УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Советский патент 1994 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электронным ускорителям, применяемым для обработки и облучения материалов с выпуском пучка в газовую среду.

Известен ускоритель заряженных частиц, содержащий секционированную ускорительную трубку с промежуточными плоскими кольцевыми электродами, расположенную в вакуумируемом изолирующем корпусе. Источник питания расположен на высоковольтном конце изолирующего корпуса и подключен к катоду ускорительной трубки.

Недостатком этого ускорителя является низкая надежность при выводе пучка в газовую среду для облучения объекта. При попадании газа в область ускорения и формирования пучка характеристика электрической прочности ускорительной трубки смещается на левую ветвь кривой Пашена, что обусловливает возникновение разрядов между электродами.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является ускоритель заряженных частиц, питающийся от высоковольтного источника постоянного напряжения и содержащий ускорительную многосекционную трубку с прямоканальным катодом, расположенную в герметичном корпусе на одной оси с высоковольтным кабельным токовводом, окруженным потенциальными экранами.

Ускорительная трубка окружена системой потенциальных экранов, гальванически соединенных с промежуточными электродами. Параллельно оси трубки установлен омический делитель, служащий для деления потенциала между экранами. Для накала катода используется автономный источник питания, встроенный в корпус и рассчитанный на полное напряжение ускорителя. У заземленного конца трубки расположена магнитная линза, а пучок попадает на объект технологической обработки через выходное окно.

Недостатком такого ускорителя является низкая надежность при увеличении интенсивности пучка (например, от 50, мА до 1А и более). С ростом интенсивности электронного пучка существенно возрастает роль пространственного заряда, вызывающего увеличение поперечного размера пучка. При взаимодействии такого пучка с встречным потоком газа, попадающим из области технологической обработки объекта, а также за счет перехвата пучка системой промежуточных электродов происходит регулярное нарушение электрической прочности вакуумных промежутков ускорительной трубки, вплоть до развития дуги, являющееся аварийным режимом для технологического ускорителя заряженных частиц.

Кроме того, недостатком известного устройства является конструктивное решение автономного источника накала, встроенного в корпус ускорителя, заполненный жидким или газообразным диэлектриком. Автономный источник накала состоит из мотора и генератора, связанных изолирующим вращающимся валом. Для регулирования тока накала со стороны низкого потенциала используется второй изолирующий вал, проходящий параллельно оси ускорительной трубки через систему потенциальных экранов. Такое решение снижает надежность ускорителя из-за наличия вращающегося механического момента в рабочем пространстве, который влияет на точность юстировки электродной системы трубки, не позволяя проводить интенсивные пучки, увеличивает габариты и усложняет эксплуатацию известного устройства.

Целью изобретения является повышение надежности и уменьшение весогабаритных параметров ускорителя заряженных частиц, работающего в непрерывном режиме.

Поставленная цель достигается тем, что в ускоритель заряженных частиц, содержащий цилиндрический корпус с расположенными в нем высоковольтным кабельным токовводом с потенциальными экранами, термоэмиссионным катодом, ускоряющей электродной системой со встроенным делителем напряжения и изолирующим источником накала катода, введены дополнительные экраны, образующие систему из n вложенных друг в друга проводящих оболочек с геттерным покрытием, замыкающихся на потенциальные экраны токоввода в электродную систему, кабельный токоввод выполнен в виде полого герметичного цилиндрического изолятора, внутри которого размещен изолирующий источник накала катода.

Поверхность дополнительных экранов выполнена ионопоглощающей, поверхность дополнительных экранов в средней части корпуса выполнена сетчатой, а кратчайшее расстояние l₂ между поверхностями дополнительных экранов удовлетворяет соотношению
l₁/l₃ > l₂/l₃ > 1, где l₁ - расстояние между потенциальными экранами кабельного токоввода;
l₃ - расстояние между ускоряющими электродами.

Откачные отверстия расположены в средней части корпуса ускорителя.

Изолирующий источник накала катода выполнен в виде системы расположенных соосно кабельному вводу трансформаторных модулей с магнитопроводом, образованным радиально расположенными П-образными сердечниками, охватывающими кабельные цилиндрические катушки, а соседняя потенциальная точка источника накала гальванически связана со средним потенциальным экраном кабельного токоввода.

На фиг. 1 изображен ускоритель заряженных частиц; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - принципиальная электрическая схема ускорителя.

