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, катодний вузол, який включає охолоджуваний масивний металевий блок зі змонтованими в ньому змінними катодами та ізолятор катода, анод та ізолятор анода, система піддування робочого газу та фокусуючі електроди і до якого приєднано променепровід з фокусними котушками і котушками відхилення променя. Новим у конструкції газорозрядної електронної гармати є те, що катодно-анодний вузол гармати забезпечує проведення багатопроменевого нагріву, а високовольтні ізолятори виготовлені з кам'яного литва фторфлогопітового складу. Винахід дозволяє істотно знизити собівартість виготовлення газорозрядних електронних гармат великої потужності для електронно-променевих плавильних установок. UA 102765 C2 (12) UA 102765 C2 UA 102765 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до електронної техніки, конкретно до розробки газорозрядних електронних гармат технологічного призначення, та може бути використаний в спеціальній електрометалургії для плавки і рафінування як тугоплавких і хімічно активних металів, так і 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]. 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 перезарядження 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. В цьому ж корпусі розміщений високовольтний ізолятор з закріпленими на ньому високовольтним вводом і реостатом. Недоліком цих газорозрядних електронних гармат є те, що вони стабільно працюють при тиску залишкових газів в плавильній камері не більше 10-15 Па, а при підвищенні тиску за вказані межі перестають працювати внаслідок пробоїв між катодом і анодом. Іншим їх недоліком є те, що для надійної роботи гармат необхідно використовувати високовольтні ізолятори, які виготовляють з керамічного електротехнічного матеріалу з високими діелектричними властивостями, що обумовлює підвищення вартості 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 каналом для виведення електронного променя [2]. Для цієї гармати важливе значення має узгодженість геометричних параметрів електродної системи гармати з емісійними характеристиками холодного катода з тим, щоб при максимальному струмі розряду потік іонів на катод не поширювався за межі емісійної зони. Недоліками гармати є пробої між катодом і анодом у разі підвищення тиску залишкових газів більше фіксованого рівня і необхідність використовувати для виготовлення ізоляторів матеріалів з високими діелектричними властивостями, 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 і котушками відхилення, особливість якої полягає в тому, що електродна система виконана таким чином, щоб діаметр катода був більший за діаметр анодної апертури і менший за радіус кривизни робочої поверхні катода [3]. 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 неспроможність працювати при підвищеному тиску залишкових газів і необхідність використання для виготовлення ізолятора матеріалу високої якості і вартості. Відома також газорозрядна електронна гармата, що містить розташовані уздовж її осі опорний високовольтний ізолятор, холодний металевий катод, порожнистий анод та магнітну фокусуючу лінзу, в якій високовольтний ізолятор заглиблений у металевий катод, причому виступ, що охоплює ізолятор, має в перерізі форму півкруга, радіус якого становить 0,5-1,0 ширини ізолюючого вакуумного проміжку між катодом та корпусом, що його охоплює. Ізолятор з боку вакуумного проміжку виконаний рельєфним, причому радіальний розмір заглибин збігається за розміром з шириною проміжку між корпусом та ізолятором [4]. Недоліками гармати залишаються нестабільність роботи при підвищеному тиску залишкових газів у технологічній камері і необхідність використовувати для виготовлення ізоляторів керамічні матеріали високої якості. 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, в якій високовольтний ізолятор установлений безпосередньо на порожнистому аноді через вакуумне ущільнення, виконане з можливістю 1 UA 102765 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 герметичного розділення робочого об'єму гармати від атмосфери, а високовольтний ізолятор може бути з капролону [5]. Недоліки цієї газорозрядної електронної гармати залишаються такими ж, як і у вище розглянутих випадках, а найбільш стабільна робота гармати забезпечується при виготовлені ізолятора з керамічного електротехнічного матеріалу підгрупи 786.1, ДСТ 20419-83. Спроби виготовлення ізолятора з капролону надійних результатів не забезпечували. 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 суттю і результатом, що досягається, до рішення, 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, анод, система піддування робочого газу та фокусуючі електроди і до якого приєднано променепровід з розміщеними на ньому котушками систем фокусування і відхилення електронного променя. 