ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА С ЛИНЕЙНЫМ ТЕРМОКАТОДОМ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО НАГРЕВА Российский патент 2004 года по МПК H01J37/00 B23K15/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройствам электронно-лучевой технологии, а точнее к электронным пушкам для электронно-лучевого нагрева, плавки и испарения материалов в вакууме или среде реактивных газов.

Предшествующий уровень техники

Электронные пушки с линейным термокатодом мощностью до 100-150 кВт имеют небольшие размеры, удобны в работе и находят широкое применение в промышленных электронно-лучевых установках различного назначения и описанных в статье: Б.А.Мовчан, В.А.Тимашов. Плосколучевые электронные пушки для плавки и испарения материалов. В кн.: Рафинирующие переплавы. Киев: Наукова думка, 1975, стр.131-139; Г.Б.Строганов, В.М.Чепкин, B.C. Терентьева. Жаростойкие покрытия для газовых турбин. М.: Изд. дом “Навигатор-экстра”, 2000.

Промышленные электронно-лучевые установки широко применяются для получения различных покрытий и материалов как в вакуумной среде, так и в среде реактивных газов.

Известны электронные пушки с линейным термокатодом, разработанные в ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины (патент США №3814829, 1974, МПК H 05 B 7/00; А.с. СССР №686158, 1979, МПК В 05 В 7/00, Н 01 J 37/06; патент США №4105890, 1978, МПК В 23 К 9/00; патент Украины №21440 А, 1997, МПК H 01 J 29/46, 29/48). Они могут отклонять луч на 25-45 градусов, находиться на значительном удалении от прогреваемых материалов и располагаться в отдельных камерах пушек, имеющих индивидуальные средства откачки. Это позволяет успешно применять их на промышленных электронно-лучевых установках как для работы в вакуумной среде, так и в среде реактивных газов.

Основной проблемой большинства известных пушек с линейным термокатодом является невысокая длительность непрерывной, без замены термокатода, работы пушки в среде реактивных газов, недостаточная стабильность заданных параметров электронного луча на поверхности прогреваемых материалов на протяжении длительной работы пушки.

Невысокая длительность непрерывной работы пушки с линейным термокатодом в среде реактивных газов вызвана интенсивной ионной бомбардировкой линейного термокатода, которая возникает в результате ионизации газового потока, наиболее значительного при работе с высоким давлением реактивных газов.

Ионная бомбардировка приводит к локальному перегреву, распылению поверхности линейного термокатода, в результате чего его срок службы значительно уменьшается.

Известны конструкции аксиальных пушек, где решаются задачи увеличения срока службы катода и описанных в кн.: З.Шиллер, У.Гайзинг, З.Папцер, Электроннолучевая технология /Пер. с нем. М.: Энергия, 1980. Для пушек с линейным термокатодом эта задача не решена.

Недостаточная стабильность заданных параметров электронного луча на поверхности прогреваемых материалов вызвана нестабильностью положения линейного термокатода относительно фокусирующего электрода, возникающая в результате прогрева деталей крепления и натяжения линейного термокатода.

Изменение положения линейного термокатода относительно фокусирующего электрода приводит к изменению сходимости электронного луча, в результате чего изменяется удельная мощность луча в фокальном пятне.

Подобные изменения в работе пушки приводят к ухудшению стабильности и воспроизводимости технологических процессов нагрева, плавки и испарения материалов.

В известных наиболее совершенных конструкциях электронных пушек с линейным термокатодом разработки ИЭС им. Е.О.Патона (патент США №3814829, 1974; А.с. СССР №686158, 1979; патент США №4105890, 1978; патент Украины №21440 А, 1997) применяется ускоряющий анод, закрепленный непосредственно на лучеводе и катодный узел, содержащий один линейный термокатод, прогреваемый текущим через него электрическим током, а специальные способы крепления и натяжения линейного термокатода осуществляют токоподвод и натяжение линейного термокатода в процессе работы пушки.

