CN1238551A - 射线束发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种射线束发生装置,包括一位于一真空腔内用于产生热电子的阴极,一对向阴极提供电流以加热它的供电线路,具有加速从阴极产生的热电子的电极的热电子加速器,聚集和偏致电磁铁,以及冷却叶片。当通过供电线路向阴极供给一电流而加热阴极时,阴极产生热电子而且产生的热电子加速、聚集、偏致并做为一射线束发射。供电线路有一对位于真空腔外的接头,并通过真空法兰延伸且通过绝缘体固定到真空法兰上。冷却叶片直接安装在真空法兰上,但不与绝缘体和接头接触,从而使真空法兰不会过热并可防止腔中的真空损坏,而且可以提高热电子的产生效率。
Description
本发明涉及一种射线束发生装置,更具体地说,是涉及一种可用于一电子束发射装置中心一热电子发生源。
越来越明显由于空气污染造成所谓的温室效应、酸雨和其它效应,这已成为严重的环境问题,其根源是放射出的硫氧化物、氮氧化物等。硫氧化物、氮氧化物等通常存在于从热电站,焚烧装置排出的气体中。一种从燃烧废气中去除这些有害成份的实用的方法是通过将电子束射入这些燃烧废气中以进行脱硫和脱氧而实现的。
图1示出了一燃烧废气处理系统的一示意图,其中使用了一种射线束发生装置对一燃烧废气进行脱硫和脱氮。处理系统包括一产生高压直流电的电源10、一发射一电子束的射线束发生装置11和一燃烧废气的过流通道19。通道19有一发射窗15,发射窗15由一薄钛层组成,发自射线束发生装置11的电子束通过窗15射入过流通道19。穿过窗15发射的电子束辐射燃烧废气中的氧分子和水蒸汽分子等,从而这些分子成为游离基如OH、O、HO2等。由于游离基具有很强的氧化作用,它们氧化有害的成分SOx、NOx等以形成中间产物如硫酸和硝酸。这些中间产物与提前喷入的氧气进行化学反应,而成为硫酸氨和硝酸氨。这些合成的硫酸氨和硝酸氨可取出用于化肥中的原料。
如上所述,通过使用如图1所示的燃烧废气处理系统,可以从燃烧废气中排除这种有害的成分如SOx、Nox等,并取出可用于肥料原料的副产品如硫酸氨和硝酸氨。
射线束发生装置11通常包括一包含通过接头24a和24b接受电能的热电子阴极的热电子发生源12、一具有加速从热电子发生源12射出电子的阴极的加速管13、一向由加速管13形成的高能电子束施加一磁场以控制电子束直径的聚焦电磁铁16以及一向直径受控的电子束施加一磁场以偏转电子束的偏转电磁铁17。热电子发生源12和加速管13位于一腔18b中,该腔18b充满了具有电绝缘特性的高压气体如SF6(六氟化硫)、CO2等。热电子发生源12和加速管13的内部以及位于电磁铁17和窗15之间的绕合部件18a内部的一射线束路径腔处于一高度真空大气压下。加速管13提供的高能电子束通过改变由偏致电磁铁17施加的磁场而偏转或偏致,从而穿过窗15射向废气通道19的一预定区域。
图2是一示意图,示出了一可用于图1所示的射线束发生装置11中的一常规的热电子发生源12。一热电子发生源基本包括一在一真空腔中在真空条件下产生热电子的一热电子发生部件、一在真空腔中加热热电子发生部件的加热器、一在真空腔外向加热器提供直流或交流电的电源以及一连接加热器和电源的连接件或电源接头。在图2所示的热电子源12中,加热器和热电子发生部件已成为一常用部件或阴极22,它们由钨、钽等类似物制成。通过从一电源10(图1)向阴极22提供一交流或直流电并使阴极22的温度达到一预定高的值,可以产生数量足够的热电子。为了从钨、钽等制成的阴极22产生数量足够的热电子,必须加热阴极22至2000~3000℃的温度。
在图2所示的热电子发生源12中,一对供电线路穿过一由不锈钢等制成的真空法兰23延伸,并有在真空腔21外的接头24a和24b以及连在腔21内的阴极22的接头24。电力通过电源加在接头24a和24b上,由此电流通过供电线路流向阴极22。线路由绝缘体25同真空法兰23隔开并固定插入真空法兰23以保持腔21的真空状态。
通常,通过法兰23支接头24的绝缘体25由陶瓷制成。绝缘体25通过银焊由kovar合金-科瓦铁镍钴合金(美国Westing House公司的一种商标)固定在真空法兰23上。由于kovar合金的热膨胀系数非常接近绝缘体25和真空法兰23或陶瓷与不锈钢,因此在中间连接绝缘体25和法兰23的kovar合金能提供良好的真空密封。
但是必须在低于350℃的温度范围内使用kover合金。另一方面,如上所述必须加热钨等制成的阴极22至2000-3000℃以从阴极22产生数量足够的热电子。因此,当kovar合金在陶瓷绝缘体25连在法兰23的固定部的温度高于350℃时一些问题诸如破坏真空。破坏绝缘性等会产生。
