UA117397C2 - Спосіб формування електронного пучка в електронно-променевій гарматі для зварювання та споріднених технологій в умовах космосу - Google Patents

Abstract

Винахід належить до обладнання для електронно-променевої технології та може бути використаний в ручних або автоматизованих інструментах для виконання монтажних та ремонтно-відновлювальних робіт в умовах космосу, наприклад, зварювання, паяння та нанесення покриттів. Пропонується спосіб формування електронного пучка в електронно-променевій гарматі для зварювання та споріднених технологій в умовах космосу, при якому збільшення питомої потужності пучка в місці зварювання та робочої відстані гармати досягають за рахунок формування уявного кросовера пучка в усьому діапазоні потужностей гармати за допомогою додаткової підфокусуючої магнітної лінзи та функціонального зв’язку між струмом цієї лінзи і струмом пучка. Досягається збільшення питомої потужності пучка в зоні зварювання, плавне управління струмом пучка в усьому діапазоні потужності гармати з формуванням уявного кросовера при всіх значеннях струму пучка, зменшення габаритів і маси гармати.

Description

Винахід належить до обладнання для електронно-променевої технології та може бути використаний в ручних або автоматизованих інструментах для виконання монтажних та ремонтно-відновлювальних робіт в умовах космосу, наприклад зварювання, паяння та нанесення покриттів.

Однією з визначаючих характеристик електронно-променевих зварювальних гармат є питома потужність електронного пучка в місці його дії на зварювальний матеріал. Приймаючи до уваги, що в гарматах, які призначені для технологічних робіт в космосі, рекомендована прискорююча напруга не повинна бути вища за 10-12 кКВ (Патон Б.Е., Лапчинский В.Ф. Сварка и родственньсе технологии в космосе. // Особенности и перспективьі!. - Киев: Наукова думка, 1998. - С. 183), подальше збільшення питомої потужності пучка в місці зварювання при настільки малій прискорюючій напрузі може бути досягнуто, в першу чергу, за рахунок поліпшення якості формування пучка в електронно-оптичній системі гармати (Зубченеко Ю.В., Терновой Е.Г.

Разработка новьїх змиссионньїх систем злектронно-лучевьїх пушек для технологических работ в условиях космоса //Автоматическая сварки. - 2015, Мо 12 - С. 38-40).

Широко відомі, застосовані в наземних зварювальних гарматах усіх класів потужності, традиційні електронно-оптичні системи з комбінованим фокусуванням пучка - електростатичним фокусуванням в триодній емісійній системі з наступним фокусуванням в магнітній лінзі

ІНазаренко О.К., Бондарев А.А., Кайдалов А.А. и др. Злектронно-лучевая сварка /Под ред. Б.Е.

Патона. - Киев: Наукова думка, 1987. - с. 255). В таких електронно-оптичних системах тріодна емісійна система формує пучок, який сходиться і має мінімальний перетин (кросовер), розташований між катодом та магнітною лінзою. Кросовер являє собою предмет для магнітної лінзи, яка проектує його зі збільшенням або зменшенням на фокальну площину (наприклад, при малих товщинах зварюваного виробу фокальною площиною є поверхня виробу). Недолік такого способу формування пучка стосовно технологічних гармат для роботи в космосі полягає в наступному. Аналогічно до світлової оптики для електронно-оптичних систем гармат застосовують відомі співвідношення |(Бонштедт Б.З., Маркович М.Г. Фокусировка и отклонение пучков в злектронно-лучевьїх приборах. - Москва: Советское радио, 1966. - С. 2721: 1 11 -8В----- г ЩІ м-7? а (г); тот 7 ке (3);

Зп т То 7 (4),

Зо де: т. фокусна відстань магнітної лінзи; 4 - оптична відстань кросовер - середня площина магнітної лінзи; Б - оптична відстань від середньої площини магнітної лінзи до фокальної площини; М - збільшення магнітної лінзи; КР - радіус пучка в кросовері; 27 - радіус пучка в фокальній площині; / - струм пучка; / - щільність струму пучка в фокальній площині; ТП. питома потужність пучка в фокальній площині. Розмір оптичної відстані 7? в реальній гарматі складається з її конструктивних елементів (частини магнітної лінзи після середньої площини, відхиляючої системи, корпусних елементів та різного виду допоміжних вузлів, наприклад, датчика вторинних електронів, екранів, радіаторів та ін.), а також робочої відстані гармати роб. від торця гармати до виробу. Приймаючи до уваги, що перераховані елементи конструктивно і технологічно визначають кінцевий розмір відстані 9, збільшення питомої потужності пучка в фокальній площині за рахунок зменшення величини параметра "М" стає можливим в основному шляхом збільшення відстані 7 . Традиційно такий спосіб реалізують у наземних зварювальних гарматах простим віддаленням магнітної лінзи від кросовера, що призводить з одного боку, до вимушеного зростання подовжніх габаритів гармати та її маси, а з іншого - до збільшення діаметра пучка та кута його розбіжності в фокусуючому полі магнітної лінзи і, як наслідок, до збільшення плями розмиву сферичної аберації пучка, і, відповідно, до обмеження одержуваної питомої потужності пучка в фокальній площині.

