Електронно-променевий прожектор з лінійним термокатодом

Реферат: Електронно-променевий прожектор з лінійним термокатодом для електронно-променевого нагрівання належить до області електронно-променевої технології, більш конкретно до електронно-променевих прожекторів (гармат), які генерують електронний промінь, який використовується для нагрівання, плавки і випаровування матеріалів у вакуумі чи середовищі реактивних газів. Конструкція електронно-променевого прожектора з лінійним термокатодом для електронно-променевого нагрівання складається з променеводу, який містить відхилюючу електромагнітну систему, із закріпленого на ньому за допомогою стійок прискорюючого анода, сполученого високовольтними ізоляторами через катодну плиту з катодним вузлом, що містить лінійний термокатод, закріплений в катодотримачах, і фокусуючий електрод, при цьому прискорюючий анод містить жорстко пов'язану з ним пластину для герметичного розділення катодної і променеводної частин прожектора, в якому спільна оптична вісь катодного вузла і прискорюючого анода відхилена від оптичної осі променеводу на кут , що дорівнює 1030. За допомогою зазначеного електронно-променевого прожектора досягається в 3-3,2 разу більш висока довговічність термокатода, за рахунок видалення його із зони з інтенсивним іонним бомбардуванням і осадженням випаровуваних матеріалів. UA 113607 C2 (12) UA 113607 C2 UA 113607 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до пристроїв електронно-променевої технології, а точніше до електроннопроменевих прожекторів (гармат), які генерують електронний промінь, який використовується для нагрівання, плавки і випаровування матеріалів у вакуумі чи середовищі реактивних газів. Поява і широке поширення електронно-променевої технології для плавки та випаровування різних матеріалів пов'язана, в першу чергу, з розробкою і вдосконаленням ключового елемента цієї технології - електронно-променевого прожектора (або гармати), який генерує електронний промінь. В даний час широкого поширення набули два типи електронно-променевих прожекторів, які використовуються для випаровування і плавки матеріалів у вакуумі, - аксіальні, формуючі осесиметричний потік та плоскопроменеві з лінійним термокатодом, в яких первісний плоский пучок електронів перетворюється на циліндричний [Мовчан Б.А., Малашенко И.С. Жаростойкие покрытия, осаждаемые в вакууме. - Киев: Наукова думка, 1983. - 230 с.]. Електронно-променеві прожектори з лінійним термокатодом потужністю до 100…150 кВт мають невеликі розміри, зручні в роботі і широко застосовуються в промислових електроннопроменевих установках (4-8 гармат на одній установці) різного призначення, використовуваних для отримання різних покриттів і матеріалів як у вакуумному середовищі, так і в середовищі реактивних газів. Найбільшого поширення набули електронно-променеві прожектори з лінійним термокатодом, розроблені в ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України [Мовчан Б.А., Малашенко И.С. Жаростойкие покрытия, осаждаемые в вакууме. - Киев: Наукова думка, 1983. - 230 с.]. Основними конструктивними елементами таких електронно-променевих прожекторів є променевід, що містить відхиляючу електромагнітну систему (електромагнітні котушки фокусування і відхилення електронного променя), із закріпленим на ньому прискорюючим анодом, сполученим високовольтними ізоляторами через катодну плиту з катодним вузлом, що містить лінійний термокатод, закріплений в двох катодотримачах, і співвісно розташований з ним фокусуючий електрод. Променевід і прискорюючий анод є водоохолоджуваними конструкціями прямокутної або круглої форми з отвором (щілиною) в центрі для проходження електронного променя, при цьому лінійний термокатод (катодний вузол) і прискорюючий анод мають спільну оптичну вісь, яка співпадає з оптичною віссю променеводу (тобто, з його вертикальною віссю). Траєкторія руху електронного променя (пучка електронів) всередині цій конструкції співпадає зі спільною оптичною і геометричною віссю центрованих вузлів електронно-променевого прожектора - катодного вузла, прискорюючого анода та променеводу. Відхилення електронного променя від вказаної оптичної осі відбувається усередині променеводу за допомогою відхиляючої електромагнітної системи. Подібні електроннопроменеві прожектори можуть відхилювати електронний промінь при його виході з променеводу на 2545 градусів від його оптичної осі, знаходитися на значній відстані від матеріалів, що прогріваються, і розташовуватися в окремих вакуумних камерах, що мають індивідуальні засоби відкачування. Це дозволяєуспішно застосовувати їх в промислових електронно-променевих установках для