Газорозрядна електронна гармата

Реферат: Газорозрядна електронна гармата належить до електронних пристроїв і може бути використана для електронно-променевої плавки, випаровування, зварювання, термічної обробки, інших теплових процесів, що виконуються у вакуумі з застосуванням потужних електронних променів. В газорозрядній електронній гарматі, яка містить розташовані в циліндричному корпусі уздовж її осі високовольтний ізолятор, холодний увігнутий металевий катод циліндричної форми з розвиненою емісійною поверхнею та порожниною для проточної води для охолодження катода, циліндричний прикатодний електрод, який охоплює катод, та приєднаний до корпусу анод з променепроводом, на якому розташовані фокусувальні лінзи та відхилювальні котушки. Холодний катод виконаний суцільним з виступом з протилежного від емісійної поверхні боку та розміщеною всередині катода порожниною для проточної води для охолодження катода, яка має отвір у виступі катода, де діаметр цієї порожнини перевищує діаметр отвору у виступі катода. Холодний катод закріплений безпосередньо на торці високовольтного опорного ізолятора, в отворі якого він зафіксований виступом з циліндричною заглибиною в ньому. Всередині опорного ізолятора розміщений притискувальний фланець з виступом, яким він зафіксований в циліндричному отворі у виступі катода. В притискувальному фланці виконані канали для проходження охолоджувальної води, а на торці виступу притискувального фланця закріплений розподільник води. Анод виконаний суцільним з кільцевою заглибиною, яка в зборі з кільцевою вставкою утворює замкнену герметичну порожнину для охолоджувальної води, причому кільцева вставка розташована з протилежного боку від розрядного проміжку гармати. В циліндричній стінці анода виконана кільцева заглибина, яка з'єднана з вакуумним об'ємом гармати кільцевою щілиною, розташованою між анодом та корпусом гармати. Технічним результатом є розробка газорозрядної електронної гармати, в якій на охолоджуваних водою UA 111417 C2 (12) UA 111417 C2 електродах відсутні з'єднання між розрядним проміжком та порожнинами для води, а також покращені температурні режими елементів конструкції, що підвищує надійність роботи гармати та стабільність її енергетичних параметрів. UA 111417 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електронних пристроїв, а більш конкретно до газорозрядних електронних гармат технологічного призначення, і може бути використаний для електроннопроменевої плавки, випаровування, зварювання, термічної обробки, інших теплових процесів, що виконуються у вакуумі з застосуванням потужних електронних променів. Відома газорозрядна електронна гармата (див. патент RU № 2323502 С1, опубл. 27.04.2008 р., бюл. № 12), в якій для генерації електронного пучка використовують високовольтний тліючий розряд з холодним катодом та порожнистим анодом. Відома газорозрядна електронна гармата містить електродну систему, яка складається з розміщеного в герметичному корпусі на високовольтному ізоляторі холодного увігнутого катода з розвиненою емісійною сферичною поверхнею та встановленого співвісно йому порожнистого анода з отвором в його конусному дні, та розташований під електродною системою променепровід з закріпленими на ньому фокусувальними котушками, де променепровід додатково оснащений принаймні трьома стрижнями, виконаними з електропровідного тугоплавкого матеріалу та розміщеними між фокусувальними котушками з рівномірним розташуванням по окружності, які введені в променепровід радіально на глибину, відповідну діаметру електронного пучка, та поєднаними з зовнішньої сторони електронної гармати між собою й з струменезнімачем, електрично пов'язаним з фокусувальними котушками з можливістю корегування їх параметрів. При цьому високовольтний ізолятор встановлений на тримачі, поєднаному з холодним катодом у місці контактування з розрядним проміжком гармати таким чином, що утворює з ним порожнину для охолоджувальної води, яка подається в неї через відповідний отвір у тримачі. Недоліками вищеописаної