Газорозрядна електронна гармата

Реферат: Газорозрядна електронна гармата, виконана у вигляді розбірної вакуумної конструкції містить розташовані співвісно холодний катод з розвиненою емісійною поверхнею та порожниною для проточної води, в якій розташований розподільник потоку води, порожнистий анод з каналами для проходження води, а також променепровід з розташованими на ньому магнітними фокусувальними лінзами та відхиляючими котушками. Товщина тіла катоду між емісійною та охолоджуваною поверхнями визначається із співвідношення:      S k Tk  Tох   1 hk     . Wk Vb   k1  k 2  Rох H    UA 115998 U (54) ГАЗОРОЗРЯДНА ЕЛЕКТРОННА ГАРМАТА UA 115998 U UA 115998 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до електронної техніки, а більш конкретно до газорозрядних електронних гармат технологічного призначення, і може бути використана для електроннопроменевої плавки, випаровування та інших термічних процесів, що виконуються у вакуумі з застосуванням потужних електронних пучків. Відомі газорозрядні електронні гармати, робота яких основана на використанні високовольтного тліючого розряду (ВТР) між холодними електродами в газі низького тиску (високовольтного тліючого розряду), (М.А. Завялов, Ю.Е. Крейндель, А.А. Новиков, А.П. Шантурин. "Плазменные процессы в технологических электронных пушках." М. Энергоатомиздат, 1989, с. 97-145). В таких гарматах при напрузі десятки кВ і тиску газу в міжелектродному проміжку одиниці Паскаль (Па) збуджується розряд з плазмою, локалізованою в порожнині аноду, та областю катодного падіння потенціалу, яка утворюється між катодом та границею анодної плазми. Пучок електронів генерується з поверхні катоду в результаті бомбардування його поверхні прискореними в області катодного падіння потенціалу іонами, що надходять із плазми. Електричним полем в області катодного падіння потік електронів формується в пучок з відповідним кутом сходження і виводиться за межі розрядного проміжку. Потужність електронного пучка не перевищує 85-90 % загальної потужності розряду, а решта енергії виділяється на електродах, що призводить до їх нагрівання та порушення стабільності роботи електронних гармат, що є їх суттєвим недоліком. Особливо це характерно для потужних газорозрядних електронних гармат, які потребують забезпечення ефективного тепловідведення з урахуванням матеріалів і конструкції електродів. Найближчим аналогом є газорозрядна електронна гармата з холодним катодом (Патент України UA 45505 С2, H01J 37/06 15.04.02, бюл. № 4), яка містить холодний катод з емісійною поверхнею у вигляді частини сфери і порожнистий анод, що з'єднаний з циліндричним каналом для виведення електронного пучка за допомогою магнітної фокусувальної лінзи в технологічну камеру. Для охолодження катоду в його тілі виконана порожнина, в якій розташований розподільник потоку води, що забезпечує необхідну швидкість проходження води. В тілі аноду також виконана порожнина для проточної води, яка забезпечує його охолодження при відповідній швидкості проходження води. Проте для стабільної роботи гармати необхідно забезпечити теплові режими електродів з урахуванням теплопровідності їх матеріалів при максимальних параметрах розряду. Температуру катоду доцільно підтримувати в межах 200250 °C, яка перешкоджає конденсації газів та пари масел вакуумних насосів на поверхні катода. Температура стінок анода повинна бути відносно низькою та рівномірною для зниження газовиділення в процесі роботи гармати. В основу з корисної моделі поставлено задачу розробити газорозрядну електронну гармату, в якій температурні режими електродів підтримуються на потрібному рівні з урахуванням енергетичних характеристик розряду та матеріалів електродів, що значно підвищить стабільність та надійність її роботи. Поставлена задача вирішується тим, що в газорозрядній електронній гарматі, яка виконана у