RU2777038C1 - Gas-discharge cathode-beam gun - Google Patents
Gas-discharge cathode-beam gun Download PDFInfo
- Publication number
- RU2777038C1 RU2777038C1 RU2021137529A RU2021137529A RU2777038C1 RU 2777038 C1 RU2777038 C1 RU 2777038C1 RU 2021137529 A RU2021137529 A RU 2021137529A RU 2021137529 A RU2021137529 A RU 2021137529A RU 2777038 C1 RU2777038 C1 RU 2777038C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- gas
- grelp
- hollow anode
- discharge
- Prior art date
Links
- 230000001720 vestibular Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 230000001629 suppression Effects 0.000 claims description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 24
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 23
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 abstract description 19
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 abstract description 5
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract description 4
- 238000003466 welding Methods 0.000 abstract description 4
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000996 additive Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 abstract description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 abstract description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 29
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 15
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 12
- 230000001264 neutralization Effects 0.000 description 10
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 8
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 description 7
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 5
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 4
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N al2o3 Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002547 anomalous Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N oxozirconium Chemical compound [Zr]=O GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010053172 Fatal outcome Diseases 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 1
- 150000001793 charged compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000001017 electron-beam sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к электронике и электротехнике в области термообработки металлов с целью их вакуумного плавления, испарения, наплавления, сварки, резки, для аддитивных технологий, и может быть использовано в автоматизированных технологических процессах для авиационно-космического, судо- и автомобилестроения, железнодорожного транспорта, двигателе- и машиностроения.The invention relates to electronics and electrical engineering in the field of heat treatment of metals for the purpose of their vacuum melting, evaporation, deposition, welding, cutting, for additive technologies, and can be used in automated technological processes for aerospace, shipbuilding and automotive, railway transport, engine - and mechanical engineering.
Электронно-лучевые технологии позволяют достигать прорывных результатов. Особо следует выделить:Electron-beam technologies allow achieving breakthrough results. Of particular note:
- электронно-лучевую плавку, которую в настоящее время широко применяют при производстве особо чистых сталей, а также в металлургии титана и других тугоплавких и химически активных материалов;- electron beam melting, which is currently widely used in the production of high-purity steels, as well as in the metallurgy of titanium and other refractory and reactive materials;
- электронно-лучевую сварку, которая обеспечивает кинжальное проплавление с очень узким и глубоким швом с минимальной зоной термического воздействия химически активных сплавов (титановых, циркониевых, ниобиевых, молибденовых);- electron beam welding, which provides dagger penetration with a very narrow and deep seam with a minimum heat-affected zone of reactive alloys (titanium, zirconium, niobium, molybdenum);
- электронно-лучевое напыление, осаждение с использованием электронно-лучевых испарителей.- electron beam sputtering, deposition using electron beam evaporators.
Электронно-лучевые технологии плавки, сварки и напыления реализуются с помощью электронных пушек различных типов. В настоящем изобретении речь идет о газоразрядной электронно-лучевой пушке (ГРЭЛП). Electron-beam technologies for melting, welding and spraying are implemented using various types of electron guns. In the present invention, we are talking about a gas-discharge electron beam gun (GRELP).
В информационном поле существует множество разновидностей ГРЭЛП, в базовой конструкции которых присутствуют следующие обязательные элементы:In the information field, there are many varieties of GRELP, in the basic design of which there are the following mandatory elements:
- газоразрядная камера;- gas discharge chamber;
- катод со сферической эмиссионной поверхностью;- cathode with spherical emission surface;
- полый анод;- hollow anode;
- высоковольтный токоподвод;- high-voltage current lead;
- водяной реостат;- water rheostat;
- высоковольтный изолятор;- high voltage insulator;
- лучевод;- beam guide;
- система фокусирующих катушек;- system of focusing coils;
- система отклоняющих катушек;- system of deflecting coils;
- система подачи плазмообразующего газа;- plasma gas supply system;
- система водоохлаждения;- water cooling system;
- фланец.- flange.
В основе работы ГРЭЛП лежат следующие явления и процессы, которые сопровождаются проблемами, требующими решения.The work of GRELP is based on the following phenomena and processes, which are accompanied by problems that need to be addressed.
В ГРЭЛП используется ионно-электронная эмиссия, когда энергия, вызывающая испускание электронов, передается положительными ионами, бомбардирующими катод.In GRELP, ion-electron emission is used, when the energy that causes the emission of electrons is transferred by positive ions bombarding the cathode.
При постепенном повышении напряжения под действием поля электроны движутся к аноду, а положительные ионы к катоду, но часть заряженных частиц попадает на стенки, часть рекомбинирует. Рекомбинация ионов и электронов − образование нейтральных атомов или молекул из свободных электронов и положительных атомных или молекулярных ионов; процесс, обратный ионизации.With a gradual increase in voltage under the action of the field, the electrons move towards the anode, and positive ions towards the cathode, but some of the charged particles fall on the walls, some recombine. Recombination of ions and electrons - the formation of neutral atoms or molecules from free electrons and positive atomic or molecular ions; the reverse process of ionization.
