КАТОДНО-ПОДОГРЕВАТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ
CATHODE HEATING UNIT

Изобретение относится к электронной технике, в частности к устройству источника электронов, и может быть использовано в ускорителях электронов, ускоренный пучок которых используется для радиационных технологий, таких как очистка сточных вод, очистка газов электростанций, работающих на угле, в линейных ускорителях, используемых для рентгеновской диагностики в медицинских целях, и в других технологиях.
Известен катодно-подогревательный узел источника электронов для линейных ускорителей (В.А.Поляков, И.С.Щедрин «Источники электронов для линейных ускорителей и технологических целей.» "Труды XV Совещания по ускорителям заряженных частиц" Протвино 22…24 октября 1996 г. стр.24…28). Источник электронов состоит из двух узлов: высоковольтного узла и катодно-подогревательного узла. Конструкция катодно-подогревательного узла источника электронов состоит из держателя таблетки, эмитирующей электроны (эмиттера, изготовленного из LaB6) в виде полого усеченного конуса, прижима, который обеспечивает фиксацию таблетки эмиттера и ленточного вспомогательного катода-нагревателя, обеспечивающего бомбардировку эмиттера. Для этого создается разность потенциалов между катодом-подогревателем и эмиттером. Для обеспечения упругого контакта в течение всего времени работы эмиттера и прижима прижим, в его опорной части, выполнен с выступами, которые расположены вне зоны высоких температур, что значительно снижает скорость неупругих деформаций. Ленточный нагреватель имеет прорези, перпендикулярные его длинной стороне, и изолирован от основания керамическим изолятором. Рассеяние тепловой энергии осуществляется за счет нагрева большой поверхности деталей катодно-подогревательного узла. Потребляемая мощность катодно-подогревательного узлом, при диаметре эмиттера 4…6 мм, составляет 50…60 Вт. Длительная работа катодно-подогревательного узла может происходить без принудительного охлаждения, но требует определенного объема жидкого диэлектрика, располагающегося в высоковольтном узле источника электронов.
Наиболее близким к предлагаемому решению катодно-подогревательного узла является катодно-подогревательный узел (патент РФ №1156516, H01J 1/20, приоритет от 02.01.84, опуб. 30.08.1994, Бюл. №16, с.211), используемый в высоковольтных ускорителях электронов. Катодно-подогревательный узел содержит цилиндрический керн, в торце керна закреплена таблетка эмитирующего электроны вещества (эмиттера), установленная в кольцевой анизотропный графитовый держатель, у материала которого ось "С" совпадает с его осью. Ось "С" обеспечивается технологическим процессом изготовления деталей, она перпендикулярна плоскости осаждения графита. В контакте с таблеткой эмиттера находится подогреватель из углеродистого материала, а подогреватель состоит в контакте с токовводом, который совместно с подогревателем, эмиттером и кольцевым анизотропный графитовым держателем, подпружинены в сторону торцевой поверхности керна, относительно опорной втулки. Контактный подогреватель и токоввод изолированы от корпуса керна изоляторами. Керн и опорная втулка соединены между собой держателями из тонкой проволоки, что обеспечивает уменьшенную теплопередачу от эмиттера к опорной втулке катодно-подогревательного узла. В опорной втулке катодно-подогревательного узла находится гайка, с помощью которой обеспечивается регулировка усилия прижатия таблетки эмиттера, через кольцевой анизотропный графитовый держатель, к торцевой поверхности керна. Электрическая цепь нагрева эмиттера, таким образом, составлена изолированным токовводом, контактным подогревателем, эмиттером, кольцевым анизотропным графическим держателем, керном и держателями, соединенными с опорной втулкой.
Известное решение катодно-подогревательного узла изложенное в аналоге решает задачу нагрева эмиттера, однако для создания ускоряющей разности потенциалов требуется дополнительный источник питания. Кроме того, в этой конструкции катодно-подогревательного узла необходимо обеспечить правильное положение эмиттера относительно держателя. При малейшем изменении положения эмиттера могут измениться условия формирования электронного пучка. Правильное положение эмиттера определяется прижимом, который находится в упругом состоянии и постоянно работает в режиме нагрев-охлаждение. Это со временем может привести к потере упругих свойств материала - прижима и как следствие смещению таблетки эмиттера. Возможна также деформация и даже разрушение эмиттера.