роботи як у вакуумному середовищі, так і в середовищі реактивних газів. Основною проблемою більшості відомих електронно-променевих прожекторів з лінійним термокатодом є невисока тривалість стабільної роботи лінійного термокатода, особливо в середовищі реактивних газів (наприклад, кисню), що призводить до необхідності його частої заміни, а також недостатня стабільність заданих параметрів електронного променя (стабільність необхідного розміру фокальної плями на поверхні матеріалів, що нагріваються) впродовж тривалої роботи електронно-променевого прожектора. Невисока тривалість роботи лінійного термокатода в існуючих електронно-променевих прожекторах обумовлена такими негативними явищами, як: - інтенсивне іонне бомбардування лінійного термокатода, яке виникає в результаті іонізації атомів, яка є найбільш значною при високому тиску залишкових або реактивних газів у вакуумній камері при проведенні технологічного процесу; - осадження на поверхню лінійного термокатода атомів і молекул металевих або керамічних матеріалів, що випаровуються (плавляться) в ході технологічного процесу, які проникають крізь променевід і прискорюючий анод, і їх подальша взаємодія з матеріалом термокатода, що призводить до зміни його фізико-механічних характеристик і руйнуванню; - зміна геометричної форми лінійного термокатода і його положення відносно фокусуючого електрода під дією циклічних процесів нагріву/охолодження в процесі експлуатації з подальшим погіршенням параметрів електронного променя, що генерується. Вдосконалення сучасних електронно-променевих прожекторів направлене на підвищення експлуатаційної довговічності лінійних термокатодів за рахунок мінімізації вказаних негативних явищ. 1 UA 113607 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У патенті України № 40664 "Електронна гармата з лінійнім термокатодом для електроннопроменевого нагрівання" від 15.08.2001, автори - М.І. Гречанюк, О.К. Дятлова, ПП. Кучеренко, Є.Л. Піюк, запропонована конструкція електронної гармати з лінійним термокатодом для електронно-променевого нагрівання, яка містить прискорюючий анод, з'єднаний високовольтними ізоляторами з катодним вузлом, до складу якого входять корпус, плоский ізолятор, змонтований в зазначеному корпусі, лінійний термокатод, встановлений в двох катодотримачах на корпусі, один з яких рухомий і з'єднаний з корпусом через плоский ізолятор за допомогою щонайменше двох струмопровідних пружин кріпильними з'єднаннями, фокусуючий електрод з клемним струмопідводом для подачі на нього регульованого негативного потенціалу відносно співвісно розміщеного лінійного термокатода і охоплюючий двогранною поверхнею вказаний лінійний термокатод, клемні струмопроводи для подачі струму розжарювання, яка відрізняється тим, що рухомий катодотримач приєднаний до корпусу катодного вузла шарнірно. Як стверджують автори патенту, подібна конструкція забезпечує підвищення стабільності положення лінійного термокатода відносно фокусуючого електрода, що підвищує експлуатаційну довговічність лінійного термокатода і підвищує стабільність форми електронного променя. У патенті США 6,455,990 "Apparatus for electron gun employing a thermoionic electron source" від 24.09.2002 p., автор В.Е. Mensinger, запропонована конструкція електронно-променевого прожектора, в якому між прискорюючим анодом і лінійним термокатодом встановлюється діафрагма - пластина з прорізом, що захищає поверхню лінійного катода від іонного бомбардування і подовжує термін його служби, при цьому пластина контактує з поверхнею лінійного термокатода, будучи з ним одним цілим елементом. Переважним матеріалом для виготовлення діафрагми - пластини є графіт. Найбільш близькою по технічній суті до винаходу, що заявляється, є конструкція електронно-променевого прожектора, описана в патенті України № 43927 "Електронна гармата з лінійнім термокатодом для електронно-променевого нагрівання" від 15.01.2002 p., автори Б.О. Мовчан, О.Я. Гаврілюк. Запропонована електронно-променева гармата з лінійним термокатодом для електронно-променевого нагріву включає променевід із закріпленим на ньому прискорюючим анодом, сполученим високовольтними ізоляторами через катодну плиту з катодним вузлом, що містить лінійний термокатод, закріплений в двох катодотримачах, і фокусуючий електрод, у якій за винаходом променевід відокремлений від прискорюючого анода за допомогою стійок, що забезпечують жорстке закріплення прискорюючого анода на променеводі і утворення простору між ними, причому прискорюючий анод містить жорстко пов'язану з ним пластину для герметичного розділення катодної і променевідної частин гармати. Така конструкція, в якій катодна