СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ЛУЧЕВОЙ УСТАНОВКИ Советский патент 1994 года по МПК H05B7/18 H01J37/304 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам питания, защиты и управления лучевыми исследовательскими физическими и технологическими установками.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей установки путем управления переходными процессами в критических режимах.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг.2 - вариант осуществления блока управления режимом; на фиг.3 - временная диаграмма управления токовым режимом электронно-лучевого тракта; на фиг. 4 - схема тракта регистрации развития пучково-плазменного разряда; на фиг.5 - зависимость интенсивности тормозного рентгеновского излучения от давления в плазменной камере; на фиг.6 - семейство ВАХ электронно-лучевых вентилей; на фиг.7 - диаграмма состояний ВАХ системы питания.

Устройство для реализации способа содержит следующие основные блоки: 1 - силовой источник питания; 2 - блок управления режимом; 3 - электронную пушку с системой дифференциальной откачки и лучеводом; 4 - технологическую камеру; 5 - датчик рентгеновского излучения.

Силовой источник питания содержит первичный автономный источник 6, преобразовательный высокочастотный трансформатор 7, мостовые выпрямители 8 и реактор 9.

Блок управления режимом выполнен на основе электронно-лучевых вентилей (ЭЛВ) 10, 11, содержащих катод 12, управляющий электрод 13 и анод в виде цилиндра Фарадея 14. Вентиль, шунтирующий пушку, включен последовательно с балластной нагрузкой 15. Блоки 16 и 17 управления вентилями связаны с блоком сравнения 18 выводами 19 и 20. Кроме того, выводы блока сравнения 21 и 22 связаны с первичным автономным источником и датчиком режима в пушке 23, чувствительным элементом которого является зонд 24, а выход 25 связан с вентилем, включенным последовательно с пушкой, содержащей катод 26 и заземленный анод 27.

Электронный пучок 28 проходит через систему 29 дифференциальной откачки и попадает в технологическую камеру 30 на объект обработки 31. На оси камеры 32 на патрубке 33 установлен датчик рентгеновского излучения, содержащий чувствительный элемент 34 и компаратор 35, выход которого 36 связан с общим блоком сравнения.

Чувствительный элемент датчика содержит коллимирующие диафрагмы 37, бериллиевое окно 38, спектрометр на основе кристалла Nal (Tl) 39 и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 40. На выходе датчика выключены также амплитудный анализатор 41, калибровочный прибор 42 и самописец 43.

Сигнал обратной связи снимается непосредственно с ФЭУ (фиг.2) и через компаратор поступает на блок сравнения, выполненный в виде триггера на транзисторах 44 и 45. Триггер содержит также коллекторные резисторы 46, 47, резистор 48 в цепи эмиттера первого транзистора, резистор 49 в цепи базы второго транзистора и RC-цепочку 50 и 51. Выход триггера связан с управляющим входом 52 блока 16 управления вентилем, содержащим источники 53 и 54, тиристорные коммутаторы 55 и 56, зашунтированные диодами 57 и 58, колебательный контур 59, 60, управляющие разделительные импульсные трансформаторы 61, 62. Между катодом и управляющим электродом ЭЛВ включен диод 63, а вывод 64 замыкает контур источников постоянного тока.

Предложенный способ осуществляется следующим образом. Силовой источник 1 с высокочастотным звеном выводит электрофизическую установку, содержащую электронную пушку 3 и плазменную камеру 4, на заданный режим потребления активной мощности. В номинальном режиме работы последовательный вентиль 10 открыт, а шунтирующий вентиль 11 заперт. Мощный электронный пучок 28 в области камеры 30 взаимодействует с остаточным газом и парами обрабатываемого материала (в технологическом варианте), либо используется для генерации неравновесной стационарной плазмы (электрофизическая установка).

