КАТОДНО-ПОДОГРЕВАТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПУШКИ
CATHODE-HEATING UNIT FOR AN ELECTRON BEAM GUN

Изобретение относится к электротехнике, в частности к приборам и устройствам для термообработки материалов и изделий в вакууме и может быть использовано в конструкции электронно-лучевой пушки для плавки тугоплавких металлов.
Вакуумная электронно-лучевая пушка для плавки тугоплавких металлов в вакууме может содержать или только катод прямого накала или одновременно катод прямого и электронного накала. Катоды устанавливаются в цилиндрическую диэлектрическую стойку с высоковольтными вводами и системой охлаждения. Электронный накал формируется путем торможения электронного пучка первичного катода прямого накала. То есть катодный узел выполнен в виде двух контуров, один из которых содержит спиральный нагревательный узел прямого накала, а на некотором удалении от него по оси катода располагается катод электронного накала. К катоду прямого накала прикладывается сравнительно небольшое напряжение накала, а между катодом прямого накала и катодом электронного накала устанавливается источник высокого напряжения, который способствует протеканию тока от катода прямого накала с целью разогрева катода электронного накала, являющегося анодом для источника питания электронного накала. Однако, используемая дисковая форма катодов как прямого, так и электронного накала обуславливает неравномерность теплового поля по торцам диска, что приводит к неравномерности токосъема с поверхности.
Так, известен катодно-подогревательный узел, конструктивное исполнение которого и способ изготовления защищены патентом SU №1395023 «Катодно-подогревательный узел и способ его изготовления», H01J 1/20, H01J 9/04, опубл. 20.06.2000. Известный катодно-подогревательный узел содержит корпус, таблеточный керн, на внешней стороне которого расположен эмитирующий слой, а с внутренней стороны размещен плоский спиральный подогреватель, покрытый алундовым составом. На внутреннюю сторону керна нанесена никелевая губка, в которой выполнена канавка с поперечным сечением трапецеидальной формы глубиной 1,2-1,3 и шагом 3-4 диаметра проволоки подогревателя, ширина меньшего основания трапеции составляет 0,5 шага канавки, а подогреватель размещен в канавке. Такое исполнение конструкции известного катодно-подогревательного узла позволяет повысить его КПД, надежность и ресурс работы. Однако, основным недостатком известного катодно-подогревательного узла является неравномерность нагрева поверхности катода из-за потерь тепла по краям.
Известна также электронно-лучевая пушка Чвертко А.И. и др. Оборудование для электронно-лучевой сварки. Киев: Наукова Думка, 1973 г. с. 129, 136. Известная электронно-лучевая пушка содержит цилиндрический корпус с высоковольтным вводом, в котором установлен вакуумно-плотный изолятор катодно-подогревательного узла, содержащий держатели термокатода и нагревателя, анодный фланец с анодным электродом, опирающимся на лучевод, выполненный в виде герметичной капсулы с встроенными магнитными линзами, и вакуумную камеру с откачными патрубками. Основным недостатком известной электронно-лучевой пушки с катодно-подогревательным узлом является неравномерность нагрева поверхности катода из-за потерь тепла по краям, вызывающая уменьшение эффективной эмитирующей зоны, уменьшение максимального значения снимаемого тока. При работе известной электронно-лучевой пушки в режиме плавления пары расплава металла снижают уровень остаточного давления, что способствует еще большей неравномерности нагрева. Существенно снижается надежность работы в области формирования пучка, поскольку откачка газа осуществляется через лучевод, проходимость которого ограничена размерами анодного отверстия.
6
Как правило, стабильные параметры электронно-лучевого оборудования для плавки, сваривания или напыления тугоплавких материалов достигаются при использовании электронно-лучевого метода нагрева эмиттера. Однако, имеется нестабильность температурного поля по поверхности катода, связанная с неравномерностью отдачи тепла в окружающее пространство. Внешняя сторона цилиндрического аксиально-симметриченого катода охлаждается лучше, чем центральная часть, что приводит к неравномерности температурного поля по поверхности катода и, как следствие, неравномерности эмиссии. Для выравнивания эмиссии неоходимо обеспечить равномерность нагрева поверхности дискообразного катода электронного накала, например, из LaB. Этого можно достичь путем создания компенсационной неравномерности вспомогательного электронного пучка, обеспечивающего его нагрев. Интенсивность электронного пучка обеспечивается температурой первичного катода прямого накала.
