Газоразрядная электронная пушка

Изобретение относится к области электронной техники и его применение может быть особенно перспективным для нужд специальной электрометаллургии, а именно электронно-лучевой плавки металлов и сплавов. Газоразрядная электронная пушка содержит в герметичном корпусе на высоковольтном изоляторе холодный вогнутый катод с развитой эмиссионной поверхностью и соосно аноду лучевод с размещенными в нем фокусирующими катушками. Лучевод дополнительно оснащен по крайней мере тремя выполненными из электропроводного тугоплавкого материала стержнями, размещенными между фокусирующими катушками с равномерным расположением по окружности, введенными в лучевод радиально на глубину, соответствующую диаметру электронного пучка, и соединенными с внешней стороны электронной пушки между собой и с токосъемником, электрически связанным с фокусирующими катушками с возможностью корректировки их параметров, при этом размеры электродной системы выбраны из соотношения: Dк>Dа>Dсф, где Dк - диаметр катода; Da - диаметр анодной апертуры; Rсф - радиус кривизны рабочей поверхности катода. Технический результат: значительное повышение стабильности энергетических и геометрических параметров электронного пучка. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к конструкции газоразрядных электронных пушек технологического назначения, и может найти применение для электронно-лучевой плавки и других термических процессов, реализуемых в вакууме с использованием мощных электронных пучков.

Известны газоразрядные электронные пушки [1, 2], работа которых основана на использовании электрического разряда между холодными электродами в среде газа низкого давления (высоковольтного тлеющего разряда). Электронный пучок образуется в результате бомбардировки поверхности катода быстрыми частицами (положительными ионами и нейтральными частицами), возникающими при ускорении и перезарядке ионов в области катодного падения потенциала. Как генерация, так и ускорение электронов происходит в пределах разряда за счет высокого напряжения, подводимого между анодом и катодом. Из разрядного промежутка выходит пучок электронов с энергией, практически равной приложенной разности потенциалов. Величина мощности в пучке, выводимая в рабочую технологическую камеру на нагреваемый объект, определяется долей общей мощности в разряде, приходящейся на ионную составляющую разрядного тока.

В области катодного падения потенциала электроны ускоряются, и в зависимости от конфигурации поля, определяемого геометрическими параметрами электродной системы (диаметра катода, диаметра анодной апертуры и радиуса кривизны рабочей поверхности катода), полого анода, а также положением и формой анодной плазмы, формируется пучок с соответствующим углом схождения в анодном отверстии. Электронный пучок в такой системе имеет большой угол схождения (короткофокусный пучок), что усложняет его прохождение через лучевод.

Основными недостатками указанных газоразрядных электронных пушек являются:

- рассеивание электронного пучка в лучеводе, что приводит к его разогреву и, как следствие, к нарушению герметичности лучевода;

- отсутствие контроля тока утечки электронного пучка при прохождении его через лучевод.

Известна также газоразрядная электронная пушка с холодным катодом с вогнутой эмиссионной поверхностью и цилиндрическим полым анодом, который соединен с цилиндрическим каналом-лучеводом для прохождения электронного пучка после его выхода из анодного отверстия [3].

Несоответствие геометрических параметров электродной системы газоразрядной электронной пушки эмиссионным характеристикам холодного катода ограничивает максимальную мощность электронного пучка, так как при максимальном токе разряда поток ионов на катод расширяется за пределы эмиссионной зоны. Кроме того, регулирование тока разряда изменением давления (повышением расхода рабочего газа) сопровождается изменением фокусного расстояния электронного пучка, что затрудняет его прохождение в лучеводе и подфокусировку фокусирующими катушками. Поэтому и газоразрядной электронной пушке [3] присущи недостатки газоразрядных электронных пушек [1] и [2].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является газоразрядная электронная пушка, содержащая в герметичном корпусе на высоковольтном изоляторе холодный вогнутый катод с развитой эмиссионной поверхностью и установленный соосно аноду лучевод с размещенными на нем фокусирующими катушками при условии, что диаметр анодной апертуры катода меньше или равен диаметру катода и радиусу кривизны его рабочей поверхности [4].