Начиная с какого-то напряжения практически все заряды, рождающиеся в пространстве между электродами, попадают на них. Ток при этом достигает насыщения, и величина его определяется скоростью ионизирующих процессов. Такой процесс называется несамостоятельным разрядом, так как при выключении внешнего ионизатора (в нашем случае это природные факторы) ток между электродами протекать не будет.Starting from a certain voltage, almost all the charges that are born in the space between the electrodes fall on them. In this case, the current reaches saturation, and its value is determined by the rate of ionizing processes. Such a process is called a non-self-sustained discharge, since when the external ionizer is turned off (in our case, these are natural factors), the current will not flow between the electrodes.
Для того чтобы разряд стал самостоятельным, т.е. способным существовать в отсутствие внешнего ионизатора, необходимо, чтобы в результате развития первоначальной лавины появлялся по крайней мере один вторичный электрон, способный создать новую лавину. Переход несамостоятельного разряда в самостоятельный называют электрическим пробоем газа, этот переход происходит при напряжении пробоя (напряжение «зажигания» разряда).In order for the discharge to become independent, i.e. able to exist in the absence of an external ionizer, it is necessary that as a result of the development of the initial avalanche, at least one secondary electron capable of creating a new avalanche should appear. The transition of a non-self-sustained discharge to an independent one is called an electrical breakdown of a gas; this transition occurs at a breakdown voltage (discharge “ignition” voltage).
При повышении рабочего давления в пушке до уровня 0,01…0,1 мм рт.ст. и при приложении высокого напряжения (1…30 кВ) в межэлектродном газовом пространстве развивается высоковольтный тлеющий разряд (ВТР).With an increase in the working pressure in the gun to the level of 0.01 ... 0.1 mm Hg. and when a high voltage (1...30 kV) is applied, a high-voltage glow discharge (HTR) develops in the interelectrode gas space.
В процессе обработки изделия с помощью ГРЭЛП в нормальном режиме ВТР имеет место вредное явление восхождения положительных ионов, выбитых с поверхности изделия быстрыми электронами и ускоренно устремленными к катоду ГРЭЛП, в результате чего ресурс работы катода существенно сокращается.In the process of processing the product with the help of the GRELP in the normal mode of the VTR, there is a harmful phenomenon of the ascent of positive ions knocked out from the surface of the product by fast electrons and accelerated towards the cathode of the GRELP, as a result of which the service life of the cathode is significantly reduced.
Различают два режима тлеющего разряда: нормальный и аномальный. Режим аномального тлеющего разряда активно используют в устройствах ионно-плазменного напыления тонкопленочных покрытий. В аномальной области с увеличением внешнего тока увеличивается как плотность тока, так и падение потенциала. Возрастание пространственного заряда сопровождается уменьшением ширины так называемого темного пространства. При дальнейшем увеличении тока катод нагревается, и термоэлектронная эмиссия в условиях высокой напряженности поля начинает преобладать над ионно-электронной. Наблюдается резкий спад напряжения, и разряд может перейти в искровой. There are two modes of glow discharge: normal and abnormal. The anomalous glow discharge mode is actively used in devices for ion-plasma deposition of thin-film coatings. In the anomalous region, with an increase in the external current, both the current density and the potential drop increase. An increase in the space charge is accompanied by a decrease in the width of the so-called dark space. With a further increase in current, the cathode heats up, and thermionic emission under conditions of high field strength begins to prevail over ion-electron emission. There is a sharp drop in voltage, and the discharge can turn into a spark.
Искровой разряд существенно сокращает ресурс работы электродов ГРЭЛП, в особенности, полого анода; вызывает временный отказ в работе ГРЭЛП, который требует ее перезапуска и повторного вывода в рабочий режим. В результате технологический процесс, выполняемый ГРЭЛП, становится прерывистым, а его результат теряет требуемые свойства.The spark discharge significantly reduces the service life of the GRELP electrodes, in particular, the hollow anode; causes a temporary failure in the operation of the GRELP, which requires its restart and re-bringing to the operating mode. As a result, the technological process performed by GRELP becomes intermittent, and its result loses the required properties.
Таким образом, процессы, имеющие место в ГРЭЛП, сопровождаются проблемами: Thus, the processes taking place in GRELP are accompanied by problems:
1) бомбардировкой катода ионами, выбитыми с поверхности обрабатываемого изделия (сокращают ресурс катода);1) bombardment of the cathode with ions knocked out from the surface of the workpiece (reducing the life of the cathode);
2) искровыми межэлектродными разрядами (сокращают ресурс полого анода, снижают функциональные возможности ГРЭЛП).2) spark interelectrode discharges (reduce the resource of the hollow anode, reduce the functionality of the GRELP).
В качестве прототипных устройств, близких по конструкции следует рассмотреть два изобретения.Two inventions should be considered as prototype devices that are similar in design.
