Газорозрядна електронна гармата

Реферат: Газорозрядна електронна гармата належить до електронної техніки, а більш конкретно до газорозрядних електронних гармат технологічного призначення, і може бути використаний для електронно-променевих термічних процесів, що виконуються у вакуумі з використанням електронних пучків. В газорозрядній гарматі, яка містить розташований уздовж її осі холодний катод з розвиненою емісійною поверхнею у вигляді сфери, порожнистий анод та розрядну камеру, а також променепровід з магнітними фокусувальними лінзами, порожнистий анод розміщений у розрядній камері, поперечний розмір якої становить 1,5-2 поперечних розміри анода, причому анод виконаний перфорованим і розмір отворів в ньому не перевищує 4-5 мм, а в дні анода та його стінці виконані канали для проходження води. Запропонована газорозрядна електронна гармата призначена, в основному, для електронно-променевого зварювання, випаровування, плавки та інших термічних процесів, для яких потужність електронного пучка може становити від одиниць до сотень кВт. Гармата відрізняється високою газовою та енергетичною ефективністю, а також стабільністю енергетичних параметрів електронного пучка. UA 102011 C2 (12) UA 102011 C2 UA 102011 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електронної техніки, а саме до газорозрядних електронних гармат технологічного призначення, і може бути використаний для електронно-променевого зварювання, випаровування, плавки та інших термічних процесів, що виконуються у вакуумі з використанням електронних пучків. Відомі газорозрядні електронні гармати, робота яких базується на використанні електричного розряду між холодними електродами в газі низького тиску (високовольтного тліючого розряду) (Пат. України № 45505, С2, 15.04.2002, бюл. № 1, № 60377, С2, 15.10.2003, бюл. № 10). Електродні системи таких гармат складаються з холодного металевого катода з розвиненою емісійною поверхнею та порожнистого анода. Електронний пучок в таких гарматах емітується з поверхні холодного катода в результаті бомбардування прискореними іонами та нейтральними частками, що надходять із плазми, локалізованої в порожнині анода. В області катодного падіння потенціалу, між плазмою і катодом, електрони прискорюються, і, в залежності від конфігурації електродів формуються в пучок відповідної форми, який за допомогою магнітних фокусувальних лінз виводиться із розрядного проміжку в зону термічної обробки. Керування потужністю газорозрядних гармат може здійснюватися зміною прискорюючої напруги або струму розряду. Останнє здійснюється регулюванням тиску газу в гарматі або зміною густини плазми електричним способом. В відомих газорозрядних гарматах порожнистий анод суміщений з корпусом гармати, який має інше функціональне призначення (повинен бути герметичним, виготовленим із матеріалу з відповідною товщиною стінок, що забезпечує захист від рентгенівського випромінювання та інше). Порожнистий анод призначений для створення електронно- та іонно-оптичних характеристик електродної системи, що забезпечується відповідними його розмірами та конфігурацією. Тому суміщення анода з корпусом у газорозрядній гарматі часто погіршує його газову та енергетичну ефективність і не забезпечує високу стабільність енергетичних параметрів. Найбільш близькою за технічною суттю до запропонованого винаходу є газорозрядна електронна гармата з холодним катодом (Пат. України, № 38451, H01J 37/06, опубл. 15.01.2004, бюл. № 1). Електродна система гармати складається з охолоджуваних водою увігнутого катода та герметичного порожнистого анода. Через утруднені умови іонізації газу, його охолодження та стабільність тиску в обмеженому об'ємі розрядного проміжку зменшується газова та енергетична ефективність гармати, а також знижується стабільність її роботи. В основу винаходу поставлена задача розробки газорозрядної електронної гармати, в якій шляхом створення покращених умов горіння газового розряду досягається підвищення газової та енергетичної ефективності гармати, а також стабільності її роботи. Поставлена задача вирішується тим, що в газорозрядній електронній гарматі, яка містить розташовані уздовж її осі холодний катод з розвиненою емісійною поверхнею у вигляді частини сфери, порожнистий анод та розрядну камеру, а також променепровід з магнітними фокусувальними лінзами, порожнистний анод розміщений в розрядній камері, поперечний розмір якої становить 1,5-2 поперечних розміри анода, причому анод виконаний перфорованим і розмір отворів в ньому не перевищує 4-5 мм, а в дні анода виконані канали для проходження води. В гарматі