Устройство содержит цилиндрический корпус 1 с откачными патрубками 2, по оси симметрии которого расположены высоковольтный кабельный токоввод 3, термоэмиссионный катод 4, секционированная электронная система 5, лучевод 6, несущий магнитные линзы 7, и система 8 вакуумного перепада и выпуска пучка. Интенсивный непрерывный электронный пучок 9 попадает на объект обработки через газодинамический затвор 10. Плоские электроды ускорителя фиксируются с помощью изолирующих опорных стоек 11 и переходят в систему дополнительных потенциальных экранов 12, выполненных в форме вложенных друг в друга оболочек, несущих встроенные RC-делители 13, с сетчатыми боковыми поверхностями 14. Дополнительные экраны обработаны порошком титана или другого геттерного материала. Потенциальные экраны 15 высоковольтного кабельного токоввода. расположенные по высоте цилиндрического полого изолятора 16, гальванически соединены с дополнительными экранами. На оси полого изолятора расположен высоковольтный кабель 17, загерметизированный в проводящих фланцах на торцах. В полости изолятора, заполненной жидким диэлектриком 18, расположен изолирующий накальный трансформатор 19, содержащий первичную обмотку 20, обмотку связи 21 и вторичную обмотку 22, собранные по схеме "обращенный тор" на замкнутых П-образных сердечниках 23. Между дополнительными потенциальными экранами собран смешанный RC-делитель, отдельные емкостные и резистивные звенья 24 и 25 которого расположены между смежными оболочками экранов в горизонтальной плоскости симметрии корпуса устройства. Ввод 26 сетевого питания трансформатора накала расположен на верхнем заземленном фланце корпуса ускорителя. Секционированные плоские электроды соединяются конусными диафрагмами 27 с дополнительными экранами. Средний потенциальный экран 28 кабельного токоввода соединен гальванически со средней точкой 29 обмотки связи накального трансформатора.

Устройство работает следующим образом. По достижении в корпусе 1 ускорителя давления остаточных газов порядка 10^-5 мм рт. ст. через ввод 26 подается мощность накала, регулируемая сетевым автоматическим регулятором. После выхода на заданный режим эмиссии катода 4 по высоковольтному кабелю 17 поступает мощность от источника постоянного тока. С помощью дополнительных потенциальных экранов 12 и встроенного RC-делителя 13 осуществляется подавление "эффекта полного напряжения" во всем объеме корпуса 1, в котором локализуется электрическое поле ускорителя. При этом расстояние между частями дополнительных экранов, гальванически связанными с потенциальными экранами 15 кабельного токоввода, l₁ выбирается максимальным исходя из кривых вакуумной прочности по поверхности диэлектрика при соблюдении условия
l₁/l₃ > l₂/l₃ > 1, где l₂ - расстояние между сетчатыми боковыми поверхностями 14 дополнительных экранов;
l₃ - расстояние между секциями ускорителей электродной системы 5.

Пучок 9 электронов, управляемый магнитными линзами 7, через систему 8 вакуумного перепада и газодинамический затвор 10 поступает на объект технологической обработки. При этом в области секционированной электродной системы 5 происходит локальное повышение давления в пределах 10^-3 мм рт. ст. , и электрическая прочность промежутков l₃ снижается, в то время как электрическая прочность промежутков l₁, примыкающих к поверхности изолятора 16, защищенной от потока частиц экранами 12, слабо зависит от градиента давления в области электродов системы 5. Поэтому в динамике с учетом движения потоков частиц в корпусе 1 электрическая прочность промежутков l₁, l₂ и l₃ соответствует прочности на поверхности раздела диэлектрик-вакуум, прочности чисто вакуумного промежутка и прочности газовой среды низкого давления. Конкретная величина соотношения l₁: l₂: l₃ существенно зависит от геометрии и состояния поверхности экранов и электродов, от выбора материалов и их физико-механических и теплофизических параметров, от режима и способа вакуумно-технологической обработки элементов конструкции ускорителя. В ряде случаев возможен выбор отношения l₁: l₂: l₃ = 6: 4: 1. При этом обеспечивается автоматическое поддержание равной электрической прочности между промежуточными экранами во всем объеме корпуса 1 ускорителя. Минимальная величина промежутков соответствует геометрическому условию повышения характеристической проводимости ускорителя и, следовательно, повышению допустимой плотности тока, проходящего между электродами 4 и 5. Кроме того, пучок 9, ионизируя встречный поток газа, подвергается действию ионной фокусировки, что уменьшает перехват тока секциями системы 5 и уменьшает вероятность развития аварийного режима даже при больших значениях интенсивности пучка. В зависимости от уровня ускоряющего напряжения, мощности откачных систем, вида геттерного покрытия и характера технологического процесса количество дополнительных экранов 12 может варьироваться в пределах n = 2-10. Предельному случаю n = 2 соответствует наличие прикатодного потенциального экрана, тогда как вторым экраном является сам корпус ускорителя. Согласование геометрии дополнительных тороидальных экранов 12 с плоскими электродами может осуществляться с помощью системы конусных диафрагм 27, состоящих из двух частей, ориентированных меньшими основаниями навстречу друг другу.

