Газорозрядна електронна гармата

Реферат: Газорозрядна електронна гармата належить до електронної техніки, а саме до розробки газорозрядних електронних гармат, і може знайти широке застосування для електроннопроменевого плавлення, випаровування матеріалу і інших термічних процесів, які реалізуються в вакуумі з використанням потужних електронних нагрівачів. Газорозрядна електронна гармата містить герметичний металевий корпус, в якому розміщені високовольтний ізолятор, холодний металевий увігнутий катод з емітуючою електрони поверхнею і каналами для проходження охолоджуючої води, співвісний з ним порожнистий анод, встановлений на донній плиті, яка має канали для проходження охолоджуючої води і отвір для проходження електронного променя, а також приєднаний співвісно аноду променевід з розміщеними на ньому фокусуючими і відхиляючими котушками. Згідно з винаходом, емітуюча електронами поверхня металевого увігнутого холодного катода додатково покрита чотирикомпонентним матеріалом на основі сплаву іридію з рідкісноземельними металами, а саме: рідкісноземельний метал церієвої групи, вольфрам, гафній, іридій. Винахід дозволяє значно підвищити потужність електронного променя газорозрядної гармати при гарантії стабільності її роботи. UA 104344 C2 (12) UA 104344 C2 UA 104344 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електронної техніки, а саме до розробки газорозрядних електронних гармат технологічного призначення і може знайти широке застосування для електроннопроменевого плавлення, випаровування матеріалу і інших термічних процесів, які реалізуються в вакуумі з використанням потужних електронних нагрівачів. З розвитком нанотехнологій надзвичайно актуальною проблемою є розробка газорозрядних електронних гармат технологічного призначення для електронно-променевого плавлення і інших термічних процесів, які реалізуються у вакуумі з використанням потужних електронних нагрівачів. Відома газорозрядна електронна гармата (див. Патент України № 38451. Бюл. № 4, 2001 р.). Вона включає герметичний металевий корпус, в якому розміщені: високовольтний ізолятор, холодний увігнутий катод з розвиненою емісійною поверхнею і співвісний з ним порожнистий анод, донна частина якого виконана у вигляді плити, яка розміщена всередині анода і має канали для проходження електронного променя, а також приєднаний співвісний аноду променевід з розміщеними на ньому фокусуючими і відхиляючими котушками. Канали для проходження охолоджуючої рідини виконані у вигляді кільцевих зовнішніх проточок, і розташовані по периметру плити. Герметичність по вакууму забезпечується кільцевою накладкою, якою накривають канали і яку приєднують зварним швом по міді, як у верхній частині донної плити, так і в нижній. Недоліком аналога є обмеженість потужності електронного променя, значне перегрівання плити, яке призводить до утворення тріщин в зварних швах та перегрівання вакуумних ущільнень, що обумовлює розгерметизацію пристрою, порушення вакууму. Вказаний недолік обумовлений тим, що канали, для проходження охолоджуючої рідини розташовані по периметру плити, по її периферії, а найбільша температура спостерігається в області плити навкруги отвору для проходження електронного променя. При проходженні електронного променя в отворі виникає так зване "розштовхування" і електрони, попадаючи на внутрішню поверхню отвору, спричиняють виникнення "струму перехоплення", за рахунок якого це місце найбільше нагрівається. Охолоджувальна рідина, протікаючи по периметру плити, не може ефективно протидіяти цьому нагріванню і тому в аналізі часто спостерігається перегрівання плити і розгерметизація електронної гармати, що призводить до багатьох негативних наслідків. Обмеження потужності електронного променя такої гармати обумовлено катодом, який є одним із основних робочих елементів газорозрядного джерела електронів. Він значною мірою визначає ККД гармати, стабільність її роботи, вихідні параметри електронного променя. Цілком зрозуміло, що катод, який застосовується в аналогу, потребує удосконалення по частині збільшення коефіцієнта іонно-електронної емісії, електропровідності