Электронная пушка Советский патент 1984 года по МПК H01J3/02 

11 21 7 У 6

)/«

Изобретение относится к электротехнике, в частности к мощным энерго блокам электронно-лучевых установок, применяемым в электротермии.

Известна электронная пушка большой мощности, применяемая для плавки металлов в вакууме, содержащая вакуумную камеру, и которой располо-, жены термоэмиссионный катодный узел, анод с водяной рубашкой, проходной изолятор, металлический цилиндрический корпус, внутри которого проходят шины для подвода накала, а снаружи-расположены радиаторы системы Охлаждения, Радиаторы охлаждения катодного узла, находящегося под высоким потенциалом, снаружи охвачены цилиндрическим заземленным экра-ном, в который встроен вентилятор для удаления нагретого воздуха CU.

Недостаток указанного устройства - невозможность стабилизации температурного поля катодного узла при случайных флюктуациях режима его нагрева и отбора эмиссионного тока. При этом возрастание Температуры эмиттирукщей поверхности катода всего на несколько десятков градусов приводит к существенному изменению как величины эмиссионного тока, так и скорости испарения активного спои, в результате снижается ресурс работы электронной пушки, определяеый износом и потерей эмиссионных свойств катодного узла. Кроме того, в этом устройстве трудно обеспечить необходимый запас по электрической прочности из-за увеличения внешних размеров катодного узла, охлаждаемого и изолируемого воздушной средой, что в итоге снижает надежность в эксплуатации. . .

Известна также электронная пушка, содержащая вакуумную камеру, в которой осесимметрично размещены термоэмиссионный катодный узел с цилиндическим корпусом, установленным в роходном изоляторе, и анод.с фланцем, и камеру жидкостного охлаждения, коаксиально охватывающую вакумную камеру. Камера охлаждения катодного узла выполнена в виде цииндрической водяной рубашки, соединенной со спиральным водяным сопротивлением, рассчитанным на полное напряжение установки. Водяное сопротивление смонтировано внутри защитного заземленного экрана Г2 .

Недостатком известного устройства является ограничение ресурса и йаежности работы при изменениях режиа электронно-лучевой плавки, обусовленных флюктуациями параметров цепей питания, типом технологического процесса, качеством исходного мйтериала и состоянием вакуума в камере. При этом известное.устройство не обеспечивает стабилизации тетлпературного поля пушки, что приводит к скачкообразному возрастанию эмиссии и скорости испарения активного слоя катода и обусловливает его преждевременный износ или потерю эмиссионных свойств. Кроме того, в известном устройстве система охлаждения катода, включая водяную спираль значительной длины, выполнена с воздушной изоляций), что существенно увеличивает вероятность электрических пробоев при переходных процессах и тем самьоА снижает надежнос устройства в целом.

Цель изобретения - увеличение надежности и ресурса работы мешаной электронной пушки, применяемой в электронно-лучевых плавильных установках.

Поставленная цель достигается тем, что в электронной пушке, ордержащей Вакуумную камеру, в которой осесимметрично размещены термоэмиесионный катодный узел с цилиндрическим корпусом, установлен.нйи в прохоном изоляторе, и анод с фланцем, и камеру жидкостного охлаждения, коаксиально охватывающую вакуумную камеру, коаксиально с проходным изолятором размещена заполненная фторорганической жцдкостью камера, ограниченная в радиальном направлении поверхностями проходного изолятора и вакуумной камеры, корпус катодног узла снабжен переходным фланцем и выйолнен в виде тепловой трубы, конденсаторная часть которой представляет собой потенциальный экран, расположенный в камере с ф-торорганической жидкостью.

Корпус катодного узла содержит дисковую переходную часть, расположенную параллельно анодному фланцу на уровне половины высоты проходного изолятора, который выполнен из двух секций.

Водяная цилиндрическая камера охлаждения и камера с фторорганической жидкостью образованы цилиндрическими ортогональными ребрами анодного фланца, расположенными соосно с проходным изолятором.

На чертеже изображена предлагаемая электронная пушка, разрез.

