ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА Российский патент 2008 года по МПК H01J37/06 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к конструкции газоразрядных электронных пушек технологического назначения, и может найти применение для электронно-лучевой плавки и других термических процессов, реализуемых в вакууме с использованием мощных электронных пучков.

Известны газоразрядные электронные пушки [1, 2], работа которых основана на использовании электрического разряда между холодными электродами в среде газа низкого давления (высоковольтного тлеющего разряда). Электронный пучок образуется в результате бомбардировки поверхности катода быстрыми частицами (положительными ионами и нейтральными частицами), возникающими при ускорении и перезарядке ионов в области катодного падения потенциала. Как генерация, так и ускорение электронов происходит в пределах разряда за счет высокого напряжения, подводимого между анодом и катодом. Из разрядного промежутка выходит пучок электронов с энергией, практически равной приложенной разности потенциалов. Величина мощности в пучке, выводимая в рабочую технологическую камеру на нагреваемый объект, определяется долей общей мощности в разряде, приходящейся на ионную составляющую разрядного тока.

В области катодного падения потенциала электроны ускоряются, и в зависимости от конфигурации поля, определяемого геометрическими параметрами электродной системы (диаметра катода, диаметра анодной апертуры и радиуса кривизны рабочей поверхности катода), полого анода, а также положением и формой анодной плазмы, формируется пучок с соответствующим углом схождения в анодном отверстии. Электронный пучок в такой системе имеет большой угол схождения (короткофокусный пучок), что усложняет его прохождение через лучевод.

Основными недостатками указанных газоразрядных электронных пушек являются:

- рассеивание электронного пучка в лучеводе, что приводит к его разогреву и, как следствие, к нарушению герметичности лучевода;

- отсутствие контроля тока утечки электронного пучка при прохождении его через лучевод.

Известна также газоразрядная электронная пушка с холодным катодом с вогнутой эмиссионной поверхностью и цилиндрическим полым анодом, который соединен с цилиндрическим каналом-лучеводом для прохождения электронного пучка после его выхода из анодного отверстия [3].

Несоответствие геометрических параметров электродной системы газоразрядной электронной пушки эмиссионным характеристикам холодного катода ограничивает максимальную мощность электронного пучка, так как при максимальном токе разряда поток ионов на катод расширяется за пределы эмиссионной зоны. Кроме того, регулирование тока разряда изменением давления (повышением расхода рабочего газа) сопровождается изменением фокусного расстояния электронного пучка, что затрудняет его прохождение в лучеводе и подфокусировку фокусирующими катушками. Поэтому и газоразрядной электронной пушке [3] присущи недостатки газоразрядных электронных пушек [1] и [2].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является газоразрядная электронная пушка, содержащая в герметичном корпусе на высоковольтном изоляторе холодный вогнутый катод с развитой эмиссионной поверхностью и установленный соосно аноду лучевод с размещенными на нем фокусирующими катушками при условии, что диаметр анодной апертуры катода меньше или равен диаметру катода и радиусу кривизны его рабочей поверхности [4].

Основные недостатки этой газоразрядной электронной пушки те же, что и для [1-3], а именно из-за несоответствия геометрических параметров электродной системы (катод-анод) газоразрядной электронной пушки вследствие износа в процессе работы рабочих поверхностей катода и анода и отсутствия контроля за прохождением электронного пучка в лучеводе наблюдается значительное изменение точки фокусировки электронного пучка в анодном отверстии. Это приводит к его расфокусированию и частичному выходу на стенки лучевода.

Задачей изобретения является получение электронного пучка высокой мощности с обеспечением при этом надежной работы электронной пушки путем оптимизации геометрических параметров электродной системы и контроля прохождения электронного пучка в лучеводе.

Для достижения названного технического результата в газоразрядной электронной пушке, содержащей электродную систему, состоящую из размещенного в герметичном корпусе на высоковольтном изоляторе холодного вогнутого катода с развитой эмиссионной сферической поверхностью и установленного соосно ему полого анода с отверстием в дне, расположенный под электродной системой лучевод с закрепленными на нем фокусирующими катушками, лучевод дополнительно оснащен по крайней мере тремя стержнями, выполненными из электропроводного тугоплавкого материала, размещенными между фокусирующими катушками с равномерным расположением по окружности, введенными в лучевод радиально на глубину, соответствующую диаметру электронного пучка, и соединенными с внешней стороны электронной пушки между собой и с токосъемником, электрически связанным с фокусирующими катушками с возможностью корректировки их параметров, при этом геометрические размеры электродной системы выбраны из соотношения:

D_к>D_а>D_сф,

где D_к - диаметр катода;

D_a - диаметр анодной апертуры;

R_сф - радиус кривизны рабочей поверхности катода.