Стабильная транспортировка пучка 28 от анода пушки 27 до объекта 31 зависит от параметров плазменной среды. При определенных параметрах плазмы возникают неустойчивости, приводящие к запиранию пучка и выносу его на электроды пушки, либо на элементы тракта транспортировки, что является аварийным режимом для всех систем силовой цепи. Поскольку неустойчивость пучка определяется моментом начала развития пучково-плазменного разряда (ППР) и при этом часть электронов пучка приобретает энергию, превышающую энергию электронов первичного пучка, то для контроля и управления переходным процессом в установке можно использовать специальный рентгеновский датчик 5.

Тормозное рентгеновское излучение плазменных электронов, возникающее в момент начала развития ППР, коллимируется диафрагмами 37 и проходит через бериллиевое окно 38, отсекающее видимую и ультрафиолетовую части спектра, к которым чувствителен фотокатод ФЭУ и попадает на кристалл Nal (Tl), в котором вызывает сцинтилляции. При этом число высвечивающихся фотонов пропорционально энергии падающего рентгеновского кванта. Излучение кристалла с помощью ФЭУ-40 преобразуется в электрические импульсы, которые поступают на компаратор 35 и затем - на триггер на транзисторах 44 и 45.

В момент развития ППР в камере 30 сигнал с вывода 19 блока сравнения 18 поступает на вход 52 блока 16. Включается тиристорный коммутатор 56 и запирающее напряжение от источника 54 подается на управляющий электрод 13 вентиля 10. При включении цепочки тиристоров 56 возбуждается колебательный процесс в LC-цепочке 59 и 60, что обуславливает последующее выключение коммутаторов 56. Ток от источника 54 протекает через диоды 57 и диодно-резисторную цепочку 63, что приводит к запиранию тиристоров 55 и отключению источника 53 от ЭЛВ.

На временной диаграмме фиг.3 отмечены характерные точки коммутационного переключения анодного тока I_A электронной пушки. Приняты обозначения: I_A1 - ток, протекающий через последовательный вентиль 10, I_A2 - ток через шунтирующий вентиль 11. В момент времени t₁ датчик 5 регистрирует рентгеновское излучение, превосходящее критический уровень E_γ > E_кр. В интервале t₂-t₄ происходит запирание вентиля 10 и отпирание вентиля 11. В точке t₄ осуществлено гашение ускоряющего поля в электронной пушке, вентиль 10 полностью закрыт. Длительность коммутационного интервала Δτ = t₄-t₂ определяется исходя из расчетного времени запаздывания аварийного пробоя в тракте, обусловленного развитием ППР в плазменной камере. Для установки по фиг.1 это время составляет сотни микросекунд. В интервале t₄-t₅ первичный источник 6 работает на шунтирующую цепь вентиля 11, при этом сохраняется условие I_A - const. В интервале t₅-t₆ происходит обратная коммутация вентилей и на пушку подается ускоряющее напряжение.

Таким образом, по сигналу с рентгеновского датчика осуществляется профилактическое отключение электронной пушки, а управление переходными процессами, снимающее проблему перенапряжений и сверхтоков в цепи питания, осуществляется с помощью полностью управляемых электронно-лучевых вентилей. В интервалах коммутации запасенная в реактивных звеньях энергия плавно переводится в шунтирующий контур и обратно, обеспечивая оптимальный режим работы первичного источника 6 в режиме неизменной мощности.

На фиг. 5 приведены экспериментальные кривые зависимости интенсивности рентгеновского излучения от давления E_γ = = f(p) для разных величин ускоряющего напряжения.

Величина Е_кр выбирается равной энергии электронов пучка 28. Если интенсивность рентгеновского излучения в объеме плазменной камеры превышает это значение (E_γ > E_кр), то это свидетельствует о развитии ППР и датчик 5 вырабатывает сигнал, поступающий на блок управления режимом 2, который обеспечивает управление переходным электрофизическим процессом с переходом к новому устойчивому состоянию пучка 28 в электронно-лучевом тракте.

