Газорозрядна електронно-променева гармата

Реферат: Газорозрядна електронна гармата складається з герметичного металевого корпусу, в якому розміщені високовольтний ізолятор, холодний увігнутий катод з розвиненою емісійною поверхнею, співвісний з ним порожнистий анод, донна частина якого виконана у вигляді плити з каналами для охолоджуючої води, до цієї плити співвісно приєднаний магнітний екран, а також герметично приєднаний до корпусу променевід з розміщеними на ньому фокусуючими і відхиляючими котушками, який виконано з двох частин у вигляді коліна, причому фокусуючі котушки розташовано на першій частині променеводу, а котушки відхилення променя - на другій частині променеводу. Друга частина променеводу розміщується безпосередньо в технологічній камері, до якої вона герметично приєднується за допомогою фланця, на якому також герметично встановлено коліно, яке герметично з'єднує обидві частини променеводу, і кут якого дорівнює куту повороту променя, причому на цьому коліні розташовані котушки повороту променя на вказаний кут, а саме коліно виконано з можливістю заміни. UA 83313 U (54) ГАЗОРОЗРЯДНА ЕЛЕКТРОННО-ПРОМЕНЕВА ГАРМАТА UA 83313 U UA 83313 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до розробки газорозрядних електронних гармат технологічного призначення і може знайти застосування у спеціальній електрометалургії для електроннопроменевої плавки металів та сплавів з електромагнітним перемішуванням розплаву у кристалізаторі або тиглі, в тому числі при підвищеному тиску залишкових газів у технологічній камері. Відомі газорозрядні електронні гармати високовольтного тліючого розряду, які також називають гарматами з холодним катодом, робота яких базується на використанні електричного розряду між холодними електродами в середовищі газу низького тиску [1]. Основними конструкційними елементами цих гармат є катодний вузол з емітером електронів, анодний вузол з прозорим електродом для проходження променю, системи подавання робочого газу і охолодження електродів, променевід з системами фокусування і відхилення променю при проходженні його в технологічну камеру. В цих гарматах в результаті бомбардування поверхні катода швидкими частками, що виникають при прискоренні і перезарядженні іонів в області катодного падіння потенціалу, утворюється потік електронів. Регенерація і прискорення електронів відбувається в межах розряду за рахунок високої напруги, що підводиться між анодом і катодом. Пучок електронів, що утворюється, проходить у технологічну камеру до поверхні, яка обігрівається, через променевід, на якому змонтовані котушки систем фокусування і відхилення пучка. Недоліком гармати є те, що на шляху проходження електронного пучка від променеводу гармати до поверхні, що обігрівається в технологічній камері, має місце суттєва втрата енергії внаслідок взаємодії електронів з залишковими газами, яка залежить від довжини цього шляху і тиску залишкових газів. Недоліком є також те, що з поверхні, яка обігрівається електронним променем, відбувається інтенсивне теплове випромінювання і випаровування металу, які обумовлюють нагрівання поверхні камери в зоні випромінювання і формування на ній конденсату. При плавці з електромагнітним перемішуванням розплаву гармату необхідно розміщувати на одній вертикальній вісі з об'єктом, який обігрівається в технологічній камері [2], що обумовлює появу додаткових недоліків, які негативно впливають на працездатність гармати. Такими недоліками є перегрів конструктивних елементів гармати, які знаходяться в зоні прямої видимості з поверхні, що обігрівається електронним променем в технологічній камері, внаслідок випромінювання з цієї поверхні і попадання у катодний проміжок гармати під час плавки газів, пари металу і іноді навіть бризок. Відома також газорозрядна електронна гармата, яка складається з герметичного металевого корпусу, в якому розміщені високовольтний ізолятор, холодний увігнутий катод з розвиненою емісійною поверхнею і співвісний з ним порожнистий анод, донна частина якого виконана у вигляді плити з каналами для охолоджуючої води і отвором для проходження електронного пучка, а також приєднаного співвісно аноду променеводу з розміщеними на ньому котушками систем фокусування і відхилення електронного пучка. Канали для охолоджуючої