газорозрядної установки є недостатня надійність та стабільність її енергетичних параметрів, обумовлена можливим порушенням герметичності поєднання холодного катода з тримачем, що може призвести до проникнення вологи з порожнини з охолоджувальною водою у розрядний проміжок електронної гармати і як наслідок до погіршення стабільності роботи газорозрядної гармати. Крім того, у вищеописаній конструкції конусна частина анода омивається охолоджувальною водою локально, тобто не по всій її поверхні, що не забезпечує ефективне охолодження конусної частини анода, і при надмірному нагріванні призводить до погіршення стабільності роботи гармати. Найбільш близькою по технічній суті до запропонованого винаходу є газорозрядна електронна гармата (див. патент України № 45505, С2, H01J37/06, опубл. 15.04.2002, бюл. № 1), яка містить розташовані в циліндричному корпусі вздовж її осі високовольтний ізолятор, тримач, холодний увігнутий металевий катод циліндричної форми з розвиненою емісійною поверхнею та порожниною для проточної води, утвореною в зібраному стані катодом та тримачем, прикатодний електрод, порожнистий анод з отвором в його конусному дні, а також променепровід з фокусуючими та відхилювальними котушками, і над рельєфною поверхнею катода по осі встановлений розподільник потоку води, де по краю катода виконана кільцева порожнина і ззовні катод охоплений електродом, виготовленим з матеріалу з низькими емісійними властивостями. В отворі анода вмонтована охолоджувана водою мідна вставка. А в корпусі анода розташована проміжна камера, сполучена з порожниною анода кільцевою щілиною в його дні. При цьому корпус гармати, катодний вузол, анод та променепровід виконані охолоджувальними водою. Герметичність порожнини, створеної в зібраному стані катодом та тримачем, забезпечується гумовою прокладкою між катодом і тримачем, яка ущільнюється за допомогою болтів, розташованих в кільцевій заглибині катода. Проте таке з'єднання має обмежену термостійкість, схильність до підвищеного газовиділення, а дія тиску охолоджувальної води на рівні 3-5 атм. на катод в напрямку, протилежному ущільнюючій дії болтів створює ймовірність проникнення вологи з вказаної порожнини з охолоджувальною водою в розрядний проміжок гармати. Крім того, в аноді мідна вставка вмонтована за допомогою нерозбірного з'єднання, проте при проходженні потужного електронного пучка через отвір вставки з'єднання зазнає великого теплового навантаження, що може призводити до його розгерметизації і проникнення вологи в розрядний проміжок. При цьому в цій гарматі під конусним дном анода розташована проміжна камера для подавання робочого газу в розрядний проміжок, що не забезпечує ефективного охолодження конусної частини анода та при надмірному її нагріванні погіршує стабільність роботи гармати. Таким чином, недоліками вищевказаної газорозрядної електронної гармати є недостатні надійність та стабільність її енергетичних параметрів. 1 UA 111417 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В основу винаходу поставлена задача розробки газорозрядної електронної гармати, в якій на охолоджуваних водою електродах відсутні з'єднання між розрядним проміжком та порожнинами для води, а також покращені температурні режими елементів конструкції, що підвищує надійність роботи гармати та стабільність її енергетичних параметрів. Поставлена задача вирішується тим, що в газорозрядній електронній гарматі, яка містить розташовані в циліндричному корпусі уздовж її осі високовольтний ізолятор, холодний увігнутий металевий катод циліндричної форми з розвиненою емісійною поверхнею та порожниною для проточної води для охолодження катода, циліндричний прикатодний електрод, який охоплює катод, та приєднаний до корпусу анод з променепроводом, на якому розташовані фокусувальні лінзи та відхилювальні котушки, згідно з винаходом, холодний катод виконаний суцільним з виступом з протилежного від емісійної поверхні боку та розміщеною всередині катода порожниною для проточної води для охолодження катода, яка має