АКСИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА
AXIAL ELECTRON GUN

Изобретение относится к электротехнике и позволяет повысить стабильность электронной термоэмиссии и эффективность аксиальных электронных пушек.
Известна аксиальная электронно-лучевая пушка (Патент США N 3556600, 299-14, 1968), содержащая катод, смонтированный в катодном узле, анод, магнитную управляющую систему и вакуумную систему. Аналогичные аксиальные электронные пушки, в которых расстояние от термокатода да расплава может составлять более 1000-1500 мм, обладают существенными недостатками, ограничивающими их продолжительное надежное использование, например, при проведении длительной электронно-лучевой плавки в устойчивом режиме. В процессе эксплуатации электронных пушек такого вида установлено, что из-за особенностей конструкции катодного узла разогрев термокатода приводит к сильному нарушению фокусировки электронного луча, попаданию электронного луча на стенки лучевода и даже расплавлению внутренних элементов пушки, особенно при плавлении таких тугоплавких металлов, как молибден, вольфрам или тантал. Это резко снижает производительность оборудования, приводит к появлению брака и снижению выхода годных слитков металла из-за захолаживания металла и перерывов в ходе плавки. Дело в том, что в известных конструкциях катодных узлов аксиальных пушек монтаж термокатода осуществляется с помощью минимум трех тонких вольфрамовых торсионов диаметром до 1 мм, установленных в соответствующих отверстиях на внешней боковой поверхности термокатода под углом 120° относительно друг друга. Из-за невозможности прецизионного выполнения этих отверстий в термокатоде, глубина и диаметр которых может изменяться сложным образом в соответствии с коэффициентами термического расширения при разогреве термокатода до температур термоэмиссии, и особенностей крепления торсионов в катодном узле разогрев термокатода до температур термоэмиссии приводит к отклонению положения термокатода от центральной оси аксиальной пушки, а эмитирующей рабочей плоскости термокатода - от строго нормального к этой же центральной оси пушки, в результате чего электронный луч на расстоянии от термокатода до расплава в печи, составляющем, как правило, 1000-1500 мм, может существенно отклониться от центральной оси и попасть на внутренние элементы лучевода, разрушая его.
Техническая задача - получение стабильного электронного луча в широком диапазоне значений мощности, подводимой к аксиальной электронной пушке, и повышение эффективности работы пушки.
Это достигается тем, что в известной аксиальной электронной пушке, включающей катодный узел, термокатод, разогревающий спиральный катод, анод, лучевод, магнитные линзы, систему сканирования, источник питания и вакуумную систему, термокатод крепится в катодном узле с помощью трех спиральных торсионов, расположенных в нормальной к центральной оси плоскости под углом 120° друг к другу и обеспечивающих поддержание соосного положения термокатода в пушке при нормальной к центральной оси плоскости эмитирующей рабочей поверхности термокатода в широком диапазоне значений подводимой мощности в результате разворота термокатода вокруг собственной оси под действием спиральных торсионов, испытывающих термическое расширение при разогреве термокатода, причем сохраняется соосность термокатода и пушки и нормальность плоскости эмитирующей рабочей поверхности термокатода к центральной оси пушки. Термокатод, обычно выполняемый из металлокерамического или поликристаллического вольфрама или тантала, изготавливается из монокристаллов соответствующего диаметра, у которых нормальная к оси роста плоскость имеет минимальную работу выхода электронов.
На фиг.1 представлена схема аксиальной электронной пушки, где: 1 - термокатод, 2 - фокусирующий электрод, 3 - анод, 4 - магнитная линза, 5 - защитные цилиндры из молибдена, 6 - окно, 7 - магнитная линза, 8, 9 - магнитная сканирующая система, 10 - электронный луч, 11 - вакуумный клапан, 12 - патрубок для подключения к вакуумному насосу. Элементы 3, 5 с магнитными линзами 4, 7, 8, 9 образуют лучевод аксиальной электронной пушки. На фиг.2 представлена схема катодного узла, где 1 - термокатод, 2 - фокусирующий электрод, 3 - анод, 13 - торсионы, 14, 15 - разогревающий катод. На фиг.3 представлены стержневой (А) и спиральный (Б) способы торсионного крепления термокатода в катодном узле, 1 - термокатод, 13 - торсионы.