Изобретение RU 2400861 C1 (18.08.2009) содержит перечисленные выше базовые элементы с отличительной особенностью в конструкции газоразрядной камеры, которая содержит кольцевой щелевой завихритель плазмообразующего газа с целью улучшения фокусирующих свойств пушки с использованием газодинамических эффектов. The invention RU 2400861 C1 (18.08.2009) contains the basic elements listed above with a distinctive feature in the design of the gas discharge chamber, which contains an annular slotted plasma-forming gas swirler in order to improve the focusing properties of the gun using gas dynamic effects.
Наиболее близким прототипом является изобретение RU 2323502 C1 (03.07.2006), в котором предложена ГРЭЛП высокой мощности и надежности, достигнутые, благодаря оптимизации геометрических параметров электронной системы и контролю прохождения электронного пучка (ЭП) в лучеводе. Предложенная авторами конструкция также содержит в себе базовые элементы, дополненные системой контроля ЭП.The closest prototype is the invention of RU 2323502 C1 (03.07.2006), which proposes high power and reliability GRELP, achieved by optimizing the geometric parameters of the electronic system and controlling the passage of the electron beam (EB) in the beam guide. The design proposed by the authors also contains the basic elements, supplemented by the EC control system.
Недостатками упомянутых изобретений является отсутствие конструктивных решений по борьбе с восходящим от изделия к катоду потоком положительных ионов испаряемого при нагреве изделия металла, а также защиты полого анода от разрушения, обусловленного межэлектродными искровыми разрядами, следствием чего является потребность в новых решениях по повышению ресурса ГРЭЛП и ее функциональных возможностей.The disadvantages of the mentioned inventions is the lack of constructive solutions to combat the upward flow of positive ions from the product to the cathode of the metal product evaporated during heating, as well as to protect the hollow anode from destruction caused by interelectrode spark discharges, which results in the need for new solutions to increase the life of the GRELP and its functionality.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является внесение принципиальных усовершенствований в конструкцию ГРЭЛП, обеспечивающих комплексное решение по повышению ресурса надежности как самой пушки, так и ее функциональных возможностей по обеспечению сложных программно управляемых режимов нагрева в точном соответствии с заданными требованиями. The task to be solved by the present invention is to introduce fundamental improvements in the design of the GRELP, providing a comprehensive solution to increase the reliability resource of both the gun itself and its functionality to provide complex program-controlled heating modes in strict accordance with the specified requirements.
Указанная задача достигается тем, что газоразрядная электронно-лучевая пушка состоит из газоразрядной камеры, катода со сферической эмиссионной поверхностью, полого анода, водоохлаждения, высоковольтного токоподвода, водяного реостата, высоковольтного изолятора, лучевода, фокусирующих катушек, отклоняющих катушек, фланца, искроподавляющего слоя на внутренней поверхности полого анода в области геометрической близости катода со сферической эмиссионной поверхностью, расположенной под лучеводом вестибюльной откачной камеры, содержащей кольцевую систему откачных сопел.This task is achieved in that the gas-discharge electron-beam gun consists of a gas-discharge chamber, a cathode with a spherical emission surface, a hollow anode, water cooling, a high-voltage current supply, a water rheostat, a high-voltage insulator, a beam guide, focusing coils, deflecting coils, a flange, a spark suppression layer on the inner the surface of the hollow anode in the region of geometric proximity of the cathode with a spherical emission surface located under the beam guide of the vestibule evacuation chamber containing an annular system of evacuation nozzles.
Отличительной особенностью настоящего изобретения является комплексное решение по усовершенствованию конструкции ГРЭЛП, которое может быть применено и адаптировано к большинству современных ГРЭЛП с обязательным положительным эффектом, интегрально выраженном как в повышении ресурса надежности самой пушки, так и ее функциональных возможностей.A distinctive feature of the present invention is a comprehensive solution for improving the design of the GRELP, which can be applied and adapted to most modern GRELP with an obligatory positive effect, integrally expressed both in increasing the reliability resource of the gun itself and its functionality.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема ГРЭЛП.In FIG. 1 shows a schematic diagram of GRELP.
На фиг. 2 показан основной узел ГРЭЛП, в котором формируется электронный пучок.In FIG. 2 shows the main unit of the GRELP, in which the electron beam is formed.
На фиг. 3 показан процесс ионизации-рекомбинации нейтральных частиц положительными ионами металла In FIG. 3 shows the process of ionization-recombination of neutral particles positive metal ions
На фиг. 4 представлена организация вестибюльной откачки в ГРЭЛП.In FIG. 4 shows the organization of vestibular pumping in GRELP.
