CN102522301B - 一种功率可达800kw的大功率电子枪 - Google Patents

Abstract

一种功率可达800kw的大功率电子枪，包括：一电子枪枪芯，置在枪室上筒上；枪芯上装有灯丝和阴极块；枪室上筒下装有阳极座，阳极座上装有阳极；阳极座和第一磁透镜的线圈固定为一体；在枪室下筒和底座之间装有带水冷的拦孔座，其上安装有拦孔；在枪的最下的部分是电子枪的枪座；所述的底座上装有偏转和扫描线圈，在偏转和扫描线圈之上是第二磁透镜的线圈，这些线圈均围有进行冷却用的水套；其还至少具有以下结构形式中的一种：其一，在阳极座的下面安装有阳极升降控制系统；其二，把灯丝的中心孔直径尺寸加大至8mm；其三，在枪室下筒上装有氩气输送开环控制系统。其解决了当前电子枪在调节功率大小时操作繁冗复杂、工作强度大和工作效率低等弊端。

Description

一种功率可达800kw的大功率电子枪

技术领域

本发明涉及一种电子束熔炼炉用电子枪，尤指一种操作时功率大小易于调节且稳定工作功率可达到800kw的大功率电子枪。

背景技术

电子枪是冶炼工艺用于产生电子束的装备，主要用于W、Mo、Ta、Nb等难熔金属、合金及其化合物和复合材料，目前随着电子束熔炼多晶硅工艺的日渐成熟，电子束熔炼炉也越来越多的被用于太阳能行业的多晶硅的提纯中。其主要工作原理：电子枪通过间热式阴极电子发射系统发射的电子在阴极和阳极之间的高压静电场的加速下形成高能电子束，然后电子束通过电子光路系统的聚焦、偏转和扫描后形成工艺要求所希望的电子束。

在实际使用的过程中，根据工艺的要求，电子束的功率大小需要根据实际的熔炼情况进行调节。目前，电子枪功率的大小调节方法一般均是先调节主高压，然后再调节副高压，最后调节灯丝电流；或者前三者的调节顺序互换，经常要反复的调节这三个参数以满足所需要功率大小的要求，另外，还要根据导流系数变化（电子枪的导流系数随着电子枪功率大小的变化而变化）调节聚焦电流的大小，给操作带来了诸多不便，同时给操作人员在技术层面也提出了较高的要求，操作较为复杂，若没有熟练掌握，电子枪的灯丝和阴极块的寿命会大大降低，要频繁更换这些易损件，造成生产效率下降，使用成本增高，工人劳动强度加大。

一般要电子枪的功率增大，首先要电子枪的主高压加大，但随着主高压的增高，目前同行业使用的电子枪主高压频繁放电的现象发生较为严重，也是同行业面临的一个疑难问题。在电子枪开枪开始熔炼时，目前都是从小功率开始熔炼，随着熔池的大小逐渐的增大电子枪的功率，在使用电子枪的功率较小时，主高压相对较低，不易发生主高压放电现象，但随着功率的逐渐增大，放电现象愈发明显，功率越大电子枪就变的越来越不稳定。

目前大功率电子枪一般都用在多晶硅提纯中，一般都需要二次熔炼，一次熔炼均在冷床内，因冷床都是方形结构，因此对电子枪的扫描线圈的装配提出了较高要求，稍有不正，电子枪扫描出的方形就跟冷床的方形的四边不平行，造成电子束打在水平冷床上，造成事故。目前大部分电子枪在试验后都要重新调整电子枪的扫描线圈，在调整线圈时，需要拆水管、气管和真空系统等，工作量和劳动强度都较大，且每次的拆装对真空都是一个考验。因此，在不用拆枪的前提下能够方便调整电子枪的扫描线圈是一个重要的课题。

另外，目前电子枪随着功率的增大，对电子枪的聚焦能力提出了新的挑战，目前采用对电子枪充氩解决了这一问题，但同时又出现了另外的问题，即灯丝和阴极块的寿命大大缩短，极大地影响了电子束炉的使用效率，使用成本加大。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作使用时功率大小易于调节且功率可达800kw的大功率电子枪，其解决了当前电子枪在调节功率大小时操作繁冗复杂、工作强度大和工作效率低等弊端。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种功率可达800kw的大功率电子枪，包括：一产生电子的电子枪枪芯，其内置在枪室上筒上；枪芯上装有发射电子的灯丝和阴极块；在枪室上筒的下面装有阳极座，在阳极座上装有跟枪芯的阴极一起工作而形成电子束的电子发射系统的阳极；阳极座和第一磁透镜的线圈固定为一体；在枪室下筒和底座之间装有带水冷的拦孔座，其上安装有拦孔；在枪的最下的部分是电子枪的枪座；所述的底座其上装有偏转和扫描线圈，在偏转和扫描线圈之上是第二磁透镜的线圈，这些线圈均围有进行冷却用的水套；其还至少具有以下结构形式中的一种：其一，在阳极座的下面装有阳极升降控制系统；其二，把灯丝的中心孔直径尺寸加大至8mm；其三，在枪室下筒上装有氩气输送开环控制系统。

