UA124892C2

UA124892C2 - GAS DISCHARGE ELECTRONIC GUN

Info

Publication number: UA124892C2
Application number: UAA201908584A
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: 2019-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2021-12-08

Abstract

Винахід належить до електронних приладів та пристроїв, а більш конкретно до газорозрядних електронних гармат технологічного призначення, і може бути використана для електронно-променевої плавки, випаровування, зварювання та інших термічних процесів, що виконуються у вакуумі з застосуванням потужних електронних пучків. Газорозрядна електронна гармата містить розташовані уздовж її осі високовольтний ізолятор, холодний металевий катод, порожнистий анод та магнітну фокусувальну лінзу. Холодний катод охоплений прикатодним електродом, який виступає за межі емісійної поверхні та поверхні приєднання катода до ізолятора. Виступи в перерізі мають закруглену форму радіусом 0,5 ширини ізолюючого проміжку між прикатодним електродом та корпусом гармати, а їх висота становить 1-1,5 мм ширини ізолюючого проміжку. Прикатодний електрод виготовлений із виготовлений із нержавіючої сталі 1Х18Н10Т. Корпус гармати навпроти профільованих виступів прикатодного електрода має в перерізі закруглену форму, радіус якої збігається за розміром з радіусом закруглених виступів прикатодного електрода. Технічним результатом винаходу є вдосконалення газорозрядної електронної гармати, в якій шляхом забезпечення однорідності електричного поля між катодом та анодом досягається підвищення стабільності її роботи. Також технічним результатом є підвищення стабільності роботи в складних вакуумних умовах, простота та надійність в експлуатації.The invention relates to electronic devices and devices, and more particularly to gas-discharge electronic guns for technological purposes, and can be used for electron beam melting, evaporation, welding and other thermal processes performed in vacuum using powerful electron beams. The gas-discharge electronic gun contains a high-voltage insulator, a cold metal cathode, a hollow anode and a magnetic focusing lens located along its axis. The cold cathode is covered by the cathode electrode, which protrudes beyond the emission surface and the surface of the cathode to the insulator. The protrusions in the cross section have a rounded shape with a radius of 0.5 of the width of the insulating gap between the cathode electrode and the gun body, and their height is 1-1.5 mm wide of the insulating gap. The cathode electrode is made of 1X18H10T stainless steel. The body of the gun in front of the profiled protrusions of the cathode electrode has a rounded cross section, the radius of which coincides in size with the radius of the rounded protrusions of the cathode electrode. The technical result of the invention is to improve the gas-discharge electronic gun, in which by ensuring the homogeneity of the electric field between the cathode and the anode is achieved by increasing the stability of its operation. Also, the technical result is to increase the stability of work in difficult vacuum conditions, simplicity and reliability in operation.

Description

Винахід належить до електронних приладів та пристроїв, а більш конкретно до газорозрядних електронних гармат технологічного призначення, і може бути використана для електронно-променевої плавки, зварювання, випаровування та інших термічних процесів, що використовуються у вакуумі з застосуванням потужних електронних пучків.The invention belongs to electronic devices and devices, and more specifically to gas-discharge electronic guns of technological purpose, and can be used for electron-beam melting, welding, evaporation and other thermal processes used in a vacuum with the use of powerful electron beams.

Відомі газорозрядні електронні гармати, в яких для генерування електронного пучка використовується високовольтний тліючий розряд з холодним катодом та порожнистим анодом.Gas-discharge electron guns are known, in which a high-voltage glow discharge with a cold cathode and a hollow anode is used to generate an electron beam.

Характерним для такого розряду є схильність до дугових пробоїв в розрядному проміжку, що порушує стабільність роботи гармат. На процес виникнення дугових пробоїв впливають конфігурація і матеріал електродів, стан їх поверхні і температура, вакуумні умови та інше. При цьому перед пробійні струми в розрядному проміжку поширюються нерівномірно і можуть локалізуватися на окремих ділянках поверхні катода (виступах або місцях найменшої роботи виходу). Недоліком таких гармат є те, що підвищення напруженості поля на окремих ділянках ізолюючого проміжку викликає утворення емісійних центрів на поверхні катода, що призводить до виникнення дугових пробоїв між катодом та анодом з падінням високої напруги до десятків вольт (1-3). Для запобігання виникненню таких явищ електродам необхідно надавати закруглену форму, яка забезпечує однорідність поля по всій поверхні електродів.This type of discharge is characterized by a tendency to arc breakdowns in the discharge gap, which disrupts the stability of the guns. The process of occurrence of arc breakdowns is influenced by the configuration and material of the electrodes, their surface condition and temperature, vacuum conditions, etc. At the same time, before the breakdown currents in the discharge gap spread unevenly and can be localized on separate areas of the cathode surface (protrusions or places of the smallest output work). The disadvantage of such guns is that the increase in field strength in certain sections of the insulating gap causes the formation of emission centers on the surface of the cathode, which leads to the occurrence of arc breakdowns between the cathode and anode with a high voltage drop of up to tens of volts (1-3). To prevent the occurrence of such phenomena, the electrodes must be given a rounded shape, which ensures the uniformity of the field over the entire surface of the electrodes.

