Электронная пушка

 

ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА, содер .жатая вакуумную камеру, в которой осесимметрично размещены термоэмиссионный катодный узел с цилиндрическим корпусом, установленным в проходном изоляторе, и анод с фланцем, и камеру жидкостного охлаждения, коаксиально охватывающую вакуумную камеру, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и рееурса, коаксиально с проходным изолятором размещена заполненная фторорганической жидкостью камера, ограниченная в радиальном направлении поверхностями проходного изолятора и вакуумной камеры, корпус катодного узла снабжен пере- . ходным фланцем и выполнен в виде тепловой трубы, конденсаторная часть которой представляет собой потенциальный экран, расположенный в О) камере с фторорганической жидкостью.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(5В Н 01 Ю 3/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСИСМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

67/ 766 - Ф S 4

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНЙЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3506202/18-21

Ъ (22) 29. 10. 82 (46) 07.02.84. Бюл. ° Р 5 (72) В.Ф.Мартынов, В.A.Tàðàcåíêoâ, В.Н.Лисин и М,A. Эавьялов (71) Всесоюзный электротехнический институт им. В.И.Ленина (53) 621. 385.6 (088. 8) (56) 1. Шиллер 3. и др. Электронно-! лучевая технология. М., Энергия, 1980, с. 119..

2. Мощные электронные пушки для электронно-лучевой технологии.

ТрудЫ ВЭИ; вып. 80. М., Энергия, 1970 с. 118. (54) (57) ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА, содер.жащая вакуумную камеру, в которой осесимметрично размещены термоэмис„„SU„„1 A сионный катодный узел с цилиндрическим корпусом, установленным в про-, ходном иэоляторег и анод с фланцем, и камеру жидкостного охлаждения, коаксиально охватывающую вакуумную камеру, о .т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения надежности и рееурса, коаксиально с проходным изолятором размещена заполненная фторорганической жидкостью камера, ограниченная в радиальном направлении поверхностями проходного изолятора и вакуумной камеры, кОрпус катоднОГо уэла снабжен переходным фланцем и выполнен в виде тепловой трубы, конденсаторная часть которой представляет собой потен- Е циальный экран, расположенный в камере с фторорганической жидкостью.

10721

Изобретение относится к электротехнике, в частности к мощным энергозв блокам электронно-лучевых установок, применяемым в влек тротермии.

Известна электронная пушка большой мощности, применяемая для плав- 5 ки металлов в вакууме, содержащая вакуумную камеру, в которой расположены термоэмиссионный катодный узел, анод с водяной рубашкой, проходной изолятор, металлический цилиндрический корпус, внутри которого проходят шины для подвода накала, а снаружи расположены радиаторы системы .охлаждений. Радиаторы охлаждения катодного узла, находящегося под ,высоким потенциалом, снаружи охваче-. ны цилиндрическим заземленным экра» ном, в который встроен вентилятор для удаления нагретого воздуха (13.

Недостаток указанного устройст-. ва — невозможность стабилизации температурного поля катодного узла .при случайных флюктуациях режима его нагрева и от"бора эмиссионного тока.

При этом возрастание температуры эмиттирунхцей поверхности катода все".

ro на несколько десятков градусов приводит к существенному изменению как величины эмиссионного тока, так и скорости испарения активного слоя ° В результате снижается ресурс ЗО работы электронной пушки, определяемый износом и потерей эмиссионных свойств катодного узла. Кроме того, в этом устройстве трудно обеспечить необходимый запас по электрической 35 прочности из-за увеличения внешних размеров катодного узла, охлаждаемого и иэолируемого воздушной средой, . что в итоге снижает надежность в эксплуатации. 40

Известна также электронная пушка, содержащая вакуумную камеру, в которой осесимметрично размещены термоэмиссионный катодный узел с цилиндрическим корпусом, установленным в 45 проходном изоляторе, и анод с фланцем, и камеру жидкостного охлаждения, коаксиально охватывающую вакуумную камеру. Камера охлаждения катодного узла выполнена в виде цилиндрической водяной рубашки, соединенной со спиральным водяным соггротивлением, рассчитанным на полное напряжение установки. Водяное сопро-. тивление смонтировано внутри защитного заземленного экрана 2 3.

