Электронно-лучевая установка Советский патент 1984 года по МПК H01J37/305 

Изобретение относится к вакуумной металлургии, а ИМЕННО к устройствам для плавки, литья или испарения мате риалов в вакууме, использукяцих в качестве средства нагрева пучок электронов. Известна электронно-лучевая установка для вакуумного переплава металлов, содержащая технологическую камеру, водоохлаждаемые тигель и кри таллизатор и электронные пушки с устройствами проводки и отклонения луча С1 . Недостаток этой установки состои в том, что даже интенсивное водяное охлаждение ее основных узлов не защищает их от повреждения лучом элект ронов. Мощньй поток электронов, попав на стенки вакуумной камеры, край кристаллизатора или тигля, проплавляет их в течение нескольких секунд При этом водяное охлаждение тигля не может быть выключено немедленно из-за наличия в нем большой массы расплавленного металла. Поэтому технологическая камера заполняется водой и на восстановление в ней вакуума требуется несколько дней, если поврежденные детали удается оператив но заменить или отремонтгфовать. Причинами такого рода аварии являются ошибка оператора, отказ системы управления электронным лучом, а при плавке материалов с большим атомнь М номером, например вольфрама - отражение луча от облака вторичных элект ронов над расплавом. Наиболее близкой к предложенной по технической сущности является электронно-лучевая установка, содержащая технологическую вакуумную каме ру, водоохлаждаемый тигель и электронную пушку с системой проводки луча, включающей водоохлаждаемые магнитные линзы и отклонянщую систему . Недостаток известной установки также состоит в том, что ее конструк ция не обеспечивает надежной защиты от повреждений электронным лучом в аварийных случаях или при ошибках оператора. Целью изобретения является повышение ресурса установки. Поставленная цель достигается тем, что электронно-лучевая установк содержащая вакуумную камеру, водоохлазкдаемый тигель и электронную пушку с системой проведения луча, включаицей водоохлаждаемые магнитные линзы и отклоняющую систему, снабжена герметичными капсулами, содержащими вещество с упругостью пара более 1 Ю мм рт.ст, при нормальных условиях, расположенными с вакуумной стороны на поверхностях, защищаемых от воздействия электронного луча. При этом масса указанного вещества, содержащегося в капсуле, увеличивается по направлению от электронной пушки к вакуумной камере, а также каждая капсула снабжена клапаном с порогом открытия 10-20 атм. Кроме того, в качестве указанного вещества выбрана вода, а также в ка|Честве указанного вещества в капсулах, расположенных в электронной пушке, используют цинк, кадмий или их сплавы. На чертеже представлена электронно-лучевая установка. Электронно-лучевая установка включает электронную пушку, содержащую катод 1 и анод 2, расположенные в катодной камере 3, присоединенной к откачному устройству. Стрелками на чертеже показано направление откачки Пушка содержит также систему проведения луча и отклоняющую систему электронного лyчaj состоящую из водоохлаждаемык магнитных линз 4 и 5, устройства 6 отклонения, диафрагмы 7,обеспечивающей вакуумный перепад между катодной 3 и технологической вакуумной 8 камерами, а также лучевода 9. Электронная пушка присоединена к технологической вакуумной камере 8. Внутри камеры 8 находится объект 10 нагрева. На чертеже объект нагрева помещен в водоохлаждаемый тигель 11. Магнитные линзы, диафрагма, лучевод, технологическая камера и тигель охлаждаются водой, протекающей по каналам 12-16. Обращенные в вакуум водоохлаждаемые поверхности пушки, технологической камеры и тигля снабжены экранами 17, расположенными с зазором по отношению к этим поверхностям. В пространство между экранами t и водоохлаждаемыми стенками помещается вещество 18 с высокой упругостью пара. Указанное вещество имеет упругость пара не менее мм рт.ст., чтобы обеспечить необходимое повышение давления в камере при его испаении. В качестве такого вещества наиболее целесообразно использовать воду, так как она не загрязняет установку продуктами термического разлоения . При этом вода помещается в 5 ряде полостей, вакуумно-плотно изолированных один от другого и от вакуумного объема установки.

На чертеже представлено несколько вариантов конструктивного испол- 10 нения этих полостей.

Так, для защиты канала 13, указанные полости выполняются непосредственно в теле диафрагмы 7. В этом случае, необходимость в экране, как is в отдельной детали отпадает и его роль выполняет стенка диафрагмы 7. Важно лишь, чтобы полости располагаись между областью прохождения электронного пучка и каналом 13 во- 20 яного охлаждения.

Наиболее просто выполнять их в виде ряда глухих отверстий, просверленных в диафрагме 7 со стороны, противоположной катоду 1. После заполнения полостей водой, они могут быть заглушены, например резьбовыми пробками 19. Пробки 19 имеют клапан, открывакяцийся при повьшении давления внути полости до 5-10 атм.

Для защиты от повреждения электронным лучом магнитной линзы 4 в качестве вещества 18 использованы такие материалы, как цинк, кадмий или их сплавы, обладакяцие низкой 35 упругостью пара при комнатной температуре и высокой - при температуре порядка нескольких сотен градусов. При этом отпадает необходимость в устройстве герметичных полостей. . 40 К стенкам лучевода 9 и технологической камеры 8, изготавливаемым обычно из стали, экраны 17 прикрепляются сваркой, а зазор между экранами и стенкой разделяется на ряд герметич- 5 ных полостей посредством перегородок 20.