Основные недостатки этой газоразрядной электронной пушки те же, что и для [1-3], а именно из-за несоответствия геометрических параметров электродной системы (катод-анод) газоразрядной электронной пушки вследствие износа в процессе работы рабочих поверхностей катода и анода и отсутствия контроля за прохождением электронного пучка в лучеводе наблюдается значительное изменение точки фокусировки электронного пучка в анодном отверстии. Это приводит к его расфокусированию и частичному выходу на стенки лучевода.

Задачей изобретения является получение электронного пучка высокой мощности с обеспечением при этом надежной работы электронной пушки путем оптимизации геометрических параметров электродной системы и контроля прохождения электронного пучка в лучеводе.

Для достижения названного технического результата в газоразрядной электронной пушке, содержащей электродную систему, состоящую из размещенного в герметичном корпусе на высоковольтном изоляторе холодного вогнутого катода с развитой эмиссионной сферической поверхностью и установленного соосно ему полого анода с отверстием в дне, расположенный под электродной системой лучевод с закрепленными на нем фокусирующими катушками, лучевод дополнительно оснащен по крайней мере тремя стержнями, выполненными из электропроводного тугоплавкого материала, размещенными между фокусирующими катушками с равномерным расположением по окружности, введенными в лучевод радиально на глубину, соответствующую диаметру электронного пучка, и соединенными с внешней стороны электронной пушки между собой и с токосъемником, электрически связанным с фокусирующими катушками с возможностью корректировки их параметров, при этом геометрические размеры электродной системы выбраны из соотношения:

Dк>Dа>Dсф,

где Dк - диаметр катода;

Da - диаметр анодной апертуры;

Rсф - радиус кривизны рабочей поверхности катода.

Стержни могут быть соединены между собой гибкой связью.

Стержни изолированы от корпуса лучевода.

Пушка может быть оснащена катушками отклонения электронного пучка для изменения развертки луча.

Для увеличения мощности электронного пучка газоразрядной электронной пушки необходимо увеличить площадь эмиссионной поверхности катода, то есть поперечный размер электродной системы (диаметры катода и анода в площади апертуры, которые определяют размер эмиссионной зоны). При этом диаметр катода соответственно больше диаметра анодной апертуры, а диаметр анодной апертуры, в свою очередь, больше радиуса кривизны рабочей поверхности катода. В противном случае поток ионов, бомбардирующих катод, будет расширяться за пределы рабочей поверхности катода, а формирующийся поток электронов - за пределы анодного отверстия. Это привело бы к изменению геометрических параметров газоразрядной электронной пушки за счет большого износа рабочих поверхностей катода и анода и нарушило бы стабильность ее работы.

При соответствующем износе электродной системы происходит расфокусировка электронного пучка в лучеводе, который отклоняется на стенки лучевода, разогревая его, а также потеря тока электронного пучка, что может привести к аварийной ситуации. Поэтому для прохождения электронного пучка без потерь и избежания аварийной ситуации за счет измерения тока утечки электронного пучка, снимаемого со стержней, изолированных от корпуса лучевода и установленных между фокусирующими катушками, осуществляют контроль прохождения электронного пучка в лучеводе. В случае какого-либо отклонения, выражаемого в увеличении тока утечки электронного пучка, снимаемого с токосъемника гибкой связи, при прохождении его через лучевод производится автоматическая корректировка электрических параметров фокусирующих катушек.

Таким образом, конструктивные особенности газоразрядной электронной пушки обеспечивают измерение тока утечки электронного пучка за счет того, что в работающей электронной пушке при расфокусировке электронного пучка он попадает на стержни. Это приводит к увеличению тока утечки электронного пучка, снимаемого с токосъемника.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен схематический разрез конструкции газоразрядной электронной пушки, на фиг.2 - сечение А-А фиг.1.