Недостатком известного устройства является ограничение ресурса и надежности работы при изменениях режима электронно-лучевой плавки, обус ловленных флюктуациями параметров 60 цепей питания, типом технологического процесса, качеством исходного материала и состоянием вакуума в ка-. мере. При этом известное. устройство не обеспечивает стабилизации темпе- 65 ! ратурного поля пушки, что приводит к скачкообразному возрастанию эмиссии и скорости испарений активного слоя. катода и обусловливает. его преждевременный износ или потерю эмиссионных свойств. Кроме того, в известном устройстве система охлаждения катода, включая водяную спираль значительной длины, выполнена с воздушной изоляцией, что существенно увеличивает вероятность электрических пробоев при переходных процессах и тем самым снижает надежность устройства в целом.

Цель изобретения увеличение надежности и ресурса работы мощной электронной пушки, применяемой в электронно-лучевых плавильных установках.

Поставленная цель достигается тем, что в электронной пушке, содер жащей вакуумную камеру, в которой осесимметрично размещены термоэмис"сионный катодный узел с цилиндрическим корпусом, установленным в проходном изоляторе, и анод с фланцем, и камеру жидкостного охлаждения коаксиально охватывающую вакуумную камеру, коаксиально с проходным изолятором размещена заполненная фторорганической жидкостью камера, ограниченная в радиальном направлении поверхностями проходного изолятора и вакуумной камеры, корпус катодного узла снабжен переходным фланцем и выйолнен в виде тепловой трубы, конденсаторная часть которой представляет собой потенциальный экран, расположенный в камере с фторорганической жидкостью.

Корпус катодного узла содержит дисковую переходную часть, расположенную параллельно анодному фланцу на уровне половины высоты проходного изолятора, который выполнен из двух секций.

Водяная цилиндрическая камера охлаждения и камера с фторорганической жидкостью образованы цилиндрическими ортогональными ребрами. анодного фланца, расположенными соосно с проходным изолятором.

На чертеже изображена предлагаемая электронная пушка, разрез.

Электронная пушка содержит вакуумную камеру 1 с откачными патрубками 2, термоэмиссионный катодный узел 3, состоящий из вспомогательного катода 4, основного таблеточного катода 5 н цилиндрического корпуса 6, выполненного в виде тепло вой трубы. Катодный узел установлен на оси симметрии проходного изолятора 7, состоящего из двух секций равной высоты, снабженного изолирующей крышкой 8, через которую проходят шины 9 подвода накала. Анод 10 электронной пушки крепится на анодность конвективного теплообмена между анодом и жидкостями в камерах 13 и 14.

Корпус 6 катодного узла, выполняющий функции тепловой трубы, обеспечивает иэотермический режим работы эмиссионной поверхности основного катода 5 ° При этом становится возмож1 ным контроль и управление скоростью испарения активного вещества катода, определяющей надежность и ресурс рабожы устройства в целом.

Так, для оксидного катода рост температуры всего на 20 С по сравнению с номинальной (Т 1100 К) приводит к возрастанию скорости испарения активного слоя в 4 раза, а локальный рост температуры на 50 С сокращает ресурс работы катода в

10 раз. В предлагаемом устройстве демпфируются также случайные флюктуации температурного поля, обусловленные обратной тепловой связью анода и катода, что .Уменьшает вероятность испарения таких компонентов эмиттирунхцей поверхности катода, как окись бария и др.; что в условиях эксплуатации приводит к росту электрического сопротивления поверхностного слоя катода и уменьшению тока эмиссии.

В качестве теплоносителя, заполнякщего корпус катодного узла, в зависимости от материала катода и его рабочей температуры (окснДный катод, вольфрамовый, гексаборидлантаноэый, барий-никелевый и т.д.) могут использоваться, например, натрий, литий или другие теплоносители. Тепловая труба на литии при

1500 С обеспечивает направленную передачу теплового иотока порядка, 10-20 кВт/см 2. После конденсации теплоносителя в полости экрана 21 его возврат в область кипения осуществляется за счет силы тяжести и капиллярных сил, для чего полости 18 - 20 снабжаются фитилем или. выполняются с канавками. При использовании. в качестве теплоносителя натрия корпус 6 может быть выполнен из нержавеющей стали, при использовании лития корпус изготавливается из ниобия, тантала или молибдена.

Поскольку тепловая труба обеспечивает эффетивный перенос тепла только в одном направлении, то секция керамического изолятора 7 автоматически защищена от тепловых перегрузок. При этом. каскадное включение двух теплообменных устройств:- (корпуса 6 и камеры 13) работает как трансформатор плотности теплового потока и стабилизатор температурного лоля в зоне эмиссии электронов.

