Катодный узел электронной пушки
ELECTRON GUN CATHODE ASSEMBLY

Изобретение относится к элементам конструкции вакуумных электронных приборов с термокатодом, точнее к катодным узлам для мощных (60-1200 кВт) электронных пушек для электротермии.
В заявке отдельные термины толкуются следующим образом:
- вспомогательный катод - прямонакальный катод, выполненный, как правило, из вольфрамовой проволоки и служащий источником электронов, нагревающих основной катод. В уровне техники часто называется спиралью, хотя может иметь и иную конфигурацию, например в виде полуколец [SU 1240257];
- высоковольтный фланец - деталь или узел, вакуумноплотно скреплённый с высоковольтным изолятором пушки, служащий для установки на нём вводов прямого накала и в качестве основания для крепления держателя катодно-подогревательного узла;
- держатель - деталь или сборочная единица продолговатой формы, одним концом скреплённая с высоковольтным фланцем, на другом конце которой устанавливается катодно-подогревательный узел;
- катодный узел - сборочная единица, снимаемая с пушки при замене катодов, включает высоковольтный изолятор с фланцами, катодно-подогревательный узел и вспомогательные элементы;
- катодно-подогревательный узел - сборочная единица, содержащая основной и вспомогательный катоды с фокусирующими электродами, средства их крепления, установленная на конце держателя;
- низкоуглеродистая сталь - нелегированная сталь с содержанием углерода не более 0,35 %;
- основной катод - источник электронов генерируемого электронной пушкой пучка. Обычно выполняется в виде диска из тугоплавкого металла, нагреваемого электронной бомбардировкой со вспомогательного катода;
- ремонтопригодность - один из общих показателей надёжности. Согласно ГОСТ 27.002-89, это «Свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путём технического обслуживания и ремонта;
- стакан - втулка со сплошным дном или дном с отверстием;
- шина - согласно ГОСТ Р51321.1-2007, это проводник с низким сопротивлением, к которому можно подсоединить несколько отдельных электрических цепей. При этом термин «шина» не распространяется на геометрическую форму, габариты или размеры проводника;
- к названию элементов, имеющих отношение к подводу питания и креплению вспомогательного катода, добавляется признак «прямого накала», а к названию элементов, имеющих отношение к электронному нагреву основного катода, может добавляться признак «электронного накала».
Известна электронная пушка большой мощности, включающая катодный узел, состоящий из высоковольтного изолятора с фланцами, один из которых служит для присоединения к вакуумной камере пушки, а другой, подключаемый к высоковольтному отрицательному полюсу источника питания, скреплён с трубчатым водоохлаждаемым держателем катодно-подогревательного узла, включающего основной и вспомогательный катоды с фокусирующими электродами, элементами их крепления и токоподводами. В держатель вставлен стакан, на дне которого установлены основной катод и его фокусирующий электрод. Между стаканом и держателем имеется хороший тепловой контакт [З. Шиллер, У.Гайзиг, З. Панцер. Электронно-лучевая технология / М.: «Энергия», 1980, с. 120].
Недостатком известного катодного узла является необходимость в водяном охлаждении элементов, находящихся под высоким относительно земли напряжением. Подавать воду напрямую на эти элементы нельзя из-за сравнительно низкого удельного сопротивления технической воды. Подающие и отводящие воду шланги приходится удлинять до нескольких метров, сворачивая их в катушки, которые как элементы, находящиеся под высоким напряжением, должны быть помещены в защитный кожух, что затрудняет обслуживание катодного узла и делает пушку громоздкой. Кроме того, присоединение и отсоединение шлангов при частых заменах катодов способствует появлению трещин в часто изгибаемых шлангах. Тончайшие струйки воды, находящейся в шлангах под большим давлением, представляют серьёзную высоковольтную опасность.
