ИНЖЕКТОР ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ ВЫВОДА ПУЧКА В АТМОСФЕРУ Советский патент 1996 года по МПК H05H5/02 H01J29/48 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке ускорителей электронов прямого действия с выпуском электронного пучка в атмосферу для использования его в технологических целях.

Известен инжектор электронов для вывода пучка в газовую среду, содержащий электронную пушку с анодным фланцем, на котором закреплен лучевод, несущий магнитные линзы и соединенный подвижно с системой газодинамических шлюзовых камер.

В известном устройстве шлюзовые камеры образованы цилиндрическим корпусом и встроенными конусными диафрагмами и соединены переходниками, расположенными вдоль образующей корпуса с индивидуальными вакуумными насосами.

При работе устройства навстречу выводимому пучку двигается поток газа, давление которого падает по мере прохождения через шлюзовые камеры и откачки насосами.

Недостатком известного устройства является низкая надежность, обусловленная значительной протяженностью тракта вывода пучка в газовую среду, что увеличивает вероятность возникновения пучково-плазменного разряда, обусловленного взаимодействием пучка и остаточного газа в шлюзовых камерах. При возникновении такого режима энергия пучка через плазму разряда преобразуется в тепло в конструктивных элементах газодинамического тракта, в результате чего происходит запирание пучка, а ресурс и надежность работы известного устройства существенно ограничиваются. Значительная протяженность тракта вывода пучка обусловлена конструктивным решением известного инжектора, в котором переходные патрубки, служащие для промежуточной откачки и создания градиента давления вдоль системы шлюзовых камер, расположены друг за другом вдоль оси пучка. Кроме того в известном устройстве неравномерность нагрева элементов шлюзовых камер приводит к нарушению центровки диафрагм и уменьшает ресурс их работы.

Прототипом данного изобретения является инжектор электронов для вывода пучка в атмосферу, содержащий электронную пушку с анодным фланцем, на котором закреплено устройство для проводки пучка, содержащее магнитные линзы, и газодинамический тракт с газодинамическим затвором, снабженный системой охлаждения и содержащий встроенные конусные диафрагмы, расположенные вдоль оси тракта и соединенные переходниками с индивидуальными вакуумными насосами.

В известном устройстве газодинамический тракт выполнен в виде системы дисковых камер, снабженных индивидуальными водяными рубашками, а переходники расположены параллельно оси пучка.

При работе устройства навстречу выводимому пучку движется поток газа, давление которого падает по мере прохождения через диафрагмы и откачки насосами.

Недостатком известного устройства является низкая надежность при выводе непрерывных интенсивных электронных пучков в атмосферу, обусловленная зажиганием пучково-плазменного разряда в газодинамическом тракте. При этом происходит перенос энергии пучка на конусные диафрагмы и стенки дисковых камер, причем наиболее перегруженной тепловым потоком оказывается выходная камера и конусная диафрагма, которые в первую очередь выходят из строя. Предпосылками для возникновения аварийных режимов в известном устройстве являются значительная протяженность тракта пучка и невозможность выравнивания температуры. Неравномерное токооседание на выходных диафрагмах обусловливает формирование значительных температурных градиентов вдоль стенок шлюзовых камер, что вызывает возникновение термоупругих напряжений и изменение механических параметров газодинамического тракта. При этом надежность инжектора снижается как за счет большей вероятности зажигания пучково-плазменного разряда и запирания пучка, так и за счет относительной расфокусировки и смещения пучка, когда значительная часть пучка может попадать на стенки промежуточных диафрагм.

Целью данного изобретения является устранение указанного недостатка, т. е. повышение надежности при работе устройства в непрерывном режиме.

