УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПУШКИ R-250
DEVICE OF ELECTRON BEAM GUN R-250

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для плавления любых металлов, включая тугоплавкие и химически активные.
В качестве аналога предлагаемого изобретения принято устройство электронно-лучевой пушки без ускоряющего анода, разработанной фирмой «Темескал» (США) [1]. Пушка представляет собой диод, катодом которого служит кольцо из вольфрамовой проволоки, а анодом - расправляемый металл. Катод окружен тороидальным фокусирующим электродом. В пушках большой мощности катод выполнен в виде сегментированного кольца, фокусирующий элемент интенсивно охлаждается водой. Простота конструкции, легкость смены катода, равномерность нагрева металла и возможность получения большой мощности при относительно низком ускоряющем напряжении обусловили широкое применение пушек этого типа в первых промышленных установках. Однако в настоящее время они практически не применяются, поскольку работают недостаточно стабильно из-за частых дуговых разрядов между катодом и анодом и имеют низкую стойкость катода.
Наиболее близким техническим решением, в качестве прототипа, является электронная пушка ВТР 250/25, состоящая из трех узлов (Фиг.1): катодного узла К, высоковольтного ввода В и анодного узла А [2].
Катодный узел (Фиг.2) состоит из катода 1, заключенного в оправу 2 и закрепленного с помощью специальной диэлектрической гайки 6, прижимного кольца 5 и резиновой первой прокладки 4 на изоляторе 3. Рабочая поверхность катода, обращенная к разряду, выполнена в виде вогнутой сферы радиусом 120 мм. Ее охлаждение проточной водой осуществляется через первые каналы 7 и второй канал 8, образуемый между вставкой 9, ввернутой в полость катода, и внутренней поверхностью катода. Катодный узел крепится к анодному узлу с помощью четырех шпилек 10 (М10) через резиновую третью прокладку (Фиг. 3, поз. 22).
Анодный узел (Фиг. 3) включает в себя охлаждаемый водой корпус анода 14, на котором смонтированы отклоняющая система 11, плата 12 с ламелями, магнитная линза 13 и штепсельный разъем 15 для подсоединения кабеля от блока управления электронным лучом к пушке. Магнитная линза, плата и отклоняющая система закрыты от механических повреждений и попадания воды при монтаже и транспортировке пушки защитными кожухами 16 с крышкой 17. Последние создают также дополнительное ослабление рентгеновского излучения, исходящего от анода. Отклоняющая система - с двумя гальванически развязанными комплектами катушек (отдельно - для смещения и отдельно - для развертки электронного луча) на тороидальном наборном сердечнике из электротехнической стали.
Первый штуцер 18 подачи охлаждающей воды расположен в первом фланце 19, с помощью которого пушка через резиновую вторую прокладку 20 (Фиг. 1, поз. 2) подсоединяется к технологической камере установки. Штуцер слива воды (на Фиг. 3 не показан) расположен во втором фланце 21, к которому через резиновую третью прокладку 22 крепится катодный узел. Здесь же расположены:
- второй штуцер 23 канала подвода рабочего газа в разрядное пространство, оканчивающегося кольцевым зазором между втулкой 24 и внутренней поверхностью анода,
- арматура 25 датчика 26 ионизационного вакуумметра, измеряющего давление в пушке через третий канал 27,
- концевой выключатель 28, который может быть использован для блокировки включения высокого напряжения при снятом кожухе высоковольтного ввода.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования и расширение технических возможностей.
Поставленная задача достигается тем, что электронно-лучевая пушка содержит охлаждаемый анодный узел со втулкой, охлаждаемый катодный узел со вставкой для ввода высокого напряжения, штуцер подачи водорода, фокусирующую электромагнитную линзу и отклоняющую систему, отличающаяся тем, что между торцом вставки для ввода высокого напряжения и обратной стороной катода выполнен U-образный канал для охлаждения катода с сужающимся к его центру сечением посредством выполненного в форме клина торца упомянутой вставки. Корпус анодного узла содержит охлаждаемый корпус со спиралевидным каналом, фокусирующая электромагнитная линза состоит из независимых друг от друга трех электромагнитных катушек, жестко установленных на аноде в стальных корпусах, при этом каждая катушка имеет отдельный регулируемый источник питания. Отклоняющая система электронно-лучевой пушки изготовлена в виде кольца и установлена на корпус анода со стороны его нижнего торца, в корпусе анода по холодной посадке установлена медная втулка для подачи водорода в разрядную камеру, при этом для закручивания потока водорода на внешней стороне втулки выполнены каналы под углом к оси втулки.