所述的阳极升降控制系统包括一紧抵于阳极座之下的凸轮，用以驱动凸轮运转的一液压缸安置在枪外，凸轮轴上装有转动角度传感器。

所述的功率可达800kw的大功率电子枪的氩气输送开环控制系统包括一组管道氩气或瓶装氩气气源及可控制氩气流量的手动调节真空微量调节阀,通过管路使气源、真空微量调节阀和拦孔室连接在一起。

所述功率可达800kw的大功率电子枪中，所有线圈均在真空外。

所述功率可达800kw的大功率电子枪中，在偏转和扫描线圈外的筒套上开有手孔。

其相对于目前国内同类型熔炼用电子枪，本发明的优点是：

1、电子枪功率大小易于调整；

2、通过加上氩气输送开环控制系统，在增大电子枪功率时使得电子束聚焦状况变的更加理想，且易于控制，因此，电子枪在800kw大功率工作时极其稳定；

3、灯丝和阴极块的寿命明显延长；

4、电子枪的偏转和扫描线圈易于调节。

附图说明

图1  为本发明大功率电子枪结构示意图。

图中： 1-电子枪枪芯； 2-枪罩； 3-枪室上筒； 4-灯丝； 5-阴极块； 6-阳极； 7-阳极座；8-第一磁透镜线圈； 9-第一磁透镜； 10-下筒； 11-插板阀； 12-阳极升降控制系统； 13-开环氩气输送系统； 14-观察窗； 15-拦孔； 16-拦孔座； 17-第二磁透镜； 18-偏转扫描透镜； 19-枪体底座； A-凸轮； B-液压缸。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。

具体实施方式

如图1所示，根据电子束的自上而下的途径路径过程，本发明功率可达800kw的大功率电子枪的主要部件有电子枪枪芯1、枪罩2、阳极6、第一磁透镜9、阳极升降控制系统12、插板阀11、开环氩气输送系统13、拦孔15、第二磁透镜17和偏转扫描透镜18，其分别装置在枪室上筒3、阳极座7、第一磁透镜套9、拦孔座16和枪体底座19上。

所述的阳极升降控制系统12由凸轮A、液压B、凸轮转角传感器和液压控制系统等组成。

枪芯1安装在上筒3上，在电子枪芯上装有灯丝4和阴极块5，在枪室上筒3与第一磁透镜线圈8之间安装带水冷的阳极座7；在所述的电子枪底座19、拦孔座16、阳极座7、枪室上筒3和下筒10和观察窗14等部件均设有供冷却水通过的水道，保证了各个接口的密封圈的密封性能，进而给电子枪的各项性能稳定工作提供了必要的真空环境。

本发明的最主要一创新点在于：成功研制了能够稳定工作和易于调节功率大小的800kw大功率电子枪。在原有800kw电子枪的基础上，通过改变阴极和阳极之间的距离来调整电子枪的功率大小，在阳极座的下面装有阳极升降控制系统12，该阳极升降控制系统的具体一实施例是：在阳极座的下面安置一凸轮A，在枪外与凸轮相连的是用以驱动凸轮运转的液压缸B，凸轮轴上装有转动角度传感器，在主高压调至正常工作时的最高电压之后，在主高压副高压灯丝电流均不需改变的情况下，只需调节阴阳极之间的距离即可轻松稳定地调节电子枪的功率大小。避免了以往要反复调节灯丝电流、副高压和主高压的复杂操作过程和由于电压的往复调节而造成了频繁放电现象发生。

本发明的另一创新点在于：开发了氩气开环控制系统。对于800kw大功率的电子枪，因聚焦的需要，设计了氩气控制聚焦系统。一般来说，在电子枪的功率较小时，电子束的电流较小，因而相应的电子束的每个截面的直径也较小，但随着功率的增大，特别是达到500kw至800kw之间时，电子束的直径变的越来越大，从而电子束的聚焦质量也变得越来越差，以至于使电子枪的功率无法继续提高。针对这一问题，我们原来在大功率电子枪上加有氩气闭环控制系统，电子枪大功率工作时聚焦效果明显，但被电子束电离的氩气产生的正离子对易损件的使用寿命也提出了极大挑战，如电子枪的阴极块和灯丝的使用寿命明显降低。相对于氩气闭环控制系统，开环控制系统能够大大提高易损件的寿命，其主要构成：由管道氩气或者瓶装氩气提供气源，通过管路连接使气源、真空微量调节阀和拦孔室连接在一起，操作员工可以根据实际聚焦情况手动调节真空微量调节阀以控制氩气的流量。开环控制系统能够根据电子枪的功率大小和聚焦的实际情况的好坏而增大或者减小甚至停止对对电子枪充氩气，避免了闭环控制系统只能由控制系统自动地死板地保证预先设定的真空度（这个真空度值一般是功率最大、聚焦最差时给定的一个真空数值），造成氩气过多，使电子枪的一些零部件损坏速度加快等弊端，这样对电子枪易损件的使用寿命明显提高，节约了使用成本，提高了生产效率。 