Принципиальная схема предлагаемой ГРЭЛП представлена на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:The schematic diagram of the proposed GRELP is shown in Fig. 1, where the following designations are accepted:
1 - газоразрядная камера;1 - gas discharge chamber;
2 - катод со сферической эмиссионной поверхностью;2 - cathode with a spherical emission surface;
3 - полый анод;3 - hollow anode;
4 - искроподавляющий слой;4 - spark suppression layer;
5 - плазмообразующий газ;5 - plasma gas;
6 - плазмообразующая зона;6 - plasma-forming zone;
7 - водоохлаждение;7 - water cooling;
8 - высоковольтный токоподвод;8 - high-voltage current lead;
9 - водяной реостат;9 - water rheostat;
10 - высоковольтный изолятор;10 - high voltage insulator;
11 - лучевод;11 - beam guide;
12 - фокусирующие катушки;12 - focusing coils;
13 - отклоняющие катушки;13 - deflecting coils;
14 - электронный пучок (ЭП);14 - electron beam (EB);
15 - вестибюльная откачная камера (ВОК);15 - vestibular evacuation chamber (VOK);
16 - кольцевая система откачных сопел;16 - annular system of exhaust nozzles;
17 - фланец;17 - flange;
18 - нагреваемый участок металла.18 - heated section of the metal.
Газоразрядная камера 1 является центральным элементом конструкции ГРЭЛП, в котором располагаются катод 2 со сферической эмиссионной поверхностью и полый анод 3. На внутреннюю поверхность полого анода 3 в области геометрической близости катода 2 нанесен специальный искроподавляющий слой 4. Между катодом 2 и анодом 3 имеет место плазмообразующая зона 6. Газоразрядная камера 1 обеспечена каналами водоохлаждения 7. В верхней части конструкции расположен высоковольтный токоподвод 8, который через водяной реостат 9 и высоковольтный изолятор 10 обеспечивает подачу минуса высокого напряжения на катод 2. Катод 2 и полый анод 3 обеспечивают условия порождения эмиссии ЭП 14 дальнейшее формирование которого происходит в расположенном ниже газоразрядной камеры 1 лучеводе 11. Лучевод 11 содержит в своем составе систему фокусирующих 12 и отклоняющих 13 катушек. Под лучеводом 11 расположена вестибюльная откачная камера 15, содержащая кольцевую систему откачных сопел 16. Монтаж конструкции ГРЭЛП на посадочном месте обеспечивается с помощью фланца 17. Настройка системы фокусирующих 12 и отклоняющих 13 катушек ГРЭЛП обеспечивает фокусировку ЭП на нагреваемом участке металла 18.The gas-
Принцип действия ГРЭЛП заключается в следующем. В газоразрядной камере расположены катод 2 и полый анод 3, геометрическая форма и взаимное расположение которых обеспечивают первичную фокусировку формируемого ЭП 14. Необходимыми условиями формирования ЭП 14 являются подача высокого напряжения на катод 2 через высоковольтный токоподвод 8 и плазмообразующего газа (водорода) 5 в газоразрядную камеру 1. Давление плазмообразующего газа определяет и позволяет регулировать мощность ЭП 14. Управление сформированным ЭП 14 осуществляется в лучеводе 11 посредством фокусирующих 12 и отклоняющих 13 катушек. Активное пятно ЭП фокусируется на нагреваемом участке металла 18. Теплоотвод рассеиваемой на элементах конструкции ГРЭЛП мощности обеспечивается системой водоохлаждения 7. Корпус ГРЭЛП закрепляется на рабочей камере, в которой проводится технологический процесс, с помощью фланца 17.The principle of operation of GRELP is as follows. The
Остальные элементы представленной схемы, а именно, - вестибюльная откачная камера 15, кольцевая система откачных сопел 16, искроподавляющий слой 4, − являются предметом рассмотрения настоящего изобретения и описаны далее.The remaining elements of the presented scheme, namely, the
Основной узел ГРЭЛП, в котором формируется электронный пучок, показан на фиг. 2.The main GRELP unit in which the electron beam is formed is shown in Fig. 2.
