УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ, А ТАКЖЕ 3D-ПЕЧАТАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2025 года по МПК H01J37/63 H01J37/147 H01J37/30 B29C64/268 

Данное изобретение относится к устройству для генерирования излучения электронов согласно п. 1 ограничительной части формулы изобретения, к 3D-печатающему устройству для изготовления пространственно вытянутого продукта, а также к устройству для обработки детали с помощью такого устройства.

Устройства для генерирования излучения электронов вышеуказанной конструкции достаточно известны и могут быть выполнены, например, в виде электронных пушек Пирса. Пример такого устройства, выполненного в виде электронной пушки Пирса, известен из публикации WO 2014/009028 A1.

Электронные пушки типа Пирса имеют множество недостатков. Для пояснения недостатков следует обратиться к фиг. 12 - 18. Изображенные на них устройства содержат накаливаемый катод 1 в форме проволоки, значительно более вытянутый в продольном направлении, чем в перпендикулярном к нему поперечном направлении. Кроме того, устройства содержат катодный электрод 2, имеющий продольный паз 3, в котором расположен накаливаемый катод 1. При этом продольный паз 3 имеет прямоугольное поперечное сечение, причем протяженность продольного паза в поперечном направлении почти в три раза больше, чем диаметр накаливаемого катода 1 (смотри фиг. 14 и фиг. 18).

Далее, на фиг. 12 - 17 изображен анодный электрод 4. Между катодом 2 и анодным электродом 4 подано напряжение, например, до 50 кВ для ускорения электронов, выходящих из накаливаемого катода 1. Кроме того, к накаливаемому катоду 1 приложено небольшое напряжение, например, около 10 V, так что электрический ток проходит через накаливаемый катод 1, что приводит к нагреванию накаливаемого катода 1. Из-за этого напряжения накала в начале и в конце катодного электрода 2 имеет место разность напряжений между накаливаемым катодом 1 и катодным электродом 2.

На фиг. 16 - 18 показано исходящее от накаливаемого катода 1 по направлению к анодному электроду излучение 5 электронов, причем излучение 5 электронов имеет вытянутое, линейное поперечное сечение (не изображено) перпендикулярно к своему направлению распространения вследствие формы накаливаемого катода 1, при которой протяженность в продольном линейном направлении значительно больше, чем в поперечном линейном направлении.

Из схематичного эскиза согласно фиг. 18 понятно, что только выходящие из обращенной к анодному электроду стороны накаливаемого катода 1 электроны способствуют излучению 5 электронов. Однако, в реальных случаях применения поверхность, из которой выходят электроны, способствующие излучению 5 электронов, уменьшается в узкую, продолжающуюся в продольном направлении накаливаемого катода 1 полосу 6, обозначенную на фиг. 18 в среднем участке обращенной к анодному электроду 4 стороне накаливаемого катода 1.

Недостатком в таких выполненных в виде электронных пушек Пирса устройств является то, что излучение 5 электронов сравнительно неоднородно в продольном линейном направлении. Причина этого в том, что используемые, в основном, в качестве накаливаемых катодов 1 вольфрамовые проволоки, как правило являются поликристаллическими, причем энергия, которую должны иметь двигающиеся в поликристаллах электроны для выхода из кристалла, может быть разной для отдельных поликристаллов. Поскольку в продольном направлении накаливаемого катода 1 и соответственно в продольном направлении полосы 6 рядом расположено множество разных поликристаллов, в продольном направлении профиля излучения 5 электронов получается множество разных энергий электронов.