Найбільш близьким по технічній суті аналогом пропонованого винаходу, який прийнятий нами за найближчий аналог, є рішення підвищення питомої потужності пучка в потужній зварювальній гарматі. |(Сушкин Н.Г., Седов А.Н., Некрасов А.С, Янкин В.Г. Зкспериментальноє исследование ЗОС мощной пушки с мнимьмм предметом. Тр. Моск. знерг. ин-та, 1979, вьп.

411). Оборудование и технология злектронно-лучевой сварки. С. 42-49). Авторами розроблена електронно-оптична система, в якій як предмет для магнітної лінзи використовують уявний кросовер, який являє собою точку перетину з віссю системи не реальних траєкторій пучка, а дотичних до траєкторій пучка, проведених від краю поля магнітної лінзи в бік катода і продовжених в область за катодом. Оптична відстань "а" при цьому може значно перевищувати значення цього параметра, одержувані в традиційних електронно-оптичних системах з реальним кросовером, що дозволяє зменшити збільшення «М» магнітної лінзи та відповідно підвищити за цей рахунок питому потужність пучка в фокальній площині. Проте, як відомо, в тріодній емісійній системі струм пучка регулюють від'ємним по відношенню до катоду потенціалом на управляючому електроді. При цьому, як відзначено авторами, для збільшення струму пучка, наприклад, починаючи від режиму повного запирання, зменшують від'ємний потенціал на управляючому електроді, а струм оптимального фокусування пучка (тобто, струм в котушці магнітної лінзи для фокусування пучка на фокальній площині) необхідно пропорційно підвищувати. Це відповідає режиму формування пучка з реальним кросовером, розташованим між катодом та магнітною лінзою (тобто традиційному режиму формування пучка в електронно- оптичній системі з тріодною емісійною системою). Основним недоліком описаного способу формування пучка являється те, що при подальшому зменшенні потенціалу на управляючому електроді і збільшенні струму пучка відбувається перехід в режим формування пучка з уявним кросовером, розташованим в просторі за катодом, відстань від уявного кросовера до магнітної лінзи при цьому збільшується, а струм оптимального фокусування відповідно зменшується, тобто, уявний кросовер утворюється тільки в деякому діапазоні струмів пучка. В процесі регулювання струму пучка при деяких значеннях управляючої напруги пучок із розбіжного на вході в магнітну лінзу перетворюється в такий, що сходиться з утворенням у відповідному діапазоні струмів пучка реального кросовера в полі магнітної лінзи. В такому разі порушується процес фокусування пучка, магнітна лінза стає некерованою. В зв'язку з існуванням перехідного процесу виключена можливість плавного регулювання струму пучка в усьому діапазоні від'ємних потенціалів на управляючому електроді, що обмежує технологічні можливості гармати в цілому та негативно впливає на її експлуатаційну надійність. Крім того, до недоліків відомого способу формування пучка потрібно віднести також малу компресію пучка, при якій його діаметр

Зо порівняний з діаметром прольотного каналу в аноді та перевищує діаметр катода. Відповідно збільшується діаметр пучка в магнітній лінзі та її сферична аберація, що не сприяє підвищенню питомої потужності пучка в фокальній площині. Вимушене збільшення діаметру отвору в аноді (через те, що пучок при великих його струмах розходиться безпосередньо з катоду) також сприяє більш інтенсивному запиленню прискорюючого проміжку парогазовим потоком із простору дрейфу та негативно впливає на електричну міцність та надійність гармати, а також на терміни роботи катода. Збільшений порівняно з традиційними розмірами (5-7 мм) діаметр отвору в управляючому електроді (до 14-20) примушує підвищувати запірний потенціал до 5-7 кВ (традиційно до 3,5-4 КВ), що також обмежує експлуатаційну надійність гармати.

