Газоразрядная электронно-лучевая пушка
GAS-DISCHARGE CATHODE-BEAM GUN

Изобретение относится к электронике и электротехнике в области термообработки металлов с целью их вакуумного плавления, испарения, наплавления, сварки, резки, для аддитивных технологий, и может быть использовано в автоматизированных технологических процессах для авиационно-космического, судо- и автомобилестроения, железнодорожного транспорта, двигателе- и машиностроения.
Электронно-лучевые технологии позволяют достигать прорывных результатов. Особо следует выделить:
- электронно-лучевую плавку, которую в настоящее время широко применяют при производстве особо чистых сталей, а также в металлургии титана и других тугоплавких и химически активных материалов;
- электронно-лучевую сварку, которая обеспечивает кинжальное проплавление с очень узким и глубоким швом с минимальной зоной термического воздействия химически активных сплавов (титановых, циркониевых, ниобиевых, молибденовых);
- электронно-лучевое напыление, осаждение с использованием электронно-лучевых испарителей.
Электронно-лучевые технологии плавки, сварки и напыления реализуются с помощью электронных пушек различных типов. В настоящем изобретении речь идет о газоразрядной электронно-лучевой пушке (ГРЭЛП).
В информационном поле существует множество разновидностей ГРЭЛП, в базовой конструкции которых присутствуют следующие обязательные элементы:
- газоразрядная камера;
- катод со сферической эмиссионной поверхностью;
- полый анод;
- высоковольтный токоподвод;
- водяной реостат;
- высоковольтный изолятор;
- лучевод;
- система фокусирующих катушек;
- система отклоняющих катушек;
- система подачи плазмообразующего газа;
- система водоохлаждения;
- фланец.
В основе работы ГРЭЛП лежат следующие явления и процессы, которые сопровождаются проблемами, требующими решения.
В ГРЭЛП используется ионно-электронная эмиссия, когда энергия, вызывающая испускание электронов, передается положительными ионами, бомбардирующими катод.
При постепенном повышении напряжения под действием поля электроны движутся к аноду, а положительные ионы к катоду, но часть заряженных частиц попадает на стенки, часть рекомбинирует. Рекомбинация ионов и электронов − образование нейтральных атомов или молекул из свободных электронов и положительных атомных или молекулярных ионов; процесс, обратный ионизации.
Начиная с какого-то напряжения практически все заряды, рождающиеся в пространстве между электродами, попадают на них. Ток при этом достигает насыщения, и величина его определяется скоростью ионизирующих процессов. Такой процесс называется несамостоятельным разрядом, так как при выключении внешнего ионизатора (в нашем случае это природные факторы) ток между электродами протекать не будет.
Для того чтобы разряд стал самостоятельным, т.е. способным существовать в отсутствие внешнего ионизатора, необходимо, чтобы в результате развития первоначальной лавины появлялся по крайней мере один вторичный электрон, способный создать новую лавину. Переход несамостоятельного разряда в самостоятельный называют электрическим пробоем газа, этот переход происходит при напряжении пробоя (напряжение «зажигания» разряда).
При повышении рабочего давления в пушке до уровня 0,01…0,1 мм рт.ст. и при приложении высокого напряжения (1…30 кВ) в межэлектродном газовом пространстве развивается высоковольтный тлеющий разряд (ВТР).
В процессе обработки изделия с помощью ГРЭЛП в нормальном режиме ВТР имеет место вредное явление восхождения положительных ионов, выбитых с поверхности изделия быстрыми электронами и ускоренно устремленными к катоду ГРЭЛП, в результате чего ресурс работы катода существенно сокращается.
Различают два режима тлеющего разряда: нормальный и аномальный. Режим аномального тлеющего разряда активно используют в устройствах ионно-плазменного напыления тонкопленочных покрытий. В аномальной области с увеличением внешнего тока увеличивается как плотность тока, так и падение потенциала. Возрастание пространственного заряда сопровождается уменьшением ширины так называемого темного пространства. При дальнейшем увеличении тока катод нагревается, и термоэлектронная эмиссия в условиях высокой напряженности поля начинает преобладать над ионно-электронной. Наблюдается резкий спад напряжения, и разряд может перейти в искровой.