Учитывая вышеизложенное, актуальной задачей при разработке и конструировании электронно-лучевой пушки с катодно-подогревательным узлом является достижение равномерности электронного пучка, направляемого с основного катода электронного накала. Этого возможно достичь путем использования нагревательного элемента секционированной конструкции для создания повышенного градиента температуры на краях катода прямого накала, приводящего к местному повышению эмиссионной способности катода прямого накала.
Задача изобретения - повышение надежности и увеличение ресурса работы катодно-подогревательного узла, повышение степени равномерности плотности электронного пучка с основного катода электронного накала.
Техническим результатом изобретения является разработка надежного и высокоресурсного катодно-подогревательного узла для электроннолучевой пушки, обеспечивающего повышенную степень равномерности плотности электронного пучка с основного катода электронного накала.
Поставленная задача и требуемый технический результат достигаются за счет того, что катодно-подогревательный узел для электронно-лучевой пушки закреплен в вакуумно-герметичной камере, состоящей из двух камер: катодной камеры высокого вакуума и плавильной камеры низкого вакуума, разделенных дисковым вакуумно-прочным изолятором с основным дисковым катодом электронного накала в центре, соосно с которым в катодной камере высокого вакуума установлен дополнительный прямонакальный катод с тепловым экраном. Дополнительный прямонакальный катод исполнен в виде секционированного нагревателя как плоский спиральный нагревательный элемент, состоящий из центральной и периферийной частей. Каждая из частей, центральная и периферийная, отдельно, подключены к независимым внешним источникам питания через вводы напряжения накала. На поверхностях центральной и периферийной частей точечно и жестко установлены два, но не ограничиваясь этим, датчика температуры, связанных электрической связью с внешними электронными регуляторами для автоматической регулировки напряжения накала независимых внешних источников питания. Центральная и периферийная части дополнительного прямонакального катода в точках подведения напряжения накала прикреплены к независимым держателям, закрепленным в корпусе катодной камеры высокого вакуума и расположенным на таком расстоянии друг от друга, при котором, при вертикальном расположении электронно-лучевой пушки, обеспечивающем вертикальное протекание электронного пучка, провисанием нагретых до рабочей температуры основного дискового катода и частей дополнительного прямонакального катода можно пренебречь.
Наиболее простой способ получения неравномерного компенсационного электронного пучка - использование секционированного нагревательного элемента первичного катода. Внешняя часть такого спирального катода нагревается больше, чем внутренняя, что приводит к увеличению его эмитирующей способности и, соответственно, большему току. В результате первичным катодом формируется более интенсивный цилиндрический электронный пучок, состоящий в центральной части меньшей интенсивности, чем внешний трубчатый пучок электронов. Таким образом, вторичный, основной, дисковый катод получает с внешней стороны больше энергии, чем в центральной части. Этот избыток энергии компенсирует уменьшение температуры на краях, что обеспечивает выравнивание температурного поля по поверхности дискообразного электронного катода.