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. Головна вимога до робочого газу полягає в тому, що він повинен мати максимальну електричну міцність в області лівої гілки кривої Пашена. Це обумовлює доцільність використання в якості робочого газу гелію або водню. Недоліком низьковакуумних гармат є невелика потужність, для підвищення якої запропоновано розробляти багатопроменеві низьковакуумні газорозрядні гармати, що обумовлює необхідність знаходження відповідних конструкційних шляхів їх створення. Іншим недоліком таких гармат є те, що в них необхідно використовувати спеціальні високовольтні ізолятори катода і анода, які мають більш складну форму, ніж високовольтні ізолятори, які використовуються в інших газорозрядних гарматах. Одержання таких ізоляторів пов'язано не тільки з необхідністю використання керамічного електротехнічного матеріалу з високими діелектричними властивостями, а й з розробкою спеціальної технології їх виготовлення, яка включає механічну обробку. Механічна обробка обумовлена як складною формою поверхні ізоляторів, так і необхідністю утворення в них великої кількості отворів різного діаметра. Задачею винаходу є розробка газорозрядної електронної гармати великої потужності, яка спроможна працювати при тиску до 1000 Па і вище і характеризується спрощенням технології виготовлення і підвищенням економічної ефективності виробництва, в тому числі за рахунок використання ізоляторів, які виготовляються по технології кам'яного литва з синтетичного фторфлогопіту, можливість одержання якого підтверджено у [6]. 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 анод, система піддування робочого газу та фокусуючі електроди і до якого приєднаний променепровід з розміщеними на ньому котушками систем фокусування і відхилення електронного променя, відповідно до винаходу, холодний катод являє собою водоохолоджуваний металевий блок, сферична емісійна поверхня якого утворюється вмонтованими в цей блок змінними катодами і який відділений від герметичного металевого корпусу високовольтним ізолятором із виконаними в ньому отворами для вказаних змінних катодів, а анод виконаний у вигляді сферичної металевої пластини, що концентрична поверхні змінних катодів, і захищений від електричного пробою високовольтним ізолятором, і в аноді і ізоляторі анода виконано отвори, які розміщуються співвісно і навпроти вказаних змінних катодів, причому мінімальна відстань LAK між концентричними сферами емісійної поверхні змінних катодів та анода задовольняє співвідношенню LАK(Pd)/Pt, мінімальна відстань по поверхні ізоляторів від катода до анода і металевого корпусу дорівнює LS1,2UAK/Δ, a кількість змінних катодів n визначається із 2 співвідношення n4NEG/(πD jmaxUAK), де (Pd) - добуток тиску залишкових газів в технологічній камері Р на відстань d між електродами, що знайдена по лівій гілці кривої Пашена для напруги запалювання U31,5UAK, Pt - робочий тиск електронної гармати, UAK - максимальна робоча напруга електронної гармати, Δ - поверхнева електрична міцність матеріалу ізоляторів, NEG потужність електронної гармати, D - діаметр змінного катода, jmax - максимальна щільність струму, яку одержують з одного змінного катода. 2 UA 102765 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Високовольтні ізолятори катода і анода виготовлено з кам'яного литва фторфлогопітового складу. Суть 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 катодний блок 6 з кришкою 7 для підключення струмопідводу 4 і зі змонтованими в ньому змінними катодами 8. Блок 6 відділяється від корпусу 1 високовольтним ізолятором катода 9, в якому виконано отвори для вказаних змінних катодів 8. Під блоком 6 розміщений анод 10, виконаний у вигляді сферичної пластини, яка концентрична поверхні змінних катодів 8. В аноді 10 виконано отвори навпроти змінних катодів 8 і на ньому змонтовано високовольтний iзолятор анода 11. В ізоляторі анода 11 також виконані отвори навпроти змінних катодів 8. В порожнині 12 під анодом 10 змонтовані фокусуючі електроди 13 для корегування потоку електронів і пристрій 14 для подавання робочого газу. До корпусу 1 співвісно електродній системі газорозрядної електронної гармати приєднаний променепровід 15, що являє собою циліндричний герметичний водоохолоджуваний канал 16, на якому розміщено фокусні котушки 17 і котушки відхилення електронного променя 18. Нижній торець променепроводу 15 обладнаний фланцем 19, за допомогою якого гармата встановлюється на технологічній камері