Искровой разряд существенно сокращает ресурс работы электродов ГРЭЛП, в особенности, полого анода; вызывает временный отказ в работе ГРЭЛП, который требует ее перезапуска и повторного вывода в рабочий режим. В результате технологический процесс, выполняемый ГРЭЛП, становится прерывистым, а его результат теряет требуемые свойства.
Таким образом, процессы, имеющие место в ГРЭЛП, сопровождаются проблемами:
1) бомбардировкой катода ионами, выбитыми с поверхности обрабатываемого изделия (сокращают ресурс катода);
2) искровыми межэлектродными разрядами (сокращают ресурс полого анода, снижают функциональные возможности ГРЭЛП).
В качестве прототипных устройств, близких по конструкции следует рассмотреть два изобретения.
Изобретение RU 2400861 C1 (18.08.2009) содержит перечисленные выше базовые элементы с отличительной особенностью в конструкции газоразрядной камеры, которая содержит кольцевой щелевой завихритель плазмообразующего газа с целью улучшения фокусирующих свойств пушки с использованием газодинамических эффектов.
Наиболее близким прототипом является изобретение RU 2323502 C1 (03.07.2006), в котором предложена ГРЭЛП высокой мощности и надежности, достигнутые, благодаря оптимизации геометрических параметров электронной системы и контролю прохождения электронного пучка (ЭП) в лучеводе. Предложенная авторами конструкция также содержит в себе базовые элементы, дополненные системой контроля ЭП.
Недостатками упомянутых изобретений является отсутствие конструктивных решений по борьбе с восходящим от изделия к катоду потоком положительных ионов испаряемого при нагреве изделия металла, а также защиты полого анода от разрушения, обусловленного межэлектродными искровыми разрядами, следствием чего является потребность в новых решениях по повышению ресурса ГРЭЛП и ее функциональных возможностей.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является внесение принципиальных усовершенствований в конструкцию ГРЭЛП, обеспечивающих комплексное решение по повышению ресурса надежности как самой пушки, так и ее функциональных возможностей по обеспечению сложных программно управляемых режимов нагрева в точном соответствии с заданными требованиями.
Указанная задача достигается тем, что газоразрядная электронно-лучевая пушка состоит из газоразрядной камеры, катода со сферической эмиссионной поверхностью, полого анода, водоохлаждения, высоковольтного токоподвода, водяного реостата, высоковольтного изолятора, лучевода, фокусирующих катушек, отклоняющих катушек, фланца, искроподавляющего слоя на внутренней поверхности полого анода в области геометрической близости катода со сферической эмиссионной поверхностью, расположенной под лучеводом вестибюльной откачной камеры, содержащей кольцевую систему откачных сопел.
Отличительной особенностью настоящего изобретения является комплексное решение по усовершенствованию конструкции ГРЭЛП, которое может быть применено и адаптировано к большинству современных ГРЭЛП с обязательным положительным эффектом, интегрально выраженном как в повышении ресурса надежности самой пушки, так и ее функциональных возможностей.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема ГРЭЛП.
На фиг. 2 показан основной узел ГРЭЛП, в котором формируется электронный пучок.
На фиг. 3 показан процесс ионизации-рекомбинации нейтральных частиц  положительными ионами металла
На фиг. 4 представлена организация вестибюльной откачки в ГРЭЛП.
Принципиальная схема предлагаемой ГРЭЛП представлена на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:
1 - газоразрядная камера;
2 - катод со сферической эмиссионной поверхностью;
3 - полый анод;
4 - искроподавляющий слой;
5 - плазмообразующий газ;
6 - плазмообразующая зона;
7 - водоохлаждение;
8 - высоковольтный токоподвод;
9 - водяной реостат;
10 - высоковольтный изолятор;
11 - лучевод;
12 - фокусирующие катушки;
13 - отклоняющие катушки;
14 - электронный пучок (ЭП);
15 - вестибюльная откачная камера (ВОК);
16 - кольцевая система откачных сопел;
17 - фланец;
18 - нагреваемый участок металла.