Аксиальная электронная пушка реализуется следующим образом.
В аксиальной электронной пушке вместо термокатода со стержневыми торсионами (А) устанавливают термокатод со спиральными торсионами (Б), причем плоскость эмитирующей рабочей поверхности термокатода нормальна к центральной оси аксиальной пушки, а торсионы располагаются под углом 120° относительно друг друга нормально к центральной оси пушки и охватывают термокатод по кольцевой выточке на его боковой цилиндрической поверхности (фиг.3). Это позволяет полностью избежать операций, связанных с прецизионным выполнением отверстий на боковой цилиндрической поверхности термокатода, и сложностей, связанных с последующей юстировкой термокатода в катодном узле и учетом коэффициентов термического расширения. Термокатоды выполняют из кристаллографически ориентированных монокристаллов вольфрама или тантала, так что эмитирующая рабочая поверхность имеет минимальную работу выхода электронов, что существенно повышает стабильность и продолжительность работы как самого термокатода, так и всей аксиальной электронной пушки.
Пример выплавки слитков высокочистого молибдена №1.
Выплавку пяти слитков молибдена производили в электронно-лучевой установке, оборудованной аксиальной электронной пушкой с катодным узлом, в котором установлен термокатод, закрепленный на спиральных торсионах, без сверления термокатода. Термокатод диаметром 16 мм выполняется из монокристаллического вольфрама, а вспомогательный спиральный катод - из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм. Термокатод в холодном состоянии с помощью спиральных торсионов, выполненных из вольфрамовой проволоки диаметром до 1 мм, располагают строго нормально к центральной оси пушки, причем термокатод и сама пушка соосны. В результате пространственное положение термокатода оказывается неизменным при последующем разогреве до температуры термоэмиссии и разности потенциалов (ускоряющем напряжении) 26 кВ. При токе электронного пучка 4,8 А ± 0,5% (мощность до 170 кВт) осуществили выплавку пяти слитков молибдена диаметром 60-120 мм и длиной до 1500 мм. Все пять выплавленных слитков высокочистого молибдена имели правильную цилиндрическую форму, без поверхностных дефектов. Выход годных слитков составил 98,6% (небольшие потери при удалении затравочной части слитков). На той же установке выплавлено пять аналогичных слитков молибдена с использованием аксиальной электронной пушки, содержащей термокатод со стержневыми торсионами. При выходе на рабочий режим три плавки были вынужденно прерваны из-за отклонения электронного луча от вертикальной оси (проблемы с термокатодом и лучеводом), две плавки прошли без проблем и получены слитки длиной 1500 мм. Слитки имели удовлетворительное качество, однако 3 слитка (прерванные плавки) имели длину, недостаточную для последующей обработки по заданному технологическому регламенту, поэтому выход годных слитков высокочистого молибдена составил 48,4%. Таким образом, при использовании аксиальной электронной пушки с предлагаемой конструкцией катодного узла выход годных слитков увеличивается почти в 2 раза при высоком структурном качестве выплавленных слитков высокочистого молибдена.
Пример выплавки высокочистого вольфрама №2.
