CN201910394U - 大功率电子枪 - Google Patents

Abstract

一种大功率电子枪，包括一内置在枪室上筒上的电子枪枪芯，其下面装有阳极座，在阳极座上装有电子发射系统的阳极；最下的部分是电子枪的枪座；枪芯的灯丝外围装有用于将轰击电流聚束的内罩；在电子束的光路系统中配置两组匹配的磁透镜以及拦孔，在阳极座和枪室下筒之间装有放置第一磁透镜的线圈室，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；在枪芯的外面加有一个枪罩，在枪罩上安装一个风机，利用所述的安全罩、一组导风筒及在阴极部件外装有的外罩组件在枪芯本体周围共同围设构建冷却风路。其解决了当前工业化对大功率电子枪急切需求的问题。

Description

大功率电子枪

技术领域

本实用新型涉及一种电子束熔炼炉用电子枪，尤指一种最大稳定工作功率达到800kw的电子枪。

背景技术

电子束熔炼炉的电子枪是冶炼工艺用于产生电子束的装备，主要用来引出冶炼工艺所需要的具有一定方向和光斑直径大小的电子束，电子束具有熔区窄、能量密度高以及熔区内平均温度梯度大等优点,已被成功地用于W、Mo、Ta、Nb等难熔金属、合金及其化合物和复合材料（这些材料具有独特的高熔点以及其他一些特有的性能，因此，在国民经济中占有重要地位，尤其是在国防军工、航空航天、电子信息、能源、防化、冶金和核工业等领域更有着不可替代的作用，受到世界各国的高度重视，已成为材料科学界最为活跃的研究）进行熔炼，以达到提纯的目的。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。

电子束熔炼炉是电子束技术在金属冶炼以及太阳能行业的多晶硅提纯中的应用，熔炼用电子束发生器即是大家通常所说的轴向电子枪，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、偏转和扫描后轰击要熔炼的物料上，使得物料中的杂质挥发，得以达到对物料提纯的目的。

电子枪作为电子束熔炼炉的核心部件，其所产生的电子束形状的优劣以及由电子光路系统控制的电子束聚焦、偏转和扫描等其性能的好坏直接影响着电子束熔炼炉性能的优劣。另外，在一定程度上，电子枪的功率的大小决定在电子束熔炼炉功率的大小，但电子枪的研制随着功率的逐渐增大，各种熔炼工艺对电子枪的各项功能也要求越来越苛刻，例如：偏转角度、光斑大小、电子束的长度以及扫描形状尺寸等提出了更高要求，因此其相应的研制难度也相应地大大增加。随着工业化的大发展，现有电子枪的功率越来越成为大工业化发展的瓶颈，基于生产效率和国防安全的目的，对于大功率的电子枪的需求越来越迫切，因此，研制大功率、功能强的电子枪更具有至关重要的意义。

随着电子枪功率的增大，电子枪光路系统中的偏转扫描装置的体积也变得越来越大，由于偏转扫描装置坐落在电子枪枪座上，从而导致电子枪的底座较大，因而，相应的安装电子枪的电子束熔炼炉的法兰直径较大。但鉴于目前客户要求电子束熔炼炉要具有几千千瓦大功率的要求，现有一把电子枪的功率远远不能达到要求，所以只能在一台炉体上装有多个电子枪。但另一方面，基于生产工艺的要求，电子枪之间的距离又不能太大。因此，随着功率的加大就产生了枪体底座太大与枪体之间距离太小之间的矛盾，进一步说，也就是如何减小偏转扫描装置的结构以达到减小枪体底座直径的目的来满足实际工程使用是一个亟待解决的课题。

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直径也较小，电子束能够很“光滑”很稳定地通过拦孔等光路系统，但随着功率的增大，电子束的电流值也将变得越来越大，即电子束的直径也变的越来越大，从而会出现电子束聚焦质量较差，电子束的外边缘变得越来越不“光滑”，以至于使电子束击打到拦孔等其他不应该到达的地方，造成其它零部件的损伤，同时降低了电子枪的有效功率，严重时甚至会击穿电子枪上的相关零部件，造成电子枪损坏。因此，在电子枪功率增大时如何采取其它措施保证电子束直径在可控制范围之内，聚焦性能很稳定可靠变成了另一个亟待解决的重要课题。