води виконані всередині тіла плити і зв'язані між собою в єдину систему, розташовану навколо отвору для проходження електронного пучка. Охолоджуюча система виконана з чотирьох каналів, з'єднаних між собою у вигляді квадрата або прямокутника, кожний канал виконаний з можливістю виходу з герметичного металевого корпусу і оснащений знімною герметичною пробкою [3]. Недоліками відомої гармати є те, що на шляху проходження електронного пучка від променеводу гармати до поверхні, що обігрівається, має місце суттєва втрата енергії внаслідок взаємодії електронів з залишковими газами, яка залежить від довжини цього шляху і тиску залишкових газів, а також проходять перегрівання елементів гармати, які знаходяться у зоні прямої видимості з поверхні, яка обігрівається в технологічній камері електронним променем, і попадання у катодний проміжок гармати під час плавки газів, пари металу і бризок, тобто ті ж, що і у розглянутому вище прикладі. Перегрівання плити має місце, незважаючи на наявність ефективної системи охолодження, оскільки при використанні газорозрядних гармат відстань між катодом і поверхнею, яка обігрівається променем у технологічній камері, менша, ніж у гармат з термокатодом. Зберігається і недолік, який полягає в тому, що з поверхні, яка обігрівається електронним променем, проходять інтенсивне теплове випромінювання, яке витрачається на нагрів поверхні камери, а також випаровування металу з формуванням конденсату на цій поверхні. Найбільш близьким за технічною суттю і результатом, що досягається, до рішення, що заявляється, є електронно-променева газорозрядна гармата, яка складається з герметичного металевого корпусу, в якому розміщені високовольтний ізолятор і холодний увігнутий катод з розвиненою емісійною поверхнею. Співвісно з катодом розміщено порожнистий анод, донна 1 UA 83313 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 частина якого виконана у вигляді плити з каналами для охолоджуючої води. Канали виконані всередині тіла плити і зв'язані між собою в єдину систему, розташовану навколо отвору для проходження електронного пучка. До цієї плити співвісно приєднаний магнітний екран, мінімальний діаметр отвору в якому збігається з діаметром отвору в аноді. До корпусу герметично приєднаний променевід з розміщеними на ньому фокусуючими і відхиляючими котушками. Променевід виконано з двох частин у вигляді коліна, перша частина якого приєднана до металевого корпусу, а друга виконана з можливістю стикування з технологічною камерою. Кут повороту другої частини променеводу відносно першої вибрано таким, щоб виключити пряме проходження електронного променя через отвір в аноді до тигля, що знаходиться по центру приєднуваної технологічної камери. Друга частина променеводу виконана з можливістю збігання вертикальної осі з центром тигля в приєднуваній технологічній камері, причому фокусуючі котушки розташовано на першій частині променеводу, а на другій частині променеводу розташовані котушки повороту променя на кут повороту другої частини променеводу відносно першої і котушки відхилення (сканування) променя [4]. Недоліками прототипу є ті ж, що і у розглянутих вище гарматах, тобто на шляху проходження електронного пучка від променеводу гармати до поверхні, що обігрівається, має місце суттєва втрата енергії внаслідок взаємодії електронів з залишковими газами, яка залежить від довжини цього шляху і тиску залишкових газів, а з поверхні, яка обігрівається електронним променем, проходять інтенсивне теплове випромінювання і випаровування металу, які обумовлюють нагрів поверхні камери в зоні випромінювання і формування конденсату на цій поверхні. Недоліком є також те, що кут повороту при безпосередньому з'єднанні частин променеводу фіксований і у разі потреби зміни цього кута необхідно виготовляти новий променевід. В основу корисної моделі поставлена задача забезпечити: - зменшення втрат енергії електронного пучка в технологічній камері внаслідок взаємодії з залишковими газами; - можливість зміни кута повороту променя без заміни променеводу або гармати в цілому; - зменшення теплового випромінювання на поверхню камери і формування конденсату за рахунок екранування поверхні розплаву у тиглі. Поставлена задача вирішується тим, що газорозрядна електронно-променева гармата, яка