UA123969U

UA123969U - GAS RELEASE ELECTRONIC CAN

Info

Publication number: UA123969U
Application number: UAU201710688U
Authority: UA
Inventors: Віталій Гнатович Мельник; Ігор Віталієвич Мельник; Борис Андрійович Тугай; Сергій Борисович Тугай
Original assignee: Національний Технічний Університет України "Київський Політехнічний Інститут Імені Ігоря Сікорського"
Priority date: 2017-11-03
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2018-03-12

Abstract

Газорозрядна електронна гармата містить розташовані уздовж її осі холодний катод, порожнистий перфорований анод, розрядну камеру, що його охоплює, та променепровід з магнітними фокусувальними лінзами. Розрядна камера конструктивно розділена перегородкою по горизонталі на два об'єми. Верхній об'єм сполучений з порожниною перфорованого анода отворами з боку катода, а нижній об'єм сполучений з порожниною анода отворами з боку променепроводу.The discharge electron gun contains along its axis a cold cathode, a hollow perforated anode, a discharge chamber enclosing it, and a beam with magnetic focusing lenses. The discharge chamber is structurally divided by a partition horizontally into two volumes. The upper volume is connected to the cavity of the perforated anode by openings from the cathode side, and the lower volume is connected to the cavity by the anode holes from the side of the beam.

Description

Корисна модель належить до електронної техніки, а більш конкретно до газорозрядних електронних гармат технологічного призначення, і може бути використана для електронно- променевих технологічних процесів, що виконуються у вакуумі з використанням електронних пучків.The useful model belongs to electronic equipment, and more specifically to gas-discharge electron guns of technological purpose, and can be used for electron-beam technological processes performed in a vacuum using electron beams.

Відома газорозрядна електронна гармати, робота якої базується на використанні електричного розряду між холодними електродами в газі низького тиску (високовольтного тліючого розряду) (1). Електродна система такої гармати складається з холодного алюмінієвого катода з розвиненою емісійною поверхнею та порожнистого анода. Електронний пучок в гарматах такого типу емітується з поверхні холодного катода в результаті бомбардування її прискореними іонами, що надходять із плазми, локалізованої в порожнині анода. В області катодного падіння потенціалу між катодом і плазмою електрони прискорюються і в залежності від конфігурації електродів формуються в пучок відповідної форми, який за допомогою магнітних фокусувальних лінз виводиться із розрядного проміжку в зону термічної обробки виробів. Керування струмом газорозрядних гармат здійснюється газодинамічним способом шляхом зміни тиску в розрядному проміжку при контрольованому напуску газу в розрядну камеру гармати та безперервному її відкачуванні. Робочими газами при цьому служать водень або гелій з добавкою кисню в кількості не більше 1 95 від загальної маси газової суміші.A gas-discharge electron gun is known, the operation of which is based on the use of an electric discharge between cold electrodes in a low-pressure gas (high-voltage glow discharge) (1). The electrode system of such a gun consists of a cold aluminum cathode with a developed emission surface and a hollow anode. The electron beam in guns of this type is emitted from the surface of the cold cathode as a result of its bombardment with accelerated ions coming from the plasma localized in the anode cavity. In the area of the cathodic potential drop between the cathode and the plasma, the electrons are accelerated and, depending on the configuration of the electrodes, are formed into a beam of the appropriate shape, which, with the help of magnetic focusing lenses, is brought out of the discharge gap into the heat treatment zone of the products. Current control of gas-discharge guns is carried out by a gas-dynamic method by changing the pressure in the discharge gap during controlled gas inflow into the discharge chamber of the gun and its continuous pumping. Hydrogen or helium with the addition of oxygen in the amount of no more than 1 95 of the total mass of the gas mixture serve as working gases.

Легкі гази є кращими вакуумними ізоляторами і відповідно забезпечують високу пробивну напругу в розрядному проміжку між катодом та анодом. Крім цього, при роботі з цими газами досягається мінімальне теплове навантаження на електроди гармати. Кисень необхідний для регенерації оксидної плівки на емісійній поверхні алюмінієвого катода, яка забезпечує високий коефіцієнт іонно-електронної емісії і відповідно високий к.к.д. гармати.Light gases are the best vacuum insulators and, accordingly, provide a high breakdown voltage in the discharge gap between the cathode and the anode. In addition, when working with these gases, the minimum thermal load on the gun electrodes is achieved. Oxygen is necessary for the regeneration of the oxide film on the emission surface of the aluminum cathode, which ensures a high coefficient of ion-electron emission and, accordingly, a high efficiency. guns

Недоліком є те, що в гарматі (1| подачу робочих газів здійснюють в суміші, що утруднює контроль за співвідношенням її компонент і знижує стабільність роботи газорозрядної гармати.The disadvantage is that in the gun (1|) the supply of working gases is carried out in a mixture, which makes it difficult to control the ratio of its components and reduces the stability of the gas discharge gun.