Газоразрядная камера 1 является центральным элементом конструкции ГРЭЛП, в котором располагаются катод 2 со сферической эмиссионной поверхностью и полый анод 3. На внутреннюю поверхность полого анода 3 в области геометрической близости катода 2 нанесен специальный искроподавляющий слой 4. Между катодом 2 и анодом 3 имеет место плазмообразующая зона 6. Газоразрядная камера 1 обеспечена каналами водоохлаждения 7. В верхней части конструкции расположен высоковольтный токоподвод 8, который через водяной реостат 9 и высоковольтный изолятор 10 обеспечивает подачу минуса высокого напряжения на катод 2. Катод 2 и полый анод 3 обеспечивают условия порождения эмиссии ЭП 14 дальнейшее формирование которого происходит в расположенном ниже газоразрядной камеры 1 лучеводе 11. Лучевод 11 содержит в своем составе систему фокусирующих 12 и отклоняющих 13 катушек. Под лучеводом 11 расположена вестибюльная откачная камера 15, содержащая кольцевую систему откачных сопел 16. Монтаж конструкции ГРЭЛП на посадочном месте обеспечивается с помощью фланца 17. Настройка системы фокусирующих 12 и отклоняющих 13 катушек ГРЭЛП обеспечивает фокусировку ЭП на нагреваемом участке металла 18.
Принцип действия ГРЭЛП заключается в следующем. В газоразрядной камере расположены катод 2 и полый анод 3, геометрическая форма и взаимное расположение которых обеспечивают первичную фокусировку формируемого ЭП 14. Необходимыми условиями формирования ЭП 14 являются подача высокого напряжения на катод 2 через высоковольтный токоподвод 8 и плазмообразующего газа (водорода) 5 в газоразрядную камеру 1. Давление плазмообразующего газа определяет и позволяет регулировать мощность ЭП 14. Управление сформированным ЭП 14 осуществляется в лучеводе 11 посредством фокусирующих 12 и отклоняющих 13 катушек. Активное пятно ЭП фокусируется на нагреваемом участке металла 18. Теплоотвод рассеиваемой на элементах конструкции ГРЭЛП мощности обеспечивается системой водоохлаждения 7. Корпус ГРЭЛП закрепляется на рабочей камере, в которой проводится технологический процесс, с помощью фланца 17.
Остальные элементы представленной схемы, а именно, - вестибюльная откачная камера 15, кольцевая система откачных сопел 16, искроподавляющий слой 4, − являются предметом рассмотрения настоящего изобретения и описаны далее.
Основной узел ГРЭЛП, в котором формируется электронный пучок, показан на фиг. 2.
Катод 2 и полый анод 3 окружают плазмообразуюшую зону 6. По каналу в аноде в плазмообразуюшую зону подается плазмообразующий газ (водород) 5, давление которого определяет мощность формируемого ЭП 14. После подачи высокого ускоряющего напряжения  на электроды ГРЭЛП вдоль осевой линии зажигается ВТР; образуются положительные ионы , которые начинают бомбардировать катод 2, и в результате γ-процессов образуются быстрые электроны пучка  (область а). Быстрые электроны пучка , сталкиваясь с нейтральными частицами  становятся причиной появления новых ионов  и медленных электронов  (область б). В области б показаны два варианта траектории быстрых электронов . Некоторая часть возникших ионов захватывается электрическим полем и устремляется к катоду 2. Некоторые из них на своем пути испытывают перезарядку, в результате которой образуются быстрые нейтральные частицы , движущиеся к катоду (область в). Бомбардировка катода продолжается уже не только ионами  (область а), но и быстрыми нейтральными частицами  (область в), в результате чего возникают новые быстрые электроны , и мощность ЭП 14 возрастает. Таким образом, на выходе полого анода 3 из плазмы 6 ВТР образуется ЭП 14.
Вогнутая плоскость катода 2 и форма полого анода 3 обеспечивают начальную электронную фокусировку формируемого ЭП 14 в нижнем отверстии анода. Часть ионов, передвигающихся в окрестностях ЭП, притягивается к ЭП, т.е. наряду с электронной фокусировкой имеет место ионная фокусировка вокруг ЭП. Медленные электроны  притягиваются к аноду, компенсируя заряд ушедших быстрых электронов пучка .
В процессе нагрева металла с помощью ГРЭЛП наряду с ионно-электронной эмиссией имеет место еще один источник заряженных частиц, оказывающий вредное влияние на работу ГРЭЛП. Частицы металла в процессе нагрева электронным пучком испаряются и претерпевают столкновения с исходящими из ГРЭЛП электронами. При достаточно высокоэнергичных столкновениях из этих частиц выбиваются электроны, в результате чего в зоне испарения появляются положительно заряженные ионные частицы  нагреваемого металла, которые, благодаря ионной фокусировке, проникают в плазмообразующую зону 6 и присоединяются к процессу бомбардировки катода 2 наряду с положительными ионами  и нейтральными частицами A, провоцируя изменение его эмиссионных характеристик и эксплуатационный износ.