Известна электронная пушка большой мощности, включающая катодный узел, состоящий из высоковольтного изолятора с фланцами, один из которых служит для присоединения к вакуумной камере пушки, а другой, подключаемый к высоковольтному отрицательному полюсу источника питания, скреплён с трубчатым водоохлаждаемым держателем катодно-подогревательного узла, включающего основной и вспомогательный катоды с фокусирующими электродами, элементами их крепления и токоподводами. Для крепления основного катода и его фокусирующего электрода служит втулка, один конец которой образует резьбовое соединение с держателем, а другой - с фокусирующим электродом [RU2314593]. Охлаждающая вода подаётся и отводится от держателя через длинные шланги, намотанные на каркас, установленный внутри защитного кожуха. Недостатки такого устройства те же, что и у предыдущего аналога.
Кроме того, резьба фокусирующего электрода, выполняемого обычно из тугоплавкого молибдена, часто закусывает во втулке даже после непродолжительной работы, поскольку электрод при работе раскаляется добела, что стимулирует процессы диффузии между ним и втулкой, охлаждаемой только с удалённого от электрода конца.
Известен также катодный узел электронной пушки, содержащий высоковольтный изолятор с фланцами и катодно-подогревательный узел, установленный на конце трубчатого держателя и включающий перфорированный полый цилиндр из тугоплавкого материала, на одном конце которого размещён основной катод, а другой конец соединён с элементами держателя посредством резьбы [RU2479884]. Основной катод в этом документе назван эмиттером, а указанный выше полый цилиндр - держателем.
Поскольку специальных элементов для охлаждения катодного и катодно-подогревательного узлов конструкция не предусматривает, она работоспособна только при небольших токах эмиссии, отбираемых с основного катода. Так, в патентном описании указано, что мощность электронного пучка составляет 10 кВт при напряжении 10 кВ, что означает ток пучка в 1 А, при котором даже для самого неэкономичного вольфрамового катода мощность накала не превышает 300 Вт. Такая мощность действительно может быть рассеяна естественным путём. Для пушек большей мощности это техническое решение непригодно. Кроме того, резьбовое соединение раскалённого полого цилиндра, на котором установлен основной катод, к тому же лишённого возможности теплоотдачи излучением из-за размещения внутри деталей держателя, после продолжительной работы обычно закусывает и попытки его отвернуть могут привести к повреждению тонкостенного цилиндра, непрочного из-за перфораций.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является катодный узел мощной электронной пушки, в котором детали катодно-подогревательного узла охлаждаются теплоотводом на радиаторы воздушного охлаждения. Он содержит высоковольтный изолятор в виде трубы из изоляционного материала, имеющей посредине кольцевые выступы снаружи и внутри. С внутренним кольцевым выступом с одной стороны скреплён держатель катодно-подогревательного узла, выполненный в виде трубы, на консольном конце которой укреплена втулка - держатель основного катода вместе с его фокусирующим электродом. Внутри втулки расположен вспомогательный катод с элементами его крепления. Вводы прямого накала с изоляторами расположены соосно, один над другим и снабжены радиаторами для передачи воздуху тепла, отводимого от катодно-подогревательного стержнями, подводящими питание к вспомогательному катоду [З. Шиллер, У.Гайзиг, З. Панцер. Электронно-лучевая технология / М.: «Энергия», 1980, с. 119, рис. 2.52].
Недостатком известного катодного узла является то, что охлаждение втулки происходит только посредством излучения на водоохлаждаемые стенки вакуумной камеры пушки. Теплоотвод через держатель катодно-подогревательного узла весьма невелик из-за малой теплопроводности высоковольтного изолятора, к которому прикреплён держатель. Вследствие этого происходит закусывание резьбовых соединений втулки с держателем и фокусирующего электрода со втулкой.
