Аксіальна електронна гармата

Реферат: Аксіальна електронна гармата належить до галузі одержання нових матеріалів і покриттів і може бути використана в установках, призначених для електронно-променевого нагрівання, плавлення та випаровування матеріалів у вакуумі або у середовищі реактивних газів. Аксіальна електронна гармата містить, зокрема, первинний і вторинний катоди і характеризується тим, що для збереження стабільного положення вторинного катода відносно електронно-променевої осі аксіальної гармати застосовано тримач плоскої форми у вигляді правильного багатокутника, а система живлення виконана з можливістю прикладання пульсуючої напруги між первинним та вторинним катодами. Заявлена електронна гармата забезпечує підвищення стабільності параметрів технологічного процесу і надійності роботи. UA 113827 C2 (12) UA 113827 C2 UA 113827 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі виготовлення нових матеріалів і покриттів та стосується пристроїв електронно-променевої технології, а саме електронних гармат, призначених для електронно-променевого нагрівання, плавлення та випаровування матеріалів у вакуумі або у середовищі реактивних газів. Відомі електронні гармати з лінійним термокатодом, зокрема, описані в патентах на винахід України № 21440А від 02.12.1997, № 43927 від 15.01.2002, № 93182 від 25.01.2011, конструкція яких характеризується наявністю променеводу, прискорюючого анода і катодного вузла, який, у свою чергу, містить раму або катодну плиту, ізолятори, катодотримачі, фокусуючий електрод. Фокусуючий електрод розміщується співвісно з лінійним термокатодом, завдяки чому такі електронні гармати отримали назву аксіальних. За прототип узято аксіальну електронну гармату за патентом US 8159118 від 17.04.2012. Аксіальні електронні гармати, поміж іншого, широко використовуються в процесі електронно-променевого нанесення на лопатки турбін газотурбінних двигунів керамічних матеріалів на основі ZrО2, Gd2O3 або інших оксидів, які мають теплозахисні властивості. Виробництво нових матеріалів та покриттів у промислових обсягах передбачає отримання готової продукції з однаковими фізико-механічними властивостями та експлуатаційними характеристиками. Досягти цього можна лише за умови, що електронна гармата впродовж достатньо тривалого строку служби зберігає незмінними параметри технологічного процесу. З огляду на це, задача винаходу полягає у підвищенні надійності роботи електронної гармати шляхом забезпечення стабільності її параметрів. Наразі стабільність роботи електронних гармат відомих конструкцій може бути забезпечена завдяки використанню катодів, що виготовлені з монокристалічного вольфраму за умови жорсткого дотримання орієнтації осі зростання кристала до робочої поверхні катода. Це обумовлює високу вартість як самої гармати, так і продукції, виробленої за її допомогою. При використанні катодів, виготовлених з більш дешевого полікристалічного вольфраму, виникають певні ускладнення. Внаслідок впливу високих температур катод змінює свою форму, що призводить до зміни його положення у електронно-оптичній системі гармати і спричинює зміни у фокусуванні та положенні електронного променя. Це може стати причиною потрапляння електронного променя на внутрішні деталі променеводу та спричинити їх розплавлення, а також оплавлення прискорюючого анода гармати. Стабільність параметрів і надійність роботи аксіальної електронної гармати при цьому різко погіршуються. Технічна задача винаходу, що заявляється - отримання стабільного електронного променя у широкому діапазоні значень робочої напруги аксіальної електронної гармати при використанні вторинного катода, виготовленого з полікристалічного вольфраму. Заявляється аксіальна електронна гармата, яка містить, зокрема, первинний і вторинний катоди і характеризується тим, що для збереження стабільного положення вторинного катода відносно електронно-променевої осі аксіальної гармати застосовано тримач фігурної форми, а для бомбардування електронами