Предложенное устройство изображено на Фиг.4. Устройство содержит охлаждаемый анодный узел А, охлаждаемый катодный узел К, узел высоковольтного ввода В, второй штуцер 23 подачи водорода, фокусирующую электромагнитную линзу 13, отклоняющуюся систему 11.
Для обеспечения работы электронно-лучевой пушки R-250 необходим ряд систем, обеспечивающих электропитание, охлаждение и откачку пушки, а также подачу рабочего газа и измерение параметров пушки во время работы. Кроме того, необходимы управление электронным лучом, блокировка высокого напряжения при различных аварийных и нерасчетных режимах.
Электронно-лучевая пушка R-250 предназначена для нагрева, плавления, испарения и модификации материалов в условиях технологических установок как высокого, так и низкого вакуума. Пушка работает от источника напряжения. Источников питания накала не требуется. Регулирование мощности обеспечивается изменением подачи рабочего газа - технического водорода или изменением величины питающего напряжения. Возможно применение других газов: воздуха, азота, кислорода, инертных газов.
В процессе работы на катоде и на аноде электронно-лучевой пушки R-250 выделяется в виде тепла часть мощности, подводимой к пушке от источника питания. Доля мощности, выделяемая на катоде, зависит от материала его рабочей поверхности и уровня напряжения, уменьшаясь с ростом последнего. При уровне напряжении 20-КЗО кВ она составляет соответственно около 5-4% мощности разряда.
Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что тепловыделение на электродах пушки при максимальных и неблагоприятных режимах могут достигать 10-15 кВт, что требует интенсивного принудительного водяного охлаждения как катода, так и анода. Гидравлические сопротивления каналов охлаждения катода и анода, включая магистрали подачи и слива, позволяют пропускать через них при давлении 4 атм до 0,25 л/сек воды, что позволяет иметь двукратный запас по охлаждению. В процессе длительной эксплуатации тепловыделение на электродах может вырасти, а эффективность их охлаждения может уменьшиться, что в итоге приводит к выходу пушки из строя. Поэтому очень важен контроль тепловыделения на электродах, особенно на катоде.
На Фиг.5 изображен катодный узел, который состоит из катода 1, заключенного в оправу 2 и закрепленного с помощью специальной диэлектрической гайки 6, прижимного кольца 5 и резиновой первой прокладки 4 на изоляторе 3. Токоподвод осуществляется через вставку 9. Охлаждение катода осуществляется проточной водой через первые каналы 7.
Для того чтобы снизить тепловую нагрузку на катоде, в предлагаемом изобретении применено U-образное охлаждение обратной стороны рабочей поверхности катода, обращенной к разряду. Это позволило уменьшить сопротивление воды по сравнению с прототипом и, соответственно, увеличило эффективность охлаждения. Вода, выводимая с катода предложенной конструкции, на 25% холоднее, чем на конструкции прототипа.
На Фиг.6 изображен анодный узел, который включает в себя охлаждаемый водой корпус анода 14, на котором смонтированы отклоняющая система 11, магнитная линза 13а; 13b; 13с в магнитном корпусе 29. Для подвода воды используется первый штуцер 18, для выхода воды третий штуцер 30. Второй штуцер 23 служит для подвода водорода внутрь разрядной камеры. Для рассеяния водорода внутри камеры служит медная втулка 31. Для создания герметичности между анодом и катодом применяется второе кольцо 32, уплотняемое стяжными болтами 33. К печи анод крепится через уплотнение 34 за счет третьего фланца 35.
Втулка 31 выполнена в предлагаемом устройстве из меди. Для того чтобы водород между втулкой и внутренней поверхностью анода проходил и более равномерно распределялся в разрядной камере, на втулке делаются наклонные каналы. Поэтому водород, попадая в эти каналы, выходит в разрядную камеру с вращением. Это позволяет ему более равномерно распределяться в объеме камеры и это приводит к более стабильной работе пушки, а также к более стабильному выключению пушки.