Наработка на отказ известных катодных узлов составляет около ста часов, поскольку основной катод разрушается ионной бомбардировкой. Поэтому их катодно-подогревательные узлы в среднем раз в неделю подвергаются переборке для замены катодов. В них много и других резьбовых соединений помимо указанных выше: крепления вспомогательного катода, изоляторов прямого накала, тепловых экранов и фокусирующего электрода прямого накала. От работы при высокой температуре вследствие диффузии сопрягаемых резьбовых деталей они закусывают и часто становятся неразборными. Это увеличивает расход запасных частей и снижает такие показатели ремонтопригодности катодного узла, как время восстановления и средняя трудоёмкость восстановления.
Задачей настоящего изобретения является повышение ремонтопригодности катодного узла, сокращение расхода запасных частей за счёт уменьшения нагрева и улучшения охлаждения имеющихся в нём резьбовых соединений.
Технический результат настоящего изобретения состоит в повышении надёжности катодного узла за счёт повышения его ремонтопригодности.
Заявленный технический результат достигается тем, что в катодном узле электронной пушки, содержащем радиатор воздушного охлаждения, высоковольтный изолятор со скреплённым с ним держателем катодно-подогревательного узла, включающем основной катод с фокусирующим электродом и прямонакальный вспомогательный катод, шины и вакуумные вводы питания прямого накала, втулку, один конец которой соединён с держателем, а другой соединён с фокусирующим электродом основного катода, дополнительно введён стакан, вакуумноплотно соединённый с высоковольтным изолятором, дно стакана соединено с держателем и в него вставлен радиатор воздушного охлаждения, соединение втулки с держателем катодно-подогревательного узла выполнено резьбовым, а соединение втулки с фокусирующим электродом основного катода выполнено байонетным.
Кроме того, держатель катодно-подогревательного узла выполнен из меди, а втулка из металла, выбранного из группы: низкоуглеродистая сталь, молибден, тантал, вольфрам.
Кроме того, толщина стенки втулки составляет не менее 5 мм.
Кроме того, держатель катодно-подогревательного узла выполнен в виде трубы, внутри которой расположены шины питания накала вспомогательного катода, а изоляторы вакуумных вводов прямого накала установлены соосно с держателем.
Кроме того, вакуумные вводы питания прямого накала установлены на дне стакана, а шины питания накала вспомогательного катода расположены вне держателя.
Кроме того, вспомогательный катод выполнен в виде плоской спирали и установлен внутри фокусирующего электрода прямого накала, выполненного в виде кольцеобразного выступа на плоском диске, причём катод и вершина выступа расположены в одной плоскости, расстояние от которой до основного катода лежит в пределах 4-6 мм.
Кроме того, вспомогательный катод выполнен в виде двух сложенных вместе полуколец.
Кроме того, вспомогательный катод выполнен в виде плоской спирали.
Кроме того, вспомогательный катод выполнен в виде пространственной спирали, расстояние центральной части которой от основного катода превышает расстояние периферической части от основного катода на 1-3 мм.
Благодаря тому, что в катодный узел введён стакан, вакуумноплотно соединённый с высоковольтным изолятором, дно стакана соединено с держателем и в него вставлен радиатор воздушного охлаждения, повышается ремонтопригодность катодного узла, поскольку благодаря отводу тепла по линии «держатель - стакан - радиатор» понижается температура деталей катодно-подогревательного узла, что предотвращает закусывание имеющихся в нём резьбовых соединений.
Благодаря выполнению соединения втулки с держателем катодно-подогревательного узла резьбовым между ними образуется хороший тепловой контакт, способствующий отводу тепла от втулки к держателю, что, понижая температуру деталей катодно-подогревательного узла, предотвращает закусывание имеющихся в нём резьбовых соединений, повышая тем самым ремонтопригодность катодного узла.
Благодаря выполнению соединения втулки с фокусирующим электродом основного катода байонетным повышается ремонтопригодность катодного узла, поскольку в таком соединении передача тепла от фокусирующего электрода втулке невелика, что уменьшает её нагрев и температуру резьбового соединения.