针对上述问题及其它问题,热电子发生源12通常包括用做散热器的冷却叶片26,叶片26由铝合金制成并固定在接头24a和24b上,如图2所示。
如图2所示的常规的热电子发生源12的操作将在下面介绍。首先,将真空腔21中的空气抽出以使腔内处于高度真空状态。然后在接头24a和24b之间输入一交流电压以使电流在阴极流过并加热阴极。于是热电子从阴极22产生。从电源10(图1)向接头24a和24b中的一个如接头24b施加一负的高电压以形成一电场,从而使产生的热电子导向真空腔21中的加速管13(图1)。导向的热电子加速并会聚在加速管中并从而形成一电子束。在图1中的废气处理系统中的一电子束发射装置中加热阴极22的供给电力通常为约1KVA。阴极22产生的热量通过接头24导向绝缘体25以及接头24a和24b并传至冷却叶片26,从那儿散发到外界。通过以上方式,接头24a和24b冷却。
如上所述,在现有的热电子发生源12中,由阴极22产生的大量热量由固定在电流供给接头24a和24b上的冷却叶片26散发。由于此结构,阴极22产生的热量也传给真空法兰23,导致法兰部分的温度升高。相应地,由于法兰23的高温真空腔21中的压力会损坏。而且,由于阴极22产生的热量传给冷却叶片26并由其散发,阴极22会冷却,从而结果使由输入的电能产生热电子的效率降低。
还可以应用一种使用纯水冷却真空腔21的冷却方法。许多热电子发生源使用这种冷却方法。在此方法中,如图2所示,一冷却管27围绕在真空腔21的外周上,纯水以一种冷却液由一纯水供给装置28提供并流经冷却管27。但在此方法中,必须去除纯水中的杂质直到它可以用做电绝缘材料。通过增加这样一种纯水冷却装置,热电子发生源12的整体尺寸会变大而且发生源的结构很复杂。
本发明即是针对现有技术中的以上问题,而本发明的目的是提供一种射线束发生装置,它能防止由于阳极产生的热量而损坏真空腔中的压力,并通过向阴极供电而产生热电子。为了实现本发明的目的,根据本发明射线束发生装置包括:(a)一阴极,位于有一真空法兰的真空腔内,用于通过使本身发热而产生热电子;(b)一对供电线路,具有一对位于真空腔外的接头,用于向阴极提供电流以加热阴板,供电线路穿过真空法兰延伸并通过绝缘体固定在真空法兰上;(c)热电子加速器,具有加速从阴极发出的热电子的电极;以及(d)冷却装置,直接安装在真空法兰上并同供电线路的接头分隔开。
冷却装置最好包括一个或多个冷却叶片,而射线束发生装置进一步包括:(e)至少一个向产生的热电子施加一磁场以将它们会聚成一束的聚焦电磁铁;以及(f)至少一个向所述的束施加一磁场以使它们偏致的偏致电磁铁。
射线束发生装置可以进而包括一等离子发生腔,在空间上与真空腔相连并含有气体,以通过将热电子与气体粒子或原子相碰撞并电离它们而产生等离子态离子,从而使射线束发生装置小以产生离子束。另外,通过使用向离子添加电子的装置以将离子转化为中性粒子,可以发射中性离子束。
图1是示出一电子束辐射装置的示意图;
图2示出了用于图1所示装置中的现有的热电子发生源的一局部剖视图;
图3示出了根据本发明一实施例的一射线束发生装置的一局部剖视图;
图4示意性地示出了一离子束发生装置的一主要部分。
下面将参照图3和图4解释本发明的实施例。在这些图中,相同的序号代表与图1和图2中所示同样或相似的部件。
图3示出了一射线束发生装置11,此装置11包括一本发明的热电子束发生源。热电子束发生装置11包括一电子束源12、具有电极29的加速器以及聚集电磁铁16和偏致偏转电磁铁17。与在图1和图2中所示的现有装置相同,热电子发生、加速、聚集、并偏转从而做为一电子束从图3的热电子束发生装置11中的一发射窗15发射。
在热电子发生源12中,冷却叶片或散热叶片26固定地安装在一真空法兰23上,通过法兰23供电线路在位于一真空腔21外的接点24a和24b与直接同腔室21内的一阴极22相连的接头24之间延伸。冷却叶片26通过如螺栓固定在真空法兰23上以同其相互紧靠或接触,并发散法兰23上的热量。冷却叶片26同绝缘体25隔开,绝缘体25支承外接头24a和24b,冷却叶片26通过绝缘体25而使接头相互之间不接触。冷却叶片的数量不限于两个,可使用多于两个的冷却叶片。有时也可以只使用一个冷却叶片。
当在一真空状态下通过使从一低交流电源31例如容易为10V和100A发生的电流通过阴极22而使阴极22发热时,则从阴极22发出热电子“e”。此时,法兰23交流电源31和冷却叶片26在一相对于零电位为负的由一高直流电源30产生的高压位下产生偏压。因此,发出的热电子具有负电荷因此在零电位方向加速。结果,热电子成为一电子束,其形状由连在加速电极29之间以向其施加一预定电压的泄漏电阻34、来自直流电源30的负电压以及来自交流电源31的电子束电流幅值决定。泄漏电阻34和电极20组成一加速管对热电子进行加速。