і променеводна частина герметично розділені і прискорюючий анод віддалений від променеводу, забезпечує, за твердженням авторів, істотне підвищення стійкості катода проти пошкоджень від іонного бомбардування, особливо при роботі в установках з використанням реактивних газів. Основним недоліком цієї конструкції, як і всіх інших відомих електронно-променевих прожекторів з лінійними термокатодами, є недостатня захищеність поверхні лінійного термокатода від осадження атомів і молекул матеріалів, що випаровуються або плавляться в ході технологічного процесу, і від іонного бомбардування, яка обумовлена тим, що лінійний термокатод (катодний вузол), прискорюючий анод і променевід мають спільну оптичну (геометричну) вісь. Потік електронів, який генерує лінійний термокатод, прискорюється при русі уздовж цієї осі у напрямку до прискорюючого анода, проходить крізь нього і потім проходить крізь променевід, відхиляючись в ньому від оптичної осі, змінюючи свою форму і траєкторію руху під дією магнітного поля. Подібна конструкція існуючих електронно-променевих прожекторів не здатна забезпечити надійний захист від вищезгаданих негативних явищ, оскільки лінійний термокатод, прискорюючий анод і променевід мають спільну оптичну (геометричну) вісь (тобто розташовані на одній прямій лінії). Атоми/молекули випаровуваних речовин або іони, що потрапили в променевід, далі безперешкодно проникають через прискорюючий анод до поверхні лінійного термокатода і осідають там або бомбардують його поверхню. Зміна положення електронно-променевого прожектора в електронно-променевих установках з метою виключення прямого оптичного контакту між паровим потоком і поверхнею лінійного термокатода, як і віддалення прискорюючого анода від променеводу, у випадку спільної оптичної осі лінійний термокатод-прискорюючий анод-променевід, не дають істотного ефекту. Є доцільним подальше вдосконалення електронно-променевого прожектора вести у напрямку підвищення захищеності поверхні лінійного термокатода від вищезгаданих негативних 2 UA 113607 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 явищ, що виникають в процесі експлуатації електронно-променевих прожекторів, за рахунок зміщення поверхні лінійного термокатода від оптичної осі променеводу, тобто шляхом відхилення спільної оптичної осі лінійного термокатода (катодного вузла) і прискорюючого анода від оптичної осі променеводу. задачею даного винаходу є створення електронно-променевого прожектора, що позбавлений згаданих вище недоліків і забезпечує істотне підвищення експлуатаційної довговічності лінійного термокатода. Поставлена задача вирішена тим, що запропонований електронно-променевий прожектор з лінійним термокатодом для електронно-променевого нагріву, що включає променевід, який містить відхиляючу електромагнітну систему, із закріпленим на ньому за допомогою стійок прискорюючим анодом, сполученим високовольтними ізоляторами через катодну плиту з катодним вузлом, що містить лінійний термокатод, закріплений в катодотримачах, і фокусуючий електрод, при цьому прискорюючий анод містить жорстко пов'язану з ним пластину для герметичного розділення катодної і променевідної частин прожектора, в якому, за винаходом, спільна оптична вісь катодного вузла і прискорюючого анода відхилена від оптичної осі променеводу на кут α, що дорівнює 1030°. У відомих конструкціях електронних прожекторів з лінійним термокатодом сформований електричним полем в просторі між лінійним катодом та прискорюючим анодом плоскопаралельний електронний промінь рухається уздовж єдиної оптичної осі, яка співпадає з геометричною віссю лінійного катода - прискорюючого анода - променеводу. Тому немає можливості надійно захистити лінійний термокатод від бомбардування потоком іонів або попадання на його робочу поверхню атомів і молекул парового потоку матеріалів, що плавляться або випаровуються. У пристрої за винаходом ця можливість захисту лінійного термокатода з'являється завдяки відхиленню оптичної осі лінійного катода - прискорюючого анода, вздовж якої прискорюється потік електронів, що генеруються лінійним термокатодом, від оптичної осі променеводу (його геометричної осі) за рахунок зміни положення (нахилу) катодного вузла і прискорюючого анода відносно променеводу. Завдяки такій конструкції довговічність лінійного термокатода істотно зростає за рахунок його видалення із зони бомбардування потоком іонів і виключення попадання на його робочу поверхню атомів і молекул парового потоку матеріалів, що плавляться або випаровуваються. Технічна суть і принцип дії винаходу пояснюються на прикладах виконання з посиланнями на додані креслення. На Фіг. 1 представлена