На аналогичной установке было проплавлено восемь слитков вольфрама, причем четыре слитка с предлагаемой аксиальной электронной пушкой со спирально-торсионным креплением термокатода, а четыре слитка - с помощью обычной электронной пушки. Размеры выплавленных слитков: диаметр 50-80 мм, длина 500-1260 мм. Ускоряющее напряжение 28-30 кВ, ток электронного луча 3,8-5,5 А, мощность 114-154 кВт. Слитки высокочистого вольфрама, выплавленные с помощью предлагаемой аксиальной электронной пушки, имели цилиндрическую форму, со стандартной поверхностью, выход годного 97,2% (незначительные потери при удалении затравочной части слитков). Цилиндрические слитки вольфрама, выплавленные с помощью обычной пушки, имели грубую литую поверхность, а выход годного 48,1%. Таким образом, при выплавке высокочистого вольфрама предлагаемая аксиальная электронная пушка позволяет увеличить выход годного почти в 2 раза.
-4
Аксиальная электронная пушка работает следующим образом. Аксиальная электронная пушка с внутренней электромагнитной отклоняющей шлюзовой системой устанавливается в верхней части плавильной камеры и имеет автономный вакуумный комплекс с возможностью откачки до 1.10 Па. Возбуждение электронного луча осуществляется с помощью термокатода 1 с электродом фокусировки 2 и анода 3 (Фиг.1). Вольфрамовый термокатод 1 разогревается вспомогательным спиральным вольфрамовым катодом (позиции 14, 15 на фиг.3) до температуры термоэмиссии ~2800°С. Защитные молибденовые цилиндры 5, имеющие средний потенциал вспомогательного электрода, служат приемником отраженных электронов. Термокатод 1 имеет такой же потенциал, что и фокусирующий электрод, и находится на отрицательном высоком напряжении (потенциал земли). Спиральные торсионы (А) расположены под углом 120° друг к другу и удерживают термокатод соосно с центральной осью пушки, причем положение эмитирующей рабочей плоскости остается нормальным к оси пушки независимо от величины подводимой к термокатоду мощности (фиг.3), поскольку разогрев термокатода и торсионов приводит к повороту термокатода вокруг собственной оси без ухода от нормального положения по отношению к центральной оси пушки. Электроны, эмитированные из термокатода 1, ускоряются в электрическом поле и попадают через отверстие в аноде в цилиндрический лучевод, предназначенный для введения электронного потока в электромагнитную систему 7 (фиг.1). Элементы 8 и 9 электромагнитной отклоняющей системы производят постоянное и периодическое во времени сканирование электронного луча 10 по круговой или эллиптической орбитам. Сферическая геометрия рабочей поверхности термокатода 1 (фиг.2) с радиусом сферы 48 мм и расположение фокусирующего электрода и магнитных линз в аксиальной электронной пушке (фиг.1) обеспечивает фокусировку и отклонение электронного луча с минимальными потерями мощности - не более 0,5 кВт. Термокатоды, изготовленные из монокристаллов вольфрама или тантала с минимальной работой выхода электронов, существенно повышают стабильность и продолжительность беспрерывной работы аксиальной электронной пушки: монокристаллические термокатоды со сферической эмитирующей поверхностью способны работать продолжительное время и устойчиво при отсутствии глубоких каверн или сквозных отверстий вследствие эффекта полого катода, тогда как термокатоды, выполненные из металлокерамических или поликристаллических (плавленых) вольфрама и тантала, часто становятся непригодными именно по этой причине. Напряжение ускорения электронов регулируют в пределах от 8 до 30 кВ. Мощность изменяют за счет разности потенциалов между термокатодом и анодом при постоянном значении тока накала вспомогательного разогревающего спирального катода.
Таким образом, предлагаемая аксиальная электронная пушка позволяет существенно повысить эффективность работы в широком диапазоне значений подводимой мощности и практически полностью исключить аварийные ситуации, связанные с расплавлением лучевода аксиальных электронных пушек и, как следствие, попаданием влаги в вакуумную систему пушки и плавильной установки. Кроме того, получаемые с помощью предлагаемой аксиальной пушки слитки тугоплавких металлов имеют высокое структурное качество и не создают непредвиденных трудностей при их последующей технологической обработке.