Найближчим по технічній суті до запропонованого винаходу є газорозрядна електронна гармата з холодним катодом, яка містить високовольтний опорний ізолятор, холодний металевий катод, порожнистий анод та магнітну фокусувальну лінзу |І4Її. Високовольтний ізолятор заглиблений у холодний катод, що зменшує напруженість поля в місці контакту ізолятора з катодом та підвищує напругу поверхневого пробою на ізоляторі.The closest in technical substance to the proposed invention is a gas-discharge electron gun with a cold cathode, which contains a high-voltage reference insulator, a cold metal cathode, a hollow anode and a magnetic focusing lens. The high-voltage insulator is embedded in the cold cathode, which reduces the field strength at the point of contact between the insulator and the cathode and increases the surface breakdown voltage on the insulator.

Недоліком є те, що нерівномірність розподілу поля між катодом і анодом в ізолюючому проміжку не забезпечує достатньої міцності ізолюючого проміжку. Крім цього, розташування катода, матеріал якого має високі емісійні властивості, безпосередньо в ізолюючому проміжку стимулює виникнення дугових пробоїв.The disadvantage is that the uneven distribution of the field between the cathode and the anode in the insulating gap does not ensure sufficient strength of the insulating gap. In addition, the location of the cathode, the material of which has high emission properties, directly in the insulating gap stimulates the occurrence of arc breakdowns.

В основу винаходу поставлена задача удосконалення конструкції газорозрядної електронної гармати, в якій шляхом забезпечення однорідності електричного поля між катодом та анодом досягається підвищення стабільності її роботи.The basis of the invention is the task of improving the design of a gas-discharge electron gun, in which, by ensuring the uniformity of the electric field between the cathode and the anode, an increase in the stability of its operation is achieved.

Поставлена задача вирішується тим, що в газорозрядній електронній гарматі, яка містить розташовані вздовж її осі високовольтний ізолятор, холодний металевий катод, порожнистий анод та магнітну фокусувальну лінзу, новим є те, що: холодний катод охоплений прикатодним електродом, який виступає за межі емісійної поверхні та поверхні приєднання катода до ізолятора, причому виступи в перерізі мають закруглену форму радіусом 0,5 ширини ізолюючого проміжку між прикатодним електродом та корпусом гармати, а їх висота становить 1-1,5 ширини ізолюючого проміжку; прикатодний електрод виготовлений із матеріалу з низьким коефіцієнтом іонно-електронної емісії та високою стійкістю в сильному електричному полі; корпус гармати навпроти профільованих виступів прикатодного електрода має в перерізі закруглену форму, радіус якої збігається за розміром з радіусом закруглених виступів прикатодного електрода.The problem is solved by the fact that in a gas-discharge electron gun, which contains a high-voltage insulator, a cold metal cathode, a hollow anode and a magnetic focusing lens located along its axis, the new thing is that: the cold cathode is covered by a near-cathode electrode that protrudes beyond the emission surface and the surface of the connection of the cathode to the insulator, and the protrusions in the section have a rounded shape with a radius of 0.5 of the width of the insulating gap between the near-cathode electrode and the gun body, and their height is 1-1.5 of the width of the insulating gap; the near-cathode electrode is made of a material with a low coefficient of ion-electron emission and high stability in a strong electric field; the body of the gun opposite the profiled protrusions of the near-cathode electrode has a rounded shape in cross-section, the radius of which coincides in size with the radius of the rounded protrusions of the near-cathode electrode.