схема часткового поперечного (а) та подовжнього (б) перетинів електронно-променевого прожектора з лінійним термокатодом за винаходом. На Фіг. 2 представлена схема часткового поперечного перетину традиційного електроннопроменевого прожектора з лінійним термокатодом. На Фіг. 3 представлений графік довговічності роботи лінійного термокатода при випробуваннях в електронно-променевому прожекторі за винаходом залежно від кута нахилу оптичної осі катодного вузла і прискорюючого анода відносно оптичної осі променеводу при випаровуванні металевих зливків Ni-18 % Cr-12 % Al-0,3 % Y діаметром 68,5 мм при струмі 1,5 А. На Фіг. 4 представлений зовнішній вигляд робочої поверхні лінійного термокатода після експлуатації в традиційному електронно-променевому прожекторі (а) і електронно-променевому прожекторі (б) за винаходом, після випаровування керамічних зливків ZrO2-8 % Y2O3 діаметром 68,5 мм при струмі 1,6 А протягом відповідно 32 і 96 годин. Запропонований електронно-променевий прожектор з лінійним термокатодом (Фіг. 1) для електронно-променевого нагріву складається з променеводу 1, який містить відхиляючу електромагнітну систему 2, із закріпленим на ньому за допомогою стійок 10 прискорюючим анодом 3, сполученим високовольтними ізоляторами 4 через катодну плиту 5 з катодним вузлом 6, що містить лінійний термокатод 7, закріплений в катодотримачах 8, і фокусуючий електрод 9, при цьому прискорюючий анод 3 містить жорстко пов'язану з ним пластину 11 для герметичного розділення катодної і променеводної частин прожектора, в якому, за винаходом, спільна оптична вісь катодного вузла і прискорюючого анода відхилена від оптичної осі променеводу на кут а, що дорівнює 1030°. Як видно з креслень, що додаються, і наведеного опису, в запропонованій конструкції електронно-променевого прожектора з лінійним термокатодом, на відміну від реальної конструкції прототипу (Фіг. 2), катодний вузол і прискорюючий анод розташовуються під кутом а до вертикальної осі променеводу, тобто їхня спільна оптична вісь відхилена від оптичної осі променеводу на кут а, що дорівнює 1030°. 3 UA 113607 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Пристрій працює таким чином: При подачі на електронно-променевий прожектор напруги від джерела живлення струм розжарювання, проходячи крізь катодотримачі 8 та лінійний термокатод 7, нагріває його до температури, при якій відбувається термоелектронна емісія. Одночасно з цим на катодний вузол 6 подається висока напруга (негативний потенціал) від високовольтного джерела живлення. Електрони, які вилетіли з поверхні лінійного термокатода, прискорюються уздовж оптичної осі катодного вузла-прискорюючого анода в електричному полі, прикладеному між катодним вузлом 6 та прискорюючим анодом 3, які електрично розділені високовольтними ізоляторами 4. Пройшовши крізь прискорюючий анод, електронний промінь рухається за інерцією по спільній оптичній осі катодного вузла-прискорюючого анода, потрапляючи в променевід 1 під кутом а до його оптичної осі. Відхиляюча електромагнітна система 2 забезпечує відхилення траєкторії електронного променя на необхідний кут при його виході з променеводу. При цьому основні параметри променя (розмір фокальної плями, питома потужність і тому подібне) і його керування в двох координатах залишаються незмінними. Розташування лінійного термокатода в запропонованій конструкції забезпечує мінімізацію негативної дії на нього потоку іонів і виключає попадання на його поверхню атомів і молекул випаровуваних матеріалів при проведенні технологічних процесів плавки і випаровування. Це забезпечує істотне (у 3-3,2 разу) збільшення терміну служби лінійного термокатода, вищу стабільність електронно-оптичних параметрів. Найбільший ефект застосування заявленого електронно-променевого прожектора з лінійним термокатодом досягається у випадках, коли потрібний тривалий час роботи електронно-променевої установки без розгерметизації камери і заміни термокатода в разі процесів плавки і випаровування в середовищі реактивних газів, наприклад, кисню. Приклад 1 Електронно-променевий прожектор типу ПЕ-123 потужністю 60 кВт із стандартним лінійним термокатодом (вольфрамова пластина розміром 10030,6 мм) був встановлений в електронно-променевій установці типа УЕ-207 і використовувався для випару зливків сплаву типу СДП-1 (Ni-18 % Cr-12 % Al-0,2 % Y) діаметром 68,5 мм, розміщених у водоохолоджуваному мідному тиглі діаметром 70 мм. Відстань від площини променеводу до поверхні тигля складала 680 мм. Кут відхилення спільної оптичної осі катодного вузла і прискорюючого анода відносно оптичної осі променеводу змінювався в межах від 0° до 30°. Тиск