Кроме того, оказалось, что распределение интенсивности излучения 5 электронов очень чувствительно зависит от ориентации накаливаемого катода 1 в форме проволоки в пазе 3 катодного электрода 2. Из-за обусловленных напряжением накала разниц напряжения между накаливаемым катодом 1 и катодным электродом 2 в начале и в конце катодного электрода 2, накаливаемый катод 1 должен быть расположен под небольшим углом к продольному направлению паза 3 в нем для достижения генерирования излучения 5 электронов с одинаковой интенсивностью на концах линейного распределения. С одной стороны, этот легкий наклон накаливаемого катода 1 в пазе 3 связан, вследствие указанной высокочувствительной зависимости распределения интенсивности от ориентации, с большой трудоемкостью регулировки. С другой стороны, это ограничивает возможные длины линейного распределения интенсивности, например, почти до 100 мм.

Кроме того, недостатком таких выполненных в виде электронных пушек Пирса устройств, является их уязвимость от паров частиц, которые могут исходить во время эксплуатации устройства от обрабатываемой детали или от подвергаемого воздействию излучения электронов исходного материала для 3D-печати. В частности, частицы могут оседать на краю паза 3 и образовывать на нем скопления материала, влияющие на генерирование излучения 5 электронов и соответственно заметно ухудшать его качество.

Лежащая в основе данного изобретения задача - это создание устройства прежде указанной конструкции, являющееся более эффективным и/или с помощью которого можно генерировать более однородное излучение электронов и/или с помощью которого можно достигать больших линейных длин и/или являющимся менее чувствительным к парам частиц. Кроме того, нужно представить 3D-печатающее устройство, а также устройство для обработки детали прежде указанного типа с помощью такого устройства.

Этого достигают, согласно изобретению, посредством устройства прежде указанного типа с признаками пункта 1 формулы изобретения, 3D-печатающего устройства прежде указанного типа с отличительными признаками пункта 11 формулы изобретения, а также устройства для обработки детали прежде указанного типа с отличительными признаками пункта 12 формулы изобретения. Зависимые пункты Формулы изобретения относятся к предпочтительным вариантам исполнения изобретения.

Согласно пункту 1 формулы изобретения предусмотрено, что накаливаемый катод расположен на некотором расстоянии от катодного электрода так, что при эксплуатации устройства из накаливаемого катода в каждом из поперечных направлений выходят электроны и ускоряются к аноду.

Вследствие того, что выходящие во всех радиальных направлениях из накаливаемого катода электроны способствуют излучению электронов, эффективность устройства увеличивается, поскольку электрический ток повышается при одинаковом ускоряющем напряжении.

Кроме того, вследствие того, что вышедшие во всех радиальных направлениях из накаливаемого катода электроны способствуют излучению электронов, этому излучению электронов способствует большее количество участков поверхности накаливаемого катода. Это приводит к тому, что большее количество поликристаллов способствует отдельным участкам излучения электронов в продольном направлении распределения интенсивности, вследствие чего энергии отдельных участков усредняются с помощью большего количества поликристаллов. Это вызывает большую однородность излучения электронов в продольном линейном направлении.

Существует возможность, что катодный электрод имеет на обращенной к накаливаемому катоду стороне гладкую поверхность и/или не прерванную поверхность, причем поверхность, в частности, не прервана пазом или им подобным. Гладкая, не прерванная поверхность катодного электрода, в частности, не имеющая паз, делает устройство более невосприимчивым относительно паров частиц. В частности, не предусмотрен паз, на крае которого могли бы осаждаться частицы и образовывать на нем скопления материала. Кроме того, устройство при гладкой, не прерванной поверхности катодного электрода, существенно более невосприимчиво относительно небольших наклонов накаливаемого катода, что уменьшает трудоемкость регулировки. Кроме того, благодаря этому можно создавать устройства, генерирующие излучения электронов с большей линейной длиной.