вторинного катода між катодами прикладають пульсуючу напругу. Аксіальна електронна гармата (фіг. 1) складається з: променеводу (1), який містить у собі відхилюючу систему (2) і фланець для стикування з водоохолоджуваним корпусом прискорюючого анода (3), який у свою чергу містить в собі фокусуючу котушку (4) та змінний анод (5). На корпусі прискорюючого анода (3) через три високовольтних ізолятори (6) встановлено катодну плиту (7), на яку, у свою чергу, кріпиться катодний вузол (8). Катодний вузол (фіг. 2) являє собою корпус (9), до якого через два пласких керамічних ізолятори (10) кріпляться два струмопідводи (11), на яких через притискачі (12) встановлюється дротяний вольфрамовий первинний катод (13), захищений тепловими екранами (14) і первинним фокусуючим електродом (15). Також до корпусу (9) через накидну гайку (16), тепловий екран (17) та притискач (18) кріпиться вторинний (основний) фокусуючий електрод (19). Вторинний (основний) катод (20) має кільцевидну проточку на своїй бічній циліндричній поверхні і встановлюється між вторинним фокусуючим електродом (19) та притискачем (18) за допомогою фігурного тримача (21), який виконаний з вольфрамового дроту і має форму правильного плаского трикутника (фіг. 3а), чотирикутника (квадрата) (фіг. 3б), п'ятикутника (фіг. 3в) або шестикутника (фіг. 3г). Цей тримач (21) дозволяє центрувати і фіксувати положення вторинного катода (20) у проточці отвору вторинного фокусуючого електрода (19). У електронній гарматі - прототипі за патентом US 8159118 вторинний катод встановлюється між фокусуючим електродом і притискачем за допомогою кільця круглої форми (фіг. 4). Також відома аксіальна електронна гармата за патентом США № 3556600 компанії Westinghouse Electric Corporation та аналогічні їй пристрої, у яких вторинний катод кріпиться за допомогою трьох тонких вольфрамових торсіонів діаметром до 1 мм, встановлених у відповідних отворах на зовнішній бічній поверхні катода під кутом 120° відносно один одного (фіг. 5). 1 UA 113827 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Поставлена технічна задача вирішується тим, що замість катода зі стрижньовими торсіонами або катода з центруючим кільцем круглої форми застосовують фігурні центруючі тримачі правильної пласкої трикутної, чотирикутної, п'ятикутної або шестикутної форми. Вторинний катод має кільцеву проточку на бічній циліндричній поверхні. Фокусуючий електрод також має проточку з відповідними глибиною та діаметром на установлювальній для катода площині. Тримач фігурної форми надягається на проточку катода і катод з тримачем вставляється у проточку фокусуючого електрода, де фіксується додатковим притискачем (фіг. 6). Вибір конкретної форми тримача залежить від співвідношення діаметрів вторинного катоду і фокусуючого електроду. При нагріванні відбувається деформація вторинного катода з полікристалічного вольфраму. Проте сторони тримача починають працювати як ресори і компенсують зміну форми катода, зберігаючи його положення відносно електронно-оптичної осі аксіальної гармати (фіг. 7). Проведені авторами дослідження показали, що тримачі нової форми компенсують зміни геометричних розмірів вольфрамових катодів, спричинених як термічним розширенням, так і термічною усадкою. Цей технічний результат дозволяє з успіхом застосовувати більш дешеві вольфрамові катоди, виготовлені методом порошкового пресування. При використанні вторинних катодів з кільцевою проточкою та фіксуючим тримачем у формі кільця (фіг. 4) спостерігались часті випадки припинення технологічного процесу через втрату фокусування електронного променя, спричинену деформацією катода. При цьому іноді навіть відбувалося вивалювання катода з наступним коротким замиканням високовольтного джерела живлення і повною зупинкою технологічного процесу, тобто неможливістю використовувати навіть резервні гармати. Як наслідок, усі деталі, що перебували у технологічній камері, відправлялись на переробку, тобто зняття та повторне нанесення покриття. Окрім