складається з герметичного металевого корпусу, в якому розміщені високовольтний ізолятор, холодний увігнутий катод з розвиненою емісійною поверхнею, співвісний з ним порожнистий анод, донна частина якого виконана у вигляді плити з каналами для охолоджуючої води, які виконані всередині тіла плити і зв'язані між собою в єдину систему, розташовану навколо отвору для проходження електронного пучка, і до цієї плити співвісно приєднаний магнітний екран, мінімальний діаметр отвору в якому збігається з діаметром отвору в аноді, а також герметично приєднаного до корпусу променеводу з розміщеними на ньому фокусуючими і відхиляючими котушками, який виконано з двох частин у вигляді коліна, перша частина якого приєднана до металевого корпусу, а друга виконана з можливістю стикування з технологічною камерою, і кут повороту другої частини променеводу відносно першої вибрано таким, щоб виключити пряме проходження електронного променя через отвір в аноді до тигля, що знаходиться в приєднуваній технологічній камері, і друга частина променеводу виконана з можливістю збігання вертикальної осі з центром тигля в приєднуваній технологічній камері, причому фокусуючі котушки розташовано на першій частині променеводу, а котушки відхилення променя; - на другій частині променеводу, що згідно з винаходом розміщується безпосередньо в технологічній камері, до якої вона герметично приєднується за допомогою фланця, на якому також встановлено коліно, яке герметично з'єднує обидві частини променеводу, і кут якого дорівнює куту повороту променя, причому на цьому коліні розташовані котушки повороту променя на вказаний кут, а саме коліно виконано з можливістю заміни. Друга частина променеводу оснащена тепловим екраном з тугоплавкого матеріалу. Також друга частина променеводу і коліно можуть бути футеровані тугоплавким матеріалом або друга частина променеводу може бути виготовлена водоохолоджуваною. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 наведено схему газорозрядної електронної гармати у розрізі з кутом повороту коліна 15°, а на фіг. 2 - схему коліна з кутом повороту 30°. Газорозрядна гармата містить в герметичному металевому корпусі 1 ізолятор 2, на якому закріплений катод 3 з розвиненою сферичною емісійною поверхнею. Катод 3 встановлено співвісно з порожнистим анодом 4, донна частина якого виконана у вигляді плити 5 з каналами для охолоджуючої води. Канали виконані всередині тіла плити і зв'язані між собою в єдину 2 UA 83313 U 5 10 15 20 25 30 35 40 систему, розташовану навколо отвору 6 для проходження електронного пучка. До плити 5 приєднано магнітний екран 7 з феромагнітної сталі, мінімальний діаметр отвору в якому співпадає з діаметром отвору 6 в аноді і який зменшує поперечний розмір пучка в зоні його транспортування, що дозволяє зменшити діаметр каналу, через який пучок транспортується. До корпусу 1 гармати герметично приєднано променевід, який складається з двох частин, перша з яких 8 (на фіг. 1 показано разом з фланцями) герметично з'єднується з корпусом 1 гармати і через коліно 9 (на фіг. 1 і фіг. 2 також показано разом з фланцями) - з другою частиною 10 променеводу, яка розміщується в технологічній камері 11 на одній вертикальній вісі з тиглем 12 з системою електромагнітного перемішування, в якому знаходиться розплав, що обігрівається електронним променем. Кут а коліна 9 між частинами 8 і 10 променеводу вибирають таким, щоб виключити пряму видимість отвору 6 з поверхні розплаву у тиглі 12, і він може змінюватись в залежності від потреби. На фіг. 2 як приклад наведена схема коліна 9 з кутом повороту 30°. На коліні 9 розміщують котушки 13 повороту променя на кут α. Фокусуючі котушки 14 (фіг. 1) встановлено на частині 8 променоводу, що стикується з корпусом 1 гармати, а котушки 15 відхилення променя - на частині 10 променеводу, що розміщується в технологічній камері 11. Гармата герметично монтується на технологічній камері 11 за допомогою фланця 16, який є елементом частини 10 променеводу і на якому також герметично змонтовано коліно 9. На частині 10 променеводу встановлено тепловий екран 17, який забезпечує захист стінок технологічної камери 11 від випромінювання і утворення на них конденсату. Для попередження перегріву частини 10 променеводу, а також коліна 9, поверхні яких знаходяться у