вигляді розбірної вакуумної конструкції, що містить розташовані співвісно холодний катод з розвиненою емісійною поверхнею та порожниною для проточної води, в якій розташований розподільник потоку води, порожнистий анод з каналами для проходження води, а також променепровід з розташованими на ньому магнітними фокусувальними лінзами та відхиляючими котушками, згідно з корисною моделлю, товщина тіла катода між емісійною та охолоджуваною поверхнями визначається із співвідношення:      S k Tk  Tох   1 hk     , Wk Vb   k1  k2  Rох H    2 де S k - площа охолоджуваної поверхні катода, м ;  - теплопровідність матеріалу катода, Вт  с1 2 Вт , k 2  2100 5 2 м С м 2  С емпіричні коефіцієнти тепловіддавання проточної води на металеву стінку; Vb - швидкість Вт/м•°С; Wk - потужність, що відводиться від катода, Вт; k1  350 3 протікання води, м /с; Rох - радіус охолоджуваної поверхні, м; 50 H - ширина проміжку між охолоджуваною поверхнею та розподільником потоку води, м; Tk - температура катоду, °C; Tох - температура охолоджуючої води, °C (Фіг. 1). 1 UA 115998 U 5 10 15 20 Згідно з корисною моделлю, канали для проходження охолоджуючої води в тілі анода виконані у вигляді двох кільцевих порожнин, розміщених у верхній та нижній його частинах, сполучених між собою повздовжніми каналами, розташованими по колу, при цьому нижня кільцева порожнина розділена на дві одинакові частини, до яких приєднані вхідний та вихідний штуцери. В такій електронній гарматі при тиску робочого газу в діапазоні одиниць Па та прискорюючій напрузі 25-30 кВ збуджується високовольтний тліючий розряд з анодною плазмою, локалізованою в порожнині аноду. Електрони пучка емітуються з поверхні холодного увігнутого катоду в результаті бомбардування іонами, що надходять із плазми. В полі катодної області електрони прискорюються і формуються в конусний пучок. За межами анода електронний пучок за допомогою магнітної лінзи направляється в зону термічної обробки виробів. Загальна потужність розряду залежить від допустимої потужності, що розсіюється на електродах і особливо на катоді. Емісійна поверхня катода при недостатньо ефективному відведенні тепла може нагріватися до недопустимої температури. Тому основними вимогами до матеріалу катода являється високий коефіцієнт іонно-електронної емісії і висока теплопровідність. Матеріалом, що відповідає цим вимогам, є алюміній. Проте оптимальна робоча температура залежить також від конструкції катода та визначається процесом теплопередачі. В запропонованій гарматі температурний режим катода забезпечується через визначення товщини тіла між емісійною та охолоджуваною поверхнями (Фіг. 1) із співвідношення:      S k Tk  Tох   1 hk     , Wk Vb   k1  k2  Rох H    2 де S k - площа охолоджуваної поверхні катода, м ;  - теплопровідність матеріалу катода, Вт/м•°С; Wk - потужність, що відводиться від катода, Вт; k1  350 25 Вт  с1 2 Вт , k 2  2100 5 2 м  С м 2  С емпіричні коефіцієнти тепловіддавання проточної води на металеву стінку, які визначаються за довідниковими даними в залежності від жорсткості води та швидкості її протікання (Кухлинг Х. 3 Справочник по физике. - М.: Мир, 1982. - 520 с); Vb - швидкість протікання води, м /с; H ширина проміжку між охолоджуваною поверхнею та розподільником потоку води, м; Tk 30 35 40 45 50 температура катода, С; Tох - температура охолоджуючої води, °C. Недотримання цієї умови призводить до порушення стабільності роботи газорозрядної електронної гармати, що потребує при її розробці визначення геометричних параметрів холодного катода в залежності від проектної потужності. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями: - на Фіг. 1 приведені геометричні дані холодного катода; - на Фіг. 2 приведена залежність температури емісійної поверхні алюмінієвого катода при різній його товщині, яка визначається із запропонованого співвідношення; - на Фіг. 3 представлений схематичний розріз конструкції запропонованої газорозрядної електронної гармати; - на Фіг. 4 представлений поперечний розріз анода. Гармата містить закріплений в корпусі 1 на високовольтному ізоляторі 2 холодний катод 3, в порожнині якого розміщений розподільник потоку води 4, з корпусом катодного вузла герметично з'єднаний порожнистий анод 5 з каналами для проточної води 6. Співвісно електродам гармати приєднаний променепровід 7, на якому розташовані магнітні фокусувальні лінзи 8 та відхиляючі котушки 9. За допомогою фланця на торці променепровода 7 гармата встановлюється на технологічній камері вакуумної установки. Для роботи запропонованої газорозрядної електронної гармати на катод 3 подається прискорююча напруга 25-30 кВ, а в міжелектродний проміжок - робочий газ (водень, кисень). При цьому збуджується високовольтний тліючий розряд, сила струму якого регулюється зміною тиску в гарматі (величиною потоку газу, що поступає в гармату) в діапазоні 1-10 Па. За допомогою магнітних фокусувальних лінз 8 та котушок відхиляння 9 електронний пучок виводиться в технологічну камеру та фокусується на поверхні об'єкту термічної обробки. Запропоноване співвідношення дозволяє розробляти конструкцію катодного вузла гармати із заданим температурним режимом роботи катода. 2 UA 115998 U 5 10 Температурний режим анодного вузла гармати обмежений процесами десорбції газів при підвищеній температурі. Крім того анод гармати являється частиною його корпусу, в якому зазвичай для герметизації використовуються гумові прокладки, тому температура анода повинна бути по можливості низькою. В запропонованій гарматі потік води охоплює всю поверхню анода завдяки того, що вода проходить по паралельних каналах, розташованих по всьому периметру анода. При такій конструкції системи охолодження забезпечується рівномірне і ефективне охолодження аноду при великих потужностях гармати. Гармата з визначеними температурними режимами електродів забезпечує генерацію електронного пучка потужністю сотні кВт і призначена для електронно-променевої плавки та інших технологічних процесів, що виконуються у вакуумі з застосуванням потужних електронних пучків. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 1. Газорозрядна електронна гармата, виконана у вигляді розбірної вакуумної конструкції, що містить розташовані співвісно холодний катод з розвиненою емісійною поверхнею та порожниною для проточної води, в якій розташований розподільник потоку води, порожнистий анод з каналами для проходження води, а також променепровід з розташованими на ньому магнітними фокусувальними лінзами та відхиляючими котушками, яка відрізняється тим, що товщина тіла катоду між емісійною та охолоджуваною поверхнями визначається із співвідношення:      S k Tk  Tох   1 hk     , Wk Vb   k1  k 2  Rох H    2 де S k - площа охолоджуваної поверхні катода, м ;  25 - теплопровідність матеріалу катода, Вт/м•°С; Wk - потужність, що відводиться від катоду, Вт; k1  350 Вт  с1 2 Вт , k 2  2100 3 2 - емпіричні коефіцієнти тепловіддавання проточної води м  С м 2  С на металеву стінку; Vb - швидкість протікання води, м3/с; 30 Rох - радіус охолоджуваної поверхні, м; H - ширина проміжку між охолоджуваною поверхнею та розподільником потоку води, м; Tk - температура катода, °C; Tох - температура охолоджуючої води, °C. 35 2. Газорозрядна електронна гармата за п. 1, яка відрізняється тим, що канали для проходження охолоджуваної води в тілі аноду виконані у вигляді двох кільцевих порожнин, розміщених у верхній та нижній його частинах і сполучених між собою повздовжніми каналами, розташованими по колу, при цьому нижня кільцева порожнина розділена на дві одинакові частини, до яких приєднані вхідний та вихідний штуцери. 3 UA 115998 U 4 UA 115998 U Комп’ютерна верстка О. Рябко 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