Газоразрядная электронная пушка снабжена высоковольтным токоподводом 1, водяным реостатом 2, закрепленным на высоковольтном изоляторе 3 в герметичном корпусе, охлаждаемым водой катодом 4 со сферической эмиссионной поверхностью. С помощью цилиндрического корпуса катод 4 установлен соосно на полом аноде 5. В нижней части полого анода 5 установлен распределитель рабочего газа (не показан), который поступает через штуцер в стенке корпуса. Соосно электродной системе закреплен цилиндрический канал лучевода 6, на котором размещены фокусирующие катушки 7 и катушки отклонения 8 электронного пучка. Между фокусирующими катушками 7 лучевода 6 в изоляторах 9 установлены стержни 10 из тугоплавкого металла, имеющие гибкую связь 11 с токосъемником 12 для измерения тока утечки электронного пучка. Для обеспечения герметичности газоразрядной электронной пушки штуцера 13 стержней 10 снабжены поджимаемыми гайками 18 уплотнениями 14, заключенными во втулки 16 и 17, и 15 (фиг.2).

С помощью фланца на торце цилиндрического лучевода 6 пушка устанавливается на технологической камере электронно-лучевой установки.

Работа газоразрядной электронной пушки осуществляется следующим образом. Перед началом работы путем перемещения стержней 10 (фиг.2) их устанавливают на определенное расстояние от оси электронной пушки в зависимости от требуемого для конкретного термического процесса сечения электронного пучка. После откачки воздуха из пушки через штуцер в стенке катодной камеры с помощью распределителя (не показан) подается рабочий газ, состоящий из водорода, активированного небольшой добавкой кислорода, а на катод - через токоподвод 1 ускоряющее напряжение 25...30 кВ. Возникает самоподдерживающийся высоковольтный тлеющий разряд с областью катодного падения потенциала и областью плазмы отрицательного тлеющего свечения, которые пронизываются потоком электронов, находящихся в анодном отверстии. Электроны пучка эмитируются с поверхности холодного катода с диаметром Dк (фиг.3) в результате бомбардировки его поверхности ионами, которые поступают из плазмы и ускоряются в поле катодной области. Полем катодной области электроны формируются в конусный пучок с фокусным расстоянием, большим, чем радиус кривизны рабочей поверхности катода Rсф (фиг.3). За пределами анодного отверстия электронный пучок, расходящийся под тем же углом, с помощью фокусирующих катушек 7 (фиг.1), минуя стержни, выводится в технологическую камеру и фокусируется на поверхности нагреваемого объекта 19. При необходимости с помощью катушек отклонения 8 и соответствующей программы разверток электронного пучка можно реализовать различные виды разверток для обработки нагреваемого объекта 19 (расплавление металла в кристаллизаторе, промежуточной емкости, плоской изложнице и т.д.). При регулировании мощности электронного пучка изменением давления (расходом рабочего газа) его фокусировка не нарушается.

При возникновении расфокусировки электронного пучка он расширяется и попадает на концы стержней 10. При этом увеличивается ток утечки электронного пучка, снимаемого с токосъемника 12 гибкой связи 11, значение которого передается к регистрирующему прибору (не показан) для автоматической корректировки электрических параметров фокусирующих катушек 7.

Предложенная газоразрядная электронная пушка, в основном, предназначена для электронно-лучевой плавки металлов и сплавов, где необходима большая мощность электронного пучка. Мощность предложенной газоразрядной электронной пушки в условиях ее стабильной работы составляет 600 кВт. При этом пушка отличается высокой стабильностью электрических и геометрических параметров электронного пучка, относительно проста и надежна в эксплуатации.

Источники информации

1. Пат. США 3412196 C1, 13-31, 19.11.68.

2. Пат. Великобритании №1355343, Н01J 37/00, 05.06.74.

3. A.c. СССР №222572, Н01J 3/4, опубл. 15.06.84.

4. Пат. Украины 38451, Н01J 37/06, 15.01.2004.

