Газорозрядна електронна гармата

Газорозрядна електронна гармата, що містить розміщені в герметичному корпусі на високовольтному ізоляторі холодний увігнутий катод з розвиненою емісійною поверхнею та співвісно з ним порожнинний анод з отвором в його дні, а також приєднаний співвісно до анода циліндричний канал з розміщеними на ньому магнітними фокусувальни 38451 раметри розрядного проміжку порушує стабільність роботи пристроїв і не дозволяє використовувати їх для високотемпературних процесів обробки матеріалів та виробів. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого винаходу є газорозрядна електронна гармата з холодним катодом (А. с. СССР № 222572 H01J 3/4, опубл. 15.06.84), яка містить холодний катод з увігнутою емісійною поверхнею і циліндричний анод з конусним дном, що з'єднане з циліндричним каналом для виведення електронного променя. Неузгодженість геометричних параметрів електродної системи гармати з емісійними характеристиками холодного катоду обмежує максимальну потужність електронного пучка, тому як при максимальному струмі розряду потік іонів на катод поширюється за межі емісійної зони. Крім того, регулювання струму розряду зміною тиску супроводжується зміною фокусної відстані пучка, що затрудняє його транспортування магнітними лінзами. В основу винаходу покладено задачу розроблення газорозрядної електронної гармати великої потужності, в якій оптимізація електродної системи та пристроїв транспортування електронного пучка забезпечили б стабільність енергетичних та геометричних параметрів потужного електронного пучка. Поставлена задача вирішується тим, що в газорозрядній електронній гарматі, що містить розміщений в герметичному корпусі на високовольтному ізоляторі холодний увігнутий катод з розвиненою емісійною поверхнею у вигляді частини сфери та співвісно з ним порожнистий анод з отвором в його дні, а також приєднаний співвісно до аноду циліндричний канал з розміщеними на ньому магнітними фокусувальними лінзами, яка відрізняється тим, що розміри холодного катода та апертури порожнистого анода вибираються з співвідношення Da≲ Dк ≲ Rсф.к., де Da - діаметр анодної апертури, Dк - діаметр катоду, Rсф.к. - радіус кривизни робочої поверхні катода. При цьому порожнистий анод виконаний в верхній його частині конусним, а в нижній циліндричним з увігнутим дном, причому оптимальна відстань від поверхні катоду до отвору в дні анода дорівнює радіусу кривизни катода, а подовжній розмір конусної частини анодна не перевищує 0,5 радіуса кривизни катода. Крім того, між анодом і фокусувальною лінзою розташований магнітний екран з отвором в центрі, діаметр якого співпадає з діаметром отвору в дні анода. В такій електронній гарматі при тиску робочого газу (водень, кисень) одиниці - десятки Па та прискорюваній напрузі десятки кВ збуджується високовольтний тліючий розряд з локалізованою в порожнині анода плазмою, яка має з боку катода чітку межу. Електрони пучка емітуються з поверхні холодного катоду в результаті бомбардування його поверхні іонами, що надходять з плазми і прискорюються в полі катодної області (між межею плазми і катодом). Полем катодної області електрони формуються в конусний пучок з фокусувальною відстанню, близькою до радіуса кривизни катоду f » Rсф.к. За межами аноду електронний пучок, що розходиться під тим же кутом, за допомогою магнітних фокусних лінз фокусується і транспортується через циліндричний канал обмеженого діаметру в технологічну камеру (зону термічної обробки). Для підвищення потужності гармати необхідно збільшувати площу емісійної поверхні катода, тобто поперековий розмір електродної системи (діаметри катоду та аноду в площині апертури, які визначають розмір емісійної зони). При цьому діаметр анодної апертури не повинен бути більшим діаметра катода. У противному разі потік іонів, які бомбардують катод, буде поширюватися за межі емісійної поверхні катоду, що порушує стабільність роботи гармати. При незмінній фокусній відстані пучка збільшення поперекового розміру електродної системи призводить до збільшення кута сходження пучка і відповідного його розходження за межами аноду. Транспортування такого пучка за допомогою магнітних лінз через канал з обмеженим поперековим розміром, що необхідно для розв'язання по вакууму гармати і технологічної камери установки, стає неможливим, коли поперековий розмір пучка при розходженні на відповідній відстані від фокуса (кроссовера) перевищує розмір цієї відстані, тому як магнітна лінза з обмеженим діаметром апертури для перехоплення пучка в місці малого його діаметра не може бути встановлена близько від його фокусу. З урахуванням того, що мінімальна відстань від фокусу пучка, на якій може бути встановлена магнітна лінза, дорівнює діаметру її апертури, поперековий розмір електронного пучка в місці розташування лінзи не повинен перевищувати відстані від фокусу пучка до лінзи. Такі умови забезпечуються при співвідношенні діаметрів катоду, анодної апертури та радіусу кривизни робочої поверхні катода Dа ≲ Dk ≲ Rсф.