ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ МОДУЛЯЦИИ ТОКА

7
2
Электронно-лучевая сварка требует высокой плотности мощности электронного луча (более 10 Вт/см), что достигается большими значениями тока электронного луча (более 100 мА) сосредоточенного в малом апертурном угле. Напротив, для наблюдения стыка свариваемых деталей в режиме растрового сканирования электронным лучом без существенного термического воздействия на их поверхность требуется понижение мощности пучка приблизительно на два порядка величины [O.K.Назаренко и другие. Электронно-лучевая сварка, издательство «Наукова думка», Киев, 1987]. Применение одной электронной пушки в двух режимах - сварки и сканирования - затрудняется тем, что при запирании пучка путем подачи отрицательного потенциала на управляющий электрод резко изменяется геометрия формируемого пучка. В частности многократно возрастает значение апертурного угла, что приводит к увеличению размера электронного зонда, потере глубины фокуса и, как следствие, ухудшению разрешения изображения стыка свариваемых деталей.
Заявляемое конструктивное решение электронной пушки для прецизионной электронно-лучевой сварки решает задачу формирования слаборасходящегося электронного пучка с одинаково малым апертурным углом около 10 миллирадиан в двух режимах - в режиме сварки при токе пучка более 100 мА и режиме слежением за стыком свариваемых деталей при токе менее 1 мА.
Аналогом заявляемого устройства является трехэлектродная электронная пушка Штейгервальда [З.Шиллер и др.. Электронно-лучевая технология, издательство «Энергия», Москва, 1980 г.], предназначенная для формирования пучка с энергией 150 кэВ и током 50 или 100 мА.
Прототипом заявляемого устройства является электронная пушка Пирса [J.R. Pierce, Theory and design of electron beams, D. Van Nostrand company, Toronto, New-York, London, 1954], состоящая из катода, анода и конического формирующего электрода с углом образующей 67,5 градусов. При этом формирующий электрод находится под потенциалом катода. Пушка Пирса генерирует практически параллельный электронный пучок, ее недостатком является невозможность работы при разных значениях тока электронного пучка.
Конструкция заявляемой электронной пушки включает:
- термоэмиссионный катод;
- управляющий электрод;
- анод с отверстием.
Конструктивное решение отличается тем, что:
1. Внутренняя поверхность управляющего электрода представляет собой конус с углом образующей 60 градусов и высотой Н не менее расстояния L от катода до анода, как иллюстрируется Фиг.1;
2. Управляющий электрод имеет центральное отверстие, диаметр которого в два раза превосходит диаметр катода;
3. Потенциал управляющего электрода равен потенциалу катода в режиме генерирования пучка с высоким током (режим сварки) и отрицателен по отношению к потенциалу катода в режиме сканирования;
4. Анод представляет собой полый цилиндр с диаметром отверстия больше диаметра катода.
Конструктивное решение и работа устройства поясняется следующими рисунками и таблицами:
- Фиг.1. Геометрия электродов эмиссионной системы;
- Фиг.2. Зависимость апертуры формируемого пучка от угла образующей конической поверхности управляющего электрода;
- Фиг.3. Зависимость тока формируемого электронного пучка, апертурного угла и диаметра кроссовера от потенциала управляющего электрода;
- Фиг.4. Распределение плотности электронов пучка, формируемого в режимах сварки и сканирования при токах пучка 125 мА и 1 мА соответственно;
- Табл.1. Основные рабочие параметры эмиссионной системы.
Возможность работы предлагаемого устройства в двух режимах с различными величинами тока электронного пучка подтверждается проведенным численным моделированием при потенциале анода 60 кВ относительно катода, диаметре катода 2,5 мм и размерах L=18 мм, Н=20мм. На Фиг.2 представлена зависимость апертурного угла раскрытия пучка от величины угла образующей конической поверхности управляющего электрода при потенциале этого электрода, равном потенциалу катода. Из расчетов следует, что оптимальным значением угла образующей является 60 градусов. Для этого значения угла проведено компьютерное моделирование работы эмиссионной системы при различных значениях потенциала управляющего электрода, меньших потенциала катода. На Фиг.3 представлены расчетные характеристика эмиссионной системы, а именно зависимости силы тока, апертурного угла и диаметра кроссовера формируемого электронного пучка от отрицательного смещения управляющего электрода. Из сравнения Фиг.3А и 3Б видно, что угловая апертура пучка минимальна и составляет около 10
миллирадиан в двух предельных режимах работы: при нулевом смещении управляющего электрода и токе пучка 125 мА и смещении минус 900 В и токе пучка около 1 мА. При промежуточных значениях тока пучка угол расходимости пучка значительно выше. Диаметр кроссовера электронного пучка во втором режиме приблизительно в три раза меньше, чем в первом, что позволяет получить в режиме сканирования достаточно четкое изображение свариваемых деталей.
На Фиг.4 представлена расчетная плотность электронного пучка внутри эмиссионной системы в двух рассматриваемых режимах работы. Ось Z соответствует оси симметрии, причем нулю оси соответствует положение катода. Ось R представляет радиальную координату.
Основные рабочие параметры эмиссионной системы представлены в Табл.1.
Табл.1. Основные расчетные рабочие параметры эмиссионной системы
Характеристика
Режим сварки
Режим сканирования
Ускоряющее напряжение, кВ
60
60
Потенциал управляющего электрода, В
0
минус 900
Ток пучка, мА
125
1
Мощность, Вт
7500
60
Диаметр пучка в кроссовере, микрон
среднеквадратичный
330
125
но уровню 50%
500
190
Апертурный угол пучка, мрад
среднеквадратичный
7
7
по уровню 50%
10
10