Там, где применение сварки нежелательно, например на медном тиг- 50 ле 11, роль системы экран - перегородка - вещество с высокой упругостью пара выполняет ряд трубок 21, заполненных указанным веществом 18 и вакуумно-плотно заглущенных на концах. 5 Трубки 21 укладываются на поверхность тигля 11 и сверху могут быть прикрыты общим экраном 17.

Экраны и вещество с высокой упругостью пара размещаются толвко на те участках установки, которые могут оказаться под воздействием электронного луча при.ошибках оператора или в аварийном режиме. Например, края тигля 11 необходимо защищать. Гак как они часто повреждаются при неправильном управлении лучом. В большинстве установок оси тигля и электронной пущки смещены, чтобы исключить попадание брызг материала объекта нагрева 10 в пушку. ПОЭТОМУ отказ устройства отклонения может привести к попаданию луча на дно камеры 8, которое должно из-за этого быть защищено.

Масса вещества с высокой упругостью пара, находящегося в каждой отдельной полости, зависит от особенностей конкретной установки, в первую очередь, от производительноти откачных устройств, объема вакуумных камер, конструкции системы проводки луча.

В общем случае, эта масса возрастает по мере удаления от катода пушки так, чтобы выполнялось соотношени

(5-50),

Vt

m

где m и m - массы указанного вещества, помещенного в одну полость, в технологической 8 и катодной 3 камерах соответственно; V и V - соответственно объемы

технологической и катодной камер.

Числовой коэффициент учитьшает перепад давлений между камерами при работе установки. При перепаде давлений в один порядок коэффициент равен примерно 20.

Если в пушке используется термо- эмиссионный катод, то масса воды в одной полости, находящейся в катодной камере 3, должна составлять 1-3 г

Установка работает следующим образом.

После приложения между катодом 1 и анодом 2 электронной пущки ускоряющего напряжения, эмиттируемые катодом 1 электроны формируются в луч 22. Сфокусированный магнитными линзами А и 5, электронный луч 22 отклоняется магнитным полем устройства 6 отклонения на объект 10 нагрева

511124376

Если по какой-либо причине луч 22После проведения высоковольтной трениуходит с поверхности нагрева объек-ровки пробоями, занимающей от нескольта 10 или теряет фокусировку в систе-ких минут до часа, электрическая

ме проводки луча, он попадает напрочность зазора восстанавливается,

один.из экранов 17 и проплавляет его 5Установка выходит из строя на некотонасквозь. Если в качестве веществарое время при возникновении аварийс высокой упругостью пара примененаных ситуаций. Однако это время (обычт

вода, а пробки - заглушки полостейно несколько минут), значительно меньс водой оснащены клапанами, то прише времени, которое требуется для

повышении давления в полости вслед- °ремонта основного оборудования в слуствие нагрева клапаны открываются,чае его повреждения электронным лувыпускная часть воды с паром в вакуум,чом.

Вещество с высокой упругостью пара. Использование предлагаемого уст- оказавшись в вакууме, облучаемое мощ-ройства целесообразно при мощности ным потоком электронов, испаряется электронного луча свьш1е нескольких .почти мгновенно. Вследствие этого,десятков киловатт. Кроме того, полодавление в вакуумном объеме установ-жительный эффект достигается незавики возрастает, на два-три порядка.симо от вида технологического процесВозникающий вследствие этого разрядса, типа электронной пушки (с холодзамыкает промежуток катод-анод элект-г 20ным или с термоэмиссионным катодом). ронной пушки. Это приводит к срабаты- Предлагаемая установка совместима ванию системы защиты по току высоко-с любыми внешними системами контроля вольтного источника, т..е. отключениюи защиты и дополняет их. По ее образускоряющего напряжения. Кратковремен-цу усовершенствованы уже действующие ный срьш работы оукачных агрегатов, установки. Единственное условие, невызванный появлением небольшого коли-обходимое для обеспечения работоспочества воды, не позволяет включитьсобности установки - наличие защиты пущку даже при наличии автоматапо току у источника питания электронповторного включения. .ной пушки, - выполняется всегда.

При использовании вместо воды цин- 30Вероятность попадания электронного ка-шш кадмия, помещаемых в пределахлуча в одно и то же место при двух катодной камеры пушки, кратковремен-последовательных авариях невелика, ный обратимый выход установки изПоэтому эффективность защиты без рестроя происходит не нз-за повышениямонта установки сохраняется длительдавления в вакуумной системе, а из-за 35нее время, так как при каждой аварии ухудшения электрит еской прочности за-вскрывается лишь небольщое число позора катод - ано; электронной пушки.лостей с водой.

1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ УСТАНОВКА, содержащая вакуумную камеру, водоохлаждаемый тигель и электронную пушку с системой проведения луча, включающей водоохлаждаемые магнитные линзы и отклоняющую систему, отличающаяся тем, что, с целью повышения ресурса, она снабжена герметичными капсулами, содержащими вещество с упругостью пара более 1-10 мм рт.ст. при нормальных условиях, расположенными с вакуумной стороны на поверхностях, защищаемых от воздействия электронного луча. 2.Установка по п. 1, отличающаяся тем, что масса указанного вещества, содержащегося в капсуле, увеличивается по направлению от электронной пушки к вакуумной камере. 3.Установка По пп. 1 и 2, о т личающаяся тем, что каждая капсула снабжена клапаном с порогом открытия 10-20 атм. 4.Установка по п. 1, о т л и чающаяся тем, что в качестве (Л указанного вещества выбрана вода. 5.Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве указанного вещества в капсулах, распо-и ложенных в электронной пушке, используются цинк, кадмий или их сплавы.