к.. При цьому максимальний кут сходження пучка, при якому можливе транспортування його за допомогою магнітних лінз через канал з обмеженим діаметром, становить близько Q » 26¸27°. Це дозволяє при радіусі кривизни катоду в межах 100-200 мм в реальних конструкціях гармати мати розмір емісійної поверхні, яка забезпечує отримання струму в десятки ампер. В зв'язку з великим поперековим розміром електродної системи гармати розфокусувальна дія анодної апертури компенсується квазінейтральною плазмою. На відстані від катоду до 0,5 радіусу його кривизни форма межі плазми подібна поверхні катоду і це забезпечує формування електронного пучка з фокусною відстанню, що співпадає з радіусом кривизни катоду. При цьому оптична система має форму частини сфери і анод на відстані до 0,5 радіусу кривизни катоду (Н » 0,5Rсф.к.) виконаний конусним. Кут нахилу твірної конусної частини анода співпадає з максимальним кутом сходження електронного пучка і, відповідно, не перевищує 26¸27°. При зменшенні струму розряду, коли плазма віддаляється від катоді на відстань більше 0,5 радіусу його кривизни, конфігурація її межі залежить від форми анода, що значно впливає на фокусування електронного пучка. Так, в конусному аноді фокусна відстань скорочується по відношенню до радіусу кривизни катода, а в циліндричному аноді, навпаки, подовжується. В запропонованій гарматі нижня частина аноду має форму циліндра з увігнутим (напівсферичним) дном. При подовжньому пе 2 38451 реміщенні плазми в такому аноді не порушується подібність поля біля її межі і, відповідно, не змінюється фокусна відстань електронного пучка. Загальний подовжній розмір аноду обрано так, що отвір в його дні знаходиться в фокальній площині пучка, внаслідок чого забезпечується його проходження через отвір обмеженого діаметру без значних енергетичних витрат. При наявності магнітного екрана між дном анода і лінзою, який перешкоджає проникненню поля лінзи за фокальну площину пучка, магнітна лінза розташована ближче до отвору в аноді, що дозволяє зменшити поперековий розмір пучка в зоні його транспортування і, відповідно, зменшити діаметр каналу, через який пучок транспортується. На фіг. 1 представлена схема електродної системи запропонованої газорозрядної електронної гармати, а на фіг. 2 - схематичний розріз конструкції гармати. Газорозрядна гармата містить закріплений на високовольтному ізоляторі і охолоджуваний водою катод 2 із сферичною емісійною поверхнею. За допомогою циліндричного корпусу катод встановлений співвісно на порожнистому аноді 3. Анод в верхній частині має конусну, а в нижній циліндричну форму з увігнутим дном (для спрощення технології виготовлення аноду його дно може мати форму конусів, які утворюють поверхню за формою близьку до напівсфери). Приосьова частина дна анода виконана у вигляді охолоджуваного водою фланця 4 з отвором для проходження електронного пучка. Між фланцем і конусною частиною дна анода розташована кільцева щілина для напуску робочого газу, який надходить через штуцер в стінці корпуса. Співвісно електродній си стемі на фланці закріплений циліндричний канал 5, на якому розташовані магнітні лінзи 6 та відхиляюча система 7. Між дном анода і фокусувальною лінзою розташований екран 8, виготовлений із феромагнітної сталі. Мінімальний діаметр отвору в екрані співпадає з діаметром отвору в аноді. За допомогою фланця на торці циліндричного каналу гармата встановлюється на технологічній камері вакуумної установки. Для роботи запропонованої гармати при безперервному її відкачуванні через штуцер в стінці корпуса подаються гази (водень, кисень), а на катод - прискорювальна напруга 25-30 кВ. В діапазоні тиску одиниці - десятки Па виникає високовольтний тліючий розряд, сила струму якого регулюється зміною тиску (величиною потоку газу, що поступає в гармату). За допомогою фокусувальних лінз 6 електронний пучок виводиться в технологічну камеру і фокусується на поверхні об'єкту термічної обробки. При необхідності за допомогою системи відхилення 7 пучок сканується за відповідною програмою. При регулюванні потужності пучка зміною тиску його фокусування не порушується. Запропонована газорозрядна електронна гармата призначена, в основному, для електроннопроменевої плавки металів, де потрібна велика потужність електронного пучка. Потужність запропонованої гармати перевищує 500 кВт. При цьому гармата відрізняється високою стабільністю енергетичних та геометричних параметрів електронного пучка, відносно проста та надійна в експлуатації. 3 38451 Фіг. 1 4 38451 Фіг. 2 5 38451 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6