Катод 2 и анод 3 являются элементами, обеспечивающими качество процессов в плазмообразующей зоне 6. Они подвержены наибольшему износу и определяют ресурс надежности ГРЭЛП.
Субъектами, обеспечивающими повышение ресурса надежности и функциональности ГРЭЛП, являются следующие элементы ее конструкции:
- вестибюльная откачная камера (ВОК);
- искроподавляющий слой (ИПС) в зоне малых межэлектродных зазоров.
Причем ВОК предназначена для повышения ресурса надежности, а ИПС, - наряду с надежностью обеспечивает расширенную функциональность ГРЭЛП.
Обычно для борьбы с загрязнением технологической среды в рабочей камере, где проводится процесс нагрева и испарения металла посредством ЭП, обеспечивают откачку, однако она может оказаться недостаточно эффективной по причине технологической невозможности сконцентрировать ее влияние в зоне самого ЭП.
С целью компенсации износа катода, обусловленного бомбардировкой положительными ионами испаряемого ЭП металла в конструкцию ГРЭЛП внесен принципиальный дополнительный модуль – вестибюльная откачная камера, назначение которой прицельное удаление положительных ионов испаряемого металла из области ионной фокусировки. Наличие ВОК учитывается при разработке и настройке фокусирующей и отклоняющей систем. Иными словами, оснащение ГРЭЛП ВОК является комплексным решением, которое не может быть реализовано, как механическое дополнение. Конструкция ВОК обусловлена следующими процессами, имеющими место в окрестностях ЭП.
Процесс ионизации-рекомбинации нейтральных частиц  положительными ионами металла  показан на фиг. 3, где 19 – область ионизации; 20 – область рекомбинации. Часть близко расположенных к оси ЭП положительных ионов испаряемого металла  притягивается к оси ЭП, в результате чего претерпевают рекомбинацию и становятся нейтральными металлическими частицами . В свою очередь, удаленные от оси ЭП положительные ионы испаряемого металла  слабо притягиваются к оси ЭП и ускоренно устремляются к катоду. Часть из них рекомбинируют на пути к катоду, а часть, самых удаленных, продолжает приближаться к катоду. Положительные ионы металла, оказавшиеся в пространстве ЭП, наиболее активно взаимодействуют с быстрыми электронами ЭП . Они рекомбинируют, становятся нейтральными частицами и, опять соударяясь, с быстрыми электронами становятся положительными ионами металла. Таким образом, в пространстве ЭП циклически воспроизводится процесс ионизации-рекомбинации положительными ионами металла, поэтому перемещение испаренных частиц металла в пространстве ЭП не существенны.
Организация вестибюльной откачки в ГРЭЛП представлена на фиг. 4, где 21 – область циклической ионизации-рекомбинации, процессы в которой подчиняются модели на фиг. 3; 22 – оси сканирования ЭП; 23 – траектория движения положительных ионов металла , оказавшихся в непосредственной близости ЭП; 24 – разгонная траектория положительных ионов металла , 25 – экстрагирующая траектория положительных ионов металла .
На фиг. 4 показано поведение заряженных и нейтральных частиц , потерянных в окрестностях ЭП, ограниченных пространством ВОК, в результате сканирования или случайного вылета из зоны ЭП.
Как видно из фиг. 4, положительные ионы металла , находящиеся в непосредственной близости с ЭП, притягиваются ЭП, двигаясь с ускорением, и вступают в рекомбинацию с быстрыми электронами  ЭП, не успевая набрать больших скоростей. В то же время удаленные от оси ЭП положительные ионы металла  имеют большие разгонные траектории 24 и набирают значительные скорости, устремляясь по дуге одновременно к оси ЭП и к катоду.