Благодаря выполнению соединения втулки и держателя катодно-подогревательного узла из разных металлов и втулки с наружной резьбой предотвращается закусывание резьбового соединения между ними, поскольку наибольшую склонность к закусыванию проявляют одинаковые металлы. Предотвращает закусывание и выполнение держателя катодно-подогревательного узла из меди, имеющей коэффициент термического расширения больший, чем у заявленных металлов. Кроме того, медь обладает высокой теплопроводностью. Тем самым повышается ремонтопригодность катодного узла.
Благодаря тому, что втулка выполнена из металла, выбранного из группы: низкоуглеродистая сталь, молибден, тантал, вольфрам, повышается ремонтопригодность катодного узла, поскольку указанные металлы обладают хорошей теплопроводностью и достаточной жаропрочностью.
Благодаря тому, что толщина стенок втулки составляет не менее 5 мм, не только улучшается теплоотвод от ближайшей к основному катоду части втулки, но и предотвращается деформация нагретой втулки, что повышает ремонтопригодность катодного узла.
Благодаря выполнению держателя катодно-подогревательного узла в виде трубы, внутри которой расположены шины питания накала вспомогательного катода, уменьшается поперечный размер и масса катодного узла за счёт уменьшения внутреннего диаметра высоковольтного изолятора без ухудшения ремонтопригодности катодного узла. Установка изоляторов вакуумных вводов прямого накала соосно с держателем катодно-подогревательного узла повышает технологичность катодного узла за счёт упрощения токарных работ.
Благодаря установке вакуумных вводов питания прямого накала на дне стакана и расположению шин питания накала вспомогательного катода вне держателя катодно-подогревательного узла повышается ремонтопригодность катодного узла, поскольку тепловое сопротивление держателя может быть снижено за счёт выполнения его сплошным. Это улучшает охлаждение элементов катодно-подогревательного узла в случаях, когда используется катод большого (30-40 мм) диаметра, потребляющий большую мощность накала. Кроме того, шины питания накала вспомогательного катода могут выполнять при этом функции дополнительных теплоотводов.
Благодаря тому, что вспомогательный катод установлен внутри фокусирующего электрода прямого накала, выполненного в виде кольцеобразного выступа на плоском диске, причём катод и вершина выступа расположены в одной плоскости, расстояние от которой до основного катода лежит в пределах 4-6 мм, все электроны, эмитируемые вспомогательным катодом, попадают только на основной катод. Это снижает выделяемую в катодно-подогревательном узле мощность и температуру входящих в его состав резьбовых соединений, повышая тем самым его ремонтопригодность.
Выполнение вспомогательного катода в виде двух сложенных вместе полуколец обеспечивает однородный нагрев основного катода, то есть его минимальную температуру при заданной эмиссии со всей поверхности, что снижает температуру резьбовых соединений.
Выполнение вспомогательного катода в виде плоской спирали позволяет вдвое снизить, по сравнению с двумя полукольцами, требуемый ток накала и уменьшить тем самым тепловыделение в шинах и элементах крепления вспомогательного катода. Кроме того, это позволяет уменьшить поперечное сечение шин и проводов, соединяющих пушку с источником питания.
Выполнение вспомогательного катода в виде пространственной спирали, расстояние центральной части которой от основного катода превышает расстояние от основного катода периферической части на 1-3 мм, повышает однородность нагрева основного катода. Это позволяет получать максимальную эмиссию при минимальной мощности накала, что, снижая температуру катодно-подогревательного узла, повышает его ремонтопригодность.
Существо изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен разрез предложенного катодного узла с полым держателем катодно-подогревательного узла и вспомогательным катодом, выполненным в виде плоской спирали.
На фиг. 2 представлен разрез предложенного катодного узла со сплошным держателем катодно-подогревательного узла и вспомогательным катодом, выполненным в виде двух сложенных вместе полуколец.
На фиг. 3 представлен в увеличенном по сравнению с фиг. 1 и 2 масштабе частичный разрез фрагмента катодного узла, содержащего основной и вспомогательный катоды.