Для того чтобы медная втулка не сгорала от попадания на нее луча, она устанавливается в анод методом холодной посадки, то есть перед ее установкой, медная втулка охлаждается азотом. После установки в анод втулка нагревается и плотно прижимается к аноду. Это позволяет ее более эффективно охлаждать. В прототипе для втулки используется молибденовое кольцо, это более дорогой материал. Хотя молибден более тугоплавкий, чем медь, это его не спасет от оплавления при попадании на него луча.
Магнитная линза 13 в прототипе выполнена из одной катушки, для настройки фокуса на пушке она может перемещаться по корпусу анода, который выполнен в виде цилиндра. В предлагаемом изобретении корпус анода 14 (Фиг.6) выполнен ниже критической части в виде конуса, который имеет геометрию боковой стенки, выполненной параллельно лучу, проходящему внутри него. Данная геометрия позволила уменьшить объем внутреннего пространства анода, что в свою очередь, позволило приблизить магнитную линзу к лучу и более эффективно на него воздействовать.
Для того чтобы расширить технологические возможности пушки при плавлении, а именно фокусировать луч в более мелкое или наоборот в более крупное пятно, магнитная линза (Фиг.6. 13а; 13b; 13с) выполнена из трех самостоятельных катушек. Каждая катушка снабжена собственным источником питания и имеет отдельные магнитные корпуса. Основной рабочий фокус луча производится средней катушкой, верхняя и нижняя катушка подстраивают этот фокус до нужной величины. Данное отличие позволяет делать магнитную линзу, жестко установленную на аноде, и настраивать любой требуемый фокус луча. Данная особенность позволяет более эффективно производить охлаждение катушек.
Магнитная отключающая система в прототипе создана на основе сборного якоря. Поэтому магнитную отклоняющую систему приходится собирать и монтировать непосредственно на корпусе анода. В предлагаемом изобретении (Фиг.6) отклоняющая система 11 монтируется на цельный якорь, представляющий из себя кольцо. Это позволяет уменьшить габариты отклоняющей системы и повысить ее эффективность за счет снижения потерь на якоре. Конструкция корпуса анода позволяет устанавливать отклоняющую систему на него в виде кольца снизу. Это очень удобно и значительно упрощает работу в изготовлении отклоняющей системы.
В прототипе охлаждение анода в нижней его части идет по спирали, а в верхней части по прямой. Поэтому верхняя часть анода охлаждается неэффективно, особенно критическая часть, откуда поступает водород. Поэтому аноды в прототипе могут выходить из строя за счет проплавления корпуса анода. В предлагаемом изобретении (Фиг.6) весь корпус анода 14 охлаждается по спирали, что позволяет значительно снизить вероятность его проплавления.
Работа пушки показала, что температура воды понизилась на 20% по сравнению ее с конструкцией прототипа. Это показатель более эффективной степени охлаждения корпуса анода.
В конструкции прототипа водород поступает в критическую часть анода по длинной траектории, так как штуцер установлен в верху анода, а выход во внутрь находится в средней части анода. Это снижает скорость изготовления анода и повышает вероятность утечки водорода по сварным швам канала. Для устранения этих недостатков в предлагаемом изобретении (Фиг.6) проработана конструкция, где водород попадает внутрь разрядной камеры через второй штуцер 23 по кратчайшей траектории, то есть по прямой линии. При этом конструкция спирали охлаждения корпуса анода 14 совпадает с этим каналом, что позволяет эффективно охлаждать, как корпус анода, так и канал, по которому проходит водород.
Все вышеперечисленные отличия делают работу пушки более эффективной, поэтому изобретение может быть полезным для производства электронно-лучевой печи.
Источники информации
[1]. Б.Ж. Патон и др. - Электронно-лучевая плавка титана. - Киев: Из-во "Наукова Думка". 2006 г., стр.199.
[2]. Статья. Министерство научной и технической политики РФ. Государственный научный центр РФ «ВЭИ им. В.И.Ленина». - Мощная электронная пушка высоковольтного тлеющего разряда и энергоблок на ее основе, В.А.Чернов, Москва, 1994 г.