зоні прямої видимості з поверхні розплаву у тиглі 12, що обігрівається променем у технологічній камері, ці поверхні футеровані тугоплавким матеріалом 18. Запропонована газорозрядна електронна гармата працює таким чином. Після створення у технологічній камері 11 потрібного вакууму в катодно-анодну порожнину гармати подають робочий газ, а на катод 3 - прискорюючу постійну напругу 20-30 кВ. При тиску -2 у діапазоні від 10 Па до одного Па виникає тліючий розряд, сила струму якого регулюється шляхом регулювання тиску робочого газу і який приводить до створення електронного пучка. Цей пучок поступає у частину 8 променеводу, що стикується з корпусом 1 гармати, і за допомогою фокусуючих котушок 14 направляється у коліно 9, з якого за допомогою котушок повороту променя 13-у частину 10 променеводу, яка розміщена в технологічній камері 11 на одній вертикальній вісі з тиглем 12. Процесом нагрівання поверхні розплаву у тиглі можна управляти за допомогою котушок 15, які дозволяють створювати різні конфігурації нагріву. У порівнянні з гарматами, що використовуються в промисловості в даний час, запропонована гармата забезпечує більш ефективний нагрів. Крім того, гармата достатньо проста з точки зору конструктивного виконання, що дає змогу її виготовлення в умовах більшості підприємств без залучення спеціального обладнання. При необхідності гармата легко переобладнується на гармату без повороту променя. Джерела інформації: 1. Плазменные процессы в технологических электронных пушках / М.А. Завьялов, Ю.Э. Крейндель, А.А. Новиков, Л.П. Шантурин. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - С. 97-145. 2. Электронно-лучевая плавка в литейном производстве / С.В. Ладохин, Н.И. Левицкий, В.Б. Чернявский и др. - К.; Изд-во "Сталь", 2007. - С. 102-107. 3. Патент України № 83514, МПК 8 H01J 37/06, Бюл. № 14, 2008 p. 4. Патент України № 93625, МПК 8 Н01J 37/06, Бюл. № 4, 2011 p. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 60 1. Газорозрядна електронна гармата, яка складається з герметичного металевого корпусу, в якому розміщені високовольтний ізолятор, холодний увігнутий катод з розвиненою емісійною поверхнею, співвісний з ним порожнистий анод, донна частина якого виконана у вигляді плити з каналами для охолоджуючої води, які виконані всередині тіла плити і зв'язані між собою в єдину систему, розташовану навколо отвору для проходження електронного пучка, і до цієї плити співвісно приєднаний магнітний екран, мінімальний діаметр отвору в якому збігається з діаметром отвору в аноді, а також герметично приєднаний до корпусу променевід з розміщеними на ньому фокусуючими і відхиляючими котушками, який виконано з двох частин у вигляді коліна, перша частина якого приєднана до металевого корпусу, а друга виконана з можливістю стикування з технологічною камерою, і кут повороту другої частини променеводу відносно першої вибрано таким, щоб виключити пряме проходження електронного променя через отвір в аноді до тигля, що знаходиться в приєднуваній технологічній камері, і друга частина променеводу виконана з можливістю збігання вертикальної осі з центром тигля в 3 UA 83313 U 5 10 приєднуваній технологічній камері, причому фокусуючі котушки розташовано на першій частині променеводу, а котушки відхилення променя - на другій частині променеводу, яка відрізняється тим, що друга частина променеводу розміщується безпосередньо в технологічній камері, до якої вона герметично приєднується за допомогою фланця, на якому також герметично встановлено коліно, яке герметично з'єднує обидві частини променеводу, і кут якого дорівнює куту повороту променя, причому на цьому коліні розташовані котушки повороту променя на вказаний кут, а саме коліно виконано з можливістю заміни. 2. Газорозрядна електронна гармата за п. 1, яка відрізняється тим, що друга частина променеводу оснащена тепловим екраном з тугоплавкого матеріалу. 3. Газорозрядна електронна гармата за пп. 1 і 2, яка відрізняється тим, що друга частина променеводу і коліно футеровані тугоплавким матеріалом. 4. Газорозрядна електронна гармата за пп. 1, 2 і 3, яка відрізняється тим, що друга частина променеводу виготовлена водоохолоджуваною. 4 UA 83313 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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