отвір у виступі катода, де діаметр цієї порожнини перевищує діаметр отвору у виступі катода, і холодний катод закріплений безпосередньо на торці високовольтного опорного ізолятора, в отворі якого він зафіксований виступом з циліндричною заглибиною в ньому, а всередині опорного ізолятора розміщений притискувальний фланець з виступом, яким він зафіксований в циліндричному отворі у виступі катода, і в притискувальному фланці виконані канали для проходження охолоджувальної води, а на торці виступу притискувального фланця закріплений розподільник води. При цьому анод виконаний суцільним з кільцевою заглибиною, яка в зборі з кільцевою вставкою утворює замкнену герметичну порожнину для охолоджувальної води, причому кільцева вставка розташована з протилежного боку від розрядного проміжку гармати. А в циліндричній стінці анода виконана кільцева заглибина, яка з'єднана з вакуумним об'ємом гармати кільцевою щілиною, розташованою між анодом та корпусом гармати. В такій електронній гарматі при тиску робочого газу в розрядному проміжку від одиниць Па до десятих Па (іноді до 10 Па та до сотих Па) та прискорюючій напрузі від одиниць кВ до десятків кВ збуджується високовольтний тліючий розряд з локалізованою в порожнині анода плазмою та областю падіння потенціалу (між катодом та межею плазми). Електрони пучка в такому розряді емітуються з поверхні холодного катода, частіше всього виготовленого з алюмінію або алюмінієвих сплавів, але можливо також з інших матеріалів, в результаті бомбардування його поверхні іонами, що надходять із плазми та прискорюються в полі катодної області. Потужність електронного пучка, що виводиться з розрядного проміжку гармати, становить 0,9-0,95 від загальної потужності емітованих електронів, решта енергії приблизно порівну виділяється на електродах, що при потужності гармати в сотні кВт може перевищувати одиниці кВт і навіть досягати десятків кВт. Це потребує ефективного охолодження електродів для підтримання їх оптимальної робочої температури. Для емісійної поверхні катода такою є температура 150-200 °C, яка перешкоджає конденсації продуктів процесів, які відбуваються в робочій вакуумній камері установки (пари масел насосів, води та інше) та сорбції поверхнею катоду залишкових газів, що стабілізує його емісійні характеристики. Виконання катода суцільним без розбірного з'єднання, що контактує з розрядним проміжком гармати, забезпечує можливість його роботи при наведеній температурі емісійної поверхні, яка нагрівається в результаті бомбардування потоком іонів із плазми. Необхідний температурний режим катода в процесі роботи забезпечується його охолодженням проточною водою, яка подається в порожнину через канали в притискувальному фланці. Так як нагрівання катода здійснюється в зоні його емісійної поверхні, то поперечний розмір порожнини для охолоджувальної води з 2 урахуванням ефективності тепловідведення алюмінію (0,2 кВт/см ) повинен забезпечувати необхідний температурний режим катода. Особливість кріплення катода в отворі торця ізолятора обмежує поперечний розмір горловини (отвору), через яку подається охолоджувальна вода. Тому діаметр внутрішньої порожнини перевищує діаметр отвору. Конкретна величина поперечного розміру порожнини визначається в залежності від розміру катода при відповідній потужності гармати. Посадочна поверхня катода біля ізолятора, яка не підлягає безпосередньо нагріванню, буде мати температуру, близьку до температури охолоджувальної води при її виході з порожнини катода (в залежності від потужності при оптимальному охолодженні 30-50 °C). Для зменшення теплового потоку від емісійної поверхні катода до його посадочної поверхні через стінки катода і, відповідно, для запобігання надмірному нагріванню посадочної поверхні катода в його боковій стінці виконана кільцева заглибина, розмір якої вибирається в залежності від розміру катода при різних потужностях гармати. 