Задачею винаходу є забезпечення формування електронного пучка в електронно- променевій гарматі у такий спосіб, при якому будуть збільшені питома потужність пучка в місці зварювання і робоча відстань гармати, зменшені її подовжні габарити і маса та реалізована можливість існування уявного кросовера пучка в простоті за катодом гармати та плавного безперервного керування струмом пучка у всьому діапазоні потужності гармати.

Для вирішення поставленої задачі пропонується спосіб формування електронного пучка в електронно-променевій гарматі для зварювання та споріднених технологій в умовах космосу, яка включає тріодну короткофокусну емісійну систему та основну магнітну лінзу, згідно з яким для початкового формування електронного пучка використовують тріодну короткофокусну емісійну систему, реальний кросовер пучка формують на вході в анодний отвір або в межах прольотного каналу в аноді в режимі максимального струму пучка, виконують попереднє підфокусування пучка після реального кросовера за допомогою додаткової короткої магнітної лінзи, яку розташовують безпосередньо на виході пучка з анодного каналу таким чином, що магнітопровід її примикає впритул до анода, а її фокусуюче поле зосереджують у проміжку між полем основної магнітної лінзи та місцем розташування реального кросовера пучка та зв'язують величину струму в котушці додаткової магнітної лінзи функціональною залежністю з величиною струму пучка і змінюють струм в котушці додаткової магнітної лінзи синхронно струму пучка таким чином, щоб у всьому діапазоні регулювання потужності гармати пучок, який розходиться після реального кросовера, залишався розбіжним і на вході в поле основної магнітної лінзи, але зі зменшенням його діаметра та кута розбіжності, а предметом для основної магнітної лінзи при всіх значеннях струму пучка являвся уявний кросовер, який формується в просторі за катодом,

при цьому струм в котушці додаткової лінзи збільшують при зменшенні струму пучка і, навпаки, зменшують при збільшенні струму пучка.

Спосіб формування електронного пучка з уявним кросовером в електронно-оптичній системі гармати полягає в наступному.

За допомогою короткофокусної емісійної системи формують пучок, який сходиться на осі системи в реальному кросовері, що знаходиться в режимі максимального струму пучка між катодом та середньою площиною додаткової магнітної лінзи, наприклад, на вході в анодний отвір або в межах довжини прольотного каналу в аноді. Впливаючи на пучок полем додаткової магнітної лінзи, виконують попереднє підфокусування пучка таким чином, що зменшується його кут розбіжності та діаметр на вході в поле основної магнітної лінзи, за допомогою якої фокусується пучок на виробі, при цьому як предмета для проеціювання в фокальну площину служить не дійсний кросовер, а уявний кросовер, який являє собою точку перетину з віссю системи дотичних до траєкторій пучка, проведених від межі поля основної магнітної лінзи в сторону катода та подовжених в область за катодом.

На Фіг. 1 спрощено побудоване місце розташування уявного кросовера по крайній траєкторії пучка, яка представлена у вигляді відрізків прямих ліній. Побудова починається з точки реального кросовера 1, із якого пучок, відображений крайньою траєкторією у вигляді прямої лінії, розходиться на виході з аноду 7 під половинним кутом що до середньої площини З додаткової магнітної лінзи, в якій під дією поля цієї лінзи відбувається попереднє підфокусування пучка на кут Аа, Внаслідок цього пучок входить в основну магнітну лінзу з кутом розбіжності 92 721 А у фокусується цією лінзою на виробі 4 в фокальній площині з кутом сходження 23, Положення уявного кросовера 5 при такому спрощеному підході визначається як точка перетину з віссю системи прямої, проведеної із точки максимального радіусу пучка в середній площині 6 основної магнітної лінзи в сторону катода 2 під кутом 22,

При такому способі формування уявного кросовера оптична відстань може приймати будь- яке задане значення аж до нескінченості (при а2 ) ії, внаслідок цього, збільшення основної магнітної лінзи М в/а може теоретично бути як завгодно малою величиною. Тобто, за рахунок формування уявного кросовера за допомогою додаткової магнітної лінзи попереднього підфокусування, встановленою між реальним кросовером пучка в режимі його максимального

Зо струму і основною магнітною лінзою, можна реально одержати значне зменшення радіуса пучка в фокальній площині з відповідним збільшенням його питомої потужності (див. залежність З і 4).

При цьому виключається необхідність в збільшенні подовжніх габаритів гармати і, відповідно, її маси, а також виникає можливість збільшити робочу відстань гармати (відстань від торця гармати до виробу), що є виключно важливим для гармат, які використовують в умовах космосу.