Может быть предусмотрено, что катодный электрод имеет на обращенной к накаливаемому катоду стороне изогнутую поверхность, в частности, поло - цилиндрическую, вогнутую поверхность. При этом поло - цилиндрическая, вогнутая поверхность катодного электрода может иметь разделительную линию свода, предпочтительно, имеет поверхность с поперечным сечением в форме параболы. При этом, предпочтительно, если расстояние накаливаемого катода к поверхности катодного электрода, на участке разделительной линии свода вогнутого изгиба, в частности, экстремума параболы, меньше, чем расстояние накаливаемого катода к другим участкам поверхности катодного электрода. Такая компоновка накаливаемого катода перед катодом, в частности, перед разделительной линией свода поверхности катода делает устройство еще более невосприимчивым относительно небольших наклонов накаливаемого катода, что еще более уменьшает трудоемкость регулировки и генерируются излучения электронов с еще большей линейной длиной. Кроме того, части поверхности накаливаемого катода, в частности, разделительная линия свода и ее окружение, оттеняются накаливаемым катодом, поэтому на этом участке не может происходить термическое напыление частиц.

Существует возможность, что при эксплуатации устройства, выходящие по направлению к катодному электроду из накаливаемого катода электроны отражаются от поверхности или на участке поверхности катодного электрода в направлении анода или отклоняются по направлению к аноду. Вследствие этого обеспечивается, что, по существу, все вышедшие в радиальных направлениях из накаливаемого катода электроны способствуют излучению электронов.

Может быть предусмотрено, что в качестве анода служит обрабатываемая деталь. Это может быть реализовано, в частности тогда, когда устройство для генерирования излучения электронов используют в устройстве для обработки детали. При использовании детали в качестве анода можно отказаться от отдельного анодного электрода. Это становится возможным, в частности, благодаря тому, что устройство сравнительно невосприимчиво относительно паров частиц. Вследствие этого габариты устройства можно значительно уменьшить.

Альтернативно может быть предусмотрено, что анод выполнен в виде анодного электрода, имеющий, в частности, отверстие, через которое может проходить исходящее от накаливаемого катода излучение электронов. Это, в частности, может быть реализовано тогда, когда устройство для генерирования излучения электронов используют в 3D-печатающем устройстве для изготовления пространственно вытянутого продукта.

Существует возможность, что устройство содержит по меньшей мере один отклоняющий электрод, предпочтительно, множество отклоняющих электродов, причем по меньшей мере один отклоняющий электрод служит, в частности, для сжатия и/или для фокусирования излучения электродов. При этом по меньшей мере один отклоняющий электрод в направлении распространения излучения электронов может располагаться за анодным электродом.

Согласно пункту 11 формулы изобретения предусмотрено, что устройством для генерирования излучения электронов является предлагаемое согласно изобретению устройство.

Согласно пункту 12 формулы изобретения предусмотрено, что устройством для генерирования излучения электронов является предлагаемое согласно изобретению устройство.

Далее приводится разъяснение других признаков и преимуществ данного изобретения с помощью дальнейшего описания предпочтительных примеров исполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи. На них показаны:

фиг. 1 - схематический вид сбоку первого варианта исполнения изобретения предлагаемого согласно изобретению устройства для генерирования излучения электронов;

фиг. 2 - вид в перспективе устройства согласно фиг. 1;

фиг. 3 - схематичный вид сбоку второго варианта исполнения изобретения предлагаемого согласно изобретению устройства для генерирования излучения электронов;

фиг. 4 - вид в перспективе устройства согласно фиг. 3;

фиг. 5 - схематичный вид сбоку третьего варианта исполнения изобретения предлагаемого согласно изобретению устройства для генерирования излучения электронов;

фиг. 6 - вид в перспективе устройства согласно фиг. 5;

фиг. 7 - схематичный вид сбоку четвертого варианта исполнения изобретения предлагаемого согласно изобретению устройства для генерирования излучения электронов;

фиг. 8 - вид в перспективе устройства согласно фиг. 7;

фиг. 9 - схематичный вид сбоку пятого варианта исполнения изобретения предлагаемого согласно изобретению устройства для генерирования излучения электронов, причем разъяснено генерируемое излучение электронов;

фиг. 10 - детальное увеличение фиг. 9;

фиг. 11 - детальное увеличение фиг. 10;