і теплопровідності, збільшення енергетичної ефективності. Особливо це важливо для газорозрядних електронних гармат, в основному призначених для електронно-променевої плавки металів і сплавів, де необхідна велика потужність електронного променя (набагато більше 500 кВт), при гарантії стабільності її роботи. Найбільш технічно результативним є рішення, газорозрядної електронної гармати, яка вибрана прототипом, що включає герметичний металевий корпус, в якому розміщені: високовольтний ізолятор, холодний увігнутий катод з розвиненою емісійною поверхнею та співвісний з ним порожнистий анод, донна частина якого виконана у вигляді плити з каналами для проходження охолоджуючої рідини і отворами для проходження електронного променя, а також приєднаний співвісно аноду променевід з розміщеними на ньому фокусуючими і відхиляючими котушками, у якому канали для проходження охолоджуючої рідини виконані всередині тіла плити і зв'язані між собою в єдину систему, розташовану навколо отвору для проходження електронного променя (див. Патент України № 83514. Н01І37/06, Бюл. № 14, 2008 р.). Завдяки новим технічним рішенням конструкції гармати стало можливим винесення донної частини анода назовні і приєднання її через вакуумні ущільнювачі безпосередньо до променеводу. Це спрощує конструкцію і усуває недолік перегрівання плити та вакуумних ущільнень. Хоча, основний недолік, пов'язаний з обмеженням потужності електронного променя, як і в аналогу - залишається. В основу винаходу поставлена задача вдосконалити газорозрядну електронну гармату для електронно-променевої плавки металів і сплавів, де необхідна велика потужність електронного променя, при гарантії стабільності її роботи. Поставлена задача вирішується тим, що в газорозрядній електронній гарматі, яка містить герметичний металевий корпус, в якому розміщенні високовольтний ізолятор, холодний 1 UA 104344 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 металевий увігнутий катод, з емітуючою електрони поверхнею і каналами для проходження охолоджуючої рідини, та співвісний з ним порожнистий анод, встановлений на донній плиті, що має канали для проходження охолоджуючої рідини і отвір для проходження електронного променя, а також приєднаний співвісно аноду променевід з розміщеними на ньому фокусуючими і відхиляючими котушками; згідно з винаходом, емітуюча електрони розвинена поверхня металевого увігнутого холодного катода додатково покрита чотирикомпонентним матеріалом на основі сплаву іридію з рідкісноземельними металами, а саме: рідкісноземельний метал церієвої групи, вольфрам, гафній, іридій. При такому складі катодного матеріалу забезпечується оптимальне поєднання емісійних, експлуатаційних і механічних властивостей катода. При цьому швидкість подачі активної компоненти на розвинену емісійну поверхню холодного металевого увігнутого катода і швидкість випаровування її з поверхні протягом терміну служби катода стабілізується і катод стає більш довговічним та термостійким. Параметри електронного променя, сформованого на виході газорозрядної електронної гармати, визначаються геометрією та матеріалами електродної системи, тиском і складом газового середовища, величиною прискорюючої напруги. При цьому основними факторами, впливаючими на ефективність генерації потужних електронних променів, є емісійні характеристики холодного катода, тиск і склад робочих газів в розрядному проміжку. У зв'язку з тим, що холодний катод в процесі роботи піддається інтенсивному бомбардуванню частинками з широким спектром енергій, відбувається ряд процесів, зв'язаних із зміною фізико-хімічних властивостей його робочої поверхні, включаючи ріст шарів різних речовин, їх розпилення, нагрівання поверхні катода. Найбільше застосування як матеріал для холодних катодів у відомих газорозрядних електронних гарматах одержав алюміній, який забезпечує достатньо високий коефіцієнт іонноелектронної емісії і має високу теплопровідність, що дуже важливо для охолодження катодів газорозрядних електронних гармат при великих потужностях розряду. У зв'язку з цим нанесення на розвинену емісійну поверхню