Известна электронная пушка с линейным термокатодом, описанная в патенте США №4126811, 1978, МПК H 01 J 29/46, H 01 J 29/48. Электронная пушка содержит ускоряющий анод, соединенный высоковольтными изоляторами с катодным узлом. Катодный узел включает линейный термокатод, закрепленный в катододержателях на корпусе и расположенный соосно с фокусирующим электродом. Одна лицевая сторона термокатода обращена в сторону ускоряющего анода, а другая расположена с зазором относительно фокусирующего электрода, который охватывает термокатод двухгранной поверхностью. Фокусирующий электрод выполнен в виде двух установленных с зазором частей. На противоположно расположенных торцевых поверхностях этих частей закреплены концы двух плоских пружин; другие концы пружин соединены с клеммным токоподводом для подачи тока накала. На других торцевых поверхностях частей фокусирующего электрода закреплены в катододержателях концы еще двух плоских пружин, электрически связанных с токоподводами и закрепленными на изоляторе корпуса катодного узла. Такая конструкция пушки не обеспечивает высокой воспроизводимости и стабильности положения линейного термокатода по отношению к фокусирующему электроду из-за трудностей четкой фиксации винтовыми соединениями взаимного расположения двух частей фокусирующего электрода и линейного термокатода при сборке пушки или замене линейного термокатода, при прогреве в процессе длительной работы. Она не решает задачи увеличения срока службы линейного термокатода.

Известна электронная пушка, описанная в патенте США №4105890, 1978, МПК В 23 К 9/00, позволяющая отклонять электронный луч на угол до 45 градусов благодаря введению дополнительных фокусирующих катушек в лучеводной части пушки. Это улучшает защиту линейного термокатода и фокусирующего электрода от попадания прямых паровых потоков испаряемых материалов, но не решает задачи стабильности положения линейного термокатода относительно фокусирующего электрода и уменьшения ионной бомбардировки линейного термокатода.

Известна электронная пушка с линейным термокатодом, описанная в заявке на изобретение Украины №97074063, МПК H 01 J 29/46, 29/48, 37/04 (бюллетень “Промислова власнiсть" №8(1), 1999). Электронная пушка содержит анодный и катодный узлы, соединенные высоковольтным изолятором. Анодный узел содержит анод, закрепленный непосредственно на лучеводе, который выполнен в виде цилиндра из немагнитного материала, и отклоняющую систему из кольцевого магнитопровода. Катодный узел содержит: корпус; плоский изолятор, монтируемый в корпусе; линейный термокатод, закрепляемый на корпусе с помощью двух катододержателей, один из которых крепится к корпусу шарнирно через плоский изолятор; фокусирующий электрод с клеммным токоподводом для подачи регулируемого отрицательного по отношению к соосно размещенному линейному термокатоду потенциала. Пружины, обеспечивающие натяжение линейного термокатода, удалены от излучающей поверхности термокатода и не являются токоподводящими. В предлагаемой конструкции пушки положение линейного термокатода относительно фокусирующего электрода определяется точностью изготовления деталей, которой может быть недостаточно, учитывая шарнирный характер крепления и длинную консоль до места расположения катода. Кроме того, в процессе эксплуатации, а также в результате прогрева катододержателя при длительной непрерывной работе пушки шарнирное закрепление катода прослабится и стабильность положения расположенного на длинной консоли линейного термокатода относительно фокусирующего электрода будет еще меньшей. Такая конструкция пушки не решает также задачи уменьшения интенсивности ионной бомбардировки при работе с напуском реактивных газов.