залишкових газів в робочій -2 камері установки під час випаровування зливків знаходився на рівні 210 Па, прискорююча напруга - 20 кВ, струм променя для випаровування - 1,5 А. Фіксувався час напрацювання лінійного термокатода при струмі випаровування, випробування припинялися після зміни (порушення) форми електронного променя, при якому ставало неможливим проведення процесу випаровування. Результати проведених випробувань, що представлені на Фіг. 3, показують, що максимальне збільшення довговічності лінійного термокатода досягається при кутах відхилення спільної оптичної осі катодного вузла і прискорюючого анода по відношенню до оптичної осі променеводу в інтервалі 20-25°. ПРИКЛАД 2 Електронно-променевий прожектор типу ПЕ-123 потужністю 60 кВт із стандартним лінійним термокатодом (вольфрамова пластина розміром 100×3×0,6 мм) був встановлений в електронно-променевій установці типа УЕ-202 і використовувався для випару керамічних злитків типу ZrО2-8 %Y2O3 діаметром 68,5 мм, розміщених у водоохолоджуваному мідному тиглі діаметром 70 мм. Кут відхилення спільної оптичної осі катодного вузла і прискорюючого анода відносно оптичної осі променеводу складав 20°, кут відхилення пучка електронів на виході з променеводу від електронної оптичної осі променеводу також складав 20°. Тиск залишкових газів в робочій -2 камері установки під час випаровування зливків знаходився на рівні 510 Па, прискорююча напруга - 20 кВ, струм променя для випаровування - 1,6 А. В процесі випаровування робочу 3 камеру установки подавався кисень в об'ємі близько 200 см /хв. Зафіксований середній час роботи лінійного термокатода електронно-променевого прожектора при цьому струмі склав 95 годин, випробування припинені у зв'язку з погіршенням геометричних параметрів променя, через що неможливо було вести стабільне випаровування. Як базове значення для порівняння використовувалися результати аналогічних випробувань стандартного лінійного термокатода тих самих розмірів традиційного електронно-променевого прожектора типу ПЕ-123, в якому оптична вісь катодного вузла, прискорюючого анода і променеводу збігалися, встановленого в електронно-променевій установці УЄ-202 (позиції всіх 4 UA 113607 C2 5 10 15 20 25 30 випробуваних гармат в установці УЕ-202 і всі технологічні параметри випару зливків були ідентичні). Зафіксований середній час роботи лінійного термокатода традиційного електроннопроменевого прожектора склав 30 годин, випробування припинені у зв'язку з погіршенням геометричних параметрів променя, через що неможливо було вести стабільне випаровування. Зовнішній вигляд лінійних термокатодів після випробувань традиційного електроннопроменевого прожектора і електронно-променевого прожектора, що заявляється, представлені на Фіг. 4. Характерною особливістю пошкодження поверхні лінійного термокатода традиційного електронно-променевого прожектора є наявність ерозійних пошкоджень в центральній зоні термокатода і осадження на його поверхні випаровуваного матеріалу (кераміки на основі діоксиду цирконію). Поверхня лінійного термокатода електронно-променевого прожектора, що заявляється, не мала слідів випаровуваного матеріалу, спостерігався лише незначний вплив від дії іонного бомбардування уздовж поверхні термокатода. Вказаний позитивний ефект досягається завдяки розташуванню катодного вузла і прискорюючого анода таким чином, що їх спільна електронна оптична вісь відхилена під кутом до електронної оптичної осі променеводу, завдяки чому поверхня лінійного термокатода видалена із зони, де спостерігається інтенсивне іонне бомбардування і осадження випарованих матеріалів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Електронно-променевий прожектор з лінійним термокатодом для електронно-променевого нагріву, що складається з променеводу (1), який містить відхиляючу електромагнітну систему (2), із закріпленого на ньому, за допомогою стійок (10), прискорюючого анода (3), сполученого високовольтними ізоляторами (4) через катодну плиту (5) з катодним вузлом (6), що містить лінійний термокатод (7), закріплений в катодотримачах (8), і фокусуючий електрод (9), при цьому прискорюючий анод (3) містить жорстко пов'язану з ним герметичну пластину (11) для герметичного розділення катодної і променеводної частин прожектора, який відрізняється тим, що катодний вузол (6), прискорюючий анод (3) і променевід (1) розміщені так, що спільна оптична вісь катодного вузла (6) і прискорюючого анода (3) відхилена від оптичної осі променеводу на кут , що дорівнює 1030°. 5 UA 113607 C2 6 UA 113607 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак 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 7