本发明的另一创新点在于：把灯丝的中心孔直径尺寸加大至8mm，从而使灯丝和阴极块的使用寿命大大提高。为了提高聚焦能力通入了氩气，但氩气被电离后产生的正离子对阴极块和灯丝的寿命造成了明显的影响，因为现有技术的灯丝中心孔较小，其在轰击电压下产生的轰击电流对阴极块的加热，致使阴极块中心的温度比周边温度稍高，若阴极块再在氩气产生的正离子轰击下，实践证明阴极块中心温度过高致使阴极块中心很快击穿出现大洞，正离子通过阴极块的中心孔打在灯丝上，致使灯丝很快被切断。在灯丝中心孔改为大的中心孔之后，在阴极块和灯丝之间加上轰击电压时，不会使阴极块的中心温度过高，反而使中心的温度稍微低于周围的温度，阴极块再在氩气产生的正离子轰击的情况下使中心的温度基本与周围的温度基本一致，使阴极块中心不至于被正离子击穿出现大洞，即使部分正离子穿过阴极块的中心孔往灯丝部分飞去，由于中心孔较大的缘故，也不至于使正离子打在灯丝上，从而大大提高了灯丝和阴极块的使用寿命，实践已经证明了这一点，灯丝和阴极块的使用寿命均在2000小时以上，由此可见，灯丝中心孔的加大至8mm对改善电子枪的意义是极其重大。

本发明的另一创新点在于：电子枪的偏转和扫描线圈易于调节。因目前电子束炉的冷床结构都是方形结构，因此对电子枪的扫描线圈的装配提出了较高要求，稍有不正，电子枪扫描出的方形就跟冷床的方形的四边不平行，造成电子束打在水平冷床上，造成事故。以往大部分电子枪在试验后都要重新调整电子枪的扫描线圈，在调整线圈时，需要对枪的冷却系统放水、拆水管、气管和真空系统等，工作量和劳动强度都较大，且每次的拆装对真空和水路都是一个严峻的考验。本发明通过在电子枪外筒开手孔，可以解决在不拆枪的情况下很轻松调整方扫描的方形与水平冷床的四边不平行现象，克服了以往在安装调试后一般仍要再拆枪重新旋转线圈而造成安装调试工期长，劳动强度大的缺点。

由于本发明对电子枪整体结构的改良，使得电子枪的功率易于调节，电子枪的使用性能更加稳定，安装调试更加方便、简单等。

上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本发明的申请专利范围。

Claims (3)

1.一种功率可达800kw的大功率电子枪，包括：一产生电子的电子枪枪芯，其内置在枪室上筒上；枪芯上装有发射电子的灯丝和阴极块；在枪室上筒的下面装有阳极座，在阳极座上装有跟枪芯的阴极一起工作而形成电子束的电子发射系统的阳极；阳极座和第一磁透镜的线圈固定为一体；在枪室下筒和底座之间装有带水冷的拦孔座，其上安装有拦孔；在枪的最下的部分是电子枪的枪座；所述的底座其上装有偏转和扫描线圈，在偏转和扫描线圈之上是第二磁透镜的线圈，这些线圈均围有进行冷却用的水套；其特征在于还至少具有以下结构形式中的一种：

其一，在阳极座的下面安装有阳极升降控制系统，其包括一紧抵于阳极座之下的凸轮，用以驱动凸轮运转的一液压缸安置在枪外，凸轮轴上装有转动角度传感器；

其二，把灯丝的中心孔直径尺寸加大至8mm； 

其三，在枪室下筒上装有氩气输送开环控制系统；

另外，在偏转和扫描线圈外的筒套上开有手孔。

2.根据权利要求1所述的功率可达800kw的大功率电子枪，其特征在于：所有线圈均在真空外。

3.根据权利要求1所述的功率可达800kw的大功率电子枪，其特征在于：所述的氩气输送开环控制系统包括一组管道氩气或瓶装氩气气源及可控制氩气流量的手动调节真空微量调节阀，通过管路使气源、真空微量调节阀和拦孔室连接在一起。