Наиболее близкой по существенным признакам к заявляемому изобретению является электронная пушка с линейным термокатодом, описанная в патенте на изобретение Украины №21440 А, 1997, МПК Н 01 J 29/46, 29/48, авторов Б.А.Мовчана, В.А.Тимашова, Е.Л.Пиюка, взятая нами за прототип. Электронная пушка содержит: лучевод, ускоряющий анод, соединенный высоковольтными изоляторами с катодным узлом. Анод крепится непосредственно на лучеводе. Катодный узел включает в себя раму, плоский изолятор, два катододержателя, фокусирующий электрод. Один катододержатель закреплен на раме жесткой токопроводящей пластиной. Второй катододержатель через пару токопроводящих пружин, а фокусирующий электрод жесткой стойкой закреплены на плоском изоляторе, встраиваемом в раму. Фокусирующий электрод, установленный соосно с линейным термокатодом, охватывая его двухгранной поверхностью, соединен с клеммой для приложения фокусирующего напряжения. Пара плоских токопроводящих пружин для крепления одного катододержателя и пластина для крепления второго катододержателя имеют продолговатые отверстия для юстировки термокатода относительно фокусирующего электрода. Для данной конструкции электронной пушки характерна нестабильность положения линейного термокатода относительно фокусирующего электрода, вызванная различными условиями крепления его концов. Токоподводящие пружины и стойка, на которых крепится линейный термокатод, имеют различную массу, изготовлены из различных материалов и в процессе прогрева удлиняются на различную длину. Регулировка положения линейного термокатода относительно фокусирующего электрода до начала работы пушки не обеспечивает стабильность его положения в процессе длительной работы пушки на разных мощностях электронного луча. Кроме того, в процессе длительной работы пушки происходит неравномерный прогрев различных сторон длинной, расположенной вблизи края фокусирующего электрода стойки крепления. Это приводит к ее изгибу и угловому смещению фокусирующего электрода относительно линейного термокатода. Подача отрицательного относительно линейного термокатода потенциала на фокусирующий электрод улучшает фокусировку электронного пятна в меньшей степени, чем ухудшения фокусировки, вызванные нестабильностью положения линейного термокатода относительно фокусирующего электрода. При подаче отрицательного относительно линейного термокатода потенциала на фокусирующий электрод происходит уменьшение тока электронного луча. Для его восстановления необходимо увеличивать температуру нагрева линейного термокатода, что приводит к уменьшению срока его службы. В данной конструкции пушки не решается также задача уменьшения ионной бомбардировки термокатода при работе с напуском реактивных газов.

Сущность изобретения

В основу настоящего изобретения положена задача создания такой конструкции электронной пушки с линейным термокатодом, которая бы позволила:

- избежать нестабильности положения линейного термокатода относительно фокусирующего электрода, вызванной прогревом деталей пушки в процессе длительной работы, путем симметричного расположения и изготовления деталей крепления, токоподвода и натяжения линейного термокатода одинаковыми с обеих концов линейного термокатода;

- уменьшить ионную бомбардировку линейного термокатода путем удаления ускоряющего анода от лучевода и введения дополнительной высоковакуумной откачки промежутка анод-лучевод.

Эта задача решена тем, что предложена электронная пушка с линейным термокатодом для электронно-лучевого нагрева, включающая лучевод с закрепленным на нем ускоряющим анодом, соединенным высоковольтными изоляторами через катодную плиту с катодным узлом, содержащим линейный термокатод, закрепленный в двух катододержателях, и фокусирующий электрод, соосно расположенный и охватывающий двухгранной поверхностью линейный термокатод, в которой согласно изобретению лучевод отделен от ускоряющего анода с помощью стоек, обеспечивающих жесткое закрепление ускоряющего анода на лучеводе и образование пространства между ними, причем ускоряющий анод содержит жестко связанную с ним пластину для герметичного разделения катодной и лучеводной частей пушки, а катодный узел содержит два одинаковых токоподвода, закрепленных через кольцевые изоляторы на фокусирующем электроде и связанных посредством плоских пружин и параллельно им расположенных медных токопроводящих пластин с катододержателями, при этом катодный узел выполнен и закреплен на катодной плите симметрично относительно вертикальной оси фокусирующего электрода.

Целесообразно под кольцевые изоляторы, через которые токоподводы крепятся на фокусирующем электроде, установить калиброванные подкладки, что позволит регулировать высоту расположения линейного термокатода относительно фокусирующего электрода.

Целесообразно отверстия в токоподводах для установки кольцевых изоляторов выполнить с допусками, что дает возможность регулировать месторасположение линейного термокатода относительно фокусирующего электрода в горизонтальной плоскости.

В электронных пушках с линейным термокатодом сформированный электрическим полем в пространстве катод - анод плоскопараллельный электронный луч расходится после прохождения анодной щели. Поэтому удаление анода от лучевода приводит к увеличению размеров электронного луча, входящего в лучевод, и ухудшению электронно-оптических параметров пушки. Однако, при работе с отклонением электронного луча, обычно применяемом в электронно-лучевых установках, рассеивающее магнитное поле отклоняющей системы лучевода проникает за пределы его корпуса и в направлении анода оказывает фокусирующее действие на электронный луч. Расходящийся электронный луч уменьшает угол расхождения, что позволяет удалить анод от лучевода на расстояние до 70-80 мм без заметного ухудшения электронно-оптических параметров пушки. Этого удаления достаточно для реализации дополнительной высоковакуумной откачки промежутка между анодом и лучеводом.