Найбільш близькою по технічній суті до запропонованої корисної моделі є газорозрядна електронна гармата з холодним катодом |2)Ї. Електродна система гармати складається з холодного катода увігнутої форми та перфорованого порожнистого анода, розміщеного в розрядній камері. Подача суміші робочих газів здійснюється в розрядну камеру, а їх відкачування через отвір у дні анода.The gas-discharge electron gun with a cold cathode |2)І is closest in technical terms to the proposed useful model. The electrode system of the gun consists of a cold cathode of a concave shape and a perforated hollow anode placed in a discharge chamber. The supply of a mixture of working gases is carried out in the discharge chamber, and they are pumped out through the hole at the bottom of the anode.

Недоліком є те, що надлишок кисню в суміші приводить до підвищення діелектричних властивостей оксидного покриття емісійної поверхні катода, що викликає виникнення дугових пробоїв, а недостача кисню в суміші не забезпечує відновлення необхідного стану оксидного покриття, що зменшує емісійні властивості катода. Крім цього застосування в суміші робочих газів важкого газу кисню знижує ізоляційні властивості розрядного проміжку і, відповідно, стабільність роботи гармати, що потребує контрольованої подачі газів в розрядний проміжок.The disadvantage is that an excess of oxygen in the mixture leads to an increase in the dielectric properties of the oxide coating of the emission surface of the cathode, which causes arc breakdowns, and a lack of oxygen in the mixture does not ensure the restoration of the required state of the oxide coating, which reduces the emission properties of the cathode. In addition, the use of heavy oxygen gas in the mixture of working gases reduces the insulating properties of the discharge gap and, accordingly, the stability of the gun, which requires a controlled supply of gases into the discharge gap.

В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення газорозрядної електронної гармати, в якій шляхом покращення умов горіння газового розряду досягається підвищення газової та енергетичної ефективності газорозрядної гармати, а також стабільності її роботи.The useful model is based on the task of improving the gas-discharge electronic gun, in which, by improving the combustion conditions of the gas discharge, an increase in the gas and energy efficiency of the gas-discharge gun, as well as the stability of its operation, is achieved.

Поставлена задача вирішується таким чином, що в газорозрядній електронній гарматі, яка містить розташовані уздовж її осі холодний катод, порожнинний перфорований анод, розрядну камеру, що його охоплює, та променепровід з магнітними фокусувальними лінзами, новим є те, що розрядна камера конструктивно розділена перегородкою по горизонталі на два об'єми, причому верхній об'єм сполучений з порожниною анода отворами з боку катода, а нижній об'єм сполучений з порожниною анода отворами з боку променепроводу.The task is solved in such a way that in a gas-discharge electron gun, which contains a cold cathode located along its axis, a hollow perforated anode, a discharge chamber covering it, and a beam with magnetic focusing lenses, the new thing is that the discharge chamber is structurally separated by a partition along horizontally into two volumes, and the upper volume is connected to the anode cavity by holes on the cathode side, and the lower volume is connected to the anode cavity by holes on the beam side.

Керування струмом запропонованої газорозрядної електронної гармати здійснюють контрольованою подачею окремо двох газів в розрядний проміжок - легкого (водню або гелію) в верхній об'єм камери та кисню в нижній об'єм камери при безперервному їх відкачуванні через отвір в дні анода.The current control of the proposed gas-discharge electron gun is carried out by the controlled supply of two gases separately into the discharge gap - light (hydrogen or helium) into the upper volume of the chamber and oxygen into the lower volume of the chamber with their continuous pumping through the hole in the bottom of the anode.

Роздільна подача робочих газів в розрядний проміжок забезпечує керування в процесі роботи гармати співвідношенням газових компонент на рівні максимально допустимої кількості кисню без виникнення дугових пробоїв в розряді при ефективному відновленні оксидного покриття на катоді. При подачі легкого газу через верхній об'єм камери в прикатодну область розрядного проміжку підвищуються ізоляційні властивості проміжку і відповідно стабільність горіння розряду. Подача кисню через нижній об'єм розрядної камери в область анодної плазми сприяє іонізації його атомів електронами, що підвищує ефективність регенерації оксидного покриття при бомбардуванні катода іонами кисню в процесі іонно-електронної емісії. Таким чином, подача легкого газу в прикатодну область розрядного проміжку і кисню в область анодної плазми при контрольованому співвідношенні підвищує енергетичну ефективність газорозрядної гармати та стабільність її роботи.The separate supply of working gases into the discharge gap provides control during the gun operation of the ratio of gas components at the level of the maximum permissible amount of oxygen without the occurrence of arc breakdowns in the discharge with effective restoration of the oxide coating on the cathode. When light gas is supplied through the upper volume of the chamber to the near-cathode region of the discharge gap, the insulating properties of the gap and, accordingly, the stability of the discharge burn increase. The supply of oxygen through the lower volume of the discharge chamber to the area of the anode plasma contributes to the ionization of its atoms by electrons, which increases the efficiency of regeneration of the oxide coating when the cathode is bombarded with oxygen ions in the process of ion-electron emission. Thus, the supply of light gas to the near-cathode region of the discharge gap and oxygen to the anodic plasma region at a controlled ratio increases the energy efficiency of the gas discharge gun and the stability of its operation.

