RU2680150C1 - Cathode unit of welding electron gun - Google Patents

Cathode unit of welding electron gun Download PDF

Info

Publication number
RU2680150C1
RU2680150C1 RU2017146324A RU2017146324A RU2680150C1 RU 2680150 C1 RU2680150 C1 RU 2680150C1 RU 2017146324 A RU2017146324 A RU 2017146324A RU 2017146324 A RU2017146324 A RU 2017146324A RU 2680150 C1 RU2680150 C1 RU 2680150C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
vacuum
cathode
heater
metal sleeve
cartridge
Prior art date
Application number
RU2017146324A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Карпович Драгунов
Алексей Леонидович Гончаров
Андрей Петрович Слива
Владимир Николаевич Балашов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Priority to RU2017146324A priority Critical patent/RU2680150C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2680150C1 publication Critical patent/RU2680150C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/06—Electron sources; Electron guns

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

FIELD: electronics.SUBSTANCE: invention relates to the field of vacuum electronics, namely, equipment for electron-beam processing of materials. Cathode block includes a housing 1 with a high-voltage insulator 2 installed in it, in the central hole of which there is a metal sleeve 3, inside the sleeve 3 there is a multi-contact electric vacuum connector 4, on the inner cylindrical surface of the metal sleeve 3 on the vacuum side, a removable cartridge 5 is installed, the control electrode (Wenhelt electrode) 6 is located on the outer cylindrical surface of the sleeve 3 on the vacuum side, a cap nut 7 ensures the fixation of the cartridge 5 and the control electrode (Wenhelt electrode) 6. Connector 4 contains a vacuum electrical insulator 8, into which holes the pin contacts 9 are soldered. Cartridge 5 includes an electrical connector 10, a return electrical contacts 11, a cathode holder 12, a disk cathode 13 and a heater 14. Multi-vacuum electrical connector 4 is fixed inside the metal sleeve 3 by vacuum soldering. Metal sleeve 3 is fixed in the hole of the high-voltage insulator 2 by vacuum soldering. Inner cylindrical surface of the metal sleeve 3 on the vacuum side is a guide for an easily detachable counterpart of the electrical connector 4 with a cathode assembly mounted on it. After pumping out the vacuum volume of the welding electronic unit to a high vacuum, the heating current is supplied to the heater 14 and the bombardment voltage between the heater 14 and the disk cathode 13.EFFECT: expanding technological capabilities, simplifying the work of assembling and replacing the cathode assembly of an electron gun, and reducing the recovery time of the gun in the event of a cathode or heater failure.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к вакуумной электронике, а именно к оборудованию для электронно-лучевой обработки материалов, преимущественно для сварки, термической обработки и формирования изделий методом послойной наплавки (синтеза) из металлических материалов в вакууме.The invention relates to vacuum electronics, and in particular to equipment for electron beam processing of materials, mainly for welding, heat treatment and the formation of products by layer-by-layer surfacing (synthesis) of metal materials in vacuum.

Известен катодный узел электронно-лучевой пушки из вакуум-плотной керамики, описанный в патенте RU на полезную модель №132255 U1, МПК H01J 37/065, опубл. 17.04.2013 г.) и содержащий наружную металлическую обойму, высоковольтный изолятор, центральный контакт и контакты, выполненные в форме втулок. На контакты у катодного узла последовательно устанавливают подогреватель и катододержатель установленным катодом. Изменение размеров и механическая юстировка их положения является длительной операцией, доступной для выполнения только высококвалифицированному специалисту. Металлическая втулка выполнена из сплава с наиболее близким к керамике коэффициентом линейного расширения, преимущественно из ковара.Known cathode assembly of an electron beam gun made of vacuum-dense ceramics described in patent RU for utility model No. 132255 U1, IPC H01J 37/065, publ. 04/17/2013) and containing an external metal cage, a high voltage insulator, a central contact and contacts made in the form of bushings. A heater and a cathode holder are sequentially installed on the contacts at the cathode assembly by the installed cathode. Resizing and mechanically adjusting their position is a lengthy operation, available to be performed only by a highly qualified specialist. The metal sleeve is made of alloy with the coefficient of linear expansion closest to ceramics, mainly from Kovar.

