Газорозрядна електронна гармата

Реферат: Газорозрядна електронна гармата належить до області електронної техніки і стосується розробки газорозрядних електронних гармат технологічного призначення переважно для потужних електронно-променевих установок. Газорозрядна електронна гармата складається з герметичного металевого корпусу, в якому розміщені високовольтний ввід з рознімними ізоляторами, електродної системи, що складається з охолоджуваного масивного металевого катоду і порожнистого аноду, система піддування робочого газу і фокусуючих електродів. Новим у конструкції газорозрядної електронної гармати є те, що фланець, за допомогою якого гармата встановлюється на технологічній камері, змонтовано під порожнистим анодом з системою піддування робочого газу і фокусуючими електродами, а котушки систем фокусування і відхилення електронного променя закріплюють на цьому фланці з боку технологічної камери. Винахід дозволяє спростити настроювання електронної гармати та знизити собівартість виготовлення газорозрядних електронних гармат великої потужності для електронно-променевих плавильних установок. UA 105264 C2 (12) UA 105264 C2 UA 105264 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електронної техніки, конкретно до розробки газорозрядних електронних гармат технологічного призначення, та може бути використаний в спеціальній електрометалургії для плавки і рафінування тугоплавких і хімічно активних металів, а також міді, кремнію, сплавів на основі заліза, нікелю, кобальту. Відомі газорозрядні електронні гармати, робота яких базується на використанні високовольтного тліючого розряду, що виникає між холодними електродами в середовищі газу низького тиску [1, 2]. Електродні системи таких гармат складаються з холодного металевого катода з розвиненою емісійною поверхнею та порожнистого циліндричного або конусного анода. В цих гарматах потік електронів утворюється внаслідок бомбардування поверхні катода іонами і нейтральними частками, що виникають при прискоренні і перезарядженні іонів в області катодного падіння потенціалу. Як генерація, так і прискорення електронів відбувається в межах розряду, який виникає при прикладанні високої напруги між анодом і катодом, що змонтовані в герметичному металевому корпусі. На технологічні камери гармати встановлюються за допомогою циліндричних променепроводів, по яких електронні промені після виходу з отворів в анодах поступають до об'єктів, що обігріваються, і на яких монтуються котушки систем фокусування і відхилення (розгортки) променя. Недоліком цих газорозрядних електронних гармат є те, що вони оснащені променепроводами, наявність яких ускладнює конструкцію і вимагає додаткових витрат на виготовлення гармат. Відома також газорозрядна електронна гармата з холодним катодом, яка містить у герметичному металевому корпусі холодний катод з увігнутою емісійною поверхнею і циліндричний порожнистий анод з конусним дном, що з'єднаний з циліндричним променепроводом з фланцем, за допомогою якого він встановлюється на технологічній камері [3]. Для цієї гармати важливе значення має узгодженість геометричних параметрів електродної системи гармати з емісійними характеристиками холодного катоду з тим, щоб при максимальному струмі розряду потік іонів на катод не поширювався за межі емісійної зони. Недоліками гармати залишаються ускладнення конструкції і додаткові витрати на виготовлення променепровода, тобто ті ж, які мають місце у розглянутому вище випадку. Відома також газорозрядна електронна гармата, що включає герметичний металевий корпус, в якому розміщені високовольтний ізолятор, холодний увігнутий катод з розвиненою емісійною поверхнею і співвісно з ним порожнистий анод, а також приєднаний співвісно анодові променепровід з розміщеними в ньому фокусними котушками. Особливість гармати полягає в тому, що електродна система виконана таким чином, щоб діаметр катоду був більший за діаметр анодної апертури і менший за радіус кривизни робочої поверхні катоду [4]. Крім того, в цій гарматі порожнистий анод виконано у верхній частині конусним, а у нижній - циліндричним з увігнутим дном, причому оптимальна відстань від поверхні катода до отвору в дні анода дорівнює радіусу кривизни