підвищеної потужності канали для проходження води виконані також в проміжках між отворами перфорованого анода. Застосування в запропонованій гарматі перфорованого порожнинного анода, розташованого в розрядній камері більшого поперечного розміру, ніж розмір анода, підвищує газову та електричну ефективність гармати, так як зменшується відхід заряджених часток із анодної плазми на перфоровану стінку анода і підвищується ефективність іонізації атомів газу за рахунок збільшення дрейфу електронів в анодній плазмі, біля отворів в стінці анода. Крім цього, при коливанні тиску в процесі роботи гармати, пов'язаного з термічною обробкою матеріалів, забезпечується підвищення стабільності тиску робочого газу в розрядному проміжку за рахунок збільшення об'єму розрядної камери, проте надмірне збільшення об'єму розрядної камери, що виконує роль баластного об'єму, обмежується інерційністю керування струмом розряду зміною тиску робочого газу. Достатній вплив об'єму розрядної камери на стабільність енергетичних параметрів розряду при малоінерційному керуванні струмом розряду забезпечується, коли поперечний розмір камери становить 1,5-2 поперечні розміри анода. Для забезпечення електронно- та іонно-оптичних властивостей електродної системи потрібно, щоб анодна плазма не проникала за межі порожнистого анода, тому розмір отворів в аноді не перевищує 4-5 мм, тобто 2-3 дебаєвських радіусів екранування для анодної плазми розряду низького тиску, що використовується в гарматі. Ефективне охолодження анода, який може бути виготовлений із матеріалу з високою теплопровідністю, наприклад міді, сприяє також стабільності температури робочого газу, в 1 UA 102011 C2 5 10 15 20 25 середовищі якого знаходиться анод. На електродах газорозрядної гармати в залежності від режимів розряду виділяється енергія, що може становити до 10 % загальної потужності розряду. Тому при потужності гармати одиниці-десятки кВт для охолодження мідного анода достатньо проходження води через канал в його дні. При більших потужностях для ефективного охолодження анода в його стінках між отворами виконані канали для проходження води. На фіг. 1 наведений схематичний розріз запропонованої газорозрядної електронної гармати, а на фіг. 2 - схема розрядного проміжку з порожнинним анодом гармати підвищеної потужності. Гармата містить закріплений на високовольтному ізоляторі 1 і розташований в циліндричному корпусі 2 холодний металевий катод 3, що має увігнуту емісійну поверхню. Співвісно катоду у розрядній камері 4 встановлений порожнистий анод 5 з отворами 6 для проходження робочого газу в процесі роботи гармати. В дні анода, а для гармати великої потужності і в його стінках, виконані канали 7 для проходження води. Співвісно електродам приєднаний до корпусу гармати променепровід 8, на якому встановлені магнітні фокусувальні лінзи 9. На фіг. 2 показаний розріз варіанта порожнистого анода з паралельними повздовжніми отворами, ширина яких не перевищує 4-5 мм, як у варіанті з перфорованим анодом не перевищує 4-5 мм. Для роботи запропонованої гармати на катод подається прискорююча напруга в десятки кіловольт, а в розрядній камері шляхом контрольованої подачі газу (кисень, водень, азот та інші), і безперервного його відкачування через променепровід, створюється відповідний робочий тиск газу в діапазоні одиниці-десятки Па. При цьому виникає високовольтний тліючий розряд, сила струму якого регулюється зміною тиску газу в розрядному проміжку. За допомогою фокусувальних лінз електронний пучок виводиться в технологічну камеру вакуумної установки і фокусується на поверхні термічної обробки виробів чи матеріалу. Запропонована газорозрядна електронна гармата відрізняється від існуючих більш високою енергетичною та газовою ефективністю, а також стабільністю енергетичних параметрів електронного пучка. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 1. Газорозрядна електронна гармата, яка містить розташований уздовж її осі холодний катод з розвиненою емісійною поверхнею, виконаною у вигляді частини сфери, порожнистий анод та розрядну камеру, а також променепровід та магнітні фокусувальні лінзи, яка відрізняється тим, що порожнистий анод розміщений в розрядній камері, яка становить 1,5-2 поперечних розміри анода, причому анод виконаний перфорованим і розмір отворів у ньому не перевищує 4-5 мм, а в дні анода виконаний канал для проходження води. 2. Газорозрядна електронна гармата за п. 1, яка відрізняється тим, що в аноді в проміжках між отворами виконані канали для проходження води. 2 UA 102011 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3