УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ЧАСТИЦ Советский патент 1998 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к электронно- и ионно-лучевой технологии и предназначено для вывода из вакуума в атмосферу пучков заряженных частиц с целью дальнейшей обработки ими различных материалов.

Целью изобретения является снижение мощности откачных средств, обеспечивающих перепад давления между источником частиц и атмосферой.

На чертеже представлено устройство в разрезе.

Устройство содержит источник 1 частиц с выходным отверстием 2 и соплом 3. В поверхность, образующую сопло, введены электроды 4. По оси симметрии сопла выводится пучок 5.

Устройство работает следующим образом. Первоначально на электроды подается напряжение (220-380 В). Затем включается откачка источника частиц. Из сопла через отверстие 2 вывода пучка в источник частиц начинает поступать газ. Ввиду того, что сопло сужается к отверстию вывода пучка, скорость потока газа по мере движения к отверстию 2 возрастает, и, как следствие закона Бернулли, давление в нем понижается. В предельном случае величина потока газа через отверстие 2 достигает конечной величины, обусловленной проводимостью отверстия, скорость потока достигает скорости звука, а давление P_j в отверстии 2 определяется соотношением

где
λ_j - коэффициент скорости потока на срезе отверстия 2;
k - показатель адиабаты газа.

Для отверстия λ_j = 1, для воздуха k = 1,4, тогда P_j = 0,528 P_k. P_k - давление газа в среде, куда выводится пучок (вне сопла).

Пониженное давление у отверстия 2 и присутствие напряжения, а также малое расстояние между электродами в этом месте (единицы миллиметров) способствуют зажиганию разряда на электродах. Балластное сопротивление в цепи источника питания (десятки ом) приводит в соответствие ток разряда (десятки - сотни ампер) с его дуговой формой. Дуга, зажигаемая между электродами, стремится занять устойчивое состояние, определяемое по закону Пашена произведением давления на расстояние между электродами, т.е. дуга стремится в сторону больших межэлектродных расстояний: к наружному срезу сопла. Кроме того, если электроды замкнуты дугой, то дуга под действием собственного магнитного поля перемещается в направлении, перпендикулярном индукции магнитного поля: вдоль электродов к наружному срезу сопла.

Высокое локальное давление газа в дуге (около 50 атм), а также высокая температура газа в дуге, наличие ионизированного газа, присутствие электрического и магнитного полей приводят к формированию магнитогазодинамической ударной волны, направленной к наружному срезу сопла от отверстий вывода пучка, интенсивность которой сравнима и превосходит аэродинамическую силу движения потока. Изменение давления на ударной волне можно определить в приближении, что один из вкладов в изменение давления вносит изменение температуры, применив соотношения, справедливые независимо от механизма выделения тепла, которые являются следствием уравнения неразрывности

где
λ - коэффициент скорости потока;
P₁, P₂ - соответственно давления в ударной волне и за ней.

Видно, что при скорости звука λ = 1 (в отверстии 2) изменение давления достигает более 16 раз, при скорости, равной половине звуковой (примерно на середине сопла), λ = 0,5, изменение давления составляет более чем в 10 раз.

Таким образом, благодаря введению электродов вдоль сопла осуществляется "отстрел" потока газа к выходу сопла. Как только очередная дуга достигает выхода сопла и прерывается, сразу же у отверстия 2 формируется новая. Этим автоматически осуществляются непрерывность горения дуги и непрерывная блокировка поступающего в источник газа. Возникает возможность уменьшить мощность откачных средств.

Величина уменьшения мощности откачных средств может быть оценена по соотношениям вакуумной техники, если известен поток газа Q, проводимость отверстия U и давление газа в источнике P_u, Q = U(P₁-P_u). При данном диаметре отверстия 2 проводимость его постоянна, поэтому уменьшение давления P₁ на порядок влечет за собой такое же уменьшение потока газа через отверстие 2 в насос, откачивающий источник частиц, соответственно на порядок уменьшается и мощность откачных средств.

Форма сопла должна быть расширяющейся от отверстия 2. С одной стороны, это необходимо для выталкивания дуги в сторону больших межэлектродных расстояний от отверстия 2, с другой стороны, для ускорения ионизованного потока газа из области дуги. В этом случае работает закон обратимости сопла: торможение до звукового потока, поступающего из атмосферы, и ускорение сверхзвукового, формируемого в области дуги под действием динамического перепада давления. Поэтому такая форма способствует снижению мощности откачных средств не только за счет дуги, но и за счет закона обратимости сопла.