катода, а подовжній розмір конусної частини анода не перевищує 0,5 радіуса кривизни катода. Основні недоліки цієї газорозрядної електронної гармати ті ж, що і в розглянутих вище випадках, а саме ускладнення конструкції внаслідок використання променепровода і додаткові витрати на його виготовлення. Відома також газорозрядна електронна гармата, що включає високовольтний ізолятор, холодний увігнутий катод з розвинутою емісійною поверхнею і співвісно з ним порожнистий анод, а також приєднаний співвісно анодові променепровід з розміщеними в ньому фокусними котушками і котушками відхилення, який оснащений фланцем, за допомогою якого гармата монтується на технологічній камері. В цій гарматі високовольтний ізолятор установлений безпосередньо на порожнистому аноді через вакуумне ущільнення, виконане з можливістю герметичного розділення робочого об'єму гармати від атмосфери, а високовольтний ізолятор може бути з капролона [5]. Недоліки цієї газорозрядної електронної гармати залишаються такими ж, як і у вище розглянутих випадках, тобто ускладнення конструкції і додаткові витрати на виготовлення променепровода. Відомі також так звані низьковакуумні газорозрядні електронні гармати, що можуть працювати у низькому вакуумі при тисках до 1000 Па (див. Тутик В.А. Низьковакуумні газорозрядні електронні гармати і їх використання в електронно-променевих технологіях: Автореф. дис. … доктора техн. наук. - Харків, 2009. - 40 с.). Ці гармати є найбільш близькими за технічною сутністю і результатом, що досягається, рішенню, що заявляється, і складаються з герметичного металевого корпусу, в якому розміщені високовольтний ізолятор з закріпленими на ньому водяним реостатом і високовольтним вводом з рознімними ізоляторами, холодний катод, порожнистий анод, система піддування робочого 1 UA 105264 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 газу та фокусуючі електроди, які забезпечують стабільне формування променю при виході його з отвору в аноді. До металевого корпусу приєднано променепровід з розміщеними на ньому котушками систем фокусування і відхилення електронного променя. Променепровід приєднується до технологічної камери за допомогою фланця. Можливість працювати при підвищеному тиску забезпечується зниженням величини коефіцієнта іонно-електронної емісії і зменшенням анодного отвору, площі поверхні катоду, міжелектродної відстані, а також створенням в міжелектродному просторі ежекторного ефекту за рахунок робочого газу, який подається в цей простір. Недоліками низьковакуумних гармат є ті ж, що і в розглянутих вище випадках, а саме ускладнення конструкції і додаткові витрати на виготовлення променепровода. Задачею винаходу є розробка газорозрядної електронної гармати, яка характеризується спрощенням технології виготовлення і підвищенням економічної ефективності виробництва за рахунок відмови від використання променепроводу та встановлення фланця, за допомогою якого гармата приєднується до технологічної камери, безпосередньо за анодом з системою піддування робочого газу та фокусуючими електродами. Поставлена задача вирішується тим, що у відомій газорозрядній електронній гарматі, що складається з герметичного металевого корпусу, в якому розміщені високовольтний ізолятор з закріпленими на ньому водяним реостатом і високовольтним вводом з рознімними ізоляторами, холодний катод з розвиненою емісійною поверхнею і співвісно з ним порожнистий анод з отвором для проходження променя, система піддування робочого газу і фокусуючі електроди, і до якого приєднаний променепровід з фланцем для встановлення гармати на технологічній камері з розміщеними на ньому котушками систем фокусування і відхилення електронного променя, відповідно до винаходу під порожнистим анодом з системою піддування робочого газу і фокусуючими електродами монтують герметично приєднаний до металевого корпусу фланець, за допомогою якого гармату встановлюють на технологічній камері і на якому співвісно з отвором в аноді закріплюють котушки систем фокусування і відхилення електронного променя. Котушки систем фокусування і відхилення електронного променя можуть закріплюватись на фланці з можливістю переміщення у вертикальній площині. Сутність винаходу пояснюється