Электронная пушка содержит вакуумную камеру i с откачными патрубками 2, термоэмнссионный катодный узел 3, состоящий из вспомогательного катода 4, основного таблеточного катода 5 и цилиндрического корпуса б, вьшолненного в вщ1е тепловой трубы. Катодный УЭ&1 установлен на оси симметрии проходного изолятора 7, состоящего из двух секций равной высоты, сна(йсенного изолирующей крышкой 8, через которую проходят шины 9 подвода накала. Анод 10 электронной пушки крепится на анодном фланце 11 с цилиндрическими ребрами 12, обра укхцими теплообменнце камеры 13 и 14, заполненные соответственно фторорганической жид.костью и водой. Подвод охлаяздакицйх : жидкостей ос пцествляется через патрубки 15 на верхнем фланце 16 тепло Р1 4енных камер Корпус катодного узла содержит полость, заполненную тешюноситапем 17,. причем цилиндрическая часть 18 полости корпуса является зонс испарения теплоносителя, дисковая часть 19, которая может быть расположена на уровне половины высоты проходного изолятора, является адиабатной зоной тепло вой трубы. Конденсация теплоносителя происходит в цилиндрической поло ти 20/ расположенной внутри потенциального экрана 21 , охватыванадёго проходной изолятор. Подключение пит . ния накала производится высоковольх . ным кабелем 22, проходяпцим через заземленный экран 23. Устройство работает следующим образом. После включения мощности накала, подводююй шинами 9, происходит разогрев основного катода 5 до номинальной рабочей температуры. В. процессе выхода на номинальный режим накала происходит автоматический запуск тепловой трубы, являющейся корпусом б катодного узла. В цилиад рической его части 18 прои сходит испарение теплоносителя/ который, проход дисковую часть 19, конденси руется в цилиндрической полости 20, расположенной внутри потенциального экрана 21. Тепловой с поверхности экрана 21, находящегося под высоким отрицательным потенциалом катодного узла 3, снимается в тепло обменной камере 13, заполненной фто органической жидкостью. Мощность, необходимая для нагрева катода 5, зависит от его размеров, материала, выбора рабочей температуры и структуры тепловых потерь. Если отбор тепла на поверхности экрана 21 происходит в процессе кип .ния пограничного слоя фторорганичес кой жидкости, то это не приводит к снижению электрической прочности пушки. Паровая фаза фторорганическо жидкости в камере 13 имеет электричес кую прочность, близкую к прочное ти трансформаторного масла, ди-;. электрическая проницаемость изменя-ется линейно в широком диапазоне изменения температур.Движение изоли рующей жидкости в камере 13 происхо дит за счет разности плотностей, а отвод тепла осуществляется через цилиндрическую стенку, разделя1101аую камеры 13 и 14. Большая плоцадь поверхности анод ного фланца 11 обеспечивает эффекти ность конвективного теплообмена между анодом и жидкостями в камерах 13 и 14. Корпус б катодного узла, выполняющий функции тепловой трубы, обеспечивает изотермический режим работы эмиссионной поверхности основного катода 5. При этом.становится возможным контроль и управление скоростью испарения активного вещества катода, определяющей надежность и ресурс работы устройства в целом. Так, для оксидного катода рост температуры всего на 20°С по срав- . нению с номинальной (Т 1100 К) приводит к возрастанию скорости испа,рения активного слоя в 4 раза, а лс кальный РОСТ температуры на сокращает ресурс работы катода в 10 раз. В предлагаемом устройстве демпфируются также случайные флюктуации температурного поля, обусловленные обратной тепловой связью анода и катода, что уменьшает вероятность испарения компонентов эмиттирующей поверхности катода, как окись бария и др.,- что в условиях эксплуатации приводит к росту электрического сопротивления поверхностного слоя катода и уменьшению тока эмиссии. В.качестве теплоносителя, заполняющего корпус катодного узла, в зависимости от материала катода и его рабочей . тетературы (оксидный катод, вольфрамовый, гексаборидлантановый, барий-никелевый и .) могут использоваться, например, натрий, литий или другие теплоносители. Тепловая труба на литии при 1500°С обеспечивает направленную передачу теплового вотока порядка 10-20 кВт/см. После конденсации теплоносителя в полости экрана 21 его возврат в область кипения осуще.ствляется за счет силы тяжести и капиллярных сил, для чего noлod ти 18 - 20 снабжаются фитилем иливыполняются с канавками. При использовании, в качестве теплоносителя натрия корпус б может &ать выполнен КЗ нержавеющей стали, при использовании лития корпус изготавливается из ниобия, тантала или молибдена. Поскольку тепловая труба обеспечивает эффетивный перенос тепла толькО в одном направлении, то секция керамического изолятора 7 автоматически защищена от тепловых перегрузок. При этом каскадное включение двух теплообменных устройств- {корпуса б и камеры 13) работает как трансформатор плотности теплового потока и стабилизатор температурного поля в зоне эмиссии электронов. В качестве теплоносителя в камере 13 могут быть выбраны жидкости , из ряда перфтораминов, теплофизические и электроизоляционные свойства не уступают трансформаторному маслу, но они характеризуются химической инертностью к нагретым металлам, взрывобеэопасностью, а электрическая прочность их после тренировочных п робоев возрастает в пределах 50-150 кВ/см. Совмацение функций изолирующей высокопрочной жидкости и теплоносителя позволяет существенно сократить габариты устройства при заданном уровне высокого напряжения или увеличить уровень ускоряющего напряжения в 2-3 раза при тех же габаритах.

% - J

При применении изобретения стабилизируется температура катодного узла и уменьшается его износ независимо от наличия теплообмена между анодом и катодом электронной пушки, взаимного влияния цепей питания (прямого и электронного йакала и анодной цепи) и других факторов, а также уменьшается вероятность электрических пробоев в устройстве в I Целом. Причем оптимизация конструктивного оформления п: Л11ки, учитывающая конкретную взаимосвязь электрических и тепловых процессов, достигается на основе принципа совмещения изолирующей и охлаждающей среды (использование камеры с фторорганической жидкостью) , совмещения корпуса катодного узла и тепловой трубы, конденсаторной части тепловой трубы и потенциального электроду, обеспечивающего однородную структуру электрического поля, и совмещения оребренного анодного фланца с теплообменными камерами. Поэтому наряду с повышением надежности и ресурса работы устройства уменьшают;ся его весогабаритные показатели, особенно при переходе к большим мощностям накала и энергиям пучка (высота пумки уменьшается почти вдвое). Эти асобеннрсти позволяют эффективно применять электронную пушку в электронно-лучевых установках средней и большой мощности, а также в электрофизических установках для формирования и исследования интенсивных релятивистских пучков электронов.

ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА, содер.жатая вакуумную камеру, в которой осесимметрично размещены термоэмиссионный катодный узел с цилиндрическим корпусом, установленным в проходном изоляторе, и анод с фланцем, и камеру жидкостного охлаждения, коаксиально охватывающую вакуумную камеру, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и рееурса, коаксиально с проходным изолятором размещена заполненная фторорганической жидкостью камера, ограниченная в радиальном направлении поверхностями проходного изолятора и вакуумной камеры, корпус катодного узла снабжен пере- . ходным фланцем и выполнен в виде тепловой трубы, конденсаторная часть которой представляет собой потенциальный экран, расположенный в О) камере с фторорганической жидкостью.