Материал электродов принципиального значения для работы устройства не имеет и выбирается исходя из конкретного сорта выводимых частиц и назначения по применению. Например, при выводе электронных пучков для сварки в атмосфере можно применить медные электроды, так как медь обладает аномальной теплопроводностью, хотя эрозионная стойкость меди меньше, чем у тугоплавких металлов. Сечение электрода выбирается по пропускаемому току и является обычной задачей электротехники.

В конкретном случае использована газоразрядная электронная пушка с газодинамическим окном для вывода электронного пучка в газ. Под выводное устройство подстыковывалось плоское сопло, две расширяющиеся стороны которого образованы медными пластинами шириной 2 мм, а две другие образованы керамическими пластинами. Критическое сечение сопла (в самом узком месте) совпадало с диаметром выводного отверстия и равнялось 1 мм. Выходное сечение сопла 1х7 мм² при длине 20 мм. Герметизация устройства обеспечивалась вакуумной термостойкой пастой ВГ-2.

Генерация пучка с энергией 100 кэВ в объеме пушки происходила при давлении 30 Па и обеспечивалась двумя насосами ВН-7 (один из которых откачивал объем пушки, а другой - устройство вывода частиц). Общая потребляемая мощность вакуум-насосами составляла 15 кВт.

После зажигания дуги (200 В) напряжение ее горения составляло 16 В при токе 30 А. При этом давление в источнике уменьшалось до 5 Па. Для обеспечения прежнего давления в пушке (30 Па) оказалось возможным использовать насосы меньшей мощности ВН-20-2, оснащенные двигателем 1,5 кВт.

Выигрыш в мощности складывается из экономии на мощности насосов и затратах на питание дуги и составляет от 15 до 3,5 кВт.

По сравнению с прототипом газ в устройство не подается, а соответственно не тратится мощность на его откачку. Работоспособность прототипа предлагает подачу газа в таком количестве, чтобы импульс подающего потока был соизмерим с импульсом натекающего газа, что означает соизмеримость потоков натекающего и подаваемого газа. В среднем на откачку газа затрачивается мощность 1 кВт на 10 л потока при давлении 1 мм рт.ст. Таким образом, предлагаемое устройство имеет преимущества перед прототипом.

Устройство может найти применение при выводе электронных или ионных пучков в атмосферу. Особенно оно перспективно для ввода или вывода прутковых и проволочных материалов в вакуум, где газодинамические эффекты в силу вибрации обрабатываемого материала в выводных отверстиях не проявляются. Технически целесообразно применять предлагаемое устройство в первых ступенях откачки источников заряженных частиц, где давление составляет от 1 до 10^-1 мм рт. ст. , поскольку в этом диапазоне механические насосы теряют свою производительность и КПД, а насосы других типов либо не набрали производительности, либо не работают вовсе.

Авторское свидетельство СССР N 1213904, кл. H 05 H 7/00, 1984.

Авторское свидетельство СССР N 186041, кл. G 21 B 1/02, 1963.

Изобретение относится к электронно- и ионно-лучевой технологии и предназначено для вывода из вакуума в атмосферу пучков заряженных частиц. Цель изобретения - снижение мощности откачных средств, обеспечивающих перепад давления между источником частиц и атмосферой. При включении откачки источника 1 частиц из сопла через отверстия 2 вывода пучка в источник начинает поступать газ, давление которого снижается по мере движения к отверстию 2. В результате введения электродов 4, на которые подается напряжение, в области пониженного давления зажигается разряд. Дуга, зажигаемая между электродами, стремится занять устойчивое положение, поэтому стремится к наружному срезу сопла, что приводит к формированию магнитогазодинамической ударной волны, направленной от отверстия вывода пучка, которая блокирует поступающий в источник газа. Благодаря непрерывному горению дуги возникает возможность уменьшить мощность откачных средств. 1 ил.

Устройство для вывода частиц, содержащее камеру с источником частиц, в которой выполнены отверстия для подсоединения к средствам откачки и соосное с источником отверстие для выпуска частиц, сопло, содержащее не менее двух электродов, снабженных клеммами для подключения к источнику питания, отличающееся тем, что, с целью уменьшения мощности откачных средств, сопло расположено в канале выпуска частиц, меньшее отверстие сопла совмещено с отверстием для выпуска частиц, а ось сопла совпадает с осью источника частиц, при этом электроды сопла расположены вдоль внутренней поверхности сопла.