Конструктивно катодно-подогревательной узел электронно-лучевой пушки плавильного комплекса состоит из двух катодов, основного дискового электронного накала, например, из гексаборида лантана и дополнительного прямонакального, например, спирального вольфрамового. Основной дисковый катод располагается непосредственно в зоне низкого уровня вакуума плавильной камеры, а дополнительный - в отдельной камере при сравнительно высоком уровне вакуума, обладающего низкой термоокислительной устойчивостью. Основной дисковый катод имеет рабочую температуру, существенно превышающую температуру расплава (более 2000°С), а температура дополнительного катода значительно ниже (менее 1200°С) и расположена в интервале рабочих температур, например, вольфрама. При работе основной дисковый катод электронного накала имеет термическую неравномерность, выражающуюся в периферийной потере тепла по краям диска, приводящую к снижению температуры этой части рабочей поверхности, а соответственно, к снижению основного рабочего выходного тока. Для получения температурной равномерности по всей рабочей поверхности основного катода электронного накала создается периферийное увеличение подводимой мощности электронного пучка нагревающего его электронного тока периферийной части дополнительного катода, нагреваемого «джоуэлевым» теплом протекающего через него электрического тока. Конструктивно дополнительный прямонакальный спиральный катод состоит из двух частей: центральной и периферийной, работающих в катодная камере при более высоком уровне вакуума. Путем увеличения удельной мощности, прикладываемой к периферийной части дополнительного прямонакального спирального катода, ее температура больше температуры центральной части. Благодаря этому обеспечивается большая амплитуда тока, генерируемого периферийной частью дополнительного спирального катода, падающего на основной катод по сравнению с центральной частью, обеспечивая компенсацию потерь тепла на периферии этого основного дискового катода. Таким образом, температура основного дискового катода становится практически равномерной по всей поверхности.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее подробное описание и прилагаемые чертежи. На фигуре 1 показана конструкция катодного узла с основным катодом электронного накала и дополнительным прямонакальным секционированным катодом, на фигуре 2 показан вид секционированного спирального дополнительного прямонакального катода. На фигурах:
1 - катодная камера высокого вакуума,
2 - плавильная камера низкого вакуума,
3 - дисковый вакуумно-прочный изолятор,
4 - основной дисковый катод электронного накала,
5 - центральная часть дополнительного прямонакального катода,
6 - периферийная часть дополнительного прямонакального катода,
7 - тепловые экраны,
8 - датчик температуры,
9 - канал ввода информации от датчика температуры 8,
10, 14 - точки подведения напряжения накала для периферийной 6 части дополнительного прямонакального катода,
11 - фокусирующие электроды,
12 - поток электронов от дополнительного прямонакального катода,
13 - поток электронов от основного дискового катода 4 электронного накала,
15 - точка подведения напряжения накала для центральной 5 части дополнительного прямонакального катода,
16 - независимые держатели с вводами напряжения накала для центральной 5 и периферийной 6 частей дополнительного прямонакального катода.
Катодно-подогревательный узел для электронно-лучевой пушки состоит из закрепленных в вакуумно-герметичной камере двух камер: катодной камеры 1 высокого вакуума, в которой формируется первичный промежуточный электронный пучок - поток 12 электронов, и плавильной камеры 2 низкого вакуума, в которой формируется и выходит в зону плавления пучок 13 электронов от основного катода 4 электронного накала. Выделение зоны высокого и низкого уровней вакуума способствует увеличению срока службы основного катода 4 катодно-подогревательного узла. Камеры 1 и 2 разделены дисковым вакуумно-прочным изолятором 3, в центре которого установлен основной дисковый катод 4 электронного накала. Соосно с основным дисковым катодом 4 в катодной камере 1 высокого вакуума установлен дополнительный прямонакальный катод, закрытый кольцевым тепловым экраном 7 с фокусирующим электродом 11. Дополнительный прямонакальный катод исполнен в виде секционированного нагревателя как плоский спиральный нагревательный элемент, состоящий из центральной 5 и периферийной 6 частей. Каждая из частей, центральная 5 и периферийная 6, отдельно, подключены к независимым внешним источникам питания (на чертежах не показаны) через вводы 10, 14, 15 напряжения накала. На поверхностях центральной 5 и периферийной 6 частей точечно и жестко установлены датчики 8 температуры. Датчики 8 через каналы ввода 9 информации связаны электрической связью с внешними электронными регуляторами для автоматической регулировки напряжения накала независимых внешних источников питания. Центральная 5 и периферийная 6 части дополнительного прямонакального катода в точках подведения напряжения накала прикреплены к независимым держателям 16, закрепленным в корпусе катодной камеры 1 высокого вакуума. Независимые держатели 16 закреплены в корпусе катодной камеры 1 высокого вакуума, и расположенным на таком расстоянии друг от друга, при котором, при вертикальном расположении электронно-лучевой пушки, обеспечивающем вертикальное протекание электронного пучка 13, провисанием нагретых до рабочей температуры основного дискового катода 4 и частей 5 и 6 дополнительного прямонакального катода можно пренебречь.