Суттю винаходу є те, що в електронній гарматі для генерування потужного електронного пучка збуджується високовольтний тліючий розряд в діапазоні тиску робочого газу одиниці Па і прискорюючій напрузі 20-40 кВ. Для локалізації розряду впродовж осі електродної системи катод охоплений анодом (корпусом гармати) через вакуумний ізолюючий проміжок. Згідно з кривою Пашена, ширина ізолюючого проміжку при максимальній робочій напрузі 40 кВ, становить 4-6 мм |З). Локальне зростання концентрації електричного поля на краях такого проміжку стимулює наявність дугових пробоїв в місці кріплення катода до ізолятора та по периферії емісійної поверхні. Закруглені виступи прикатодного електрода разом з відповідними закругленнями на аноді (корпусі гармати) забезпечують однорідність поля по всій довжині проміжку, що значно зменшує вірогідність дугових пробоїв на катоді і покращує умови роботи органічного ізолятора. Оптимальний радіус закругленої форми виступів пов'язаний з шириною ізолюючого проміжку і становить 0,5 його ширини. Зменшення радіусу закруглення виступів приводить до підвищення концентрації електричного поля, а його збільшення пов'язане з розширенням ізолюючого проміжку. Висота виступів не повинна бути меншою від ширини ізолюючого проміжку, а їх максимальна висота залежить від розміру електродної системи, ширини ізолюючого проміжку та величини прискорюючої напруги. З урахуванням цього висота виступів становить 1-1,5 щирини ізолюючого проміжку.The essence of the invention is that a high-voltage glow discharge is excited in the electron gun to generate a powerful electron beam in the working gas pressure range of one Pa and an accelerating voltage of 20-40 kV. To localize the discharge along the axis of the electrode system, the cathode is covered by the anode (gun body) through a vacuum insulating gap. According to Paschen's curve, the width of the insulating gap at the maximum operating voltage of 40 kV is 4-6 mm |Z). A local increase in the concentration of the electric field at the edges of such a gap stimulates the presence of arc breakdowns in the place where the cathode is attached to the insulator and along the periphery of the emission surface. The rounded protrusions of the near-cathode electrode, together with the corresponding roundings on the anode (gun body), ensure the uniformity of the field along the entire length of the gap, which significantly reduces the probability of arc breakdowns on the cathode and improves the operating conditions of the organic insulator. The optimal radius of the rounded shape of the protrusions is related to the width of the insulating gap and is 0.5 of its width. A decrease in the radius of rounding of the protrusions leads to an increase in the concentration of the electric field, and its increase is associated with the expansion of the insulating gap. The height of the protrusions should not be less than the width of the insulating gap, and their maximum height depends on the size of the electrode system, the width of the insulating gap, and the magnitude of the accelerating voltage. Taking this into account, the height of the protrusions is 1-1.5 times the width of the insulating gap.

Ізолююча спроможність проміжку між катодним вузлом та корпусом гармати значно підвищується при застосуванні прикатодного електрода із матеріалу з низьким коефіцієнтом іонно-електронної емісії та високою стійкістю в сильному електричному полі, наприклад нержавіючої сталі 1 х 18Н10Т, так як це погіршує умови виникнення дугових пробоїв.The insulating capacity of the gap between the cathode assembly and the gun body is significantly increased when using a near-cathode electrode made of a material with a low coefficient of ion-electron emission and high resistance in a strong electric field, for example stainless steel 1 x 18Н10Т, as this worsens the conditions for the occurrence of arc breakdowns.

На Фіг. 1 представлений схематичний розріз запропонованої газорозрядної газорозрядної електронної гармати, а на Фіг. 2 - схема ізолюючого проміжку між катодним вузлом та корпусом гармати. Газорозрядна гармата містить опорний високовольтний ізолятор 1, на якому закріплений холодний катод 2, охоплений прикатодним електродом З з закругленими виступами 4. Катодний вузол розміщений в корпусі 5 з закругленою формою поверхні навпроти виступів прикатодного електрода. Нижня частина корпусу б служить порожнистим анодом високовольтного розряду. За вихідним отвором анода розташована магнітна фокусувальна лінза 7.In Fig. 1 shows a schematic section of the proposed gas-discharge gas-discharge electron gun, and Fig. 2 - diagram of the insulating gap between the cathode assembly and the gun body. The gas-discharge gun contains a supporting high-voltage insulator 1, on which a cold cathode 2 is fixed, covered by a near-cathode electrode C with rounded protrusions 4. The cathode assembly is placed in a housing 5 with a rounded surface shape opposite the protrusions of the near-cathode electrode. The lower part of the housing b serves as a hollow anode of a high-voltage discharge. A magnetic focusing lens 7 is located behind the output hole of the anode.