Известное решение катодно-подогревательного узла указанное в прототипе решает задачу нагревания эмиттера, однако, в катодно-подогревательном узле должен быть постоянный контакт между эмиттером и подогревателем на протяжении всего срока службы. Это выполнить сложно из-за возможной деформации керна, потому что усилие пружины передается на него, а также из-за того, что пружина находится в зоне высоких температур. При большом количестве циклических изменений температуры (рабочая температура таблетки эмитирующей электроны ~1500°С) происходит снижение упругих свойств пружины, что приводит к ослаблению контакта между эмиттером и подогревателем. Эти факторы снижают долговечность катодно-подогревательного узла.
Фактически одни и те же факторы снижают долговечность устройств.
Основной задачей, решаемой с помощью заявляемого устройства, является увеличение срока службы катодно-подогревательного узла при уменьшении мощности потребляемой им, упрощение конструкции.
Сущность изобретения заключается в том, что в катодно-подогревательный узел, содержащего цилиндрический керн, в торце которого укреплена таблетка из эмитирующего вещества, подогреватель, кольцевой анизотропный пиролитический графитовый держатель, изолятор подогревателя, опорный фланец, изолятор токоввода, введен держатель керна, выполненый в виде стакана, в который вставлен изолятор подогревателя, а таблетка из эмитирующего вещества, опирается на держатель керна через втулку из графита, при этом кольцевой пиролитический анизотропный держатель продлен до торцевой поверхности держателя керна.
При этом между подогревателем и торцевой поверхностью держателя керна может быть введен экран с выступами в сторону держателя керна, а подогреватель выполнен в виде эллипсной спирали; размеры спирали определяется соотношением:
4d<Н<0,6D/3,2,
В=3,2·Н,
где d - диаметр проволоки подогревателя;
Н - высота навивки подогревателя;
D - диаметр таблетки эмитирующего вещества;
В - ширина витка подогревателя.
На Фиг.1 представлен катодно-подогревательный узел (продольное сечение по креплению подогревателя), на Фиг 2 изображено поперечное сечение катодно-подогревательного узла на уровне плоскости нагревателя, на Фиг.3 представлен катодно-подогревательный узел, подготовленный для формования подогревателя, на Фиг.4 представлено распределение температуры по диаметру эмиттера.
Катодно-подогревательный узел состоит из цилиндрического керна 1, таблетки 2, эмитирующей электроны (эмиттер), кольцевого анизотропного пиролитического графического держателя 3 (Фиг.1, 2). Таблетка 2 эмиттера опирается через втулку 4 на держатель керна 5. В зазоре 6 между таблеткой 2 эмиттера и торцевой поверхностью 7 держателя керна 5 размещен подогреватель 8, выводные концы 9 и 10 которого проходят через отверстия 11 в держателе керна 5 и отверстия 12 изолятора 13. Изолятор 13 вставлен вовнутрь держателя керна 5 и закреплен в нем лапками 14. Отверстия 12 изолятора 13 по диаметру больше отверстий 11 в держателе керна 5. Держатель керна 5 прикреплен к выступу 15 опорного фланца 16. Один конец 9 подогревателя 8 прикреплен к токовводу 17, который изолирован от фланца 16 изоляторами 18,19, другой конец 10 подогревателя 8 подсоединен через отверстие 20 к опорному фланцу 16.
Последовательность сборки следующая: сначала собираются детали взаимодействующие с подогревателем 8 и подогреватель 8 монтируется на опорном фланце 16 и токовводе 17 (Фиг.3). Затем производится формовка подогревателя 8. Формовка подогревателей из вольфрама производится при нагревании его в среде водорода посредством пропускания электрического тока через подогреватель при визуальном контроле изделия. Затем устанавливается керн 1 с эмиттером 2 поверх кольцевого держателя 3 с вставленной в него втулкой 4, в месте контакта керна 1 и держателя керна 5 происходит электрическое и механическое соединение деталей в единое целое.
В частном решении катодно-подогревательный узел может быть снабжен экраном 21 с отверстиями 22, имеющим выступы 23. Экран 21 и выступы 23, обеспечивающие зазор 24 между держателем керна 5 и экраном 21, создают дополнительное тепловое сопротивление, уменьшая потери тепловой энергии через нижнюю торцевую поверхность.
Держатель керна 5 в нижней части имеет окна 25 (Фиг.3), что увеличивает тепловое сопротивление от держателя керна 5 к выступу 15 опорного фланца 16, а также обеспечивают доступ к токовводу 17. Через отверстия 26 в опорном фланце 16 катодно-подогревательный узел прикрепляется к фланцу источника электронов.
Предложенные конструктивные решения катодно-подогревательного узла позволяют производить технологические операции по сборке с максимальным доступом ко всем деталям узла и пооперационным контролем сборки, что является решением поставленной задачи.