Катод 2 и полый анод 3 окружают плазмообразуюшую зону 6. По каналу в аноде в плазмообразуюшую зону подается плазмообразующий газ (водород) 5, давление которого определяет мощность формируемого ЭП 14. После подачи высокого ускоряющего напряжения на электроды ГРЭЛП вдоль осевой линии зажигается ВТР; образуются положительные ионы , которые начинают бомбардировать катод 2, и в результате γ-процессов образуются быстрые электроны пучка (область а). Быстрые электроны пучка , сталкиваясь с нейтральными частицами становятся причиной появления новых ионов и медленных электронов (область б). В области б показаны два варианта траектории быстрых электронов . Некоторая часть возникших ионов захватывается электрическим полем и устремляется к катоду 2. Некоторые из них на своем пути испытывают перезарядку, в результате которой образуются быстрые нейтральные частицы , движущиеся к катоду (область в). Бомбардировка катода продолжается уже не только ионами (область а), но и быстрыми нейтральными частицами (область в), в результате чего возникают новые быстрые электроны , и мощность ЭП 14 возрастает. Таким образом, на выходе полого анода 3 из плазмы 6 ВТР образуется ЭП 14. The
Вогнутая плоскость катода 2 и форма полого анода 3 обеспечивают начальную электронную фокусировку формируемого ЭП 14 в нижнем отверстии анода. Часть ионов, передвигающихся в окрестностях ЭП, притягивается к ЭП, т.е. наряду с электронной фокусировкой имеет место ионная фокусировка вокруг ЭП. Медленные электроны притягиваются к аноду, компенсируя заряд ушедших быстрых электронов пучка .The concave plane of the
В процессе нагрева металла с помощью ГРЭЛП наряду с ионно-электронной эмиссией имеет место еще один источник заряженных частиц, оказывающий вредное влияние на работу ГРЭЛП. Частицы металла в процессе нагрева электронным пучком испаряются и претерпевают столкновения с исходящими из ГРЭЛП электронами. При достаточно высокоэнергичных столкновениях из этих частиц выбиваются электроны, в результате чего в зоне испарения появляются положительно заряженные ионные частицы нагреваемого металла, которые, благодаря ионной фокусировке, проникают в плазмообразующую зону 6 и присоединяются к процессу бомбардировки катода 2 наряду с положительными ионами и нейтральными частицами A, провоцируя изменение его эмиссионных характеристик и эксплуатационный износ.In the process of heating a metal with the help of GREL, along with ion-electron emission, there is another source of charged particles that has a harmful effect on the operation of GREL. During heating by an electron beam, metal particles evaporate and undergo collisions with electrons emanating from the GRELP. In sufficiently high-energy collisions, electrons are knocked out of these particles, as a result of which positively charged ionic particles appear in the evaporation zone. heated metal, which, due to ion focusing, penetrate into the plasma-forming
Катод 2 и анод 3 являются элементами, обеспечивающими качество процессов в плазмообразующей зоне 6. Они подвержены наибольшему износу и определяют ресурс надежности ГРЭЛП.
Субъектами, обеспечивающими повышение ресурса надежности и функциональности ГРЭЛП, являются следующие элементы ее конструкции:The subjects that provide an increase in the reliability and functionality of the GRELP are the following elements of its design:
- вестибюльная откачная камера (ВОК);- vestibular evacuation chamber (VOK);
- искроподавляющий слой (ИПС) в зоне малых межэлектродных зазоров.- spark suppression layer (IPS) in the area of small interelectrode gaps.
Причем ВОК предназначена для повышения ресурса надежности, а ИПС, - наряду с надежностью обеспечивает расширенную функциональность ГРЭЛП.Moreover, the FOC is designed to increase the reliability resource, and the IPS, along with reliability, provides the extended functionality of the GRELP.
Обычно для борьбы с загрязнением технологической среды в рабочей камере, где проводится процесс нагрева и испарения металла посредством ЭП, обеспечивают откачку, однако она может оказаться недостаточно эффективной по причине технологической невозможности сконцентрировать ее влияние в зоне самого ЭП.Usually, to combat the pollution of the process medium in the working chamber, where the process of heating and evaporation of the metal by means of the EA, pumping is provided, however, it may not be effective enough due to the technological impossibility of concentrating its influence in the zone of the EA itself.
С целью компенсации износа катода, обусловленного бомбардировкой положительными ионами испаряемого ЭП металла в конструкцию ГРЭЛП внесен принципиальный дополнительный модуль – вестибюльная откачная камера, назначение которой прицельное удаление положительных ионов испаряемого металла из области ионной фокусировки. Наличие ВОК учитывается при разработке и настройке фокусирующей и отклоняющей систем. Иными словами, оснащение ГРЭЛП ВОК является комплексным решением, которое не может быть реализовано, как механическое дополнение. Конструкция ВОК обусловлена следующими процессами, имеющими место в окрестностях ЭП.In order to compensate for the wear of the cathode caused by the bombardment of the evaporated metal by positive ions, a fundamental additional module was introduced into the design of the GRELP - the vestibule evacuation chamber, the purpose of which is the targeted removal of positive ions of the evaporated metal from the ion focusing area. The presence of a FOC is taken into account when developing and adjusting the focusing and deflecting systems. In other words, equipping the GRELP FOC is a complex solution that cannot be implemented as a mechanical addition. The design of the FOC is due to the following processes taking place in the vicinity of the EP.
Процесс ионизации-рекомбинации нейтральных частиц положительными ионами металла показан на фиг. 3, где 19 – область ионизации; 20 – область рекомбинации. Часть близко расположенных к оси ЭП положительных ионов испаряемого металла притягивается к оси ЭП, в результате чего претерпевают рекомбинацию и становятся нейтральными металлическими частицами . В свою очередь, удаленные от оси ЭП положительные ионы испаряемого металла слабо притягиваются к оси ЭП и ускоренно устремляются к катоду. Часть из них рекомбинируют на пути к катоду, а часть, самых удаленных, продолжает приближаться к катоду. Положительные ионы металла, оказавшиеся в пространстве ЭП, наиболее активно взаимодействуют с быстрыми электронами ЭП . Они рекомбинируют, становятся нейтральными частицами и, опять соударяясь, с быстрыми электронами становятся положительными ионами металла. Таким образом, в пространстве ЭП циклически воспроизводится процесс ионизации-рекомбинации положительными ионами металла, поэтому перемещение испаренных частиц металла в пространстве ЭП не существенны.The process of ionization-recombination of neutral particles positive metal ions shown in FIG. 3, where 19 is the ionization region; 20 - region of recombination. Part of the positive ions of the evaporated metal close to the EP axis is attracted to the EP axis, as a result of which they undergo recombination and become neutral metal particles . In turn, the positive ions of the evaporated metal are weakly attracted to the EB axis and rapidly rush to the cathode. Some of them recombine on their way to the cathode, while some of the most distant ones continue to approach the cathode. Positive metal ions that find themselves in the EP space most actively interact with fast electrons of the EP . They recombine, become neutral particles and, again colliding with fast electrons, become positive metal ions. Thus, in the EP space, the process of ionization-recombination by positive metal ions is cyclically reproduced, so the movement of evaporated metal particles in the EP space is not significant.