На фиг. 4 и 5 представлены две проекции вспомогательного катода, выполненного в виде двух сложенных вместе полуколец.
Детали, имеющие вспомогательное значение, такие как крепёжные элементы, обоймы изоляторов и другие мелкие подробности конструктивного исполнения катодного узла, на чертежах не показаны.
Основой для сборки катодного узла является высоковольтный изолятор 1. Со стороны земли изолятор 1 вакуумноплотно соединён с фланцем 2, служащим для присоединения катодного узла к вакуумной камере 3 пушки. На высоковольтной стороне изолятор 1 вакуумноплотно соединён со стаканом 4, в который на плотной посадке для образования хорошего теплового контакта вставлен воздушный радиатор 5. Стакан 4 скреплён с образованием хорошего теплового контакта с держателем 6 катодно-подогревательного узла 7. Герметичность соединения обеспечивается сварным швом 8.
Держатель 6 может быть выполнен в виде трубы (фиг. 1) или сплошного стержня (фиг. 2) из меди марки не ниже по чистоте, чем М1. На нижнем по чертежу конце держатель имеет чашу 9 с внутренней резьбой, в которую ввёрнута втулка 10. Чаша 9 может быть соединена с держателем 6 сваркой и плотной посадкой, но может быть выполнена с ним как одно целое.
На конце, противоположном резьбовому, втулка 10 имеет загнутые внутрь выступы 11. Выступы входят в прорези на боковой и задней поверхности фокусирующего электрода 12 основного катода 13, образуя байонетное соединение. Такое соединение обеспечивает быструю сборку и разборку узла, не склонно к закусыванию и имеет высокое тепловое сопротивление, затрудняя передачу тепла втулке 10 от раскалённого фокусирующего электрода 12. Трёх-четырёх выступов 11 обычно достаточно для надёжности соединения.
В центральном отверстии фокусирующего электрода 12 установлен основной катод 13, для нагрева которого электронной бомбардировкой служит прямонакальный вспомогательный катод 14, в уровне техники часто называемый спиралью. Для того чтобы все эмиттируемые им электроны попадали только на основной катод, не нагревая без надобности фокусирующий электрод 12, вспомогательный катод 14 установлен в фокусирующем электроде 15, выполненном в виде плоского диска с кольцеобразным выступом 16. Плоскость, в которой расположена эмиттирующая часть вспомогательного катода, и плоскость, проходящая через вершину выступа, совпадают. Внутренний диаметр выступа 16 равен или на 10-20 % превышает диаметр основного катода 13.
Расстояние h между плоскостью расположения эмиттирующей поверхности вспомогательного катода 14 и основным катодом 13 лежит в пределах 4-6 мм независимо от диаметра катода. Если оно меньше, чем 4 мм, то из-за сильной тепловой связи между катодами нагрев становится неустойчивым со склонностью лавинообразного увеличения тока электронного накала. Если оно больше, чем 6 мм, необходимое напряжение электронного накала будет превышать 2 кВ, что порождает проблемы, связанные с электрической прочностью вакуумных вводов 17 прямого накала и опорных изоляторов 18 системы крепления вспомогательного катода.
Держатель 6 и чаша 9 должны быть выполнены из меди чистотой не хуже М1. Примеси, содержащиеся в меди более низких марок, заметно увеличивают её удельное сопротивление. Втулка 10 должна быть выполнена из низкоуглеродистой стали с содержанием углерода не более 0,35 % или из многократно более дорогих, но и более теплопроводных и жаропрочных молибдена, тантала или вольфрама. При повышении содержания углерода в стали свыше 0,35 % или наличии в стали легирующих добавок её теплопроводность снижается, что может вызвать перегрев и оплавление конца втулки 10, соединённого с фокусирующим электродом 12.