Устройство работает следующим образом.
При достижении необходимого вакуума в устройстве, где установлен катодно-подогревательный узел, включается цепь нагрева подогревателя 8. Подогреватель 8 по электрической цепи составленной токовводом 17 фланцем 16, выводными концами 9 и 10 и подогревателем 8, разогревается проходящим по этой цепи электрическим током. Тепло излучением передается от подогревателя 8 к таблетке 2 эмиттера.
Нагрев таблетки 2 эмиттера должен быть доведен до начала эмиссии электронов из материала таблетки. Этот нагрев можно получить за счет большого тока или за счет меньшего тока, но с использованием различных приемов, локализующих созданное подогревателем тепло. К ним относятся использование материалов с низкой теплопроводностью, использованием материалов с разной теплопроводящей способностью по структуре материала, использованием экранов.
Тепло, создаваемое подогревателем 8, удерживается керном 1, эмиттером 2, держателем керна 5, изолятором 13, который имеет анизотропные свойство, состоящее в том, что теплопроводность поперек изолятора меньше тепловодности вдоль изолятора, кольцевого анизотропного графического держателя 3 и втулкой 4. Последние выполнены из анизотропного пиролитического графита, который имеет меньшую теплопроводность в поперечном направлении, что вместе с продлением держателя 3 до держателя керна 5 улучшает тепловые характеристики катодно-подогревательного узла.
Кроме того, держатель керна 5 в нижней части имеет окна 25, которые уменьшают сечение материала держателя керна 5, по которому могла быть утечка тепла за счет теплопроводности от держателя керна 5 к опорному фланцу 16. При этом опорный фланец 16 имеет меньшую толщину в месте крепления держателя керна 5, а опорный фланец 16 имеет тонкий выступ 15.
На улучшение тепловых характеристик катодно-подогревательного узла влияет использование экрана 21 с выступами 23 в сторону экрана 21, которые уменьшают площадь контакта с держателем керна 5 и создают зазор 24 между ними, что уменьшает теплопроводность соединения экран 21 держатель керна 5.
Подогреватель 8 выполнен в виде эллипсной спирали. Это обусловлено тем, чтобы как можно большая площадь эмиттера 2 захватывалось тепловым потоком от подогревателя 8, при этом тепловой поток идет к эмиттеру 2 как с верхней ветви, так и с нижней. Такой же поток идет и в противоположную сторону, но там есть тепловая экранировка в виде держателя керна 5, изолятора 13 и экрана 21, которые достаточно эффективно препятствуют потерям тепловой энергии в этом направлении. Это конструктивное решение было проверено на макете катодно-подогревательного узла, которое показало, что разница температуры между эмиттером 8 и наружной поверхностью керна 1 составляет ~200°С при рабочей температуре эмиттера. Причем размеры подогревателя связаны соотношением:
4d<Н<0,6D/3,2,
В=3,2·Н,
где d - диаметр проволоки подогревателя;
Н - высота навивки подогревателя;
D - диаметр таблетки эмитирующего вещества (эмиттера);
В - ширина витка подогревателя.
Высота навивки Н не может быть меньше четырех диаметров проволоки подогревателя 8, иначе проволока будет ломаться, а делать высоту больше, чем указанная величина не имеет смысла т.к. увеличивается внутренний объем устройства. Ширина витка В определяется исходя из оптимального соотношения площади эмиттера 2 и площади теплового потока, создаваемого подогревателем 8.
На макете катодно-подогревательного узла было произведено исследование его температурных характеристик. Исследование проводилось на катодно-подогревательном узле с эмиттером диаметром 15 мм тепловизором марки "Tangem VS60". Результат измерения распределения температуры по диаметру эмиттера представлен на Фиг.4. Из графика видно, что температура на поверхности эмиттера практически одинакова, нет перегретых мест, которые могли бы повлиять на срок службы устройства.
Данное конструктивное решение позволяет упростить конструкцию источника электронов, т.к. возможно его использование без дополнительных охлаждающих устройств, и нет усилий, которые воздействовали бы на эмиттер. Катодно-подогревательный узел прост в технологическом исполнении, на нем удобно проводить монтаж деталей, проводить и контролировать сложную операцию формовки подогревателя 8, также несложно провести окончательную сборку с высокой точностью геометрии.
Благодаря данному техническому решению при макетировании катодно-подогревательного узла получены хорошие результаты: потребляемая мощность, при одной и той же температуре эмиттера уменьшилась в два раза, время выхода на рабочий режим сократилось на 40% за счет быстрого достижению температуры, при которой начинается эмиссия.