Секционированный спиральный дополнительный прямонакальный катод расположен внутри камеры 1 высокого вакуума, он закрыт кольцевым тепловым экраном 7 с фокусирующим электродом 11 и создает первичный электронный пучок 12. В этой же камере 1 находится часть основного дискового катода 4 электронного накала, выполняющая функции анода для секционированного дополнительного прямонакального катода, с дисковым несущим керамическим вакуумно-прочным изолятором 3 и частью теплового экрана 7. Внутри камеры 2 низкого вакуума находится катодная часть основного дискового катода 4 электронного накала с открытой стороной, эмитирующей силовой электронный пучок 13 в направлении плавильной камеры для выпуска силового электронного пучка в зону плавки или пространство лучевода электронно-оптической системы, формирующего электронный пучок (на рисунке не показан).
Катодно-подогревательный узел с электронным накалом предназначен для формирования мощного электронного пучка 13, используемого при плавке металлов в вакуумной камере, например, электронно-лучевого плавильного комплекса.
Работает катодно-подогревательный узел электронно-лучевой пушки плавильного комплекса следующим образом. Пучок 12, имеющий более высокую плотность потока электронов на периферии, создаваемый частями 5 и 6 спирального прямонакального катода в высоковакуумной камере 1, направляется в сторону внутренней поверхности основного катода 4 электронного накала, выполняющего две функции, в данном случае, со стороны камеры 1, функцию анода, питаемого от дополнительного высоковольтного источника питания (на чертеже не показан). Пучок 12 электронов формируется, как минимум, с помощью своего фокусирующего электрода 11, под воздействием электрического поля, создаваемого ускоряющим напряжением от дополнительного высоковольтного источника питания (на чертеже не показан). Ток идет на расположенную в камере 1 поверхность основного катода 4 электронного накала, выполняющего, в данном случае, функции анода для секционированного катода прямого накала. Торможение электронного тока на этом аноде приводит к разогреву со стороны камеры 2 внутренней поверхности основного дискового катода 4 электронного накала, который обладает высокой степенью теплопроводности, например, гексаборид лантанового, до экстремально высокой температуры, превышающей температуру расплава в тигле с переплавляемым металлом. Получаемый с внешней поверхности пучок 13 электронов от основного катода 4 электронного накала также формируется сначала своим фокусирующим электродом 11 и далее своей электронно-оптической системой в направлении тигля с расплавом плавильной камеры электронно-лучевого плавильного комплекса. Неравномерность исходящей плотности тока секционированного прямонакального катода, благодаря повышению температуры его внешней части, обеспечивает повышение выделяемой мощности на периферийной части основного катода 4, что обеспечивает компенсацию снижения температуры внешней, периферийной части основного катода 4, а соответственно, приводит к равномерности токоотбора от этого основного катода 4, что способствует не только повышению его срока службы, но и более эффективному использованию рабочей поверхности при эмиссии электронов.
Таким образом, использование нагревательного элемента секционированной спиральной конструкции для создания повышенного градиента температуры на краях катода прямого накала, приводящего к местному повышению эмиссионной способности данного катода, способствует достижению равномерности электронного пучка, направляемого с основного катода электронного накала электронно-лучевой пушки в направлении плавильной камеры плавильного комплекса, повышая надежность, увеличивая ресурс работы катодно-подогревательного узла и электронно-лучевого плавильного комплекса в целом.
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании данного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее данное изобретение при его осуществлении, относится к электротехнике, в частности к приборам и устройствам для термообработки материалов и изделий в вакууме и может быть использовано в конструкции электронно-лучевой пушки для плавки тугоплавких металлов;
- для вышеприведенного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;
- средство, воплощающее изобретение при его осуществлении способствует повышению надежности и увеличению ресурса работы катодно-подогревательного узла электронно-лучевой пушки, повышению степени равномерности плотности электронного пучка с первичного катода прямого накала.
Следовательно, данное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».