Организация вестибюльной откачки в ГРЭЛП представлена на фиг. 4, где 21 – область циклической ионизации-рекомбинации, процессы в которой подчиняются модели на фиг. 3; 22 – оси сканирования ЭП; 23 – траектория движения положительных ионов металла , оказавшихся в непосредственной близости ЭП; 24 – разгонная траектория положительных ионов металла , 25 – экстрагирующая траектория положительных ионов металла .The organization of vestibular pumping in GRELP is shown in Fig. 4, where 21 is the region of cyclic ionization-recombination, the processes in which obey the model in Fig. 3; 22 – EA scanning axes; 23 - the trajectory of positive metal ions , caught in the immediate vicinity of the EP; 24 - accelerating trajectory of positive metal ions , 25 – extracting trajectory of positive metal ions .
На фиг. 4 показано поведение заряженных и нейтральных частиц , потерянных в окрестностях ЭП, ограниченных пространством ВОК, в результате сканирования или случайного вылета из зоны ЭП.In FIG. 4 shows the behavior of charged and neutral particles lost in the vicinity of the EF, limited by the FOC space, as a result of scanning or accidental departure from the EF zone.
Как видно из фиг. 4, положительные ионы металла , находящиеся в непосредственной близости с ЭП, притягиваются ЭП, двигаясь с ускорением, и вступают в рекомбинацию с быстрыми электронами ЭП, не успевая набрать больших скоростей. В то же время удаленные от оси ЭП положительные ионы металла имеют большие разгонные траектории 24 и набирают значительные скорости, устремляясь по дуге одновременно к оси ЭП и к катоду.As can be seen from FIG. 4, positive metal ions , which are in close proximity to the EP, are attracted by the EP, moving with acceleration, and enter into recombination with fast electrons EP, not having time to gain high speeds. At the same time, positive metal ions remote from the EP axis have large accelerating
Эффективность ВОК по обеспечению защиты катода определяется количеством захваченных кольцевой системой откачных сопел испаренных частиц металла, ускоренно двигающихся к катоду. Кольцевая система откачных сопел представляет собой несколько радиально ориентированных стальных трубок цилиндрической формы, входные отверстия которых скошены, как показано на фиг. 4. К выходным торцам сопел прикладываются равные по величине разрежения (дифференциальная система разрежений), обеспечивающие в ВОК откачку на молекулярном уровне (в совокупности 10-4 … 10-5 МПа). Количество N и диаметр d сопел в комплексе с разрежениями P на выходных торцах, определяют эффективность E откачной системы ВОК:The efficiency of the FOC in providing cathode protection is determined by the number of evaporated metal particles captured by the annular system of exhaust nozzles, which are rapidly moving towards the cathode. The annular system of pumping nozzles consists of several radially oriented cylindrical steel tubes, the inlets of which are beveled, as shown in Fig. 4. Equal depressions are applied to the outlet ends of the nozzles (a differential system of depressions), which ensure pumping out at the molecular level in the WOC (in the aggregate 10 -4 ... 10 -5 MPa). The number N and the diameter d of the nozzles in combination with the rarefaction P at the outlet ends determine the efficiency E of the WOC pumping system:
С целью повышения эффективности сопел, их торцы делаются скошенными, как показано на фиг. 1. Если учитывать то, что одним из важнейших параметров ГРЭЛП является расстояние до обрабатываемой поверхности, то становится очевидным, что периферийные испаренные положительные ионы металла к моменту входа в лучевод могут разогнаться до больших скоростей, и достигнутая ими кинетическая энергия при столкновении с катодом способна внести заметный вклад в снижение ресурса катода. Поэтому ВОК является эффективным средством увеличения ресурса ГРЭЛП в целом.In order to increase the efficiency of the nozzles, their ends are made beveled, as shown in Fig. 1. If we take into account that one of the most important parameters of the GRELP is the distance to the treated surface, then it becomes obvious that the peripheral evaporated positive metal ions can accelerate to high velocities by the time they enter the beam guide, and the kinetic energy they have achieved when colliding with the cathode can contribute a significant contribution to the reduction of the cathode resource. Therefore, WOK is an effective means of increasing the resource of GREL in general.