Недостатками такого решения является сложность замены катодного узла и работ по замене расходных материалов электронной пушки - катода и подогревателя.The disadvantages of this solution are the difficulty of replacing the cathode assembly and the work of replacing the consumables of the electron gun — the cathode and heater.

Наиболее близкой по технической сущности является сварочная электронная пушка, описанная в книге: Кайдалов А.А., Истомин Е.И. Сварочные электронные пушки. - Киев: Научно-технический комплекс "Институт электросварки им. Е.О. Патона Национальной Академии наук Украины, 2003. - 153 с., содержащая катодный блок, включающий корпус, высоковольтный изолятор, дисковый катод из гексаборида лантана, установленный на катододержателе, и подогреватель, выполненный в виде спирали. Катодный блок установлен на промежуточном корпусе, в котором со стороны катодного блока установлен анод, на боковой поверхности катодного блока выполнен вакуумопровод. Катодный блок выполнен с крышкой, снабженной штуцерами, расположенными на боковой поверхности крышки. Корпус катодного блока соединен с промежуточным корпусом откидной петлей и зажимами. В центральное отверстие высоковольтного изолятора установлена металлическая втулка.The closest in technical essence is the welding electron gun described in the book: Kaydalov A.A., Istomin E.I. Welding electronic guns. - Kiev: Scientific and Technical Complex "EO Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2003. - 153 p., Containing a cathode block including a housing, a high-voltage insulator, a disk cathode made of lanthanum hexaboride mounted on a cathode holder, and the heater is made in the form of a spiral.The cathode block is mounted on an intermediate casing in which an anode is installed on the cathode block side, a vacuum conduit is made on the side surface of the cathode block. nnym on the side surface of the lid. The body of the cathode block is connected to the intermediate casing hinge loop and clamps. The central opening is a metal high-voltage insulator bushing.

Недостатком такого решения является сложность работ по замене расходных материалов катодной пушки - катода и подогревателя, а установка дискового катода только одного размера приводит к ограничению пределов регулирования величины тока и диаметра электронного пучка и тем самым уменьшает возможности адаптации параметров электронной пушки.The disadvantage of this solution is the complexity of the work of replacing the consumables of the cathode gun — the cathode and heater, and the installation of a disk cathode of only one size leads to a limitation of the limits of regulation of the magnitude of the current and the diameter of the electron beam and thereby reduces the possibility of adapting the parameters of the electron gun.

Техническая задача изобретения направлена на повышение адаптации параметров сварочного электронного пучка.The technical task of the invention is aimed at improving the adaptation of the parameters of the welding electron beam.

Техническим результатом изобретения является расширение технологических возможностей за счет получения постоянных пространственных и энергетических параметров электронного пучка, упрощение работ по сборке и замене катодного узла электронной пушки и сокращение времени восстановления работоспособности сварочной электронной пушки в случае выхода из строя катода или подогревателя.The technical result of the invention is the expansion of technological capabilities by obtaining constant spatial and energy parameters of the electron beam, simplifying the assembly and replacement of the cathode assembly of the electron gun and reducing the recovery time of the welding electron gun in case of failure of the cathode or heater.

Это достигается тем, что катодный блок сварочной электронной пушки, содержащий высоковольтный изолятор, в центральное отверстие которого установлена металлическая втулка, во внутреннее отверстие металлической втулки установлен многоконтактный электрический вакуумный разъем, к которому со стороны вакуума по средством ответной части многоконтактного вакуумного разъема установлен картридж, содержащий, подогреватель катода, держатель катода и катод, фиксирующийся в отверстии указанной втулки торцевой поверхностью управляющего электрода, который закреплен к втулке накидной гайкой.This is achieved by the fact that the cathode block of the welding electron gun containing a high-voltage insulator, in the central hole of which a metal sleeve is installed, a multi-contact electric vacuum connector is installed in the inner hole of the metal sleeve, to which a cartridge is installed on the vacuum side by means of the counterpart of the multi-contact vacuum connector, , a cathode heater, a cathode holder and a cathode fixed in the hole of said sleeve with the end surface of the control elec ode, which is fixed to the hub cap nut.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен катодный блок сварочной электронной пушки, на фиг. 2 представлена конструкция картриджа.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the cathode block of a welding electron gun; FIG. 2 shows the design of the cartridge.