цього, після проведення технологічного процесу випаровування кераміки спостерігався ефект паразитного запилення зазорів між фіксуючим тримачем у формі кільця та вторинним катодом у зоні кільцевої проточки, пов'язаний з різницею залишкового тиску кисню між робочою камерою (камерою напилювання) і камерою гармат. Теплозахисна оксидна кераміка при кімнатній температурі, як правило, є діелектриком. З цієї причини формування паразитного діелектричного прошарку у відносно рівномірних зазорах між кільцевим тримачем і вторинним катодом призводило до того, що при вмиканні аксіальної гармати після її повного охолодження був потрібний значний час для руйнування вказаного діелектричного прошарку та відновлення номінального потенціалу - 20 кВ на вторинному катоді. При використанні вторинних катодів, закріплених за допомогою трьох торсіонів (фіг. 5), після нетривалої роботи електронних гармат спостерігалось порушення фокусування променя, спричинене деформацією катода і самих торсіонів, яке супроводжувалось зміною положення катода відносно оптичної осі електронної гармати. Як наслідок порушення фокусування спостерігалось підвищене осідання електронів на прискорюючий анод, що супроводжувалось частими пробоями прискорюючої напруги. При цьому також помітно знижувалась швидкість випаровування керамічних зливків та збільшувався час нанесення керамічного покриття на деталі. При використанні способу фіксації вторинного катода за допомогою кільцевої проточки і тримача правильної пласкої трикутної форми (фіг. 6) отримано помітне покращення стабільності роботи аксіальної електронної гармати на увесь розрахунковий строк служби катода. На фіг. 8 представлено діаграму залежності тривалості роботи аксіальної електронної гармати в годинах від способу кріплення вторинного катода: 1. Фіксація катода тримачем у формі кільця. 2. Фіксація катода трьома незалежними торсіонами. 3. Фіксація катода тримачем правильної трикутної форми, що заявляється. З наведеної діаграми видно, що заявлене технічне рішення у порівнянні з прототипом дозволяє збільшити тривалість роботи аксіальної електронної гармати у штатному режимі більше ніж у три рази, і майже у півтора рази - в порівнянні з кріпленням вторинного катода за допомогою торсіонів. До кінця розрахункового строку служби гармати спостерігалось певне погіршення фокусування електронного променя, пов'язане з фізичним зношуванням катода, але при цьому як фокусування, так і частота пробоїв прискорюючої напруги залишались у прийнятних межах. Застосування тримача правильної трикутної форми дозволило геометрично зменшити зазори між тримачем і катодом. В результаті вдалося суттєво зменшити вплив паразитного запилення зазорів, завдяки чому після повного охолодження аксіальної електронної гармати 2 UA 113827 C2 5 10 15 20 забезпечується її вихід на номінальний режим з суттєвим, в порівнянні з тримачем кільцевої форми, зниженням втрат часу на видалення діелектричного паразитного прошарку. Подальші дослідження стосовно оптимізації форми тримача дозволили зробити висновок про те, що використання тримачів катода правильної чотирикутної форми (квадрат), п'ятикутної або шестикутної форми також забезпечують ресурс катода до заміни не менше 100 годин, при цьому вірогідність відмови електронної гармати в усіх випадках не перевищувала 10 %. Встановлено, що відсутність чіткої кореляції між формою тримача і вірогідністю відмови аксіальної гармати у випадку чотири-, п'яти- і шестикутної форми тримача обумовлена виключно якістю матеріалу вольфрамового дроту і технологічністю виготовлення тримача. Під технологічністю у даному випадку мається на увазі здатність оснащення забезпечити кут загину вольфрамового дроту даного діаметра без розтріскування поверхні дроту для отримання правильної пласкої геометричної форми тримача - трикутника, чотирикутника, п'ятикутника або шестикутника. Експериментально також встановлено наступне. Існує оптимальна форма тримача вторинного катода в залежності від його діаметра (і, як