Износ обоих электродов (катода 2 и полого анода 3) обусловлен еще одним обстоятельством, имеющим место в работе ГРЭЛП. Конструктивно оба эти электрода, имеющие огромную разность потенциалов (30…60 кВ), располагаются очень близко (5…8 мм) в области плазмообразующей зоны 6, поэтому нестабильность плазмообразующей зоны может служить причиной случайных искровых межэлектродных пробоев. Специальные средства защиты высоковольтных источников питания позволяют исключить фатальный исход, обусловленный искровыми пробоями, однако паузы, необходимые на восстановление номинального режима работы ГРЛП, могут радикально сузить множество технологических процессов, выполнение которых она может безаварийно обеспечить. Поэтому ИПС 4, наносимый на внутреннюю поверхность полого анода 3 в области опасного конструктивного расположения близкого к катоду 2, интересен не только в плане повышения надежности ГРЭЛП, но и ее широкой функциональности.The wear of both electrodes (
Существуют способы борьбы с описанными межэлектродными искровыми разрядами. В высоковольтных источниках питания предусмотрена защита от коротких замыканий (КЗ) по нагрузке. Она обеспечивает мгновенное снижение напряжения источника. Это спасает ГРЭЛП от полного выхода из строя, однако формирование ЭП временно прерывается. Поскольку при использовании защищенного от КЗ источника питания искровой разряд - явление самозавершающееся, то в ГРЭЛП восстанавливаются условия формирования ЭП: высоковольтный источник питания возобновляет свою работу по факту устранения КЗ. Однако, как уже было сказано, возобновление ВТР, требует времени, а это время определяет длительность технологических пауз обработки изделия. Если требованиями предусмотрено контролируемое равномерное или программно изменяемое воздействие ЭП на поверхность изделия, то одним из существующих способов сокращения длительности технологических пауз является использование высокочастотных источников питания (ВЧИП), что заметно удорожает установку в целом.There are ways to deal with the described interelectrode spark discharges. In high-voltage power supplies, protection against short circuits (short circuit) on the load is provided. It provides an instant voltage drop of the source. This saves the GRELP from complete failure, however, the formation of the EP is temporarily interrupted. Since when using a short-circuit-protected power source, a spark discharge is a self-terminating phenomenon, the conditions for the formation of an electric field are restored in the GRELP: the high-voltage power source resumes its operation upon elimination of the short circuit. However, as already mentioned, the resumption of the VTR takes time, and this time determines the duration of technological pauses in the processing of the product. If the requirements provide for a controlled uniform or programmatically variable effect of the ED on the surface of the product, then one of the existing ways to reduce the duration of technological pauses is to use high-frequency power supplies (HFPS), which significantly increases the cost of the installation as a whole.
В настоящем изобретении предлагается способ эффективного подавления межэлектродных искровых разрядов без использования дорогостоящих ВЧИП, посредством напыления керамического покрытия на внутреннюю стенку анода в зоне малых межэлектродных зазоров. В качестве керамического покрытия могут использоваться оксид алюминия (Al2O3) или диоксид циркония (ZrO2) (основные параметры которых приведены в таблице 1) и т.д.The present invention proposes a method for effective suppression of interelectrode spark discharges without the use of expensive RFID by deposition of a ceramic coating on the inner wall of the anode in the area of small interelectrode gaps. Aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or zirconium dioxide (ZrO 2 ) (the main parameters of which are shown in Table 1), etc. can be used as a ceramic coating.
Таблица 1Table 1
Керамическое покрытие внутренней поверхности полого анода реализует функции искроподавляющего слоя 4.The ceramic coating of the inner surface of the hollow anode implements the functions of the
Преимущества предлагаемого устройства: включение в конструкцию ГРЭЛП вестибюльной откачной камеры и искроподавляющего слоя предлагается как комплексное решение по повышению ресурса надежности как самой пушки, так и ее функциональных возможностей по обеспечению сложных программно управляемых режимов нагрева в точном соответствии с заданными требованиями без использования дорогостоящих ВЧИП.The advantages of the proposed device: the inclusion of a vestibular evacuation chamber and a spark suppression layer in the design of the GRELP is proposed as a comprehensive solution to increase the reliability resource of both the gun itself and its functionality to provide complex program-controlled heating modes in strict accordance with the specified requirements without the use of expensive HFIP.
Технический результат: Technical result:
- кратное увеличение ресурса надежности ГРЭЛП; - multiple increase in the reliability resource of GRELP;
- возможность реализации длительных технологических процессов;- the possibility of implementing long-term technological processes;
- снижение требований к качеству источников питания;- reduced requirements for the quality of power supplies;
- расширение ее функциональных возможностей по обеспечению сложных программно управляемых режимов нагрева в точном соответствии с заданными требованиями.- expanding its functionality to provide complex program-controlled heating modes in strict accordance with the specified requirements.