Катодный блок сварочной электронной пушки содержит корпус 1 с установленным в него высоковольтным изолятором 2, в центральном отверстии которого расположена металлическая втулка 3, внутри втулки 3 размещен многоконтактный электрический вакуумный разъем 4, по внутренней цилиндрической поверхности металлической втулки 3 со стороны вакуума установлен съемный картридж 5, управляющий электрод (электрод Венельта) 6 расположен по внешней цилиндрической поверхности металлической втулки 3 со стороны вакуума, накидная гайка 7 обеспечивает фиксацию картриджа 5 и управляющего электрода (электрода Венельта) 6. Многоконтактный вакуумный электрический разъем 4 содержит вакуумный электрический изолятор 8, в отверстия которого впаяны стержневые контакты 9. Картридж 5 включает в себя электрический разъем 10, ответные электрические контакты 11, держатель катода 12, дисковый катод 13 и подогреватель 14. Многоконтактный вакуумный электрический разъем 4 закреплен внутри металлической втулки 3 вакуумной пайкой. Металлическая втулка 3 закреплена в отверстие высоковольтного изолятора 2 вакуумной пайкой. Высоковольтный изолятор 2 выполнен преимущественно из корундовой или стеатитовой вакуум-плотной керамики. Внутренняя цилиндрическая поверхность металлической втулки 3 со стороны вакуума является направляющей для легкосъемной ответной части электрического разъема 4 с установленным на нем катодным узлом.The cathode block of the welding electron gun contains a housing 1 with a high-voltage insulator 2 installed in it, a metal sleeve 3 is located in its central hole, a multi-contact electric vacuum connector 4 is placed inside the sleeve 3, a removable cartridge 5 is installed on the inner cylindrical surface of the metal sleeve 3, the control electrode (Venelt electrode) 6 is located on the outer cylindrical surface of the metal sleeve 3 on the vacuum side, the union nut 7 provides a fixation cartridge 5 and a control electrode (Venelt electrode) 6. The multi-contact vacuum electrical connector 4 contains a vacuum electrical insulator 8, the holes of which are soldered to the rod contacts 9. Cartridge 5 includes an electrical connector 10, response electrical contacts 11, a cathode holder 12, a disk the cathode 13 and the heater 14. The multi-contact vacuum electrical connector 4 is fixed inside the metal sleeve 3 by vacuum soldering. The metal sleeve 3 is fixed in the hole of the high-voltage insulator 2 by vacuum soldering. High-voltage insulator 2 is made mainly of corundum or steatite vacuum-tight ceramics. The inner cylindrical surface of the metal sleeve 3 on the vacuum side is a guide for the easily removable mating portion of the electrical connector 4 with a cathode assembly mounted thereon.

Катодный блок сварочной электронной пушки работает следующим образом.The cathode block of the welding electron gun operates as follows.

После откачки вакуумного объема сварочной электронного блока до высокого вакуума подается ток накала в спираль подогревателя 14 и подается напряжение бомбардировки между спиралью подогревателя 14 и дисковым катодом 13. В результате этого поток электронов, возникающий от спирали подогревателя 14 направляется на верхнюю (не рабочую) поверхность дискового катода 13 и нагревает его до необходимой температуры. После этого подается высокое ускоряющее напряжение и напряжение смещения на управляющий электрод 6 (электрод Венельта), в результате чего происходит формирование сварочного электронного пучка, эмитируемого с нижней рабочей поверхности катода.After evacuating the vacuum volume of the welding electronic unit to a high vacuum, a glow current is supplied to the heater coil 14 and a bombardment voltage is applied between the heater coil 14 and the disk cathode 13. As a result, the electron flow arising from the heater coil 14 is directed to the upper (not working) surface of the disk cathode 13 and heats it to the required temperature. After that, a high accelerating voltage and bias voltage are supplied to the control electrode 6 (Venelt electrode), as a result of which a welding electron beam emitted from the lower working surface of the cathode is formed.