1. Газоразрядная электронная пушка, содержащая электродную систему, состоящую из размещенного в герметичном корпусе на высоковольтном изоляторе холодного вогнутого катода с развитой эмиссионной сферической поверхностью и установленного соосно ему полого анода с отверстием в дне, расположенный под электродной системой лучевод с закрепленными на нем фокусирующими катушками, отличающаяся тем, что лучевод дополнительно оснащен по крайней мере тремя выполненными из электропроводного тугоплавкого материала стержнями, размещенными между фокусирующими катушками с равномерным расположением по окружности, введенными в лучевод радиально на глубину, соответствующую диаметру электронного пучка, и соединенными с внешней стороны электронной пушки между собой и с токосъемником, электрически связанным с фокусирующими катушками с возможностью корректировки их параметров, при этом размеры электродной системы выбраны из соотношения Dк>Dа>Dсф, где Dк - диаметр катода; Da - диаметр анодной апертуры; Rсф - радиус кривизны рабочей поверхности катода.

2. Пушка по п.1, отличающаяся тем, что стержни соединены между собой гибкой связью.

3. Пушка по п.1, отличающаяся тем, что стержни изолированы от корпуса лучевода.

4. Пушка по п.1, отличающаяся тем, что она оснащена катушками отклонения электронного пучка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, в частности к приборам и устройствам для термообработки материалов и изделий. .

Изобретение относится к области генерирования пучков заряженных частиц с энергией до сотен кэВ с сопутствующим коротковолновым излучением и может быть использовано для радиационной обработки и стерилизации объектов, возбуждения активных сред и химических реакций, для проведения спектроскопических и диагностических измерений и т.п.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано при создании электронных приборов, лазеров, а также в плазмохимии, спектроскопии, при обработке материалов, электронно-лучевой сварке и в диагностических измерениях.

Изобретение относится к физической электронике и используется в качестве источника однородного пучка электронов, в частности для электроионизационных лазеров. .

Изобретение относится к области разработки электронных прожекторов для электронно-лучевых пушек, используемых при сварке и термообработке металлов и их сплавов. .

Изобретение относится к электротехнике и вакуумной металлургии высокочистых тугоплавких металлов и позволяет повысить стабильность электронной термоэмиссии и эффективность аксиальной электронной пушки в условиях плавки тугоплавких металлов при подводе большой мощности

Изобретение относится к области ускорительной техники, и в частности к импульсным источникам, генерирующим сильноточные электронные пучки

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для электронно-лучевой плавки высокореакционных металлов и сплавов в вакууме или среде инертного газа

Изобретение относится к технике генерирования сильноточных электронных пучков и может быть использовано для создания импульсных сильноточных электронных ускорителей, а также для поверхностной обработки материалов и изделий этими пучками

Изобретение относится к области нанесения покрытий, нагревания и плавки металла в вакууме

Изобретение относится к аппаратуре для электронно-лучевой сварки материалов, преимущестенно металлов, в вакууме. Технический результат - упрощение технического обслуживания электронно-лучевой пушки и увеличение рабочего пространства для обработки деталей. Электронно-лучевая пушка содержит катодный блок, включающий корпус, изолятор, катод. Катодный блок установлен на промежуточном корпусе. В промежуточном корпусе со стороны катодного блока установлен анод, на боковой поверхности выполнен вакуумопровод. Промежуточный корпус установлен на фланце корпуса фокусирующего блока, оснащенного теплообменником и выполненного с возможностью установки блока катушек со стороны фланца. Теплообменник образован корпусом фокусирующего блока, на внешней цилиндрической поверхности которого выполнен спиральный паз, и кожухом. На фланце фокусирующего блока расположены штуцеры теплообменника и выполнены подводящие каналы и канал для выводов блока катушек. Катодный блок выполнен с крышкой, снабженной штуцерами, расположенными на боковой поверхности крышки. В качестве изолирующего теплоносителя в катодном блоке используется фторорганическая жидкость. Корпус катодного блока соединен с промежуточным корпусом откидной петлей и зажимами. 6 з.п.ф-лы, 6 ил.