2 UA 111417 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Кріплення катода на торці ізолятора за допомогою болтів, які розташовані між фланцем в порожнині ізолятора та вставкою з різьбовими отворами в тілі катода, надійно притискає катод співвісно до ізолятора і забезпечує герметичність з'єднання між ними за допомогою ущільнюючої гумової прокладки, розташованої між їх поверхнями, що стикуються. При цьому можуть застосовуватись інші способи кріплення, які забезпечують надійну фіксацію катода співвісно з ізолятором і герметичність з'єднання між ними. Канали для підведення охолоджувальної води виконані в притискувальному фланці, на якому також закріплений розподільник води, що спрощує конструкцію катода і забезпечує зручне обслуговування гармати. Анод газорозрядної гармати зазнає найбільшого нагрівання серед електродів гармати, так як крім енергії при горінні розряду на ньому неминуче виділяється частина енергії електронного пучка, який виводиться із розрядного проміжку гармати крізь отвір в аноді. Тому анод в запропонованій гарматі виконаний суцільним із матеріалу з високою теплопровідністю (в основному із міді) і в ньому виконана кільцева порожнина для охолоджувальної води, яка охоплює отвір для виведення електронного пучка. Вказана кільцева порожнина утворена завдяки герметичному з'єднанню кільцевої заглибини в тілі анода і кільцевої вставки. Таке рішення забезпечує ефективне охолодження всього тіла анода, а розташування кільцевої вставки, яка герметизує порожнину, за межами розрядного проміжку, забезпечує необхідну надійність роботи аноду. В аноді також виконана кільцева заглибина, призначена для підведення робочого газу в розрядний проміжок. Наявність такої заглибини в ефективно охолоджуваному аноді забезпечує підведення газу в розрядний проміжок гармати без його нагрівання, крім того спрощує конструктивно вузол подачі газу в гармату. Суть винаходу пояснюють креслення. На фіг. 1 наведений схематичний розріз запропонованої газорозрядної електронної гармати. Газорозрядна гармата містить циліндричний корпус 1 з порожниною для охолоджувальної води 2, яка розміщена у стінці корпусу 1, розташований співвісно з ним високовольтний ізолятор 3, на якому за допомогою болтів 4, розміщених між притискувальним фланцем 5 та вставкою з півкілець 6, закріплений холодний катод 7, охоплений прикатодним електродом 8. Герметизація з'єднання між притискувальним фланцем 5 та катодом 7 забезпечується ущільнюючою прокладкою 9. В притискувальному фланці 5 виконані канали для проходження охолоджувальної води, а на його нижньому торці закріплений розподільник води 10. В нижній частині корпусу співвісно катоду 7 встановлений анод 11 з кільцевою порожниною для охолоджувальної води, утвореною кільцевою заглибиною 12 та кільцевою вставкою 13, зібраних герметично. В аноді 11 виконана кільцева заглибина 14, призначена для підведення робочого газу в розрядний проміжок гармати. До анода 11 приєднаний променепровід 15 з порожниною для охолоджувальної води 16, на якому розташовані фокусувальні котушки 17 та відхилювальні котушки 18. За допомогою опорного фланця 19 гармата встановлюється на технологічній камері вакуумної установки (на фіг. 1 не показано). Простір між катодом 7, анодом 11 та циліндричним корпусом 1 утворює розрядний проміжок 20, в якому під час роботи гармати збуджується та підтримується високовольтний тліючий розряд. Всередині катода 7 розміщена порожнина 21 для проточної води для охолодження катода, яка має циліндричний отвір 23 (фіг. 2) у виступі катода 7. На фіг. 2 наведений схематичний розріз холодного катода запропонованої газорозрядної електронної гармати. Катод 7 виконаний суцільним з розвиненою емісійною поверхнею 22 на одному торці, з циліндричним отвором 23 на протилежному кінці і порожниною 21, де катод 7 в зборі з притискувальним фланцем 5 (фіг. 1) утворюють вищевказану порожнину 21 для проточної води, причому діаметр Dп вказаної порожнини 21 в катоді 7 перевищує діаметр D o вказаного циліндричного отвору 23 в катоді. В холодному катоді 7 також виконаний виступ 24 з циліндричною заглибиною в ньому, завдяки якому він закріплюється притискувальним