Газоразрядная электронная пушка для термообработки Советский патент 1993 года по МПК H01J37/77 

7 J

in

С

фокусировки электронного пучка 10 на поверхности изделия 11. Указанная цель достигается тем, что магнитные катушки с немагнитным зазором со стороны электродов установлены соосно электродам пушки и симметрично плоскости их симметрии, а

электроды 6 и 7 образуют диафрагму с двумя кольцевыми апертурами для прохождения пучка, при этом плоскости симметрии эмиссионных зон катода и апертур анода и диафрагмы параллельны плоскости симметрии электродов. 1 ил.

Использование: изобретение относится к устройствам электронно-лучевой технологии. Цель изобретения - повышение качества термообработки изделий профильным пучком газоразрядной электронной пушки путем улучшения его однородности в фокусе и расширение функциональных возможностей пушки. Сущность изобретения: пушка содержит кольцевой корпус 1, в котором расположены холодный кольцевой катод 2 с двумя эмиссионными зонами, анодные электроды 3 и кольцевой анодный электрод 4, установленный на радиальных стержнях 5 и образующий с электродами 3 две кольцевые анодные апертуры, кольцевые электроды 6 и кольцевой электрод 7, установленный на радиальных стержнях 8, соединенных со стержнями 5. а также две магнитные катушки 9, предназначенные для

Предлагаемое изобретение относится к газоразрядным устройствам с холодным катодом, формирующим профильные электронные пучки и применяемым для сварки, пайки, отжига и других термических прочее- сов.

Цель изобретения - повышение стабильности параметров пучка и расширение функциональных возможностей пушки.

Указанная цель достигается тем, что в заявляемой пушке, содержащей кольцевой корпус, в котором расположены холодный кольцевой катод, закрепленные на корпусе кольцевые анодные электроды, и установленный на пропущенных сквозь катод ради- альных стержнях кольцевой анодный электрод, образующий с закрепленными на .корпусе электродами две кольцевые анодные аппертуры, соосно электродам пушки и симметрично плоскости их симметрии уста- новлены две кольцевые магнитные катушки с немагнитным зазором со стороны электродов, кроме того в корпусе пушки соосно электродам установлены кольцевые электроды, образующие диафрагму с двумя апер- турами для прохождения электронного пучка, а средний закреплен на радиальных стержнях, соединенных со стержнями, пропущенными через катод, при этом плоскости симметрии эмиссионных зон катода и апертур анода и диафрагмы параллельны плоскости симметрии электродов пушки.

Заявителю не известны электронно-лучевые устройства, в которых при формировании дискового электронного пучка из двух эмиссионных зон катода применялась бы магнитная фокусировка пучка в плоскости симметрии пушки с помощью кольцевых магнитных катушек с прохождением пучка через две кольцевые диафрагмы, что позво- ляет сделать вывод о наличии в предлагаемом изобретении существенности отличий. Предлагаемая газоразрядная электронная пушка содержит кольцевой корпус 1, в котором расположены холодный кольцевой катод 2 с двумя эмиссионными зонами, имеющими плоскую или вогнутую эмиссионную поверхность, закрепленные на корпусе анодные электроды 3, кольцевой электрод 4,

установленный на пропущенных сквозь отверстие в катоде радиальных стержнях 5, закрепленные на корпусе кольцевые электроды 6, и кольцевой электрод 7, установленный на радиальных стержнях 8. соединенных со стержнями, пропущенными через катод, а также две магнитные линзы 9, установленные на корпусе пушки и предназначенные для фокусировки формируемого электронного пучка 10 на поверхности обрабатываемого изделия 11 (например, на стыке при электронно-лучевой сварке) или для сканирования электронным пучком (например, при электронно-лучевом отжиге).

При работе пушки в разрядном промежутке при давлении единицы Па и ускоряющем напряжении десятки киловольт зажигается высоковольтный тлеющий разряд с плазмой, локализованной у анода и отделенной от катода областью катодного падения потенциала. Положительные ионы, ускоренные полем катодного падения потенциала, бомбардируют поверхность холодного катода и выбивают электроны. Формируемые в плоскости симметрии в два дисковых электронных пучка, параллельные оси симметрии электродов потоки электронов после отклонения в поле магнитной линзы сходятся в общем кольцевом фокусе, находящемся в плоскости симметрии электродной системы пушки. Управление мощностью пучка при заданном ускоряющем напряжении обеспечивается путем автоматической подачи газа при непрерывной откачке. Обрабатываемое изделие фиксируется на оси пушки и электронный пучок фокусируется на его поверхности с помощью магнитных линз. При этом совмещение стыка свариваемых деталей с плоскостью симметрии электродов осуществляется путем перемещения изделия вдоль оси с помощью манипулятора.

В процессе работы газоразрядных пушек, особенно при проведении процессов термообработки с расплавлением образца, например сварки, испаряемый материал за- пыляет поверхность холодного катода, нарушая энергетические и особенно геометрические параметры пучка. Это выражается в том, что с кольцевого катода эмиттируется пучок с различной плотностью тока на различных участках, поэтому плотность мощности в кольцевом фокусе оказывается неоднородной и не обеспечивает равномерное проплавление образцов. Применение до- полнительного кольцевого анодного электрода, предохраняющего от запыления центральную часть катода, уменьшает влияние испарений из зоны нагрева на эмиссионные свойства холодного катода, но не устраняет его полностью, поскольку сохраняется прямая видимость зона обработки - эмиссионная зона катода. Кроме того, неподвижность электронного пучка относительно изделия и невозможность изменения фокусного расстояния без изменения геометрических параметров электродной системы ограничивают область применения газоразрядных пушек с кольцевым катодом и их функциональные возможности.

