ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА
GAS-DISCHARGE ELECTRON GUN

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для электронно-лучевой плавки в вакууме или среде инертного газа высокореакционных металлов и сплавов.
Известна газоразрядная электронная пушка, содержащая холодный катод и соосный ему анод с отверстием для вывода пучка, образующие разрядный промежуток и фокусирующее устройство (а.с. №799046, 1981).
Известна газоразрядная электронная пушка, содержащая электродную систему, состоящую из размещенного в герметичном корпусе на высоковольтном изоляторе холодного вогнутого катода с развитой эмиссионной сферической поверхностью и установленного соосно ему полого анода с отверстием в дне, расположенный под электродной системой лучевод с закрепленными на нем фокусирующими катушками (патент РФ №2323502, 2008).
Основными недостатками известных газоразрядных пушек являются трудоемкость их изготовления, монтажа и обслуживания в части наличия неразборной газоразрядной камеры, входящей в состав анода, сложность системы подачи рабочего газа в газоразрядную камеру, а также неравномерное распределение рабочего газа, подающегося на вогнутую эмиссионную сферическую поверхность катода, вызывающее ее локальную эрозию и, как следствие, ускоренный износ.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка конструкции газоразрядной электронной пушки, позволяющей снизить затраты на ее изготовление, монтаж и эксплуатацию.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является снижение расходов и продолжительности ремонта пушки, стабилизация подачи рабочего газа в газоразрядную камеру и получение равномерного распределения газа по эмиссионной сферической поверхности вогнутого катода.
Технический результат достигается тем, что в газоразрядной электронной пушке, содержащей размещенный в герметичном корпусе на высоковольтном изоляторе вогнутый катод с эмиссионной сферической поверхностью, соосный ему цилиндрический анод с отверстием для вывода пучка, лучевод с размещенными фокусирующими катушками, систему подачи и регулирования состава рабочего газа, системы охлаждения катода и анода, газоразрядная камера выполнена в виде отдельной съемной вставки, на нижнем торце которой выполнен щелевой завихритель рабочего газа. Щелевой завихритель газоразрядной камеры выполнен в виде кольца, при этом в области, прилегающей к наружному диаметру кольца, дополнительно выполнена кольцевая полость газораспределения, соединенная с отверстием вывода пучка посредством сквозных тангенциальных отверстий прямоугольного сечения, расположенных через равные интервалы. В качестве рабочего газа используется подающийся в газоразрядную камеру технический водород с добавлением водородно-кислородной смеси, образующейся посредством разложения паров воды в электролизере пушки. Регулировка процентного соотношения элементов рабочего газа осуществляется посредством источника питания электролизера и регулятора источника подачи водорода. Регулировка процентного соотношения элементов рабочего газа осуществляется посредством регулирования сечения дросселя на линии подачи водородно-кислородной смеси.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен схематический разрез конструкции газоразрядной электронной пушки, на фиг.2 - схематический разрез по сечению А-А, на фиг.3 - схема системы подачи рабочего газа, на фиг.4 изображена вогнутая сферическая поверхность катода в плане.
Газоразрядная электронная пушка содержит корпус на герметичном высоковольтном изоляторе 1, в который установлен водоохлаждаемый катод 2 с вогнутой катодной вставкой 3, имеющей сферическую эмиссионную поверхность 4. При помощи центрирующей проточки цилиндрического корпуса 5 катод 2 соосно установлен на полом аноде, состоящем из газоразрядной камеры 6, выполненной в виде вставки со щелевым завихрителем 7 на нижнем торце, и лучевода 8 с размещенными на нем фокусирующими катушками. Щелевой завихритель 7 (фиг.2) содержит штуцер для подачи рабочего газа 9, полость газораспределения 10, соединенную с помощью сквозных тангенциальных отверстий 11 с отверстием вывода пучка 12. Система подачи рабочего газа (фиг.3) содержит наполнитель 13 с водородом, регулятор давления 14, стабилизатор давления газа 15 и задатчик-регулятор расхода газа 16, установленные на одной линии подачи газа. На второй линии подачи рабочего газа размещены емкость для воды 17, емкость-электролизер 18 с подключенным источником питания 19, электромагнитный клапан 20 и регулятор расхода 21. Обе линии подачи газа соединены смесителем 22.
Газоразрядная электронная пушка работает следующим образом.