При роботі газорозрядної гармати здійснюється безперервне її відкачування через вихідний отвір в аноді та контрольоване подавання робочого газу для підтримання заданого тиску в розрядному проміжку. Корпус 5 гармати заземлений, а на катод подається прискорююча напруга в 20-40 кВ. В діапазоні тиску одиниці Па в гарматі збуджується високовольтний тліючий розряд з анодною плазмою 8, яка локалізується в порожнині анода і служить джерелом іонів.During the operation of the gas discharge gun, it is continuously pumped out through the output hole in the anode and controlled supply of working gas to maintain the specified pressure in the discharge interval. The body of the gun 5 is grounded, and an accelerating voltage of 20-40 kV is applied to the cathode. In the pressure range of one Pa, a high-voltage glow discharge with anode plasma 8 is excited in the gun, which is localized in the anode cavity and serves as a source of ions.

Іони з плазми прискорюються в проміжку катодного падіння потенціалу і в результаті бомбардування його поверхні вибивають електрони, які полем катодної області формуються в пучок 9 з фокусом біля отвору в дні анода. За допомогою фокусу вальної лінзи пучок виводиться в технологічну камеру та фокусується на поверхні об'єкта термічної обробки.Ions from the plasma are accelerated in the gap between the cathodic potential drop and as a result of the bombardment of its surface, electrons are knocked out, which are formed by the field of the cathode region into a beam 9 with a focus near the opening at the bottom of the anode. With the help of the focus of the shaft lens, the beam is brought into the technological chamber and focused on the surface of the heat treatment object.

Потужність електронного пучка регулюється зміною струму розряду шляхом контролю тиску робочого газу в гарматі.The power of the electron beam is regulated by changing the discharge current by controlling the pressure of the working gas in the gun.

Запропонована газорозрядна електронна гармата призначена для електронно-променевої плавки, випаровування, зварювання та інших термічних процесів, для яких потужність електронного пучка може становити від одиниць до сотень кВт. Гармата відрізняється високою стабільністю роботи в складних вакуумних умовах, відносно проста і надійна в експлуатації.The proposed gas-discharge electron gun is designed for electron-beam melting, vaporization, welding and other thermal processes, for which the power of the electron beam can range from units to hundreds of kW. The gun is characterized by high stability of operation in difficult vacuum conditions, relatively simple and reliable operation.

Джерела інформації: 1. Газорозрядна електронна гармата. Пат. України Мо 45505, МПК НОТ) 37/06, опубл. 15.04.2002. 2. Газорозрядна електронна гармата. Пат. України Мо 102011, МПК НОТ) 37/06, опубл.Sources of information: 1. Gas-discharge electron gun. Stalemate. Mo 45505 of Ukraine, IPC NOT) 37/06, publ. 15.04.2002. 2. Gas discharge electron gun. Stalemate. MoU of Ukraine 102011, IPC NOT) 37/06, publ.

Коо) 25.02.2013. 3. Плазменньсєе процессьі в технологических злектронньїх пушках. М.А. Завьялов и др. - М.:Co., Ltd.) 25.02.2013. 3. Plasma processes in technological electron guns. MA. Zavyalov and others - M.:

Знергоатомиздат, 1989. - 97-145 с. 4. Газорозрядна електронна гармата. Пат. України 78101, МПК НОТ.) 37/06, опубл.Znergoatomizdat, 1989. - 97-145 p. 4. Gas discharge electron gun. Stalemate. of Ukraine 78101, IPC NOT.) 37/06, publ.

Claims

15.02.2007. FORMULA OF THE INVENTION

1. A gas-discharge electron gun, which contains a high-voltage insulator, a cold metal cathode, a hollow anode and a magnetic focusing lens located along its axis, which is characterized by the fact that the cold cathode is covered by a near-cathode electrode that protrudes beyond the emission surface and the surface of the connection of the cathode to the insulator, and the protrusions in the section have a rounded shape with a radius of 0.5 of the width of the insulating gap between the near-cathode electrode and the gun body, and their height is 1-1.5 of the width of the insulating gap.

2. A gas-discharge electron gun according to claim 1, which is characterized by the fact that the near-cathode electrode is made of stainless steel 1X18NI10T.

3. A gas-discharge electron gun according to claim 1, which is characterized by the fact that its body opposite the profile protrusions of the near-cathode electrode has a rounded shape in cross-section, the radius of which coincides in size with the radius of the rounded protrusions of the near-cathode electrode.