АКСИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА
AXIAL ELECTRON GUN

Изобретение относится к области нанесения покрытий, нагревания и плавки металла в вакууме.
Известны конструкции аксиальных пушек, где решаются задачи увеличения срока службы катода: З.Шиллер, У.Гайзинг, З.Папцер. Электронно-лучевая технология. Пер. с нем. М.: Энергия, 1980.
Известна электронная пушка, содержащая цилиндрический изолятор, установленный соосно с ним цилиндрический корпус катодного узла, на торце которого установлен прикатодный дисковый электрод с центральным отверстием, таблеточный катод, закрепленный на прикатодном электроде, и анод, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и ресурса работы за счет дополнительной взаимной юстировки катода и анода и стабилизации положения катода в корпусе, в пушке установлен цилиндрический котировочный потенциальный экран, который расположен на внешней поверхности корпуса катода с возможностью перемещения вдоль оси пушки, прикатодный электрод выполнен с радиальным зазором по отношению к таблеточному катоду, а на обращенной к катоду поверхности анода выполнена кольцевая проточка, диаметр которой равен диаметру торцовой части юстировочного экрана. Патент Российской Федерации №1572328, МПК: H01J 37/06, 1995 г.
Известна аксиальная электронная пушка, содержащая термокатод, катодный узел, подогревающий спиральный катод, анод, лучевод, магнитные линзы, систему сканирования, источник питания и вакуумную систему, отличающаяся тем, что для сохранения заданной электронной термоэмиссии термокатод постоянно находится на центральной оси пушки в горизонтальной плоскости с помощью трех спиральных торсионов, расположенных под углом 120° относительно друг друга и удерживающих термокатод по кольцевой выточке на его боковой поверхности. Патент Российской Федерации №2364980, МПК: H01J 37/065, 2009 г.
Известен инжектор электронов, содержащий откачную систему с встроенным геттерным насосом и цилиндрический корпус, в котором расположены аксиальная электронная пушка с термокатодом, установленная в керамическом изоляторе на анодном фланце, соленоид, охватывающий лучевод, рабочую камеру и источник ускоряющего напряжения, подключенный к катоду, в которой анодный фланец выполнен в виде цилиндрической полости, в которую встроен магниторазрядный насос откачной системы, содержащий три плоскопараллельных решетчатых электрода с соосными с лучеводом отверстиями, подключенных к дополнительному источнику питания, причем геттерный насос расположен за магниторазрядным насосом и охватывает лучевод коаксиально с корпусом инжектора, а высота соленоида не менее расстояния от катода до выхода геттерного насоса. Патент Российской Федерации №1447256, МПК: Н05Н 5/02, 1995 г. Прототип.
Известные аксиальные электронные пушки обладают рядом недостатков, ограничивающих их стабильную продолжительную работу:
из-за воздействия высоких рабочих температур возможно смещение термокатода относительно оптической оси и нарушение фокусировки электронного пучка; при высоких температурах спиральные вольфрамовые торсионы охрупчиваются и ломаются; формирование электронного пучка в пространстве дрейфа осуществляют несколькими магнитными линзами, представляющими собой громоздкую тяжелую систему, затрудняющую эксплуатацию пушки.
Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.
Техническая задача - получение стабильного электронного луча в широком диапазоне значений мощности, подводимой к аксиальной электронной пушке, и повышение эффективности работы пушки.
Технический результат изобретения - обеспечение стабильности тока и параметров электронного луча в условиях проведения длительных технологических процессов, повышение эффективности использования пушки; подавление поперечных тепловых скоростей электронов в ускоряющем промежутке эмиттер-анод пушки и повышение ламинарности электронного потока.