На фиг. 6 приведено семейство ВАХ ЭЛВ, где приняты обозначения I_A - анодный ток вентиля в безразмерных единицах;
Δ U_A - падение напряжения на приборе; U_g¹ > U_g² > U_g³ - напряжение на управляющем электроде.

В коммутационных интервалах, длительность которых составляет сотни микросекунд или единицы миллисекунд, ЭЛВ автоматически обеспечивет неизменность анодного тока и соответственно перевод силовой цепи в режим источника тока, поэтому вид ВАХ системы питания характеризуется фиг.7. В некотором диапазоне режимов заданных Δ U_o и Δ I_o управления переходными электрофизическими процессами в лучевом тракте будет сопровождаться переводом источника силового питания из режима U_o - const в режим I_o - const.

Пробои в пушке (в промежутке катод 26 - анод 27), вызванные другими причинами, могут отключаться датчиком вакуума (ионного тока) 23, 24 с использованием защитной коммутации (см. фиг.3). При этом также происходит рекуперация энергии, накопленной в емкостных и индуктивных элементах питающей цепи.

Способ может применяться и в технологических установках большой мощности, в которых расширение функциональных возможностей за счет управления переходными процессами в критических режимах создает технико-экономический эффект. Эффективность устройства определяется снятием проблемы технологического к.з. в пушке, когда аварийные токи протекают по всем элементам силовой цепи и снижают как надежность, так и ресурс его работы. Кроме того, повышается качество самого технологического процесса и появляется возможность поднять потолок мощности отдельной установки без снижения ее надежности. При питании установки от автономных высокочастотных генераторов обеспечиваются режимы неизменного потребления мощности, что принципиально для устойчивой работы первичного источника. Это позволяет расширить область технического применения электрофизических установок с мощными протяженными электронными пучками и плазменными камерами.

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей лучевой технологической установки. Установка содержит силовой источник питания 1 с первичным источником (ПИ) 6, блок управления режимом (БУ) 2, электронную пушку 3 с системой дифференциальной откачки (СО) 29 и лучеводом, технологическую камеру 4, датчик рентгеновского излучения (ДИ) 5. БУ 2 выполнен на основе электронно-лучевых вентилей (В) 10, 11. Вентиль, шунтирующий пушку, включен последовательно с балластной нагрузкой 15. Электронный пучок 28 проходит через СО 29 в технологическую камеру 4 с объектом нагрева 31. На оси камеры 4 установлен ДИ 5. При наличии неустойчивости пучка ДИ 5 подает сигнал на БУ 2, который запирает В 10 и отпирает В 11, что обеспечивает гашение, ускоряющего поля в пушке 3 и исключает аварийный пробой в тракте за счет управления переходными процессами. ПИ 6 работает на цепь В 11, сохраняя постоянным ток анода пушки 3. В интервалах коммутации запасенная в реактивных звеньях энергия плавно переходит в шунтирующий контур и обратно, обеспечивая оптимальный режим ПИ 6. Эффективность установки определяется снятием проблемы технологического КЗ в пушке. 7 ил.

1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ЛУЧЕВОЙ УСТАНОВКИ, содержащей электронную пушку, технологическую камеру, источник питания и блок управления режимом работы, при котором стабилизируют мощность электронной пушки, контролируют параметры электронного пучка и плазмы и профилактически отключают пушку по достижении параметрами плазмы критических значений, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей установки путем управления переходными процессами в критических режимах, фиксируют контролируемые параметры в момент развития пучково-плазменного разряда в технологической камере и осуществляют плавное гашение ускоряющего поля в электронной пушке с одновременным плавным переводом источника питания из режима источника напряжения в режим источника тока и через заданный интервал времени осуществляют обратный плавный перевод источника питания с одновременным плавным восстановлением ускоряющего поля в электронной пушке. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фиксируемого параметра измеряют уровень тормозного рентгеновского излучения в зоне взаимодействия электронного пучка и плазмы.