наслідок, маси). Встановлено і практично показано, що найбільш ефективними з точки зору співвідношення "форма фіксатора - надійність роботи аксіальної гармати" як у момент вмикання, так і на стадії усталеного процесу інтенсивного випаровування керамічного матеріалу з врахуванням паразитного осадження кераміки у зазори між фіксатором і вторинним катодом при залишковому тиску кисню у камері -3 гармат не вище 0,67 Па (510 Торр), є наступні поєднання "діаметр катода - форма тримача": Таблиця Діаметр катода 8-10 мм 10-14 мм 14-16 мм 16-18 мм 18 мм і більше 25 30 35 40 45 Форма тримача Трикутник Трикутник або чотирикутник Чотирикутник П'ятикутник Шестикутник Пристрій працює в такий спосіб. До струмопідводів (11) подається змінна напруга 4-10 VAC, завдяки чому через дротяний вольфрамовий первинний катод (13) протікає струм накалювання у діапазоні 20-80 А, який нагріває первинний катод. Між первинним катодом (13) і вторинним катодом (20) прикладена напруга бомбардування у діапазоні -0,5-2,5 kV. Електрони, емітовані з первинного катода, бомбардують вторинний катод, спричинюючи його нагрівання до температури 2800 °C. Ступінь нагрівання вторинного катода (20) залежить від струму накалювання первинного катода (13) і напруги бомбардування. Між вторинним катодом (20) і анодом (5) прикладена прискорююча напруга у діапазоні 18-30 kV, під дією якої електрони полишають катод (20), фокусуються фокусуючим електродом (15) і скрізь отвір у прискорюючому аноді (5) проходять до променеводу аксіальної гармати (1), у якому сформований таким чином електронний промінь додатково фокусується фокусуючою котушкою (4) та відхилюється у потрібному напрямі відхилюючою системою (2), яка, також здійснює сканування електронного променя. Таким чином, змінюючи величину струму накалювання первинного катода (13), можна регулювати значення струму бомбардування вторинного катода (20), а отже, і струму променя гармати. Традиційно для бомбардування вторинного катода прийнято використовувати стабілізовану постійну напругу. Однак, внаслідок близького розташування первинного (13) і вторинного (20) катодів і недостатнього рівня вакууму, між катодами може розвиватись довільний іонноплазмовий розряд, який призводить до неконтрольованого нагрівання вторинного катода та викликає неконтрольоване зростання струму променя аксіальної гармати. Для попередження цього явища пропонується використовувати пульсуючу напругу бомбардування вторинного катода (20), яка дозволяє обірвати плазмово-дуговий розряд, що тільки-но зародився, і завдяки цьому не допустити розвитку неконтрольованих процесів всередині аксіальної електронної гармати, підвищуючи стабільність її роботи. Завдяки відносно великій масі вторинного катода (20) пульсуюча напруга бомбардування не викликає подібних до цього пульсуючих змін його температури, що у підсумку запобігає пульсаціям струму променя аксіальної електронної гармати. 50 3 UA 113827 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 1. Аксіальна електронна гармата, що складається з первинного катода, вторинного катода циліндричної форми, тримача вторинного катода, прискорювального анода, променеводу, фокусуючої котушки, відхиляючої системи, системи живлення і вакуумної системи, яка відрізняється тим, що тримач вторинного катода виконаний з полікристалічного вольфрамового дроту, сформований у формі плоскої фігури у вигляді правильного багатокутника - трикутника або чотирикутника, або п'ятикутника, або шестикутника для стабільного положення вторинного катода відносно осі аксіальної електронної гармати та який встановлений на кільцеву проточку циліндричної бічної поверхні вторинного катода. 2. Аксіальна електронна гармата за п. 1, яка відрізняється тим, що система живлення виконана з можливістю прикладання пульсуючої напруги між первинним та вторинним електродами для запобігання іонно-плазовому розряду між катодами. 4 UA 113827 C2 5 UA 113827 C2 6 UA 113827 C2 7 UA 113827 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8