фиг. 12 - схематичный вид сбоку первого варианта исполнения изобретения устройства для генерирования излучения электронов, выполненное в виде электронной пушки Пирса;

фиг. 13 - вид в перспективе устройства согласно фиг. 12;

фиг. 14 - схематичный вид сбоку второго варианта исполнения устройства для генерирования излучения электронов, выполненного в виде электронной пушки Пирса;

фиг. 15 - вид в перспективе устройства согласно фиг. 14;

фиг. 16 - схематичный вид сбоку третьего варианта исполнения устройства для генерирования излучения электронов, выполненного в виде электронной пушки Пирса, причем разъяснено генерируемое излучение электронов;

фиг. 17 - детальное увеличение фиг. 16;

фиг. 18 - детальное увеличение фиг. 17.

Идентичные или функционально идентичные части или элементы обозначены на фигурах одинаковыми ссылочными позициями.

Изображенные устройства содержат накаливаемый катод 11, катодный электрод 12 и анодный электрод 13. Устройство может генерировать электронное излучение 14 (см. фиг. 9 - 11).

Во всех вариантах исполнения изобретения накаливаемый катод 11 выполнен в виде проводника и продолжается в плоскости чертежа (фиг. 1, фиг. 3, фиг. 5, фиг. 7 и фиг. 9 - 11) или в продольном направлении, расположенном перпендикулярно к направлению распространения излучения 14 электронов. При этой форме достигают линейного поперечного сечения излучения 14 электронов, причем продольное направление линейного поперечного сечения направлено параллельно к продольному направлению образующей накаливаемый катод 11 проволоки.

В изображенных вариантах исполнения изобретения анодный электрод 13 содержит соответственно два находящихся на некотором расстоянии друг от друга элемента 13a, 13b, между которыми может проходить насквозь излучение 14 электронов. Вместо составного анодного электрода 13 может предусматриваться также монолитный анодный электрод 13. Тогда он может иметь отверстие, через которое может проходить исходящее от накаливаемого катода 12 излучение 14 электронов. В частности, отверстие может быть прямоугольным и иметь в продольном направлении, перпендикулярном плоскости чертежа по фиг. 1, существенно большие размеры, чем в поперечном направлении, чтобы пропускать линейное излучение 14 электронов.

На накаливаемый катод 11 подают напряжение от не показанного источника напряжения таким образом, что электрический ток протекает через накаливаемый катод 11, приводя к нагреванию накаливаемого катода 11. При этом накаливаемый катод 11 может иметь по меньшей мере частично такой же потенциал, как и катодный электрод 12.

При эксплуатации устройства между катодным электродом 12 и анодным электродом 13 подают напряжение, генерируемое не изображенным на фигурах источником напряжения, для ускорения выходящих из накаливаемого катода 11 электронов. Напряжение может составлять, например, 1 кВ и 10 кВ. При этом катодный электрод 12 соединен с отрицательным полюсом, а анодный электрод 13 - с положительным полюсом источника напряжения, причем, в частности, анодный электрод 13 дополнительно может быть соединен с массой.

Существует возможность отказаться в устройстве от анодного электрода. В этом случае, например, в качестве анода может служить обрабатываемая металлическая деталь.

Катодный электрод 12 имеет открытую с одной стороны полость 15, в которой расположен накаливаемый катод 11. Образующая полость 15 поверхность 16 катодного электрода 12 гладкая и соответственно непрерывистая. Поверхность 16 поло - цилиндрическая и выполнена с вогнутым искривлением, причем поверхность 16 имеет, в частности, поперечное сечение в форме параболы. Вследствие этого вогнуто искривленная поверхность 16 катодного электрода 12 имеет разделительную линию 17 свода, продолжающуюся на фиг. 11 в плоскость чертежа. Перед этой разделительной линией 17 свода и соответственно перед экстремумом параболы расположен накаливаемый катод 11 (см. фиг. 1). При этом накаливаемый катод 11 имеет расстояние до поверхности 16 катодного электрода 12, на участке разделительной линии 17 свода и соответственно экстремума параболы, меньше, чем расстояние от накаливаемого катода 11до других участков поверхности 16 катодного электрода 12.