Высокая электрическая прочность изолирующего накального трансформатора 19, встроенного в кабельный токоввод 3, обеспечивается при выполнении обмотки связи 21 из полиэтиленового кабеля. При этом верхняя группа П-образных сердечников 23 потенциально объединяется с корпусом 1 ускорителя, тогда как нижняя группа сердечников находится на потенциале катода.

Для координации изоляции по внешней поверхности полого изолятора 16 и во внутреннем объеме средний потенциальный экран 28 кабельного токоввода соединяется гальванически со средней точкой 29 обмотки связи 21 изолирующего накального трансформатора 19. При этом потенциал среднего дополнительного экрана 12 переносится на жилу полиэтиленового кабеля, которым мотается обмотка 21, а встроенный RС-делитель 13 используется для перераспределения напряжения не только в области ускорения пучка, но и вдоль главной изоляции встроенного накального трансформатора. При этом эффект "подавления полного напряжения" для трансформаторной структуры заключается в снижении вдвое уровня главной изоляции, причем в любой момент времени потенциал средней точки 29 трансформаторной обмотки равен потенциалу среднего электрода. Этим устраняется возможность случайного емкостного перераспределения потенциалов в рабочем объеме корпуса 1 ускорителя, включая объем полого изолятора 16, и уменьшается вероятность частичных разрядов в диэлектрической среде.

Емкостные элементы делителя компенсируют неравенство динамических емкостей в системе экранов 12, отличающихся величиной заряженной поверхности. Кроме нормирования градиентов электрического поля в различных зонах рабочего объема ускорителя система экранов 12 служит для защиты поверхности изолятора 16 токоввода 3 от попадания потоков заряженных частиц (как электронов, так и ионов). Функция такой защиты реализуется как механическим путем, так и за счет адсорбции газов геттерным покрытием экранов. При этом на поверхности экранов происходит как нейтрализация заряженных частиц, так и поглощение газа и паров примесей.

Расположение откачных патрубков 2 на оси симметрии корпуса позволяет локализовать различные вакуумные условия в верхней и нижней половинах корпуса устройства и усилить нормирующую функцию экранов для условия l₁/l₃ > l₂/l₃ > 1 .

Положительный эффект от использования данного предложения обусловлен возможностью повышения надежности технологического ускорителя заряженных частиц, формирующего непрерывный и интенсивный пучок электронов за счет подавления эффекта полного напряжения на всех потенциальных элементах, расположенных в рабочем пространстве ускорителя с учетом динамики диэлектрической среды. Кроме того, устройство характеризуется уменьшением весогабаритных параметров, что связано с предложенной схемой деления потенциалов в диэлектрической среде корпуса ускорителя и совмещение изолирующего источника накала и кабельного токоввода. При этом происходит совмещение главной изоляции этих двух узлов и достигается принудительное деление потенциалов, соответствующее градиентам электрического поля в ускоряющей электродной системе.

Использование предложенного устройства в технологических установках позволяет повысить технико-экономическую эффективность за счет облегчения требований и уменьшения мощности системы откачки тракта вывода пучка, увеличивая мощности установки и уменьшения вероятности аварийных режимов, обусловленных дуговым замыканием в ускорителе. (56) Патент Франции N 1406857, кл. Н 05 Н 5/00, 1965.

Шиллер Г. , Гайзик У. Панцер З. Электронно-лучевая технология. М. : Энергия, 1980, с. 464, рис. 8-11.

1. УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий расположенные в общем корпусе, снабженном откачными отверстиями, высоковольтный кабельный токоввод с потенциальными экранами, термоэмиссионный катод, ускоряющую электродную систему со встроенным делителем напряжения и изолирующий источник накала катода, отличающийся тем, что с целью повышения надежности и улучшения весогабаритных параметров ускорителя, внутри корпуса ускорителя расположены дополнительные экраны, образующие систему из n вложенных друг в друга проводящих оболочек, замыкающихся на потенциальные экраны токоввода и электродную систему, при этом кабельный токоввод выполнен в виде полого герметичного цилиндрического изолятора, внутри которого размещен изолирующий источник накала катода. 2. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что поверхность дополнительных экранов выполнена ионопоглощающей, поверхность дополнительных экранов в средней части корпуса выполнена сетчатой, а кратчайшие расстояния l₂ между поверхностями дополнительных экранов удовлетворяют соотношению
> >1
где l₁ - расстояние между потенциальными экранами кабельного токоввода;
l₃ - расстояние между ускоряющими электродами. 3. Ускоритель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что откачные отверстия расположены в средней части корпуса ускорителя. 4. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что изолирующий источник накала катода выполнен в виде системы расположенных соосно кабельному вводу трансформаторных модулей с магнитопроводом, образованным радиально расположенными П-образными сердечниками, охватывающими кабельные цилиндрические катушки, а средняя потенциальная точка источника накала гальванически связана со средним потенциальным экраном кабельного токоввода.