Сварочная электронная пушка создает мощный электронный пучок малого диаметра и направляет его на сварочный стык, в результате чего происходит локальное расплавление металла с образованием сварочного шва, соединяющего детали. Величина тока и диаметр электронного пучка в частности определяется диаметром и температурой катода. Катоды из монокристаллов гексаборида лантана (LaB6) позволяют получить высокую плотность тока в пучке, но быстро отравляются и выходят из строя в загрязненном вакууме, образующимся при сварке некоторых материалов. Прямонакальные катоды из вольфрама или тантала создают пучки с худшими параметрами, однако долго работают в загрязненном вакууме, характерном для процесса электронно-лучевой сварки.The welding electron gun creates a powerful electron beam of small diameter and directs it to the welding joint, as a result of which the local melting of the metal occurs with the formation of a weld connecting the parts. The magnitude of the current and the diameter of the electron beam in particular is determined by the diameter and temperature of the cathode. The cathodes made from single crystals of lanthanum hexaboride (LaB 6 ) make it possible to obtain a high current density in the beam, but they are quickly poisoned and fail in a contaminated vacuum formed during welding of some materials. Straight cathodes made of tungsten or tantalum create beams with worse parameters, but they work for a long time in a contaminated vacuum, characteristic of the electron beam welding process.

Конструкция катодного блока позволяет в процессе эксплуатации быстро заменять вышедшие из строя катодные узлы (картриджи) 5. Процесс замены картриджа включает следующие операции:The design of the cathode block allows during operation to quickly replace failed cathode assemblies (cartridges) 5. The process of replacing a cartridge includes the following operations:

- отвернуть гайку 7 и снять управляющий электрод (электрод Венельта) 6;- unscrew the nut 7 and remove the control electrode (Venelt electrode) 6;

- извлечь из отверстия втулки 3 картридж 5 в сборе;- remove the cartridge 5 assembly from the hole of the sleeve 3;

- установить в отверстие втулки 3 новый картридж 5;- install a new cartridge 5 in the hole of the sleeve 3;

- установить управляющий электрод (электрод Венельта) 6 и закрепить гайкой 7.- install the control electrode (Venelt electrode) 6 and fix it with the nut 7.

Картриджи 5 изготовляются, собираются и юстируются преимущественно в заводских условиях и поставляются потребителю в сборе. Поэтому юстировка катодного блока после замены картриджа 5 не требуется.Cartridges 5 are manufactured, assembled and aligned mainly in the factory and delivered to the consumer assembly. Therefore, the alignment of the cathode block after replacing the cartridge 5 is not required.

Установка картриджа 5 с другой конструкцией деталей, обозначенных позициями 12, 13 и 14, позволяет в широких пределах изменять ток и диаметр электронного пучка в зоне сварки и тем самым адаптировать параметры сварочной электронной пушки к требованиям технологического процесса.The installation of a cartridge 5 with a different design of parts, indicated by positions 12, 13 and 14, allows a wide variation of the current and diameter of the electron beam in the welding zone and thereby adapt the parameters of the welding electron gun to the requirements of the process.

Допускается ремонт вышедших из строя картриджей 5 на предприятии, эксплуатирующем установку электронно-лучевой сварки, при наличии условий, включая наличие инструмента, приспособлений, сборочных и котировочных стендов и квалифицированного персонала.Repair of failed cartridges 5 is allowed at the enterprise operating the electron-beam welding installation, subject to the conditions, including the availability of tools, devices, assembly and quotation stands and qualified personnel.

Использование изобретения обеспечивает быструю замену катодного узла, что позволяет сократить время восстановления работоспособности сварочной электронной пушки в случае выхода из строя катода или подогревателя при сохранении постоянных пространственных и энергетических параметров электронного пучка за счет обеспечения стабильных межэлектродных промежутков, а также быстрой адаптации параметров сварочного пучка к изменившимся требованиям технологического процесса.The use of the invention provides a quick replacement of the cathode assembly, which reduces the recovery time of the welding electron gun in case of failure of the cathode or heater while maintaining constant spatial and energy parameters of the electron beam due to the provision of stable interelectrode gaps, as well as quick adaptation of the parameters of the welding beam to the changed process requirements.