Предложенная конструкция позволяет повысить стабильность электронно-оптических параметров в процессе длительной работы пушки, продлить срок непрерывной работы пушки как в вакуумной среде, так и в среде реактивных газов.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется подробным описанием со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 - общий вид электронной пушки с линейным термокатодом для электронно-лучевого нагрева согласно изобретению, частичный разрез.

Фиг.2 - катодный узел электронной пушки с линейным термокатодом для электронно-лучевого нагрева согласно изобретению, частичный разрез.

Подробное описание изобретения

Предлагаемая электронная пушка с линейным термокатодом для электронно-лучевого нагрева состоит из лучевода 1, содержащим отклоняющую систему 16, и на корпусе которого с помощью стоек 13 закреплен ускоряющий анод 2, соединенный высоковольтными изоляторами 3 через катодную плиту 4 с катодным узлом 5 и содержащий разделяющую катодную и лучеводную части электронной пушки пластину 14 (фиг.1).

Катодный узел (фиг.2) состоит из фокусирующего электрода 12, на котором через кольцевые изоляторы 11 с помощью фиксирующих винтов 17 закреплены два токоподвода 10 с клеммами 18 для подачи напряжения накала линейного термокатода. Линейный термокатод 6 закреплен в катододержателях 7, соединенных винтовыми соединениями 19 через систему натяжения и токоподвода, состоящую из медных пластин 9 и плоских пружин 8, с токоподводами 10. В катододержателях 7 линейный термокатод 6 закрепляется вставкой 20 с помощью винтов 21. Для предотвращения возможного короткого замыкания напряжения накала линейного термокатода установлены ограничительные стойки 22. Отверстия в токоподводах 10 для установки кольцевых изоляторов 11 выполнены с допуском для возможности горизонтальной регулировки положения катододержателей 7 с закрепленным в них линейным термокатодом 6 относительно фокусирующего электрода 12. Высоту расположения линейного термокатода относительно фокусирующего электрода можно регулировать количеством калиброванных прокладок 15 под кольцевыми изоляторами 11.

Как видно из прилагаемых чертежей и приведенного описания, в предлагаемой конструкции электронной пушки с линейным термокатодом, в отличие от реальной конструкции прототипа, узлы закрепления обеих концов линейного термокатода и подачи на них напряжения накала выполнены одинаковыми и симметрично расположенными относительно фокусирующего электрода, анод удален от лучеводной системы на расстояние, определяемое высотой стоек крепления, а разделяющая пластина позволяет отделить катодную часть пушки от лучеводной.

Устройство работает следующим образом. При размещении пушки предлагаемой конструкции на электронно-лучевую установку необходимо отделить экраном, закрепляемом на разделяющей пластине 14, катодную часть камеры, где находится пушка, от лучеводной и организовать отдельную высоковакуумную откачку обеих частей камеры. Сечение отверстия в лучеводной системе пушки больше анодного, поэтому производительность средств высоковакуумной откачки лучеводной части камеры должна быть больше катодной.

При подаче напряжения от источника накала к клеммам 18 токоподводов 10 (фиг.2) ток накала, проходя через токоподводящие медные пластины 9, катододержатели 7 и линейный термокатод 6, нагревает его до температуры, при которой наблюдается эмиссия электронов. При этом линейный термокатод удлиняется. Плоские молибденовые пружины 8 обеспечивают продольное растягивающее усилие на линейном термокатоде и при его удлинении позволяют сохранить линейность термокатода и место его расположения относительно фокусирующего электрода 12. Наступающее при прогреве пушки в процессе длительной работы изменение размеров токоподводов, плоских пружин, катододержателей одинаковое на обеих концах линейного термокатода, поэтому положение линейного термокатода относительно фокусирующего электрода в предлагаемой пушке более стабильно, чем в конструкции прототипа.