Технический результат достигается тем, что в аксиальной электронной пушке, содержащей катодный блок, накальный узел с вольфрамовой спиралью, эмиттер, фокусирующий электрод, анод и магнитную систему, установлен держатель, расположенный соосно с центральной осью пушки, на одном конце держателя размещен эмиттер, а противоположный конец соединен с катодным блоком, причем держатель выполнен в виде полого цилиндра из тугоплавкого металла, боковая поверхность которого перфорирована, а один из концов цилиндра соединен с катодным блоком посредством резьбы, магнитная система выполнена в виде короткой магнитной линзы, анод выполнен в виде вставки, соединенной с водоохлаждаемым анодным корпусом с помощью резьбы, фокусирующий электрод соединен с катодным блоком посредством резьбы.
Сущность изобретения поясняется фиг.1.
На фиг.1 представлена конструктивная схема аксиальной электронной пушки, где 1 - базовый высоковольтный изолятор, 2 - катодный блок, 3 - накальный узел, 4 - вольфрамовая спираль, 5 - экран, 6 - полый цилиндр, 7 - эмиттер, 8 - фокусирующий электрод, 9 - анодная вставка, 10 - водоохлаждаемый корпус анода, 11 - короткая магнитная линза.
На фиг.2 показан внешний вид аксиальной электронной пушки.
На фиг.3 показана фотография электронного пучка в пространстве дрейфа.
Аксиальная электронная пушка работает следующим образом.
Основные элементы аксиальной электронной пушки: катодный блок 2, накальный узел 3, вольфрамовая спираль 4, экран 5, полый цилиндр 6 и эмиттер 7, защищены базовым высоковольтным изолятором 1.
Эмиттер 7 нагревают бомбардировкой электронами, эмиттируемыми нагретой плоской вольфрамовой спиралью 4 при подаче ускоряющего напряжения между спиралью 4 и эмиттером 7. Формирование электронного пучка и проведение его в пространстве дрейфа осуществляют короткой магнитной линзой 11. Магнитные силовые линии магнитной линзы 11 совпадают с электронными траекториями (магнитное сопровождение пучка) в пространстве эмиттер 7 - анод 9, 10 электронной пушки, что приводит к подавлению поперечных тепловых скоростей эмиттированных электронов и улучшению ламинарности электронного потока.
Кроме того, магнитная линза 11 служит для формирования протяженного электронного потока с малой угловой расходимостью в пространстве дрейфа. Эмиттер 7 и фокусирующий электрод 8 находятся под одним и тем же отрицательным потенциалом 10 кВ. Сферическая форма рабочей поверхности эмиттера 7, фокусирующий электрод 8, анодная вставка 9, расположенная в корпусе анода 10, охлаждаемого водой и короткая магнитная линза 11 обеспечивают фокусировку электронного луча с минимальными потерями мощности.
В случае выхода из строя эмиттера 7 или спирали 4 цилиндр 6 выворачивают из корпуса катодного блока 2 и заменяют эмиттер 7 или спираль 4. Затем полый цилиндр 6 устанавливают в прежнее положение. При этом эмиттер 7 занимает стандартное положение, обеспечивая полное сохранение межэлектродных зазоров и соосность оптической системы.
За счет резьбовых соединений аксиальная электронная пушка быстро собирается и не требует юстировки. Элементы оптической системы занимают стандартное положение и параметры пушки стабильны.
Рабочее напряжение ускорения электронов - 10 кВ. Мощность электронного пучка изменяют напряжением между вольфрамовой спиралью 4 и эмиттером 7 при постоянном токе спирали 4.
Аксиальная электронная пушка прошла проверку в течение шестнадцати часов непрерывной работы при максимальной мощности электронного луча 10 кВт.
За это время параметры аксиальной электронной пушки не претерпели никаких изменений, пробои по высокому напряжению отсутствовали. Время жизни спирали 4 или эмиттера 7 составляет ~300 час.
-1
Аксиальную электронную пушку устанавливают в вакуумную рабочую камеру или вне ее в зависимости от схемы технологического процесса. Во втором случае используют дифференциальную откачку, которая обеспечивает стабильную работу пушки при напуске в рабочую камеру технологического газа до давления 1,3×10 Па.