В предлагаемой электронной пушке наличие диафрагмы с двумя кольцевыми апертурами, которые смещены относительно плоскости симметрии пушки (плоскости шва) и удалены от катода, а также отклоне- ние пучков с помощью магнитных катушек, полностью устраняют запыление поверхности катода и сводят к минимуму влияние процессов в зоне нагрева на параметры электронного пучка.

Применение в пушке двух эмиссионных поверхностей, позволяющее достигать взаимной компенсации неоднородностей электронных пучков вдоль эмиссионной зоны и эффективной защиты зоны формирования пучка (области разряда) от вещества, испаряемого из зоны термообработки с помощью диафрагмы с двумя анодными апертурами и отклонение пучка магнитными катушками, повышает энергетические параметры пучка.

В пушке может использоваться катод с цилиндрической эмиссионной поверхностью, или выполненный в виде двух вогнутых эмиссионных поверхностей. В первом случае дисковые пучки будут плоскопарал- лельными, а во втором могут иметь небольшой угол сходимости (1-2°) с кольцевым фокусом, диаметр которого близок к диаметру изделия. Плоскопараллельный пучок не имеет ярко выраженного фокуса и может использоваться в широком диапазоне регулирования диаметра кольцевого фокуса.

Кроме того, изменяя величину магнит- кого поля можно менять диаметр фокального кольца, оставляя при этом неизменной геометрию электродной системы пушки. Такую регулировку диаметра фокального кольца можно осуществлять при плоской поверхности холодного катода, когда пучок не имеет йрковыраженного фокуса и при

изменении диаметра фокального кольца толщина его изменяется незначительно.

Кроме того, использование в пушке магнитного отклонения электронных пучков дает возможность применять ее для отжига изделий цилиндрической формы и других термических процессов, требующих перемещения электронного пучка относительно изделия с высокой скоростью (сканирование пучка). Для этого необходимо подавать на катушки переменное периодическое напряжение, импульсы треугольной формы.

Таким образом предлагаемая газоразрядная электронная пушка с диафрагмой, имеющей две кольцевые апертуры для транспортировки пучка, и с двумя отклоняющими катушками, по сравнению с базовым объектом отличается более высокой однородностью электронного пучка с кольцевым фокусом, возможностью наладки на изделия требуемого диаметра без изменения геометрии электродов и более широкими функциональными возможностями. Это улучшает качество термообработки изделий и расширяет область использования пушки. Наиболее целесообразно использовать пушку для сварки и пайки изделий с кольцевым швом и для отжига изделий цилиндрической формы как в крупносерийном, так и в малосерийном производстве. Сварку и пайку целесообразно проводить при работе пушки в режиме коротких импульсов (длительностью десятые доли - единицы секунд) или в непрерывном режиме со сканированием пучка с определенной частотой.

Технико-экономическое преимущество предлагаемого изделия заключается в том, что при более высокой однородности пучка и возможности его сканирования по поверхности изделия улучшается качество сварки, пайки, отжига и других видов термообработки. Это повышает процент выхода годных изделий и снижает их стоимость.

Разработан экспериментальный образец пушки и проведены его испытания, Диаметр кольцевого катода-170 мм Диаметр анода - 160 мм Диаметр диафрагмы -100мм Диаметр кольцевого фокуса (регулируемый в диапазоне) - 4-40 мм Толщина электронного пучка в фокусе -1,2мм Мощность пучка при ускоряющем напряжении 25 кВ - 25 кВт Для доведения заявляемого устройства до промышленного устройства необходима разработка промышленного образца пушки

и проверка его на промышленном оборудовании. Работа по внедрению заявляемой пушки планируется провести в 1991-1992 г.г.

Ф о-р м у л а и з о б р е т е н и я ,

Газоразрядная электронная пушка для термообработки, содержащая холодный кольцевой катод, закрепленные на корпусе кольцевые анодные электроды с кольцевым щелевым отверстием для прохождения электронного пучка, от л имеющаяся тем,что, с целью повышения стабильности энергетических и электронно-оптических параметров пушки, обеспечения возможности сварки тонкостенных изделий и перемещения электронного пучка вдоль обрабатываемого изделия, пушка снабжена дополнительным анодным электродом, закрепленным на корпусе и расположенным со стороны обрабаты- ваемого изделия соосно с основным анодным

электродом, и двумя кольцевыми анодными вставками, установленными на корпусе с помощью радиальных стержней, проходящих через отверстия, выполненные в катоде, и двумя кольцевыми электромагнитными катушками намагничивания с магнитопро- водами, образующими магнитную линзу со стороны отверстия для прохождения пучка, выполненного в дополнительном анодном электроде, при этом катушки расположены соосно электродам и симметрично относительно их плоскости симметрии, причем кольцевые анодные вставки симметрично размещены между кромками анодных электродов с образованием с ними диафрагмы с двумя кольцеобразными щелевыми отверстиями для прохождения электронного пучка, плоскости симметрии которых совпадают с плоско- стями симметрии эмиссионных зон катода и параллельны плоскости симметрии электродов.