После создания вакуума включается система подачи и регулирования состава рабочего газа. По одной линии чистый водород поступает из баллона через редуктор и стабилизатор расхода газа в дозирующий смеситель. Расход газа определяется задатчиком величины расхода. По другой линии установлены две емкости с водой, выполненные в виде сообщающихся сосудов. К одной емкости подключен источник питания для разложения электролизом паров воды на смесь кислорода и водорода. Смесь кислорода и водорода через электромагнитный клапан и регулятор (стабилизатор) расхода, выполненный в виде дроссельной шайбы, поступает в дозирующий смеситель, где осуществляется соединение газа, подающегося из обеих линий. Из смесителя рабочий газ требующейся концентрации поступает в полость газораспределения завихрителя газоразрядной камеры, где осуществляется выравнивание давления газа. Далее газ постоянного давления поступает одновременно во все тангенциальные отверстия завихрителя и через отверстие вывода пучка подается на эмиссионную сферическую поверхность вогнутого катода. На катод через токоподвод следует подача ускоряющего напряжения. При приложении напряжения между катодом и анодом в разрядном пространстве в среде рабочего газа возникает самоподдерживающийся высоковольтный тлеющий разряд с областью плазмы, заполняющей полость анода, и областью катодного падения потенциала, расположенной между эмиссионной сферической поверхностью вогнутого катода и плазмой. Вытягиваемые электрическим полем катодного падения с границы плазмы положительные ионы, двигаясь к катоду, претерпевают многократную перезарядку, в результате чего сферическая поверхность вогнутого катода бомбардируется потоком ионов и быстрых нейтральных частиц (атомов и молекул), вызывающих эмиссию электронов. Электроны, ускоряясь в области катодного падения, формируются в сходящийся электронный луч, ионизуя при этом рабочий газ в разрядном пространстве и обеспечивая этим существование плазмы и дополнительного потока ионов в сторону катода. Электронный луч выводится из разрядного пространства в лучевод через отверстие вывода пучка и с помощью фокусирующих катушек фокусируется на поверхности нагреваемого объекта.
Конструкция газоразрядной камеры, выполненной в виде отдельной съемной вставки, позволяет производить ее быструю замену, оставляя невредимым анодный узел, что делает пушку более удобной и сравнительно недорогой в изготовлении, монтаже и обслуживании.
Выполненный на нижнем торце газоразрядной камеры щелевой завихритель с полостью газораспределения и сквозными тангенциальными отверстиями обеспечивает получение ламинарных потоков рабочего газа и равномерное распределение потоков по всей площади эмиссионной сферической поверхности вогнутого катода. Это приводит к исключению локальной эрозии, получению равномерной эмиссии ионов, стабилизации параметров луча и, следовательно, снижению износа вогнутого катода и повышению ресурса работы пушки.
С целью стабилизации напряжения разряда в качестве рабочего газа пушки используют технический водород с добавлением водородно-кислородной смеси. Осуществляемое регулирование процентного соотношения элементов рабочего газа посредством источника питания электролизера и регулятора источника подачи водорода обеспечивает заданную точность показателей состава смеси. Система подачи и регулирования состава рабочего газа при минимальных затратах позволяет производить надежную подачу и требуемую точность регулирования процентного соотношения элементов рабочего газа, что обеспечивает стабильное функционирование пушки.
Промышленную применимость предлагаемого изобретения подтверждает следующий пример конкретного выполнения.
Газоразрядную электронную пушку использовали для переплава металлических отходов (например, из сплава Инконель 718). После включения источника питания на пушку подавали ток силой 7 А и напряжением 25 кВ. В качестве рабочего газа использовали соединение технического водорода с примесью кислорода 0,05 мас.%. Расход рабочего газа составлял 25 л/ч. Работа пушки производилась в штатном режиме, поломок и аварийных ситуаций не зафиксировано. Полученный металл соответствует всем требованиям нормативной документации. После 70 часов работы пушки был снят катод и произведен осмотр его вогнутой сферической поверхности. Локальная эрозия на поверхности отсутствовала, катод пригоден для дальнейшей эксплуатации без дополнительной доработки (см. фиг.4).
Предлагаемая конструкция газоразрядной электронной пушки позволяет уменьшить затраты на изготовление, монтаж и ремонт пушки, стабилизировать процесс подачи рабочего газа в газоразрядную камеру и повысить равномерность распределения подающегося газа по эмиссионной сферической поверхности вогнутого катода.