Катодный узел электронно-лучевой пушки Советский патент 1987 года по МПК B23K15/00 

11

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке.

Целью изобретения является увеличение срока службы катода путем по- вьшения его формоустойчивости без нарушения токопроводимости.

На фиг. 1 изображена элетстронно- лучевая пушка; на фиг. 2 - катодный узел электронно-лучевой пушки; на фиг.. 3 - схема ориентации катододер- жателя для расчета площади сечения перемычек сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - катододержатель; на фиг. 5 - графики зависимости температуры катода от мощности накала катода для катододержателей с различно длиной перемычек: 1 L 7,5 мм; 2 L 6,0 мм; 3 L 4,5 мм.

Электронная пушка (фиг. 1) состоит из металлокерамического узла 1, на котором закреплены катодньш узел 2 и направляющий электрод 3, Сбоку имеется фланец 4 для подсоединения к высоковакуумному насосу. Ниже расположен анод 5 и шибер 6 с электроприводом. Пой шибером 6 расположено зеркало 7 и оптическая система 8 наблюдения. Под системой 8 расположена фокусирующая линза 9 и отклоняющая система 10.

Катодный узел 2 (фиг. 2) состоит из катододержателя 11, представляющего собой цилиндрическую трубку из молибдена, в которую через изолятор

12вставлен держатель подогревателя

13и закреплен при помощи стаканчика 14 лазерной сваркой. Камера нагрева с подогревателем 15 отделена от основания корпуса катодного узла тремя перемычками 16 (фиг. 3). Верхняя часть.камеры подогрева экранирована стаканчико м 17 и экраном

18 на держателе подогревателя. .Катод 19 удерживается стаканчиком 20, который завальцовывается в двух пазах под углом 180 на катододержате- ле. Катодный узел вставляется в держатель электронной пушки и удерживается гайкой 21.

Катодный узел- в составе электронно-лучевой пушки работает следующим образом.

При достижении в вакуумной полости электронной пушки разрежения. воздуха 5x10 мм рт.ст. автоматически производится двухступенная подача напряжения питания накала подогревателя като дного узла (фиг. 2). Сначала подается напряжение дхгя получе-

52

ния 50% мощности накала (15 Вт), а затем при достижении в рабочей камере вакуума мм рт.ст. автоматически при открывании шибера 6 подается полное напряже ние накала, и мощность накала достигает 29 Вт (фиг.1). Затем на управляющий электрод 3 подается отрицательное напряжение для управления током электронного луча,

которое регулируется в пределах 0,3-1,8 кВ.

После этого подается напряжение питания на фокусирующую линзу 9 и отклоняющую систему 10, а затем вы-.

соковольтное напряжение - 25 кВ на катод относительно анода 5.

Высокая формоустойчивость катода и его энергоэкономичность обеспечивается в случае, когда отношения

площади поперечного сечения перемычек к площади поперечного сечения окон катододержателя составит 0,28-0,33 и перемычек к площади их поперечного сечения 7,1-8. Эти

значения являются оптимальными. При уменьшении площади сечения перемычек и увеличении их длины резко снижается их формоустойчивость и, как следствие этого, токопрохождение электронной пушки. При увеличении площади поперечного сечения перемычек и уменьшении их длины резко -возрастает мощность, потребляемая на накал катода, и, как следствие этого,

уменьшается срок службы подогревателя .

Оптимальность соотношения площадей поперечного сечения перемычек

(образованных путем вырезания от тонкостенной молибденовой трубки окон под углом 60 друг к другу) и окон катододержате.пя, а также отношения длины перемычек к площади их поперечного сечения устанавливалась рас- четно-экспериментальным путем. Основным критерием оптимальности указанных соотношений являлась высокая формоустойчивость катододержателя

в режиме циклического включения накала. Высокой формоустойчивостью катодного узла считается его работа при циклическом включении накала свыше 1000 ч, при этом осевое отклонение катода не должно превьш1ать О,1 мм. Косвенным критерием высокой формоустойчивости является, малая мощность, потребляемая на накал катода до его рабочей температуры, и

3.1

.незначительная энергоемкость катодного узла.

Установление указанных оптимальных соотношений элементов катододер- жателя включает: расчет площадей се- чения перемычек катододержателя по формулам (фиг. 3); экспериментальное определение температуры нагрева катододержателя в точках I, II и III (фиг. А) при рабочей температуре ка- тода из гексоборидалантана, равной 1650°С; расчет длины перемычек катододержателя;. экспериментальное определение зависимости температуры катода от мощности накала для катодо- держателей с различной длиной перемычек; экспериментальное исследование осевого отклонения центра катода через 500 и 1000 ч работы катодного узла.

В качестве исходного варианта был взят катододержатель (фиг. 4), имеющий следующие разме.ры (фиг. 3); ,8 мм; ,0 мм; ,1 мм; о 30°; ,2 мм; ,8 мм; ,5 мм.

Расчетом получены следующие значения: ,3; ,59;. ,88; у 1,38; ,36 мм - площадь сечения одной перемычки; Sj 1,08мм2 сумма площадей сечения 3 перемычек; ,06 мм - площадь сечения одного окна; 3,18 мм - сумма площадей сечения 3 окон.