На фиг. 11 поясняется, что выходящие также вверх на фиг. 11 и соответственно в направлении разделительной линии 17 свода из накаливаемого катода 11 электроны, поворачивают также вниз, по направлению к анодному электроду 13. В частности, при эксплуатации устройства, выходящие из накаливаемого катода 11 в направлении катодного электрода 12 электроны отражаются от поверхности 16 или на участке поверхности 16 катодного электрода 12 в направлении к анодному электроду 13 или в направлении анодного электрода 13. Это обеспечивает, что, по существу, все выходящие в радиальных направлениях из накаливаемого катода 11 электроны способствуют излучению 14 электронов.

Вариант исполнения изобретения согласно фиг. 1 и фиг. 2 содержит, кроме того, в направлении распространения излучения 14 электронов, за анодным электродом 13, два отклоняющих электрода 18a, 18b. Можно также обойтись без обоих отклоняющих электродов 18a, 18b. Они служат только для формирования профиля лучей излучения 14 электронов.

Варианты исполнения изобретения согласно фиг. 3 - 8 содержат, кроме того, в направлении распространения излучения 14 электронов, за отклоняющими электродами 18a, 18b, - другой электрод 19, имеющий отверстие 20 для прохождения излучения 14 электронов. Другой электрод 19 может иметь положительный потенциал, по сравнению с отклоняющими электродами 18a, 18b, поэтому электроны излучения 14 электронов ускоряются в направлении к другому электроду 19 и проходят через отверстие 20.

Отдельные варианты исполнения изобретения частично отличаются исполнением анодного электрода 13. В вариантах исполнения изобретения по фиг. 1 - 4 анодный электрод 13 имеет два ровных, в виде пластины и находящихся на некотором расстоянии друг от друга элемента 13a, 13b. Они так наклонены относительно горизонталей на чертежах, что их обращенные друг другу концы простираются вверх в полость 15 катодного электрода 12.

В варианте исполнения изобретения согласно фиг. 5 и фиг. 6 - элементы 13a, 13b расположены идентично. Тем не менее, они выполнены не плоскими, а искривленными.

В вариантах исполнения изобретения по фиг. 7 - 11, - элементы 13a, 13b, как и в первых вариантах исполнения изобретения согласно фиг. 1 - 4, выполнены плоскими. Тем не менее, они не наклонены относительно горизонталей в чертежах, поэтому их обращенные друг другу концы проходят не вверх в полость 15 катодного электрода 12.

Устройство для генерирования излучения электронов может быть интегрировано в 3D - печатающем устройстве для изготовления пространственно вытянутого продукта. В этом случае в рабочей зоне 21 (см. фиг. 9) может быть размещен, например, состоящий из металла в форме прутка исходный материал для 3D - печати, с возможностью его расплавления излучением 14 электронов. Альтернативно можно предусмотреть также порошкообразный исходный материал.

В описанных устройствах некоторые или, в частности, все элементы могут располагаться в вакууме. Необходимый для этого корпус на фигурах не изображен или изображен не полностью. Только на фиг. 9 корпус 22 изображен схематически.