Стержни могут быть соединены между собой гибкой связью.

Стержни изолированы от корпуса лучевода.

Пушка может быть оснащена катушками отклонения электронного пучка для изменения развертки луча.

Для увеличения мощности электронного пучка газоразрядной электронной пушки необходимо увеличить площадь эмиссионной поверхности катода, то есть поперечный размер электродной системы (диаметры катода и анода в площади апертуры, которые определяют размер эмиссионной зоны). При этом диаметр катода соответственно больше диаметра анодной апертуры, а диаметр анодной апертуры, в свою очередь, больше радиуса кривизны рабочей поверхности катода. В противном случае поток ионов, бомбардирующих катод, будет расширяться за пределы рабочей поверхности катода, а формирующийся поток электронов - за пределы анодного отверстия. Это привело бы к изменению геометрических параметров газоразрядной электронной пушки за счет большого износа рабочих поверхностей катода и анода и нарушило бы стабильность ее работы.

При соответствующем износе электродной системы происходит расфокусировка электронного пучка в лучеводе, который отклоняется на стенки лучевода, разогревая его, а также потеря тока электронного пучка, что может привести к аварийной ситуации. Поэтому для прохождения электронного пучка без потерь и избежания аварийной ситуации за счет измерения тока утечки электронного пучка, снимаемого со стержней, изолированных от корпуса лучевода и установленных между фокусирующими катушками, осуществляют контроль прохождения электронного пучка в лучеводе. В случае какого-либо отклонения, выражаемого в увеличении тока утечки электронного пучка, снимаемого с токосъемника гибкой связи, при прохождении его через лучевод производится автоматическая корректировка электрических параметров фокусирующих катушек.

Таким образом, конструктивные особенности газоразрядной электронной пушки обеспечивают измерение тока утечки электронного пучка за счет того, что в работающей электронной пушке при расфокусировке электронного пучка он попадает на стержни. Это приводит к увеличению тока утечки электронного пучка, снимаемого с токосъемника.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен схематический разрез конструкции газоразрядной электронной пушки, на фиг.2 - сечение А-А фиг.1.

Газоразрядная электронная пушка снабжена высоковольтным токоподводом 1, водяным реостатом 2, закрепленным на высоковольтном изоляторе 3 в герметичном корпусе, охлаждаемым водой катодом 4 со сферической эмиссионной поверхностью. С помощью цилиндрического корпуса катод 4 установлен соосно на полом аноде 5. В нижней части полого анода 5 установлен распределитель рабочего газа (не показан), который поступает через штуцер в стенке корпуса. Соосно электродной системе закреплен цилиндрический канал лучевода 6, на котором размещены фокусирующие катушки 7 и катушки отклонения 8 электронного пучка. Между фокусирующими катушками 7 лучевода 6 в изоляторах 9 установлены стержни 10 из тугоплавкого металла, имеющие гибкую связь 11 с токосъемником 12 для измерения тока утечки электронного пучка. Для обеспечения герметичности газоразрядной электронной пушки штуцера 13 стержней 10 снабжены поджимаемыми гайками 18 уплотнениями 14, заключенными во втулки 16 и 17, и 15 (фиг.2).

С помощью фланца на торце цилиндрического лучевода 6 пушка устанавливается на технологической камере электронно-лучевой установки.