Поставленная цель достигается тем, что в инжекторе электронов для вывода пучка в атмосферу, содержащем электронную пушку с анодным фланцем, на котором закреплено устройство для проводки пучка, содержащее магнитные линзы, и газодинамический тракт с газодинамическим затвором, снабженный системой охлаждения и содержащий встроенные конусные диафрагмы, расположенные вдоль оси тракта, и соединенный переходниками с индивидуальными вакуумными насосами, корпус газодинамического тракта выполнен монолитным с внешней поверхностью в форме параллелепипеда, одна грань которого расположена параллельно анодному фланцу, а в боковых гранях выполнены вакуумные переходники, оси которых лежат в одной плоскости и которые подсоединены к насосам, при этом в корпусе выполнен центральный цилиндрический канал, в котором расположены конусные диафрагмы, соединенные отверстиями с переходниками.

Поставленная цель достигается также тем, что система охлаждения выполнена в виде П-образных тепловых трубок, встроенных в стенки центрального канала и расположенных параллельно оси газодинами- ческого тракта.

Поставленная цель достигается также тем, что система охлаждения снабжена кольцевым трубчатым конденсатором, соединенным с тепловыми трубками и расположенным осесимметрично с корпусом газодинамического тракта.

Поставленная цель достигается также тем, что газодинамический затвор выполнен в форме плиты с горизонтальными каналами, а кольцевой конденсатор расположен в одной плоскости с газодинамическим затвором.

На фиг. 1 изображено сечение устройства плоскостью, проходящей через его ось; на фиг. 2 сечение по А-А фиг. 1; на фиг. 3 сечение по Б-Б фиг. 1; на фиг. 4 сечение по В-В фиг. 1; на фиг. 5 аксонометрическая проекция корпуса газодинамического тракта.

Инжектор содержит электронную пушку 1, на анодном фланце 2 которой закреплено устройство для проводки пучка (лучевод 3), содержащее управляющие магнитные линзы 4. Газодинамический тракт выполнен в виде монолитного корпуса 5 в форме параллелепипеда, вдоль оси симметрии которого расположен центральный цилиндрический канал 6 с встроенными съемными конусными диафрагмами 7. Цилиндрические переходники 8, соединяющие корпус газодинамического тракта с индивидуальными вакуумными насосами 9, расположены в одной плоскости ортогонально оси пучка. Каждый переходник соединен через отверстия 10 в центральном цилиндрическом канале с соответствующим участком газодинамического тракта. На выходе устройства установлен газодинамический затвор 11 с горизонтальными каналами для вывода газа, Инжектор снабжен П-образными тепловыми трубками 12, встроенными в стенки центрального цилиндрического канала, при этом зона испарения 13 каждой тепловой трубки расположена параллельно оси пучка вдоль всей длины газодинамического тракта. Адиабатная часть 14 тепловых трубок соединена с кольцевым трубчатым конденсатором 15, расположенным осесимметрично с центральным каналом в плоскости газодинамического затвора, формирующего радиальный поток газа 16, вытекающий из горизонтальных каналов 17.

Внешняя стенка 18 центрального канала имеет форму параллелепипеда и соединена ребрами 19 жесткости, расположенными у вершин поперечного сечения с внутренней стенкой корпуса. Верхнее отверстие 20 корпуса соединяется с лучеводом, а боковые 21 с вакуумными насосами, отверстия 22 служат для фиксации фланцев.

Работает устройство следующим образом. Электронная пушка 1 формирует аксиально-симметричный стационарный электронный пучок. За анодным фланцем 2 пучок проходит через лучевод 3, где фокусируется линзами 4. Затем пучок электронов проходит вдоль оси центрального канала 6 газодинамического тракта, попадая в области с возрастающим давлением остаточного газа, разделенные конусными диафрагмами 7. Неравномерный нагрев деталей и элементов газодинамического тракта, обусловленный оседанием части пучка на конусных диафрагмах, а также взаимодействием пучка с встречным потоком газа, компенсируется при включении в работу трубок 12, которое проходит автоматически по достижении критической температуры, достаточной для испарения теплоносителя, заполняющего тепловые трубки. Поскольку зона испарения каждой тепловой трубки расположена параллельно оси пучка вдоль всей длины газодинамического тракта, то тем самым достигается изотермическое состояние поверхности центрального цилиндрического канала 6. Избыточное тепло через адиабатные части 14 тепловых П-образных трубок выносится теплоносителем в область кольцевого трубчатого конденсатора 15, который обдувается радиальным потоком газа 16, поступающим из горизонтальных каналов 17 газодинамического затвора 11.