електронно-променевої установки. Для роботи гармати необхідно забезпечити потрібні властивості ізолятора катода 9 і ізолятора анода 11, при цьому важливе значення мають не тільки діелектричні характеристики, а й механічні властивості матеріалу, оскільки ізолятори мають складну форму і їх виготовлення потребує відповідної механічної обробки. Це обумовило вибір як матеріалу ізоляторів кам'яного литва фторфлогопітового складу. Таке литво ефективно використовується при виготовленні каналів магнітодинамічних насосів для лиття алюмінієвих сплавів. Робота газорозрядної електронної гармати проходить таким чином. В порожнину 12 гармати під анодом 10 через пристрій 14 подається робочий газ, що складається з гелію або водню, який може бути активованим невеликою добавкою кисню, а на катоди 8 через блок 6 і високовольтний струмопідвід 4 - прискорююча напруга у 25…30 кВ. При цьому у діапазоні тисків десятки Па виникає високовольтний тліючий розряд. Кількість електронних пучків, що утворюються, відповідає кількості змінних катодів 8 і в сумі вони формують загальний промінь, сила струму якого регулюється зміною тиску робочого газу. За допомогою фокусних котушок 17 електронний промінь виводиться через променепровід 15 по каналу 16 у технологічну камеру і фокусується на поверхні об'єкта, що нагрівається. При необхідності за допомогою котушок відхилення 18 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. Гармата може мати практично будь-яку потрібну потужність нагріву за рахунок збільшення кількості променів і працювати стабільно при тиску залишкових газів в плавильній камері до 1000 Па і навіть вище при прискорюючій напрузі 25…30 кВ. Конструктивна особливість газорозрядної електронної гармати дозволяє суттєво знизити собівартість її виготовлення, в тому числі завдяки використанню високовольтних ізоляторів, які виготовляються з кам'яного литва фторфлогопітового складу. При цьому гармата має високу стабільність енергетичних параметрів електронного променя, відрізняється простотою збирання і вакуумних випробувань, надійна в експлуатації. 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. Авт. св… СССР 222571, H01J 3/04. Опубл. 15.04.1984. Бюл. № 22. 3. Пат. України 38451, H01J 37/06. Опубл. 15.01.2004. Бюл. № 1. 4. Пат. України 78101, Н01J 37/06. Опубл. 15.02.2007. Бюл. № 2. 5. Пат. України 82101, H01J 37/06. Опубл. 11.03.2008. Бюл. № 5. 6. Авт. св. СССР 287520, МПК Н02N 4/20. Опубл. 19.11.1970. Бюл. № 35. 3 UA 102765 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 1. Газорозрядна електронна гармата, що складається з герметичного металевого корпусу, в якому розміщені високовольтний ізолятор з закріпленим на ньому водяним реостатом, холодний катод з розвиненою емісійною поверхнею і співвісно з ним анод, система піддування робочого газу та фокусуючі електроди і до якого приєднаний променепровід з розміщеними на ньому котушками систем фокусування і відхилення електронного променя, яка відрізняється тим, що холодний катод являє собою водоохолоджуваний металевий блок, сферична емісійна поверхня якого утворюється вмонтованими в цей блок змінними катодами і який відділений від герметичного металевого корпусу високовольтним ізолятором із виконаними в ньому отворами для вказаних змінних катодів, а анод виконаний у вигляді сферичної металевої пластини, яка концентрична поверхні змінних катодів, і захищений від електричного пробою високовольтним ізолятором, і в аноді та ізоляторі анода виконано отвори, які розміщують співвісно і навпроти вказаних змінних катодів, причому мінімальна відстань LAK між концентричними сферами емісійної поверхні змінних катодів та анода задовольняє співвідношенню LАK(Pd)/Pt, мінімальна відстань по поверхні ізоляторів від катода до анода і металевого корпусу дорівнює 2 LS1,2UAK/, a кількість змінних катодів n визначається із співвідношення n4NEG/(D jmaxUAK), де (Pd) - добуток тиску залишкових газів в технологічній камері Р на відстань d між електродами, що знайдена по лівій гілці кривої Пашена для напруги запалювання U31,5UAK, Pt - робочий тиск електронної гармати, UAK - максимальна робоча напруга електронної гармати,  - поверхнева електрична міцність матеріалу ізоляторів, NEG - потужність електронної гармати, D - діаметр змінного катода, jmax - максимальна щільність струму, яку одержують з одного змінного катода. 2. Газорозрядна електронна гармата за п. 1, яка відрізняється тим, що високовольтні ізолятори катода і анода виготовлено з кам'яного литва фторфлогопітового складу. 4 UA 102765 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко 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 5