металевого увігнутого холодного катода компонентів рідкісноземельних металів, згідно з винаходом, проведено на алюмінієвий катод, при цьому високий коефіцієнт іонно-електронної емісії катода забезпечується за рахунок нанесених на нього рідкісноземельних металів з вказаними раніше компонентами. Оскільки під дією іонного бомбардування, особливо в режимі великих потужностей розряду емісійне покриття катода поступово руйнується, необхідною умовою ефективної роботи є склад робочого газу в розрядному проміжку, таким газом може бути аргон. При щільності струму емісії 1,0 А/см (що на порядок більше щільності струму емісії чистого алюмінієвого катода), забезпечується достатньо стійке горіння розряду при малій швидкості розпилення катода, що дозволяє стабілізувати емісійні характеристики і збільшити термін дії катода. На кресленні схематично представлена газорозрядна електронна гармата у розрізі. Газорозрядна електронна гармата включає високовольтний ізолятор 1, охолоджуваний водою, холодний металевий увігнутий катод 2, емісійна поверхня якого містить чотирикомпонентний матеріал на основі сплаву іридію з рідкісноземельними металами, а саме: рідкісноземельний метал церієвої групи, вольфрам, гафній, іридій, порожнистий анод 3 з донною частиною у вигляді плити 4 з отвором 5 для проходження електронного променя і каналами 6 для проходження охолоджуючої води, які розташовані у суцільному герметичному металевому корпусі 7. Холодний увігнутий катод 2 встановлений співвісно порожнистому аноду 3. Співвісно електродній системі, утвореній із холодного металевого увігнутого катода 2 і порожнистого анода 3, розташований променевід 8, із розміщеними на ньому фокусуючими котушками 9 та котушками відхилення 10. Променевід 8 з'єднаний з донною частиною порожнистого анода 3. Нижній торець променеводу 8 обладнаний фланцем (на кресленні не показаний), за допомогою якого електронна гармата установлюється на камері електроннопроменевої установки для розігрівання об'єкта. Газорозрядна електронна гармата працює при безперервному відкачуванні і поданні робочого газу - аргону через штуцер у стінці герметичного металевого корпуса 7. На катод 2 подається прискорююча наруга 25-30 кВ. У діапазоні тиску від кількох одиниць до кількох десятків Па виникає високовольтний тліючий розряд, силу струму якого регулюють тиском (величиною потоку робочого газу, який подається до гармати). Електронний промінь, утворений в результаті бомбардування розвиненої емісійної поверхні холодного металевого увігнутого катода 2 у катодно-анодному просторі, за допомогою фокусуючих котушок 9, через отвір 5 і променевід 8 фокусується на поверхні об'єкта. За допомогою котушок відхилення 10 і відповідних програм розгорток електронного променя 2 UA 104344 C2 5 реалізують необхідний вид розгортки електронного променя для здійснення термічної обробки металу. Використання запропонованої газорозрядної електронної гармати особливо ефективне при плавці металів і сплавів, де необхідна велика потужність електронного променя. Таким чином, наведені дані підтверджують досягнення технічного результату при здійсненні заявленого винаходу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 Газорозрядна електронна гармата, що складається з герметичного металевого корпусу, в якому розміщенні високовольтний ізолятор, холодний металевий увігнутий катод з емітуючою електрони поверхнею і каналами для проходження охолоджуючої рідини, співвісний з ним порожнистий анод, встановлений на донній плиті, яка має канали для проходження охолоджуючої рідини і отвір для проходження електронного променя, а також приєднаний співвісно аноду променевід з розміщеними на ньому фокусуючими і відхиляючими котушками, яка відрізняється тим, що емітуюча електрони розвинена поверхня металевого увігнутого холодного катода додатково покрита чотирикомпонентним матеріалом на основі сплаву іридію з рідкісноземельними металами, а саме: рідкісноземельний метал церієвої групи, вольфрам, гафній, іридій. 3 UA 104344 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак 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 4