电子枪是一个很“娇气”的设备，要求其内部的零部件要非常洁净，否则会发生放电打火等现象的发生。在电子束熔炼炉破真空时，若电子枪的真空室不能密闭保护的话，势必会使炉内的许多灰尘冲到枪室内，特别是枪芯室内。随着电子枪功率的加大，这一现象变得尤为明显。因此，应该在电子枪内加上一个能在炉室破真空时电子枪枪室真空能够得以保持的部件。

所述电子枪的构成一般包括（自上而下）：最上面是发射电子的电子枪枪芯；接下来就是电子枪的阳极和阳极座；在阳极座的下面是第一聚焦线圈；聚焦线圈下面是拦孔及相应的拦孔座；再往下是第二聚焦线圈以及偏转扫描装置；最下面是电子枪的底座。随着电子枪功率的增大，对电子枪的诸多结构尺寸参数和绝缘等级等提出了更加苛刻的严格要求，以及其相应的对聚焦线圈的聚焦能力和偏转扫描线圈扫描性能的电源也均提出了更高要求，这也是大功率电子枪设计的难点所在。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种800kw大功率电子枪，其解决了当前工业化对大功率电子枪急切需求的问题，同时解决了因功率增大而电子束直径较大打在电子枪光路系统零部件上的问题，以及通过改变偏转扫描结构解决了电子枪底座直径较大带来的一系列问题，另外解决了因枪室不洁净造成严重放电的现象。

为实现上述目的，本实用新型采取以下设计方案：

一种大功率电子枪，包括：一带有产生电子的阴极系统的电子枪枪芯，该电子枪枪芯内置在枪室上筒上；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；在枪的最下的部分是电子枪的枪座；所述的电子枪枪芯为大功率枪芯，枪芯的灯丝外围装有用于将轰击电流聚束的内罩；在电子束的光路系统中配置两组匹配的磁透镜以及拦孔，在阳极座和枪室下筒之间装有放置第一磁透镜的线圈室，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；配置一风冷冷却单元，是在枪芯的外面加有一个枪罩，在枪罩上安装一个风机，利用所述的安全罩、一组导风筒及在阴极部件外装有的外罩组件在枪芯本体周围共同围设构建冷却风路。

枪室下筒上装有使枪室真空度保持在一定范围的氩气输送闭环控制系统。

电子枪的偏转扫描线圈的铁芯结构为圆环状。

枪室的阀门采用带有水冷结构的插板阀。

枪芯上装有与800kw大功率枪芯相匹配的阴极电子发射系统。

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，这些线圈均有水套进行冷却，且线圈均在真空外。

所述的电子枪枪芯散热单元的上、下散热体为放射状辐板结构；在电子枪枪芯与灯丝固定块的连接处，用螺钉通过中间一压板压紧灯丝；电子枪枪芯瓷座的纵壁外形呈波浪形结构。

在枪室的上筒的下侧装有一个手孔。在枪室下筒的侧面设有一个观察窗，用于观察拦孔的状况。且这个观察窗是一个可以自由拿掉的部件。

在枪罩上设计有三个进线孔。

本实用新型的优点是：

1.研制了大功率电子枪，可产生800KW的稳定工作功率；

2.通过加上氩气输送闭环控制系统，在增加电子枪功率的状况下使得电子束聚焦状况变的更加理想；

3.通过改变偏转扫描铁芯的结构，使偏转扫描装置的结构发生了彻底改变，结构非常简单，且使加工制造更加方便，制造成本大大降低，更重要的是彻底解决了枪体底座较大的问题，使得很多熔炼工艺得以实现；

4.加上了性能较稳定的插板阀，使得电子枪在长时间工作的情况下，枪芯室保持非常干净，从而减少了高压放电；

5.风冷、水冷方式综合利用，冷却方式更加巧妙，使其整体结构可以均衡有效的得到冷却，使电子枪的性能更加稳定，从而延长了大功率电子枪的寿命，同时提高了电子束熔炼炉的工作效率。以上这些都是在尽可能低的成本制作结构达到满足其散热要求；

6. 其配备一枪芯罩，其作用之一是对高压进行了安全隔离，之二是在其最上端装一风机，借助枪罩体和枪芯的结构形成一流畅的风道，对电子枪的枪芯进行风冷降温，巧妙的利用空间，外观小巧美观，且结构简单而亦实现。另外，枪罩上装有三个进线孔，进线更方便，高压安全进一步得到保证；

7.在枪室上筒的下侧装有手孔，其满足了在调试电子枪时要求快捷和方便的目的，减小了工人的劳动强度，节约了时间，提高了工作效率；

8.把在枪室下筒的观察窗拆卸下来之后，枪室下筒装观察窗的孔也就变成了手孔，其在调试电子枪时同样可以起到枪室上筒上的手孔的作用，其设计使枪的结构更加简单，功能更加齐全。