B качестве теплоносителя в камере 13 могут быть выбраны жидкости из ряда перфтораминов, теплофизичесЗО

3 . 10721 ном Фланце 11 с цилиндрическими ребрами 12, образукщими теплообменнце камеры 13 и 14, заполнениые соответственно фторорганической жид- ,костью и водой. Подвод охлаждающих жидкостей осуществляется через пат- 5 рубки 15 на верхнем флаице 16 теплообменных камер. Корпус катодного ф узла содержит полость, заполненную теплоносителем 17,. причем цилиндрическая часть 18 полости корпуса .щ является зоной испарения теплоноси-. теля, дисковая часть 19, которая

:может быть расположена на уровне половины высоты проходного изолятора, является адчабатной зоной тепло- 5 вой трубы. Конденсация теплоносителя.происходит в цилиндрической полости 20, расположенной внутри потен-. циального экрана 21, охватывакицего проходной изолятор. Подключение питaиия йакала производится высоковольт- 2О ным кабелем .22, проходящим через заземленный экран 23.

Устройство работает следукщим обраэом.

После включения мощности накала, . 25 подводимой шинами 9, происходит разогрев основного катода 5.до номинальной рабочей температуры. В процессе выхода на номинальный режим. накала происходит автоматический запуск тепловой трубы, являющейся корпусом 6 катодного узла. В цилиндрической его части 18 происходит испарение теплоносителя, который, проходя дисковую часть 19, конденси- 35 руется в цилиндрической полости 20, расположенной внутри потенциального экрана 21. Тепловой поТок с поверхности экрана 21, находящегося под высоким отрицательным потенциалом 4О катодного узла 3, снимается в теплообменной камере 13, заполненной фтор" органической жидкостью. Мощность, необходимая для нагрева катода 5, зависит от его размеров, материала, выбора рабочей температуры и структуры тепловых потерь.

Если отбор тепла на поверхности экрана 21 происходит в процессе кипе. ния пограничного слоя фтороргаиичес" кой жидкости, то это не приводит к снижению электрической прочности пушки..Паровая фаза фторорганическОй . жидкости в камере 13 имеет электрическую прочность, близкую к прочности трансформаторного масла, а ди электрическая проницаемость изменя- ется линейно в широком диапазоне изменения температур. Движение изолируыщей жидкости в камере 13 происходит за счет разности плотностей, а, Ы отвод тепла осуществляется через цилиндрическую стенку, разделяющую камеры 13 и 14 .

Большая площадь поверхности анодного фланца 11 обеспечивает эффектив-у

107 213В

10 15

Составитель АЗахаров

Редактор С.Квятковская Техред С Мигунова Корректор В.Бутяга

4М Юа

Заказ 13б/4б Тираж б83 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4 кие и электроиэоляционные свойства которых не уступают трансформаторному маслу, но они характеризуются химической инертностью к нагретым металлам, взрывобеэопасностью, а электрическая прочность их после тренировочных пробоев возрастает в пределах 50-150 кВ/см. Совмещение функций изолирующей высокопрочной жидкости и теплоносителя позволяет существенно сократить габариты устройства при заданном уровне высокого напряжения или увеличить уровень ускоряющего напряжения в 2-3 раза при тех же габаритах.

При применении изобретения стабилизируется температура катодного узла и уменьшается его износ независимо от наличия теплообмена между анодом.и катодом электронной пушки, взаимного влияния цепей питания (прямого и электронного накала и анодной цепи) и других факторов, а также уменыаается вероятность электрических пробоев в устройстве в ,целом. Причем оптимизация конструк тивного оформления пушки, учитывающая конкретную взаимосвязь электрических и тепловых процессов, достигается на основе принципа совмещения изолирующей и охлаждающей. среды (использование камеры с фторорганической жидкостью), совмещения корпуса катодного. узла и тепловой трубы, конденсаторной части тепловой трубы и потенциального электрода, обеспечивающего однородную структуру электрического поля, и совмещения оребренного анодного фланца с теплообменными камерами. Поэтому наряду с повышением надежности и ресурса работы устройства уменыааются его весогабаритные показатели, особенно при .переходе к болыаим мощностям накала и энергиям пучка (высота пушки уменьшается почти вдвое). Эти особенности позволяют эффективно применять электронную пушку в электронно-лучевых установках средней и большой мощности, а также в электрофизических установках для формирования и исследования интенсивных релятивистских пучков электронов.