кресленням, на якому представлений схематичний розріз газорозрядної електронної гармати. Газорозрядна електронна гармата складається з герметичного металевого корпусу 1, в якому розміщено високовольтний ізолятор 2 з встановленим на ньому водяним реостатом 3 з високовольтним струмопідводом 4 і рознімними ізоляторами 5. Під високовольтним ізолятором 2 в корпусі 1 змонтовано електродну систему, яка включає охолоджуваний масивний металевий катод 6, під яким розміщений порожнистий анод 7. Під анодом 7 змонтовано фокусуючі електроди 8 і пристрій 9 для подавання робочого газу. До корпусу 1 співвісно електродній системі газорозрядної електронної гармати приєднаний фланець 10, за допомогою якого гармата встановлюється на технологічній камері 11 електронно-променевої установки. Фокусні котушки 12 і котушки відхилення електронного променя 13 монтуються на фланці 10 з боку технологічної камери на одній вертикальній осі з отвором у порожнистому аноді 7. Робота газорозрядної електронної гармати проходить таким чином. В гармату через пристрій 9 подається робочий газ, що складається з гелію або водню, який може бути активованим невеликою добавкою кисню, а на катод 6 через високовольтний струмопідвід 4 прискорююча напруга у 25…30 кВ. При цьому у діапазоні тисків десятки Па виникає високовольтний тліючий розряд і формується електронний промінь. Сила струму регулюється зміною тиску робочого газу. Електронний промінь, що утворюється при подаванні робочого газу в гармату, виводиться у технологічну камеру, де спочатку фокусується за допомогою котушок фокусування 11, в потім направляється на поверхню об'єкта, що нагрівається, за допомогою котушок системи відхилення 12. При необхідності за допомогою котушок відхилення 12 і відповідної програми розгорток електронного променя можна реалізувати різні види розгорток для обробки об'єкта, що нагрівається. Запропонована газорозрядна електронна гармата в основному призначена для електроннопроменевої плавки металів і сплавів, де необхідна велика потужність електронного променя. Конструктивна особливість газорозрядної електронної гармати дозволяє знизити собівартість її виготовлення завдяки тому, що відпадає необхідність виготовляти променепровід. Гармата має високу стабільність енергетичних параметрів електронного променя, відрізняється простотою збирання і вакуумних випробувань, надійна в експлуатації. 2 UA 105264 C2 5 10 Джерела інформації: 1. М.А. Завьялов, Ю.Э. Крейндель, А.А. Новиков, Л.П. Шантурин. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - С. 97-145. 2. Chernov V.F. The Powerfull High-Voltage Glow Disharge Electron Gun and Power Unit on its Base // Proceedings of the Conference "Electron Beam Melting and Refiniug-State of the Art 1994", R. Bakish Ed., Bakish Materials Corp., Englewood, NJ, 1995. - P. 259-268. 3. Авт. св. СССР 222571, H01J 3/04. Опубл. 15.04.1984. Бюл. № 22. 4. Пат. України 38451, H01J 37/06. Опубл. 15.01.2004. Бюл. № 1. 5. Пат. України 82101, H01J 37/06. Опубл. 11.03.2008. Бюл. № 5. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 1. Газорозрядна електронна гармата, що складається з герметичного металевого корпусу, в якому розміщені високовольтний ізолятор з закріпленими на ньому водяним реостатом і високовольтним вводом з рознімними ізоляторами, холодний катод з розвиненою емісійною поверхнею і співвісно з ним порожнистий анод з отвором для проходження променя, система піддування робочого газу, фокусуючі електроди та котушки систем фокусування і відхилення електронного променя, яка відрізняється тим, що під порожнистим анодом з системою піддування робочого газу і фокусуючими електродами змонтований та герметично приєднаний до металевого корпусу фланець для встановлення гармати на технологічній камері, на якому співвісно з отвором в порожнистому аноді закріплені котушки систем фокусування і відхилення електронного променя. 2. Газорозрядна електронна гармата за п. 1, яка відрізняється тим, що котушки систем фокусування і відхилення електронного променя закріплені на фланці з можливістю переміщення у вертикальній площині. 3 UA 105264 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело 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