附图说明

图1  为本实用新型大功率电子枪结构示意图。

图2  为本实用新型大功率电子枪的电子枪枪芯结构示意图。

图3  为本实用新型电子枪枪芯图2所示实施例的上散热体结构示意图。

图4  为本实用新型大功率电子枪的插板阀单元构成原理图。

图5  为现有技术电子枪的偏转扫描铁芯结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，根据电子束的途经路径过程，本实用新型最大稳定工作功率800kw的大功率电子枪，其主要部件有电子枪枪芯4、阳极7、第一磁透镜9、插板阀12、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5、阳极座8、第一磁透镜套10、拦孔座16、枪体底座上19。

以上所述枪芯4内装有与800kw大功率相匹配的阴极块和聚束极；阳极座8上安装有与800kw大功率枪芯相匹配的阳极7；为了满足大功率电子枪真空压差的要求，在电子束的光路系统中配置了两个与800kw大功率相匹配的磁透镜9和15以及拦孔13；另外为了同时满足单把电子枪800kw的大功率和电子束熔炼炉整体结构的需要，对偏转扫描结构进行了彻底变革。

枪芯4安装在上筒5上，在电子枪芯上装有枪芯罩2，其主要目的是进行高压安全保护。同时在枪芯罩的上部装有一个用于冷却枪芯的风机1，以用来保证枪芯的真空密封要求。

在枪室上筒与第一磁透镜线圈室之间安装带水冷的阳极座8；在所述的电子枪底座17、拦孔座14、阳极座8、枪室上筒5和下筒11、以及手孔6和观察窗12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。

本实用新型的最主要一实用新型点在于：成功研制了800kw大功率电子枪。

首先，要实现800kw（或更高功率）的大功率电子枪，首要任务是使其枪芯能够发射大功率的电子束，通过大量地严谨计算仿真试验以及反复论证之后，根据电子枪的工作原理对电子枪的电子发射系统（枪芯）、聚焦系统、偏转扫描系统和冷却系统等进行设计，成功研制成了能够稳定工作在800kw功率能力的电子枪。满足了国内没有大功率电子枪而影响国民经济和国防建设急切要求。如图2所示，本实用新型大功率电子枪的枪芯是由阴极20、压紧环19、聚束极21、内罩16、灯丝18和阳极22构成了电子枪的电子发射系统。灯丝18通过灯丝固定块15等相关零部件与枪芯上面的两个接线柱1A和1B形成一回路，阴极20通过外罩部件与最下面的接线柱1相连接，从而使阴极20与灯丝18形成副高压回路，阳极22与大地连接，其与阴极20形成主高压回路。与灯丝18相连接的零件外围装有上散热体7，在上散热体7装有上导风筒6；与阴极20相连接的零件外围装有下散热体11，在下散热体11上装有下导风筒10。重要改进点在于：在灯丝的外围装有一用于将轰击电流聚束的内罩16，延长了灯丝的使用寿命，提高了电子束熔炼炉的使用效率。一般间热式阴极利用的设计原理是：在枪芯工作时，灯丝表面溢出的电子在副高压静电场的作用下飞向阴极20，形成对阴极的电子轰击，从而完成对阴极的加热功能。但电子在灯丝和阴极之间这个距离发射的过程中则会出现发散的现象，从而导致灯丝发射的一部分电子轰击到阴极20外，这种现象一方面导致了枪芯的无用功增加，枪芯的温度升高，进而对枪芯的密封提出了更高的要求，否则严重时导致枪芯（特别是大功率电子枪枪芯）漏气不能工作；另一方面导致了轰击到阴极上的功率不够，致使枪芯的阴极温度较低，不能达到电子从阴极表面溢出的温度要求，从而无法引出电子束；最后一方面是：为了解决引不出电子束的问题而提高了灯丝的温度，但随着灯丝温度的提高，灯丝的使用寿命则明显下降，频繁的更换灯丝从而造成了电子束熔炼炉的工作效率降低。在灯丝的外围加上了内罩16之后电子枪枪芯的使用性能大大改善，因为内罩16与灯丝在同一电位势上，在电子从灯丝飞向阴极的过程中，内罩16则起到对轰击电流的聚束作用，从而避免了上述现象的发生。其结构简单，但效果明显。另一重要改进点在于：对灯丝固定块15的结构和灯丝的固定方式进行了改进。未改进前所采用的灯丝固定压紧方式是采用一螺钉直接压紧灯丝，采用这种方式使得灯丝在固定压紧时处在“应力”状态，在电子枪工作时，灯丝和固定灯丝的灯丝固定块均会处在高温（2000℃以上）之下，在高温工作的时候，灯丝则扭曲变形，致使轰击电流不理想，灯丝寿命短。现在通过在原有结构的基础上加上一压板，从而使灯丝在拧紧螺钉进行旋转时处在“自然状态”，不受应力作用，大大提高了灯丝的使用寿命，相应的提高了电子束熔炼炉的工作效率，且在产生同样功率大小的电子束时所消耗的轰击阴极块的功率大大降低，从而使枪芯的密封效果更好。再一重要改进点在于：对电子枪枪芯的冷却结构进行了改进。风机的风向如图2所示，自上而下沿枪芯轴线对枪芯吹风，首先经过带有网孔状的散热板2，之后大部分气流通过上导风筒4（其主要作用是使流动的空气尽可能多的在枪芯体的风道或者缝隙中穿过，这样能在风机功率同样大小的情况下实现更好的冷却效果）进入上散热体7，上散热体7是一辐板状形状结构，如图3所示，气流从每两个辐板之间流过，辐板的最外圆筒起到了导风筒的作用。在气流从上散热体7出来后再进入下导风筒10以及下散热体11，同样，下散热体11的结构亦可与上散热体7设计为同一结构形式，呈一辐板状形状的结构。气流通过两组导风筒和散热体之后对枪芯起到了很好的冷却作用，满足了大功率电子枪枪芯的冷却要求，解决了风冷效果不佳的弊端，更避免了水冷的诸多缺陷。本实用新型电子枪枪芯的又一改进点在于：通过对枪芯座12（即瓷座）结构的改进使枪芯的绝缘等级得以提高。随着电子枪功率的加大，主高压电源的电压也相应的提高，相应地对电子枪枪芯的绝缘等级也提出了更高的要求,本枪芯使枪芯座的边缘采用波浪形结构，加长了绝缘长度，从而使绝缘等级提高，避免了大功率工作时的高压放电现象。

