щелями металлической решетки опорного основания окна вывода электронов расположены напротив зазоров между элементарными ленточными катодами пушки. 5. Электронная отпаянная пушка по п. 4, отличающаяся тем, что ширина каждой перемычки между щелями металлической решетки меньше или равна величине противолежащего зазора между элементарными ленточными катодами.