Для выбранного количества ступеней откачки n ≅ 4 длина пучка в области газодинамического тракта оказывается минимальной, поскольку она лимитируется только расчетным диаметром одного переходника 8, соединяющего корпус 5 газодинамического тракта с индивидуальным вакуумным насосом 9. При этом все четыре переходника, формирующих четыре ступени давления в тракте, расположены ортогонально к оси пучка в одной плоскости под углом 90^о друг к другу.

Для повышения эффективности откачки за счет отражения основного потока газа в сторону откачных патрубков расстояния между разделительными конусными диафрагмами выбирали с учетом положения диска Маха. Известно, что истечение сверхзвуковой струи из сопла происходит в условиях режима, когда давление в потоке газа на выходе из сопла отличается от давления в среде, в которую вытекает струя. При различных соотношениях давлений на входе и выходе сопла возможны как недорасширение газа, так и перерасширение. Вследствие этого на участке струи, прилегающем к соплу, возникает система волн расширения и сжатия, а также скачков уплотнения, благодаря которым и осуществляется постепенное уравнивание давления в струе. Параметры газовой струи (давление, скорость и т.д.) в различных сечениях неодинаковы. При течении в нерасчетном режиме через сопло газовая струя расширяется и основная масса газа переносится на периферию струи. При возникновении волн расширения и сжатия образуются области с давлением газа, превышающим давление на входе сопла (диск Маха). В предложенной конструкции входное сечение промежуточных диафрагм располагается со смещением по вертикали по отношению к положению диска Маха, а конусообразная поверхность диафрагм создает условия для отражения газового потока в сторону откачных патрубков.

Таким образом, на пути от газодинамического затвора 11 до анодного фланца 2 пушки возможно формирование четырех ступеней перепада давления от 10^-1 до 10² Па при минимальной длине канала вывода пучка в условиях изотермического состояния стенок канала, что позволяет снять проблему термоупругих напряжений.

Диафрагмы 7 могут быть выполнены в виде системы усеченных конусов разного диаметра, большее основание которых возрастает, а меньшее основание уменьшается в направлении движения пучка. Это дает возможность дополнительно повысить надежность работы устройства, поскольку позволяет ограничить встречный поток газа, движущийся со стороны затвора 11. Кроме того, такое выполнение диафрагм обеспечивает возможность их юстировки и демонтажа со стороны затвора 11 без разборки всего инжектора.

Оптимальным вариантом формы корпуса 5 газодинамического тракта является параллелепипед, в частности куб, который легко сопрягается с анодным фланцем 2 пушки и с цилиндрическими переходниками 8, которые фиксируются на всех боковых гранях кубического корпуса. Внешняя стенка 18 центрального цилиндрического канала 6 может также иметь форму параллелепипеда, соединенного ребрами 19, расположенными у вершин поперечного сечения с внешней стенкой корпуса. В этом случае оптимальное число встроенных П-образных тепловых труб равно четырем. Все элементы газодинамического тракта формируются при обработке единой монолитной заготовки из нержавеющей стали на станках, что обеспечивает необходимую точность выдержки размеров, определяющую эффективность нейтрализации пространствен- ного заряда пучка и его дополнительную фокусировку. Оптимальным вариантом газовой среды в газодинамическом затворе 11 является гелий, который обеспечивает уменьшение сечения взаимодействия электронного пучка с молекулами газа, что уменьшает тепловые потери и повышает надежность работы инжектора. Корпус каждой П-образной тепловой трубки может выполняться из меди или нержавеющей стали. В качестве теплоносителя может использоваться вода, метиловый спирт или фреон-11. Для возврата конденсата из трубчатого конденсатора 15 в область испарения 13 на внутренней поверхности каждой тепловой трубы выполняется профилированная канавка либо используется фитиль из керамического волокна. При таком исполнении плотность выноса тепловой энергии за пределы газодинамического тракта может достигать 1 кВт/см² и более, что гарантирует изотермическое состояние поверхности центрального тракта. А поскольку корпус 5 тракта выполняется из единого материала, то деформации диафрагм 7 и других элементов за счет термоупругих напряжений, влияющие на положение электронного пучка, взаимно компенсируются.