фланцем 5 до ізолятора 3 (на фіг. 2 не показаний). В боковій стінці катода 7 також виконана кільцева заглибина 25. Запропонована газорозрядна електронна гармата працює наступним чином. Гармата, встановлена на технологічній камері вакуумної установки, безперервно відкачується вакуумною системою установки через отвори променепроводу і анода. Після досягнення робочого вакууму в установці, як правило в межах від одиниць Па до сотих Па, на катод подається прискорююча напруга від одиниць кВ до десятків кВ, частіше всього в межах 20-40 кВ. Через штуцер подачі газу в розрядний проміжок гармати подається робочий газ, наприклад водень, водень з додаванням невеликої кількості кисню, гелій або інші гази. За вказаних умов в розрядному проміжку гармати збуджується високовольтний тліючий розряд з анодною плазмою 16, яка 3 UA 111417 C2 5 10 15 служить джерелом іонів, які прискорюються електричним полем в проміжку плазма-катод і в результаті бомбардування його емісійної поверхні вибивають електрони. Полем прикатодної області розряду емітовані з поверхні катода електрони прискорюються і формуються в конусний пучок з фокусом біля отвору в аноді. За допомогою фокусувальних лінз пучок в променепроводі формується в промінь майже циліндричної форми, завдяки чому він виводиться в технологічну камеру з мінімальними енергетичними втратами та фокусується заданим чином на поверхні об'єкту обробки. За допомогою відхилювальних котушок промінь відхиляється від осі гармати в межах, допустимих конструкцією гармати кутів та переміщується по заданих системою управління траєкторіях. Потужність електронного променя регулюється зміною струму розряду шляхом зміни тиску в розрядному проміжку гармати, яка здійснюється збільшенням або зменшенням швидкості подачі робочого газу. Запропонована газорозрядна електронна гармата призначена для електронно-променевої плавки, випаровування, зварювання, термічної обробки, інших термічних процесів, для реалізації яких потужність електронного променя може становити від десятків до сотень кВт. Гармата відрізняється стабільністю роботи в складних вакуумних умовах, має відносно просту конструкцію, надійна в експлуатації. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 1. Газорозрядна електронна гармата, що містить розташовані в циліндричному корпусі уздовж її осі високовольтний ізолятор, холодний увігнутий металевий катод циліндричної форми з розвиненою емісійною поверхнею та порожниною для проточної води для охолодження катода, циліндричний прикатодний електрод, який охоплює катод, та приєднаний до корпусу анод з променепроводом, на якому розташовані фокусувальні лінзи та відхилялювальні котушки, яка відрізняється тим, що холодний катод виконаний суцільним з виступом з протилежного від емісійної поверхні боку та розміщеною всередині катода порожниною для проточної води для охолодження катода, яка має отвір у виступі катода, де діаметр цієї порожнини перевищує діаметр отвору у виступі катода, при цьому холодний катод закріплений безпосередньо на торці високовольтного опорного ізолятора, в отворі якого він зафіксований виступом з циліндричною заглибиною в ньому, а всередині опорного ізолятора розміщений притискувальний фланець з виступом, яким він зафіксований в циліндричному отворі у виступі катода, і в притискувальному фланці виконані канали для проходження охолоджувальної води, а на торці виступу притискувального фланця закріплений розподільник води. 2. Газорозрядна гармата за п. 1, яка відрізняється тим, що анод виконаний суцільним з кільцевою заглибиною, яка в зборі з кільцевою вставкою утворює замкнену герметичну порожнину для охолоджувальної води, причому кільцева вставка розташована з протилежного боку від розрядного проміжку гармати. 3. Газорозрядна гармата за п. 1, яка відрізняється тим, що в циліндричній стінці анода виконана кільцева заглибина, яка з'єднана з вакуумним об'ємом гармати кільцевою щілиною, розташованою між анодом та корпусом гармати. 4 UA 111417 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5