本实用新型的另一实用新型点在于：针对800kw大功率电子枪的需要，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，即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，以至于使电子束击打到阳极和拦孔等其他不应该到达的地方，造成电子枪损坏，进而无法工作。针对这一问题，我们通过对电子枪真空室通入微量氩气来改变其真空度，反复的试验和观察，我们发现了电子束聚焦能力的一个重要特点：电子束光斑在真空度过高和过低的情况下聚焦效果均较差。因此，我们在800kw大功率的电子枪上加上了氩气输送闭环控制系统，其原理是: 真空计把对枪室检测到的数据传送给工控机，工控机对数据进行处理，当枪室真空度与设定的值之差达到一定的程度时，工控机发出指令对针阀动作，进而改变枪室的真空度，形成一闭环自动控制系统，使电子枪真空室的真空度维持在某一数值左右，进而使电子束直径变得相对较小。这种现象表明在电子束炉熔炼阶段，炉室压力较高时不需要开启氩气针阀，只有在炉料的纯度较高放气较少时才需要打开针阀，适当地使枪室真空度降低到一定的来实现电子束较佳的聚焦能力。氩气控制聚焦系统的研制达到了我们的预期目标，解决了大功率电子枪在电子束电流较大情况下击打在枪室光路系统侧壁上以至于损坏电子枪的疑难问题。

本实用新型的另一实用新型点在于：通过改变偏转扫描线圈铁芯结构彻底解决了因电子枪底座较大而无法实现枪与枪之间距离较小的矛盾。原来的电子枪偏转扫描铁芯结构如图5所示，随着电子枪功率的增大，电子枪光路系统中的偏转扫描装置的体积也变得越来越大，从而导致电子枪的底座较大，但鉴于目前客户要求在一台电子束熔炼炉要装有多把电子枪，且基于生产工艺的要求，电子枪之间的距离又不能太大。因此，随着功率的加大就产生了枪体底座太大与枪体之间距离太小之间的矛盾。根据恒定磁场和时变磁场在铁芯内的传导规律以及对结构的合理简化，对电子枪的偏转扫描铁芯的结构进行了彻底的改进，最后的设计结构确定为一圆环作为铁芯的偏转扫描装置，其结构简单，加工方便，装卸方便，制造成本大大降低，且最主要的是其外形尺寸比原来大大减小，进而实现了以前为了满足冶炼工艺的需要无法实现在一台熔炼炉上安装多把大功率电子枪的需求。