Описанный способ увеличения ресурса надежности и функциональности ГРЭЛП реализован и внедрен с положительным результатом в ПАО «Электромеханика», г. Ржева, Тверской обл. РФ.The described method for increasing the reliability and functionality of the GRELP has been implemented and implemented with a positive result in PJSC Elektromekhanika, Rzhev, Tver Region. RF.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2777038C1 true RU2777038C1 (en) | 2022-08-01 |
Family
ID=
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01128337A (en) * | 1987-11-11 | 1989-05-22 | Hitachi Ltd | Discharge cleaner for electron gun |
RU2097868C1 (en) * | 1996-07-09 | 1997-11-27 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Device for cleaning arc evaporator plasma from microparticles (options) |
SU1126128A1 (en) * | 1983-06-02 | 1998-04-27 | Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники | Gaseous-discharge electron gun |
RU2323502C1 (en) * | 2006-07-03 | 2008-04-27 | Открытое акционерное общество "Чепецкий механический завод" (ОАО ЧМЗ) | Gaseous-discharge electron gun |
RU2400861C1 (en) * | 2009-08-18 | 2010-09-27 | Открытое Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" | Gas-discharge electron gun |
JP5370462B2 (en) * | 2011-11-07 | 2013-12-18 | 日新イオン機器株式会社 | Ion source electrode cleaning device |
US8878148B2 (en) * | 2009-10-13 | 2014-11-04 | Ict Integrated Circuit Testing Gesellschaft Fur Halbleiterpruftechnik Mbh | Method and apparatus of pretreatment of an electron gun chamber |
RU2709793C1 (en) * | 2018-07-09 | 2019-12-20 | Публичное акционерное общество "Электромеханика" | Electron-beam gun with increased service life |
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1126128A1 (en) * | 1983-06-02 | 1998-04-27 | Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники | Gaseous-discharge electron gun |
JPH01128337A (en) * | 1987-11-11 | 1989-05-22 | Hitachi Ltd | Discharge cleaner for electron gun |
RU2097868C1 (en) * | 1996-07-09 | 1997-11-27 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Device for cleaning arc evaporator plasma from microparticles (options) |
RU2323502C1 (en) * | 2006-07-03 | 2008-04-27 | Открытое акционерное общество "Чепецкий механический завод" (ОАО ЧМЗ) | Gaseous-discharge electron gun |
RU2400861C1 (en) * | 2009-08-18 | 2010-09-27 | Открытое Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" | Gas-discharge electron gun |
US8878148B2 (en) * | 2009-10-13 | 2014-11-04 | Ict Integrated Circuit Testing Gesellschaft Fur Halbleiterpruftechnik Mbh | Method and apparatus of pretreatment of an electron gun chamber |
JP5370462B2 (en) * | 2011-11-07 | 2013-12-18 | 日新イオン機器株式会社 | Ion source electrode cleaning device |
RU2709793C1 (en) * | 2018-07-09 | 2019-12-20 | Публичное акционерное общество "Электромеханика" | Electron-beam gun with increased service life |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2279769C2 (en) | Plasma accelerator | |
US4714860A (en) | Ion beam generating apparatus | |
US5015493A (en) | Process and apparatus for coating conducting pieces using a pulsed glow discharge | |
Coll et al. | Design of vacuum arc-based sources | |
JP4130974B2 (en) | Hollow cathode | |
RU2777038C1 (en) | Gas-discharge cathode-beam gun | |
CA2011644C (en) | Vacuum switch apparatus | |
US6870164B1 (en) | Pulsed operation of hall-current ion sources | |
RU87065U1 (en) | DEVICE FOR CREATING A HOMOGENEOUS GAS DISCHARGE PLASMA IN LARGE VOLUME TECHNOLOGICAL VACUUM CAMERAS | |
US6891173B2 (en) | Ion implantation systems and methods utilizing a downstream gas source | |
RU2313848C1 (en) | Heavy-current electron gun | |
RU116273U1 (en) | SOURCE OF IONS | |
WO1993018538A1 (en) | Electron beam gun with grounded shield to prevent arc down | |
US10636617B2 (en) | Axial electron gun | |
RU2792344C9 (en) | Gas-discharge electron gun controlled by an ion source with closed electron drift | |
RU2607398C2 (en) | Method of coatings application by plasma spraying and device for its implementation | |
RU209138U1 (en) | Fore-vacuum plasma source of a pulsed electron beam based on a contracted arc discharge | |
JP5959409B2 (en) | Film forming apparatus and method of operating film forming apparatus | |
US11629398B2 (en) | Cathodic arc ignition device | |
Moskvin et al. | Plasma source for auxiliary anode plasma generation in the electron source with grid plasma cathode | |
JP2010248574A (en) | Vapor deposition apparatus and vapor deposition method | |
Burdovitsin et al. | Plasma Electron Sources | |
RU1834911C (en) | Process of product treatment in plants for vacuum-plasma spray on coating | |
UA120300C2 (en) | GAS DISCHARGE ELECTRONIC GUN AND METHOD OF CONTROLLING ITS CURRENT | |
UA140445U (en) | GAS DISCHARGE ELECTRONIC GUN |