Преимущество предлагаемого инжектора по сравнению с прототипом обусловлено повышением надежности за счет одновременного сокращения длины области взаимодействия пучка и остаточного газа инжектора и компенсации термоупругих напряжений стенок и других элементов тракта вывода пучка в атмосферу. При этом расширяется диапазон рабочих параметров инжектора (плотность тока, разность давлений в тракте вывода пучка, поперечное сечение пучка), что способствует выводу пучка в атмосферу с высоким КПД.

1. ИНЖЕКТОР ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ ВЫВОДА ПУЧКА В АТМОСФЕРУ, содержащий электронную пушку с анодным фланцем, на котором закреплено устройство для проводки пучка, содержащее магнитные линзы, и газодинамический тракт с газодинамическим затвором, снабженный системой охлаждения и содержащий встроенные конусные диафрагмы, расположенные вдоль оси тракта, и соединенный переходниками с индивидуальными вакуумными насосами, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности при работе устройства в непрерывном режиме, корпус газодинамического тракта выполнен монолитным с внешней поверхностью в форме параллелепипеда, одна грань которого расположена параллельно анодному фланцу, а в боковых гранях выполнены вакуумные переходники, оси которых лежат в одной плоскости и которые подсоединены к насосам, при этом в корпусе выполнен центральный цилиндрический канал, в котором расположены конусные диафрагмы, соединенные отверстиями с переходниками.

2. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде П-образных тепловых трубок, встроенных в стенки центрального канала и расположенных параллельно оси газодинамического тракта.

3. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что система охлаждения снабжена кольцевым трубчатым конденсатором, соединенным с тепловыми трубками и расположенным осесимметрично с корпусом газодинамического тракта.

4. Инжектор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что газодинамический затвор выполнен в форме плиты с горизонтальными каналами, а кольцевой конденсатор расположен в одной плоскости с газодинамическим затвором.

1. ИНЖЕКТОР ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ ВЫВОДА ПУЧКА В АТМОСФЕРУ, содержащий электронную пушку с анодным фланцем, на котором закреплено устройство для проводки пучка, содержащее магнитные линзы, и газодинамический тракт с газодинамическим затвором, снабженный системой охлаждения и содержащий встроенные конусные диафрагмы, расположенные вдоль оси тракта, и соединенный переходниками с индивидуальными вакуумными насосами, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности при работе устройства в непрерывном режиме, корпус газодинамического тракта выполнен монолитным с внешней поверхностью в форме параллелепипеда, одна грань которого расположена параллельно анодному фланцу, а в боковых гранях выполнены вакуумные переходники, оси которых лежат в одной плоскости и которые подсоединены к насосам, при этом в корпусе выполнен центральный цилиндрический канал, в котором расположены конусные диафрагмы, соединенные отверстиями с переходниками. 2. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде П-образных тепловых трубок, встроенных в стенки центрального канала и расположенных параллельно оси газодинамического тракта. 3. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что система охлаждения снабжена кольцевым трубчатым конденсатором, соединенным с тепловыми трубками и расположенным осесимметрично с корпусом газодинамического тракта. 4. Инжектор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что газодинамический затвор выполнен в форме плиты с горизонтальными каналами, а кольцевой конденсатор расположен в одной плоскости с газодинамическим затвором.