В процесі регулювання струму пучка від'ємним потенціалом на управляючому електроді положення реального кросовера на вісі електронно-оптичної системи і кут розходження пучка після цього кросовера змінюються. На фіг. 2 схематично відображена конфігурація пучка, яка обмежена його крайніми траєкторіями для трьох значень струму пучка /: ат - макс, 6-10 макс, 6-1 00 макс, Із креслень видно, що при зменшенні струму пучка / від максимального значення Ї макс до повного запирання струму реальний кросовер 1 все більше зсувається зі свого початкового положення всередині прольотного каналу в аноді 7 в сторону катода 2, а кут розбіжності пучка після реального кросовера збільшується і відповідно збільшується його діаметр на вході в основну магнітну лінзу (середня площина б), яка фокусує пучок в фокальній площині 4. Тому для формування уявного кросовера 5 в усьому діапазоні струму пучка необхідно синхронно струму пучка змінювати струм в котушці додаткової магнітної лінзи (середня площина 3) таким чином, щоб в усьому діапазоні регулювання потужності гармати пучок, який розходиться після реального кросовера, залишався розбіжним і на вході в поле основної магнітної лінзи, але зі зменшенням його діаметра і кута розбіжності. Для цього струм пучка / і струм в котушці додаткової магнітної лінзи Ім зв'язують функціональною залежністю, згідно якій в процесі зменшення струму пучка від максимуму до повного запирання гармати струм в котушці додаткової магнітної лінзи в діапазоні великих струмів пучка збільшують практично обернено пропорційно струму пучка (Фіг. 3), а в діапазоні малих струмів пучка збільшують струм в котушці додаткової магнітної лінзи з меншою крутизною внаслідок того, що в цьому діапазоні струмів пучка при великих від'ємних потенціалах на управляючому електроді з їх ростом починає зменшуватись діаметр емітуючої поверхні катода, і, відповідно, діаметр пучка і кут його розбіжності після реального кросовера (Фіг. 2, в). Внаслідок такого способу регулювання струму в додатковій магнітній лінзі здійснюють плавне управління струмом пучка в усьому діапазоні потужності гармати з формуванням уявного кросовера при всіх значеннях струму пучка.

Таким чином, запропонований спосіб формування пучка з уявним кросовером дозволяє: збільшити питому потужність пучка в зоні зварювання, в першу чергу, за рахунок зменшення оптичного збільшення «М» основної магнітної лінзи в усьому діапазоні струмів пучка, а також за рахунок супроводжуючого послаблення сферичної аберації основної магнітної лінзи, яке забезпечується зменшенням кута розбіжності пучка і його діаметра після реального кросовера на вході в цю лінзу; здійснити плавне управління струмом пучка в усьому діапазоні потужності гармати з формуванням уявного кросовера при всіх значеннях струму пучка; зменшити габарити і масу гармати за рахунок під'єднання магнітопроводу додаткової магнітної лінзи впритул до аноду гармати та зменшення відстані між основною і додатковою лінзами; для розширення експлуатаційних можливостей гармати збільшити її робочу відстань, що реалізується збільшенням оптичної відстані "в" та відповідним збільшенням відстані "а" без зміни параметру «М» і подовжніх габаритів і маси гармати.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб формування електронного пучка в електронно-променевій гарматі для зварювання та споріднених технологій в умовах космосу, яка включає тріодну короткофокусну емісійну систему та основну магнітну лінзу, який відрізняється тим, що реальний кросовер пучка формують на вході в анодний отвір або в межах прольотного каналу в аноді в режимі максимального струму пучка, виконують попереднє підфокусування пучка після реального кросовера за допомогою додаткової короткої магнітної лінзи, яку розташовують безпосередньо на виході пучка з анодного каналу таким чином, що магнітопровід її примикає впритул до анода, а її фокусуюче поле зосереджують у проміжку між полем основної магнітної лінзи та місцем розташування реального кросовера пучка та зв'язують величину струму в котушці додаткової магнітної лінзи функціональною залежністю з величиною струму пучка і змінюють струм в котушці додаткової магнітної лінзи синхронно струму пучка таким чином, щоб в усьому діапазоні регулювання потужності гармати пучок, який розходиться після реального кросовера, залишався розбіжним і на вході в поле основної магнітної лінзи, але зі зменшенням його діаметра і кута розбіжності, а предметом для основної магнітної лінзи при всіх значеннях струму пучка являвся уявний кросовер, який формується в просторі за катодом, при цьому струм в котушці додаткової лінзи збільшують при зменшенні струму пучка і, навпаки, зменшують при збільшенні струму пучка. Н Й -К ц вай Р ї їека | НІ, й ! : мн ьо Ї -7 Й ЇЙ я | Шини а Ши їй совет

   Фіг.