Заданное положение линейного термокатода 6 относительно фокусирующего электрода 12, необходимое для оптимального режима работы пушки, обеспечивается на этапе сборки регулировкой положения токоподводов 10 и их фиксацией винтами 17, а также подбором количества калиброванных подкладок 15 под кольцевыми изоляторами 11. При необходимости, для подфокусировки фокального пятна на фокусирующий электрод 12 подается потенциал отрицательный по отношению к потенциалу линейного термокатода.

В целом, предлагаемая электронная пушка обеспечивает увеличение длительности непрерывной работы, более высокую стабильность электронно-оптических параметров, что существенно повышает стабильность и воспроизводимость технологических процессов плавки и испарения различных материалов. Наибольший эффект применения электронной пушки с линейным термокатодом и удаленным лучеводом выражен в случаях, когда требуется длительное время непрерывной работы пушки, высокая стабильность ее электронно-оптических параметров. Особенно важно применение предлагаемой пушки при проведении процессов плавки и испарения в среде реактивных или инертных газов.

Изобретение относится к устройствам электронно-лучевой технологии, а точнее к электронным пушкам для электронно-лучевого нагрева, плавки и испарения материалов в вакууме или среде реактивных газов. Электронная пушка для электронно-лучевого нагрева включает лучевод 1, содержащий отклоняющую систему 16, с закрепленным на нем ускоряющим анодом 2, соединенным с высоковольтными изоляторами 3 через катодную плиту 4 с катодным узлом 5, содержащим линейный термокатод 6, закрепленный в двух катододержателях, и фокусирующий электрод 12, соосно расположенный и охватывающий двухгранной поверхностью линейный термокатод. Лучевод отделен от ускоряющего анода с помощью стоек 13, обеспечивающих жесткое закрепление ускоряющего анода на лучеводе и образование пространства между ними. Ускоряющий анод содержит жестко связанную с ним пластину 14 для герметичного разделения катодной и лучеводной частей пушки. Катодный узел содержит два одинаковых токоподвода, закрепленных через кольцевые изоляторы на фокусирующем электроде и связанных посредством четырех плоских пружин и параллельно им расположенных медных токопроводящих пластин с катододержателями. Катодный узел выполнен и закреплен на катодной плите симметрично относительно вертикальной оси фокусирующего электрода. Предложенная конструкция позволяет повысить стабильность электронно-оптических параметров в процессе длительной работы пушки, продлить срок непрерывной работы пушки как в вакуумной среде, так и в среде реактивных газов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электронная пушка с линейным термокатодом для электронно-лучевого нагрева, включающая лучевод 1 с закрепленным на нем ускоряющим анодом 2, соединенным высоковольтными изоляторами 3 через катодную плиту 4 с катодным узлом 5, содержащим линейный термокатод 6, закрепленный в двух катододержателях 7, и фокусирующий электрод 12, соосно расположенный и охватывающий двугранной поверхностью линейный термокатод 6, отличающаяся тем, что упомянутый лучевод 1 отделен от упомянутого ускоряющего анода 2 с помощью стоек 13, обеспечивающих жесткое закрепление ускоряющего анода на лучеводе и образование пространства между ними, причем ускоряющий анод 2 содержит жестко связанную с ним пластину 14 для герметичного разделения катодной и лучеводной частей пушки, а катодный узел 5 содержит два одинаковых токоподвода 10, закрепленных через кольцевые изоляторы 11 на упомянутом фокусирующем электроде 12 и связанных посредством четырех плоских пружин 8 и параллельно им расположенных медных токопроводящих пластин 9 с упомянутыми катододержателями 7, при этом катодный узел 5 выполнен и закреплен на упомянутой катодной плите 4 симметрично относительно вертикальной оси фокусирующего электрода 12.2. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что содержит дополнительно калиброванные подкладки 15, расположенные под кольцевыми изоляторами 11 токоподводов 10, установленных на фокусирующем электроде 12, для регулировки высоты расположения линейного термокатода 6 относительно фокусирующего электрода 12.3. Электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что токоподводы 10 содержат отверстия 23, выполненные с допусками относительно кольцевых изоляторов 11, для регулировки в горизонтальной плоскости положения линейного термокатода 6 относительно фокусирующего электрода 12.