С помощью оптического пирометра было проведено измерение температу- ры катододержателя в контрольных точках I, II и III (фиг. 4) при оптимальной рабочей температуре катода, равной 1650°С, которая соответствовала следующим значениям: в точ- ке I 1600 С, в точке II 1300°С, в точке III .

При этом мощность, расходуемая на накал катода, составила 40,5 Вт. Катодный узел через 300 ч работы дал осевое отклонение 0,24 мм, т.е. имел недостаточную формоустойчивость. С целью увеличения формоустойчивости была увеличена площадь поперечного сечения перемычки катододержателя за счет изменения глубины вырезания h с 3,1 до 3,2 мм (фиг. 3): ,8 мм; ,0 мм; ,2 мм; .,49 мм; Р2 1,3.

т,

Расчетом получены следующие значения площадей сечения перемычек и окон: ,48 мм; Sj. 1,44 SinoAH 2,82 мм2.

54.

При полученных значениях площадей сечения перемычек их длина определя- лась из условия, что температура в точке III не должна превьшать 800°С, при которой исключается схватывание материала катододержателя, в котором он крепится. Перепад температуры между точками И и III в КПУс L 4,5 мм составлял 4Ti 380 c, а в рассчитываемом КПУ дТ2 500 с.

Тогда длина перемычки определяется из выражения

4Tz

-ГЯОА i

s

1

7,66.

500 1,44 380 1,08

4,5

Экспериментальное определение формоустойчивости катододержателя с ,5 мм показало, что через 600 ч его работы осевое смещение превысило 0,2 мм. После этого был изготовлен и исследован катододержатель с длиной перемычки мм, осевое смещение которого после 1250 ч работы не превышало 0,12 мм, что удовлетворяет условиям работы. Снятые зависимости температуры катода от мощности накала при различной длине перемычек (фиг. 6) также подтверждают указанный диапазон оптимальных значений отношений площадей поперечного сечения перемычек и окон и модуля отношения длины каждой перемычки к площади их поперечного сечения. таблице приведены значения мощности накала при различной температуре эмиттера для трех величин перемычек .

Так, при ,5 мм мощность накала ,5 Вт, при мм мощность накала ,2 Вт, при ,5 мм мощность накала ,65 Вт. При мм отношение площадей поперечного сечения

S-i ПОЛИ перемычек и окон равно

2

0,33, а модуль отношения длины перемычек к площади их поперечного сечения

К

7,03;

1,7

1,44

где К - коэффициент, учитывающий изменение линейных размеров материала (в данном случае молибдена) катододержателя в точке II (фиг. 4) при нагреве от 20 до .

1315195

Для катодов с диаметром более 3 мм они могут быть другими, но укладывающимися в указанный диапазон.

При оптимальных значениях указанных отнощений площади поперечного се-с де втулки катододержатель с узлом

чения перемычек к площади поперечного сечения окон и отношении длины перемычек к площади их поперечно- I го сечения обеспечиваете высокая фор14оустойчивость катода, обеспечи- ванлцая работу без замены 5-7 тыс.ч. и высокий срок службы подогревателя 1,5-2 ТЬ1С. ч. Кроме того, предложенная конструкция катодного узла обладает высокой энергоэкономичностью, при которой потребляемая на накал мощность не превышает 30 Вт, что способствует повышению формоустой-- чивости катодного узла при высокой температуре катода.

W

15

нагрева катода, о тлич ающи с я тем, что, с целью увеличения срока службы катода путем повьшени его формоустойчивости без нарушени токопрс№одимости, в стенке катодо- держателя выполнены три окна, расположенные по высоте между узлом нагрева и нерабочим торцом катодод жателя, отношение площадей попереч ных сечений перемычек между окнами и окон равно 0,28-0,33, а соотноше ние длины перемычки меящу окнами к площади ее поперечного сечения равно 7,1-8.0.

1100

3,5 3,83

ормула

и

6

зоб

р е т е н и я

Катодный узел электронно-лучевой пушки, содержащий выполненный в ви.

нагрева катода, о тлич ающий- с я тем, что, с целью увеличения срока службы катода путем повьшения его формоустойчивости без нарушения токопрс№одимости, в стенке катодо- держателя выполнены три окна, расположенные по высоте между узлом нагрева и нерабочим торцом катододер- жателя, отношение площадей поперечных сечений перемычек между окнами и окон равно 0,28-0,33, а соотношение длины перемычки меящу окнами к площади ее поперечного сечения равно 7,1-8.0.

2,9

2,97

3,5

3,2

Sf

А-А

Фиг.З

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке. Цель изобретения - увеличение срока службы катода путем повышения его формоустой- чивости без нарушения токопроводи- мости. Для этого в стенке катододер- жателя 11 вырезают три окна, причем отношение площадей поперечных сечений перемычек 16 между окнами и окон равно 0,28-0,33, а отношение длины перемычки 16 между окнами к площади ее поперечного сечения равно 7,1- 8,0. При указанных отношениях элементов конструкции катододержателя 11 обеспечивается высокая формоустой- чивость катода, энергоэкономичность катодного узла при длительном сроке службы подогревателя. 5 ил., 1 табл. i (Л со ел СО СП

Фиг./

1200

1100

1000

ffP.Bm

Составитель Г, Квартальнова Редактор В. Данко Техред М.Моргентал Корректор С. Шекмар

Заказ 2243/12 Тираж 975Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий . 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., Д. 4/5

Производственно

-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4