本实用新型的另一实用新型点在于：设计了针对电子枪工作在恶劣环境下使用寿命较长、性能较稳定的插板阀。在电子束熔炼炉对多晶硅进行提纯时，特别是在每炉熔炼量较大时，会产生较多的灰尘和杂质，在对出炉破空时会有大量的灰尘冲到电子枪内，对电子枪的性能造成很大的负面影响，因此，在电子枪内加装插板阀是非常必要的，但目前现有的插板阀在均不能满足长期稳定的要求。本实用新型设计了一种能够使用水冷且具有自动控制的插板阀，其利用杠杆和四杆机构原理，在真空外使用气缸对阀进行打开和关闭，如图4所示，插板阀12的阀板上设计有导向槽121，气缸的活塞杆123经传动杆122实施对阀的打开和关闭，其结构简单易于实现。在阀体上加有紫铜冷却水套，对阀的密封圈和阀体进行了彻底的冷却，从而解决了阀体在电子枪的高温的工作室内变形和密封圈在高温下失去弹性变形等问题，从而能够使插板阀能够长期稳定工作。

本实用新型的另几个改进点在于：

1.通过改变阴极和阳极的相关结构参数和形状以及电子束光路系统的应用参数和结构参数等，实现了电子枪能在800kw功率下稳定工作的研制预期；

2.第一磁透镜线圈放在真空室外，且加有水套，避免了线圈在真空室内高温放气，绝缘等级降低等弊端，延长了线圈的使用寿命；

3.电子枪的枪罩结构设计更加巧妙，进线更加方便，减小了工人的劳动强度，更重要的是高压放电现象因为枪罩的结构改进而杜绝。另外把风机装在了枪罩的上端，使风冷效果更好；

4.通过对枪室上筒结构的改变，使得在调试电子枪时更加方便快捷；

5.观察窗带有水冷，延长了观察窗玻璃的使用寿命，并且观察窗可以拆卸，拆卸后可以用来做手孔使用。改进过之后结构简单，功能更丰富，降低了使用成本；

6.增加了可以自由调整的摄像机架，使用方便。

由于本实用新型对电子枪整体结构的改良，使得电子枪能产生800kw的大功率，使电子枪的各项性能更稳定。

上述各实施例可在不脱离本实用新型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，而非用以限制本实用新型的申请专利范围。

Claims (9)

1.一种大功率电子枪，包括：一带有产生电子的阴极系统的电子枪枪芯，该电子枪枪芯内置在枪室上筒上；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；在枪的最下的部分是电子枪的枪座；其特征在于：

所述的电子枪枪芯为大功率枪芯，枪芯的灯丝外围装有用于将轰击电流聚束的内罩；

在电子束的光路系统中配置两组匹配的磁透镜以及拦孔，在阳极座和枪室下筒之间装有放置第一磁透镜的线圈室，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；

配置一风冷冷却单元，是在枪芯的外面加有一个枪罩，在枪罩上安装一个风机，利用所述的安全罩、一组导风筒及在阴极部件外装有的外罩组件在枪芯本体周围共同围设构建冷却风路。

2.根据权利要求1所述的大功率电子枪，其特征在于：电子枪的偏转扫描线圈的铁芯结构为圆环状。

3.根据权利要求1所述的大功率电子枪，其特征在于：枪室的阀门采用带有水冷结构的插板阀。

4.根据权利要求1所述的大功率电子枪，其特征在于：所述的电子枪枪芯散热单元的上、下散热体为放射状辐板结构。

5.根据权利要求1所述的大功率电子枪，其特征在于：在电子枪枪芯与灯丝固定块的连接处，用螺钉通过中间一压板压紧灯丝。

6.根据权利要求1所述的大功率电子枪，其特征在于：电子枪枪芯瓷座的纵壁外形呈波浪形结构。

7.根据权利要求1所述的大功率电子枪，其特征在于：所述的在阳极座和枪室下筒之间装有的第一磁透镜的线圈室带有冷却水套，聚焦线圈在真空室外。

8.根据权利要求1所述的大功率电子枪，其特征在于：在枪室的上筒的下侧装有一个手孔；在枪室下筒的侧面设有一个多功能的观察窗。

9.根据权利要求1所述的大功率电子枪，其特征在于：在枪罩上设计有三个进线孔。

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