-4
-5
Эффективность ВОК по обеспечению защиты катода определяется количеством захваченных кольцевой системой откачных сопел испаренных частиц металла, ускоренно двигающихся к катоду.  Кольцевая система откачных сопел представляет собой несколько радиально ориентированных стальных трубок цилиндрической формы, входные отверстия которых скошены, как показано на фиг. 4. К выходным торцам сопел прикладываются равные по величине разрежения (дифференциальная система разрежений), обеспечивающие в ВОК откачку на молекулярном уровне (в совокупности 10 … 10 МПа). Количество N и диаметр d сопел в комплексе с разрежениями P на выходных торцах, определяют эффективность E откачной системы ВОК:
С целью повышения эффективности сопел, их торцы делаются скошенными, как показано на фиг. 1. Если учитывать то, что одним из важнейших параметров ГРЭЛП является расстояние до обрабатываемой поверхности, то становится очевидным, что периферийные испаренные положительные ионы металла к моменту входа в лучевод могут разогнаться до больших скоростей, и достигнутая ими кинетическая энергия при столкновении с катодом способна внести заметный вклад в снижение ресурса катода. Поэтому ВОК является эффективным средством увеличения ресурса ГРЭЛП в целом.
Износ обоих электродов (катода 2 и полого анода 3) обусловлен еще одним обстоятельством, имеющим место в работе ГРЭЛП. Конструктивно оба эти электрода, имеющие огромную разность потенциалов (30…60 кВ), располагаются очень близко (5…8 мм) в области плазмообразующей зоны 6, поэтому нестабильность плазмообразующей зоны может служить причиной случайных искровых межэлектродных пробоев. Специальные средства защиты высоковольтных источников питания позволяют исключить фатальный исход, обусловленный искровыми пробоями, однако паузы, необходимые на восстановление номинального режима работы ГРЛП, могут радикально сузить множество технологических процессов, выполнение которых она может безаварийно обеспечить. Поэтому ИПС 4, наносимый на внутреннюю поверхность полого анода 3 в области опасного конструктивного расположения близкого к катоду 2, интересен не только в плане повышения надежности ГРЭЛП, но и ее широкой функциональности.
Существуют способы борьбы с описанными межэлектродными искровыми разрядами. В высоковольтных источниках питания предусмотрена защита от коротких замыканий (КЗ) по нагрузке. Она обеспечивает мгновенное снижение напряжения источника. Это спасает ГРЭЛП от полного выхода из строя, однако формирование ЭП временно прерывается. Поскольку при использовании защищенного от КЗ источника питания искровой разряд - явление самозавершающееся, то в ГРЭЛП восстанавливаются условия формирования ЭП: высоковольтный источник питания возобновляет свою работу по факту устранения КЗ. Однако, как уже было сказано, возобновление ВТР, требует времени, а это время определяет длительность технологических пауз обработки изделия. Если требованиями предусмотрено контролируемое равномерное или программно изменяемое воздействие ЭП на поверхность изделия, то одним из существующих способов сокращения длительности технологических пауз является использование высокочастотных источников питания (ВЧИП), что заметно удорожает установку в целом.
2
3
2
В настоящем изобретении предлагается способ эффективного подавления межэлектродных искровых разрядов без использования дорогостоящих ВЧИП, посредством напыления керамического покрытия на внутреннюю стенку анода в зоне малых межэлектродных зазоров. В качестве керамического покрытия могут использоваться оксид алюминия (AlO) или диоксид циркония (ZrO) (основные параметры которых приведены в таблице 1) и т.д.
Таблица 1
Параметр
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
ZrO<sub>2</sub>
Электрическая прочность, кВ/мм
10
>10
Температура плавления, °C
2072
2715
Твердость по Виккерсу, ГПа
19…21
12…13
Трещиностойкость, МПа ⋅ м<sup>1/2</sup>
3…3,5
8…10
Керамическое покрытие внутренней поверхности полого анода реализует функции искроподавляющего слоя 4.
Преимущества предлагаемого устройства: включение в конструкцию ГРЭЛП вестибюльной откачной камеры и искроподавляющего слоя предлагается как комплексное решение по повышению ресурса надежности как самой пушки, так и ее функциональных возможностей по обеспечению сложных программно управляемых режимов нагрева в точном соответствии с заданными требованиями без использования дорогостоящих ВЧИП.
Технический результат:
- кратное увеличение ресурса надежности ГРЭЛП;
- возможность реализации длительных технологических процессов;
- снижение требований к качеству источников питания;
- расширение ее функциональных возможностей по обеспечению сложных программно управляемых режимов нагрева в точном соответствии с заданными требованиями.
Описанный способ увеличения ресурса надежности и функциональности ГРЭЛП реализован и внедрен с положительным результатом в ПАО «Электромеханика», г. Ржева, Тверской обл. РФ.