Claims (1)

Катодный блок сварочной электронной пушки, содержащий катод, подогреватель и держатель катода, управляющий электрод, высоковольтный изолятор, в центральное отверстие которого установлена металлическая втулка, отличающийся тем, что снабжен многоконтактным электрическим вакуумным разъемом с вакуумным электрическим изолятором и стержневыми контактами, установленным во внутреннее отверстие металлической втулки, картриджем, установленным со стороны вакуума по средствам ответной части многоконтактного вакуумного разъема, а указанные катод, подогреватель и держатель катода расположены в картридже, при этом торцевая поверхность цилиндрического управляющего электрода фиксирует картридж внутри втулки накидной гайкой.A cathode block of a welding electron gun containing a cathode, a heater and a cathode holder, a control electrode, a high-voltage insulator, in which a metal sleeve is installed in the central hole, characterized in that it is equipped with a multi-contact electric vacuum connector with a vacuum electric insulator and rod contacts installed in the inner hole of the metal bushings, a cartridge mounted on the vacuum side by means of the mating part of the multi-contact vacuum connector, and indicated to The cathode, heater and cathode holder are located in the cartridge, while the end surface of the cylindrical control electrode fixes the cartridge inside the sleeve with a union nut.
RU2017146324A 2017-12-27 2017-12-27 Cathode unit of welding electron gun RU2680150C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017146324A RU2680150C1 (en) 2017-12-27 2017-12-27 Cathode unit of welding electron gun

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017146324A RU2680150C1 (en) 2017-12-27 2017-12-27 Cathode unit of welding electron gun

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2680150C1 true RU2680150C1 (en) 2019-02-18

Family

ID=65442408

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017146324A RU2680150C1 (en) 2017-12-27 2017-12-27 Cathode unit of welding electron gun

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2680150C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU948047A1 (en) * 1981-01-04 1989-02-15 Предприятие П/Я Р-6575 Electron gun
WO1999016101A2 (en) * 1997-09-24 1999-04-01 The Welding Institute Charged particle beam emitting assembly
EP2390896A1 (en) * 2010-05-28 2011-11-30 Canon Kabushiki Kaisha Electron gun, lithography apparatus, method of manufacturing article, and electron beam apparatus
RU132255U1 (en) * 2013-04-17 2013-09-10 Виктор Владимирович Авдюшев CATHODE ASSEMBLY OF THE ELECTRON BEAM OF THE VACUUM-DENSE CERAMICS

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU948047A1 (en) * 1981-01-04 1989-02-15 Предприятие П/Я Р-6575 Electron gun
WO1999016101A2 (en) * 1997-09-24 1999-04-01 The Welding Institute Charged particle beam emitting assembly
EP2390896A1 (en) * 2010-05-28 2011-11-30 Canon Kabushiki Kaisha Electron gun, lithography apparatus, method of manufacturing article, and electron beam apparatus
RU132255U1 (en) * 2013-04-17 2013-09-10 Виктор Владимирович Авдюшев CATHODE ASSEMBLY OF THE ELECTRON BEAM OF THE VACUUM-DENSE CERAMICS

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Кайдалов А.А. Сварочные электронные пушки, Киев, Научно-технический комплекс "Институт электросварки им. Е.О. Патона Национальной Академии наук Украины", 2003, 153 с. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4817656B2 (en) Indirectly heated cathode ion source
JP2995388B2 (en) Ion generator and method for use in ion implanter
JP2018206676A (en) X-ray generator
US8796649B2 (en) Ion implanter
US8188645B2 (en) Hot cathode and ion source including the same
US10475618B2 (en) Electron gun capable of suppressing the influence of electron emission from the cathode side surface
JP6177123B2 (en) Support structure and ion generator using the same
EP1355341B1 (en) Electron beam projector provided with a linear thermionic emitting cathode for electron beam heating.
RU2680150C1 (en) Cathode unit of welding electron gun
EP0323898B1 (en) Cathod assembly for mounting in an electron gun
US3414702A (en) Nonthermionic electron beam apparatus
US3182175A (en) Electron beam heating device
US5416381A (en) Self aligning electron beam gun having enhanced thermal and mechanical stability
US20220208506A1 (en) Electron beam emitting assembly
CN114787956A (en) Electron beam welding system using plasma cathode
JP5321234B2 (en) Ion source
US3185882A (en) Electron discharge device including cathode-focus electrode assemblies therefor
KR20030084630A (en) Ion source
US3614510A (en) Nonthermionic cathode discharge devices
JP2023146659A (en) Charged particle beam source and charged particle beam device
JP6116307B2 (en) Focused ion beam device
RU165525U1 (en) ELECTRON BEAM ELECTRON BEAM
JP2017188260A (en) Electron gun assembly
Masood et al. Emission characteristics of the thermionic electron beam sources developed at EBSDL
JP4534078B2 (en) Arc discharge cathode and ion source

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200302

Effective date: 20200302