Поскольку неоднородное распределение температур вдоль втулки 10 и механическая нагрузка от веса фокусирующего электрода 12 при расположении пушки в наклонном или горизонтальном положении могут деформировать втулку, материал которой ослаблен высокой температурой, толщина стенок втулки, как установлено опытным путём, не должна быть менее 5 мм. Значительное превышение этой величины нецелесообразно, поскольку это утяжеляет катодный узел, а избыточная прочность не нужна. Указанной толщины вполне достаточно для эффективного отвода тепла к чаше 9.
На фиг. 1 показан катодный узел, в котором шины 19 питания накала вспомогательного катода 14 проходят через полость в держателе 6 по бокам от его оси и соединяют катодно-подогревательный узел с вакуумным вводами 17 прямого накала, установленными соосно с держателем 6.
На фиг. 2 показан катодный узел пушек большой мощности, в котором держатель 6 для улучшения отвода тепла к радиатору 5 выполнен в виде сплошного стержня. В этом случае шины 19 размещены вдоль держателя, а вакуумные вводы 17 расположены рядом на дне стакана 4. В таком исполнении шины являются дополнительными теплоотводами и могут быть снабжены воздушными радиаторами 20.
В особо мощных, от 600 кВт и выше, пушках тепловыделение от катодов настолько велико, что для улучшения теплоотвода держатель 6 приходится делать сплошным.
Вспомогательный катод 14 может быть выполнен в виде плоской (фиг. 1) или пространственной (фиг. 3) спирали. Удаление центральной части спирали от основного катода на расстояние t = 1-3 мм предотвращает перегрев центральной части основного катода 13. При t < 1 мм перегрев сохраняется, а при t > 3 мм, наоборот, центр катода оказывается недогрет и электронный пучок становится трубчатым.
Вспомогательный катод может быть выполнен в виде сложенных вместе полуколец 21 (фиг. 2, 4 и 5). Такой катод формоустойчив в раскалённом виде, и его применение целесообразно в пушках, работающих в наклонном или горизонтальном положении. Кроме того, он не повреждается потоком ионов, проникающим в закатодное пространство после того, как ионы пробьют отверстие в основном катоде.
Для откачки полости катодно-подогревательного узла 7 втулка 10 снабжена сквозными окнами 22. Окна также улучшают охлаждение находящихся в полости конструктивных элементов, поскольку часть тепла излучается сквозь них на водоохлаждаемые стенки камеры пушки.
3
После откачки полости катодного узла до давления не выше 1⋅10- Па на вводы прямого накала подаётся напряжение порядка единиц вольт и током, зависящим от диаметра вольфрамовой проволоки, из которой изготовлен вспомогательный катод. После обезгаживания вспомогательного катода прогревом при токе в ¾ рабочего между стаканом 4 и одним из вводов 17 прямого накала прикладывается напряжение электронного накала, плавно поднимаемое от нуля до половины рабочего. Затем включается вентилятор принудительного охлаждения радиаторов 5 и 20 и ток прямого накала плавно увеличивается до появления эмиссии со вспомогательного катода (тока электронного накала). После прогрева и обезгаживания элементов катодно-подогревательного узла на стакан 4 подаётся отрицательное высокое ускоряющее напряжение и регулировкой токов прямого и электронного накала устанавливается требуемое рабочее значение тока эмиссии основного катода.
При выключении катодного узла напряжения прямого и электронного накала могут сниматься скачком, сразу, но вентилятор охлаждения радиаторов должен продолжать работу ещё в течение 15 минут.
Предложенное изобретение позволяет повысить ремонтопригодность катодного узла за счёт улучшения теплового режима элементов катодно-подогревательного узла, что, в свою очередь, позволяет применить воздушное охлаждение катодных узлов электронных пушек большой мощности. Это существенно упрощает их конструкцию, снижает расход охлаждающей воды и повышает безопасность эксплуатации. Предложенное техническое решение было успешно испытано на нескольких разновидностях электронных пушек мощностью от 300 до 1200 кВт. Эксплуатационные испытания показали, что катодно-подогревательный узел легко и без повреждения деталей разбирается для замены катодов после работы в течение 80-130 часов.