Суть технічного рішення пояснюється схематичним зображенням розрізу гармати, наведеним она кресленні. Газорозрядна електронна гармата містить закріплений на високовольтному ізоляторі 1 і розташований в циліндричному корпусі 2 холодний алюмінієвий катод 3, який має увігнуту форму емісійної поверхні. Співвісно катода встановлений в розділеній на два об'єми розрядній камері 4 порожнистий анод 5 з отворами 6 для проходження легкого газу та отворами 7 для проходження кисню. Співвісно електродам приєднаний променепровід 8, на якому розташовані магнітні фокусувальні лінзи 9.The essence of the technical solution is explained by the schematic representation of the section of the gun, given in the drawing. The gas-discharge electron gun contains a cold aluminum cathode 3 fixed on a high-voltage insulator 1 and located in a cylindrical body 2, which has a concave shape of the emission surface. Correspondingly, the cathode is installed in the discharge chamber 4 divided into two volumes, a hollow anode 5 with holes 6 for the passage of light gas and holes 7 for the passage of oxygen. Correspondingly to the electrodes, a beam 8 is connected, on which the magnetic focusing lenses 9 are located.

Для роботи запропонованої газорозрядної гармати на катод подається прискорююча напруга в десятки кіловольт, а в розрядному проміжку шляхом контрольованої подачі легкого газу (водню, гелію) та кисню і безперервного їх відкачування через променепровід гармати створюється відповідний тиск в діапазоні одиниць Па. При цьому виникає високовольтний газовий розряд, сила струму якого регулюється зміною загального тиску газів в розрядному проміжку. Подача кисню при цьому обмежена появою дугових пробоїв на катоді. За допомогою магнітних фокусувальних лінз електронний пучок виводиться в технологічну камеру вакуумної установки і фокусується на поверхні виробів, що термічно обробляються.For the operation of the proposed gas-discharge gun, an accelerating voltage of tens of kilovolts is applied to the cathode, and in the discharge interval, a corresponding pressure in the range of Pa units is created by controlled supply of light gas (hydrogen, helium) and oxygen and their continuous pumping through the beam of the gun. At the same time, a high-voltage gas discharge occurs, the current strength of which is regulated by the change in the total gas pressure in the discharge gap. At the same time, the supply of oxygen is limited by the appearance of arc breakdowns on the cathode. With the help of magnetic focusing lenses, the electron beam is introduced into the technological chamber of the vacuum installation and focused on the surface of the thermally treated products.

За рахунок конструктивного розділення розрядної камери перегородкою на верхній та нижній об'єми та роздільної подачі легкого газу в прикатодну область розрядного проміжку і кисню в область анодної плазми при контрольованому їх співвідношенні запропонована газорозрядна електронна гармата відрізняється від існуючих більш високою енергетичною та газовою ефективністю, а також стабільністю роботи.Due to the constructive separation of the discharge chamber by a partition into the upper and lower volumes and the separate supply of light gas to the near-cathode region of the discharge gap and oxygen to the anodic plasma region with their ratio controlled, the proposed gas-discharge electron gun differs from the existing ones in higher energy and gas efficiency, as well as stability of work.

Джерела інформації: 1. Газорозрядна електронна гармата. Пат. України Ме45505, МПК НОТ) 37/06, опубл. 15.04.2002. 2. Газорозрядна електронна гармата. Пат. України Мо 102011, МПК НОТУ) 37/06, опубл.Sources of information: 1. Gas-discharge electron gun. Stalemate. of Ukraine Me45505, IPC NOT) 37/06, publ. 15.04.2002. 2. Gas discharge electron gun. Stalemate. Mo of Ukraine 102011, IPC NOTU) 37/06, publ.

Claims

25.02.2013. USEFUL MODEL FORMULA A gas-discharge electron gun containing a cold cathode arranged along its axis, a hollow perforated anode, a discharge chamber enclosing it, and a beam with magnetic focusing lenses, characterized by the fact that the discharge chamber is structurally divided by a partition horizontally into two containers, and the upper volume is connected to the cavity of the perforated anode by holes on the cathode side, and the lower volume is connected to the anode cavity by holes on the side of the beam.