Изобретение относится к области генерирования электронного излучения. Технический результат - повышение эффективности устройства генерирования электронного излучения, однородности излучения электронов и снижение чувствительности к парам частиц. Устройство для генерирования излучения (14) электронов содержит накаливаемый катод (11) в форме проволоки, значительно более вытянутый в продольном направлении, чем в перпендикулярном к нему поперечном направлении, катодный электрод (12), а также анод. Катодный электрод (12) имеет изогнутую поверхность в виде полой цилиндрической вогнутой изогнутой поверхности (16) на стороне, обращенной к накаливаемому катоду (11). При эксплуатации устройства между катодным электродом (12) и анодом приложено напряжение для ускорения выходящих из накаливаемого катода (11) электронов. Накаливаемый катод (11) расположен на некотором расстоянии от катодного электрода (12) так, что при эксплуатации устройства из накаливаемого катода (11) в каждом из поперечных направлений выходят электроны и ускоряются к аноду. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Устройство для генерирования излучения (14) электронов, содержащее:

- накаливаемый катод (11) в виде проволоки, значительно более вытянутый в продольном направлении, чем в перпендикулярном к нему поперечном направлении, причем от накаливаемого катода (11) при эксплуатации устройства исходит излучение (14) электронов, имеющее вследствие вытянутой формы накаливаемого катода (11) вытянутое линейное поперечное сечение, перпендикулярное направлению распространения излучения вследствие формы накаливаемого катода (1), при котором протяженность в продольном линейном направлении значительно больше, чем в поперечном линейном направлении;

- катодный электрод (12);

- анод, причем при эксплуатации устройства между катодным электродом (12) и анодом приложено напряжение для ускорения выходящих из накаливаемого катода (11) электронов,

отличающееся тем, что

катодный электрод (12) имеет изогнутую поверхность в виде полой цилиндрической вогнутой изогнутой поверхности (16) на стороне, обращенной к накаливаемому катоду (11);

при этом накаливаемый катод (11) расположен на расстоянии от катодного электрода (12) так, что при эксплуатации устройства электроны, выходящие из накаливаемого катода (11) в любом поперечным направлении, ускоряются в направлении к аноду.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что катодный электрод (12) имеет на стороне, обращенной к накаливаемому катоду (11), гладкую поверхность (16) и/или не прерванную поверхность (16), причем поверхность (16), в частности, не прервана пазом или подобным элементом.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанная полая цилиндрическая вогнутая поверхность (16) катодного электрода (12) имеет линию (17) свода, предпочтительно имеет поверхность (16) с поперечным сечением в форме параболы.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что расстояние от накаливаемого катода (11) до поверхности (16) катодного электрода (12), на участке разделительной линии (17) свода вогнутого изгиба, в частности, экстремума параболы, меньше, чем расстояние от накаливаемого катода (11) до других участков поверхности (16) катодного электрода (12).

5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что при эксплуатации устройства электроны, выходящие из накаливаемого катода (11) по направлению к катодному электроду (12), отражаются от поверхности (16) или на участке поверхности (16) катодного электрода (12) в направлении анода или отклоняются по направлению к аноду.

6. Устройство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что в качестве анода служит обрабатываемая деталь.

7. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что анод выполнен в виде анодного электрода (13), имеющего, в частности, отверстие, через которое может проходить исходящее от накаливаемого катода (11) излучение (14) электронов.

8. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что устройство содержит по меньшей мере один отклоняющий электрод (18а, 18b), предпочтительно множество отклоняющих электродов (18а, 18b), причем по меньшей мере один отклоняющий электрод (18а, 18b) служит, в частности, для сжатия и/или для фокусирования излучения электродов.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что по меньшей мере один отклоняющий электрод (18а, 18b) в направлении распространения излучения (14) электронов располагается за анодным электродом (13).

10. 3D-печатающее устройство для изготовления пространственно вытянутого продукта, содержащее:

- по меньшей мере устройство для генерирования излучения электронов;

- рабочую зону для размещения или подачи в нее исходного материала для 3D-печати, подвергаемого воздействию излучения электронов, причем рабочая зона расположена в 3D-печатающем устройстве так, что излучение электронов попадает на исходный материал,

отличающееся тем, что устройство для генерирования излучения электронов является устройством по одному из пп. 1-9.

11. Устройство для обработки детали, содержащее по меньшей мере одно устройство для генерирования излучения электронов, отличающееся тем, что устройство для генерирования излучения электронов является устройством по одному из пп. 1-9.