电子束从加速管发出并且其直径由聚集电磁铁16会聚。然后,电子束由偏致电磁铁17偏转或偏致。偏致了的电子束穿过发射窗15,此窗15设在处于一真空状态下的一射线束路径腔(一绕合部件18a)的末端并由包含钛等的合金制成。射线束路径腔和真空腔21的内部由一如涡轮分子泵等的真空泵33保持在一高度真空状态下。电子束最后发出一燃烧废气等类似物。
当产生热电子时,一几十至几百安培的电流流经阴极22以加热它。阴极22产生的热量由真空腔21内的接头24和绝缘体25导向真空法兰23,并且随后热量由冷却叶片26发散。同现有技术中冷却叶片直接连在真空腔外的接头24a和24b的结构相反,在此实施例中冷却叶片26直接连在真空法兰23上。因此,真空法兰23的热量通过冷却叶片26快速向外发散,使得可以防止真空法兰23产生不必要的过热。由于真空法兰23的温度不会增加到相对很高的值,因此可以防止由过热引起的真空法兰23和绝缘体25之间接合部的真空破裂。此外,由于还可以防止接近真空法兰23的真空腔21的一部分过热,因此可以防止对真空程度的损坏。
另外,由于接头24a和24b不与冷却叶片26直接接触,同图2所示的现有技术相比这些接头不会变冷,因此可以通过向阴极22提供电能以有效加热阴极22,从而有效产生热电子。例如,当使用一现有技术的冷却结构时,必须输入一约1KVA的电功率以产生足够数量的热电子。另一方面,当使用本发明的一冷却结构时,输入约0.7KVA就足以产生一数量足够的热电子。而且,由于所需使用的电功率的减少,传导给真空腔的热量也会减少。因此,同现有技术结构相比,在产生热电子时真空程度的损坏降低了好几个级别。
图4示出了一离子束发生装置,其中使用了图3所示的一热电子发生源12。离子束发生源还包括一等离子发生腔32(或图3中的一真空腔21),此等离子发生腔32在空间上同一热离子发生腔34相连并通过导管33从一气体注入装置(未示出)在其中导入如氩气、氙气等气体。由热电子发生源12产生的热电子“e”从热电子发生腔34进入等离子发生腔32,在那里热电子与气体碰撞以产生等离子P。在等离子发生装置中,当一负高电压施加在热电子发生腔34而一正电压施加在等离子发生腔32时,可以加速热电子以形成一离子束。也可以在离子束下方提供一腔以向离子中加入电子,从而将离子转化为中性粒子。中性粒子束可以做为一快速原子束发射到目标物上。
在以上实施例中,冷却叶片26用做一冷却装置。但无需说可用其它合适的冷却装置如一散热器来代替冷却叶片,前提是这种冷却装置连到真空法兰23上。
如上所述,本发明的热电子发生源12具有以下优点。支承带有绝缘体25的阴极22的真空法兰23的温度不会增加很多,真空法兰23和真空腔21的过热可以得到预防从而可以防止损坏腔中的真空。因此,可以省去通常用于一现有技术中的一纯水型冷却装置,使得可以大大简化装置。但可以在一热电子发生源中与本发明的冷却装置一同使用纯水型冷却装置。此外,由于冷却叶片26不与真空腔或室21外的接头24a和24b接触,由提供到阴极22的电能产生的热电子的效率可以提高。
通过根据一具体实施例描述本发明,可以理解在不脱离本发明范围的前提下可以在本发明中进行各种改变和变化。
Claims (6)
1.一种射线束发生装置,包括:
一阴极,位于有一真空法兰真空腔内,通过使本身发热产生热电子;
一对供电线路,具有一对位于真空腔外的接头,用于向阴极提供电流以加热阴极,供电线路穿过真空法兰延伸并通过绝缘体固定在真空法兰上;
热电子加速器,具有加速从阴极发出的热电子的电极;以及
冷却装置,直接安装在真空法兰上并同供电线路的接头分隔开。
2.如权利要求1所述的射线束发生装置,其特征在于:冷却装置包括一个或多个冷却叶片。
3.如权利要求1或2所述的射线束发生装置,进一步包括:
至少一个聚集电磁铁,用于向产生的热电子施加一磁场以将热电子会聚成一束;以及
至少一个偏致电磁铁,用于向射线束施加一磁场以偏转此射线束。
4.如权利要求1至3中任一项所述的射线束发生装置,其特征在于:产生的射线束是一电子束。
5.如权利要求1至3中任一项所述的射线束发生装置,其特征在于:进而包括一等离子发生腔,在空间上同真空腔相连并包含气体,用于通过使产生的热电子与气体粒子或原子相碰撞而产生等离子态离子并电离它们,从而此装置产生一等离子态离子束。
6.如权利要求5所述的束发生装置,其特征在于:进而包括向等离子态离子添加电子的装置以形成中性粒子从而此装置产生一中性离子束。
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