Работа газоразрядной электронной пушки осуществляется следующим образом. Перед началом работы путем перемещения стержней 10 (фиг.2) их устанавливают на определенное расстояние от оси электронной пушки в зависимости от требуемого для конкретного термического процесса сечения электронного пучка. После откачки воздуха из пушки через штуцер в стенке катодной камеры с помощью распределителя (не показан) подается рабочий газ, состоящий из водорода, активированного небольшой добавкой кислорода, а на катод - через токоподвод 1 ускоряющее напряжение 25...30 кВ. Возникает самоподдерживающийся высоковольтный тлеющий разряд с областью катодного падения потенциала и областью плазмы отрицательного тлеющего свечения, которые пронизываются потоком электронов, находящихся в анодном отверстии. Электроны пучка эмитируются с поверхности холодного катода с диаметром D_к (фиг.3) в результате бомбардировки его поверхности ионами, которые поступают из плазмы и ускоряются в поле катодной области. Полем катодной области электроны формируются в конусный пучок с фокусным расстоянием, большим, чем радиус кривизны рабочей поверхности катода R_сф (фиг.3). За пределами анодного отверстия электронный пучок, расходящийся под тем же углом, с помощью фокусирующих катушек 7 (фиг.1), минуя стержни, выводится в технологическую камеру и фокусируется на поверхности нагреваемого объекта 19. При необходимости с помощью катушек отклонения 8 и соответствующей программы разверток электронного пучка можно реализовать различные виды разверток для обработки нагреваемого объекта 19 (расплавление металла в кристаллизаторе, промежуточной емкости, плоской изложнице и т.д.). При регулировании мощности электронного пучка изменением давления (расходом рабочего газа) его фокусировка не нарушается.

При возникновении расфокусировки электронного пучка он расширяется и попадает на концы стержней 10. При этом увеличивается ток утечки электронного пучка, снимаемого с токосъемника 12 гибкой связи 11, значение которого передается к регистрирующему прибору (не показан) для автоматической корректировки электрических параметров фокусирующих катушек 7.

Предложенная газоразрядная электронная пушка, в основном, предназначена для электронно-лучевой плавки металлов и сплавов, где необходима большая мощность электронного пучка. Мощность предложенной газоразрядной электронной пушки в условиях ее стабильной работы составляет 600 кВт. При этом пушка отличается высокой стабильностью электрических и геометрических параметров электронного пучка, относительно проста и надежна в эксплуатации.

Источники информации

1. Пат. США 3412196 C1, 13-31, 19.11.68.

2. Пат. Великобритании №1355343, Н01J 37/00, 05.06.74.

3. A.c. СССР №222572, Н01J 3/4, опубл. 15.06.84.

4. Пат. Украины 38451, Н01J 37/06, 15.01.2004.

Изобретение относится к области электронной техники и его применение может быть особенно перспективным для нужд специальной электрометаллургии, а именно электронно-лучевой плавки металлов и сплавов. Газоразрядная электронная пушка содержит в герметичном корпусе на высоковольтном изоляторе холодный вогнутый катод с развитой эмиссионной поверхностью и соосно аноду лучевод с размещенными в нем фокусирующими катушками. Лучевод дополнительно оснащен по крайней мере тремя выполненными из электропроводного тугоплавкого материала стержнями, размещенными между фокусирующими катушками с равномерным расположением по окружности, введенными в лучевод радиально на глубину, соответствующую диаметру электронного пучка, и соединенными с внешней стороны электронной пушки между собой и с токосъемником, электрически связанным с фокусирующими катушками с возможностью корректировки их параметров, при этом размеры электродной системы выбраны из соотношения: D_к>D_а>D_сф, где D_к - диаметр катода; D_a - диаметр анодной апертуры; R_сф - радиус кривизны рабочей поверхности катода. Технический результат: значительное повышение стабильности энергетических и геометрических параметров электронного пучка. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газоразрядная электронная пушка, содержащая электродную систему, состоящую из размещенного в герметичном корпусе на высоковольтном изоляторе холодного вогнутого катода с развитой эмиссионной сферической поверхностью и установленного соосно ему полого анода с отверстием в дне, расположенный под электродной системой лучевод с закрепленными на нем фокусирующими катушками, отличающаяся тем, что лучевод дополнительно оснащен по крайней мере тремя выполненными из электропроводного тугоплавкого материала стержнями, размещенными между фокусирующими катушками с равномерным расположением по окружности, введенными в лучевод радиально на глубину, соответствующую диаметру электронного пучка, и соединенными с внешней стороны электронной пушки между собой и с токосъемником, электрически связанным с фокусирующими катушками с возможностью корректировки их параметров, при этом размеры электродной системы выбраны из соотношения D_к>D_а>D_сф, где D_к - диаметр катода; D_a - диаметр анодной апертуры; R_сф - радиус кривизны рабочей поверхности катода.2. Пушка по п.1, отличающаяся тем, что стержни соединены между собой гибкой связью.3. Пушка по п.1, отличающаяся тем, что стержни изолированы от корпуса лучевода.4. Пушка по п.1, отличающаяся тем, что она оснащена катушками отклонения электронного пучка.