Способ СВЧ-генерации на основе электронных пучков может быть использован в бортовой системе электропитания, системе электропитания мобильных аппаратов, а также в различных стационарных системах электроснабжения. Способ СВЧ-генерации, основан на получении электронного пучка с помощью электронной пушки из предварительно ионизированной с помощью электрической дуги рабочей среды, частичном отборе мощности из электронного пучка с помощью коллектора виртуального катода для СВЧ-генерации. Оставшийся электронный пучок пропускают через выполненное в коллекторе виртуального катода аксиальное отверстие, затем электронный пучок модулируют и ускоряют электрическим полем рабочей частоты системы электропитания СВЧ-трафика, после этого на электронный пучок воздействуют скрещенным электрическим полем, радиальная составляющая которого удерживает электронный пучок в сжатом состоянии, а продольная составляющая тормозит электронный пучок, превращая его энергию в эквивалентную электрическую мощность путем двухполупериодного преобразования конвекционного тока электронного пучка в переменный ток электрической цепи системы электропитания в режиме резонанса токов на рабочей частоте системы электропитания СВЧ - трафика, а совершившие работу в электрической цепи электроны направляют на катод электрической дуги, где они рекомбинируют катионы в молекулы и атомы рабочей среды, которая вновь подвергается ионизации электрической дугой. Технический результат - повышение мощности в системе электропитания СВЧ-трафика за счет рекупирования всей энергии электронного пучка в систему электропитания. 1 ил.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в высоковольтной импульсной технике для диагностики импульсных источников релятивистских электронных потоков в сильном магнитном поле путем измерения поперечных скоростей релятивистских электронов. Измеритель содержит установленные в вакуумной камере перед источником электронов корпус измерителя с входным отверстием-диафрагмой, соленоид, размещенный вне корпуса измерителя и выполненный с возможностью создания в вакуумной камере магнитного поля с направлением силовых линий вдоль продольной оси корпуса измерителя, а также регистратор распределения электронов по расстоянию от продольной оси корпуса измерителя, размещенный за входным отверстием-диафрагмой, при этом корпус измерителя выполнен из металла с высокой проводимостью в форме усеченного конуса, обращенного меньшим по диаметру основанием к источнику электронов, и размещен в области отсутствия магнитного поля источника электронов в магнитном поле соленоида, сам соленоид размещают на расстоянии от источника электронов, обеспечивающем однородность магнитного поля от источника электронов до корпуса измерителя, и выполняют с возможностью формирования импульсного магнитного поля с длительностью, исключающей проникновение поля через стенки корпуса измерителя. Технический результат - повышение точности измерения. 4 ил.

Изобретение относится к пакету электродов, содержащему уложенные стопой электроды (71-80) для управления пучком заряженных частиц вдоль оптической оси (A), и может использоваться для изготовления полупроводниковых структур методами литографии. Каждый электрод содержит тело электрода с апертурой для пучка заряженных частиц. Тела электродов взаимно разнесены, а апертуры электродов коаксиально совмещены вдоль оптической оси. Пакет электродов содержит электроизоляционные дистанцирующие структуры (89) между каждой парой соседних электродов для позиционирования электродов (71-80) на заранее заданных взаимных расстояниях вдоль осевого направления (Z). Каждый из первого электрода и второго электрода содержит тело электрода с одной или более опорной частью (86), при этом каждая опорная часть выполнена с возможностью размещать по меньшей мере одну дистанцирующую структуру (89). Пакет электродов имеет по меньшей мере один зажимной элемент (91-91c), выполненный с возможностью скреплять опорные части (86) первого и второго электродов, а также промежуточную дистанцирующую структуру (89). Техническим результатом является повышение точности при управления пучком заряженных частиц. 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 15 ил.
Наверх