UA93625C2

UA93625C2 - Gas-discharge electron gun

Info

Publication number: UA93625C2
Application number: UAA201000799A
Authority: UA
Inventors: Вадим Борисович Чернявский; Сергей Васильевич Ладохин; Валерий Андреевич Семенец; Александр Васильевич Крещук; Владимир Иванович Цветков; Тамара Владимировна Лапшук
Original assignee: Физико-Технологический Институт Металлов И Сплавов Hah Украины
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-02-25

Abstract

A gas-discharge electron gun relates to electron technique, notably to gas-discharge electron guns of technological designation and may be used in special electrometallurgy for electron-beam metal and alloys melting. The gas-discharge electron gun consists of hermetic metal body wherein a high-voltage insulator, a cold concave cathode and a hollow anode are located coaxially to the said cathode. A laser beam guide comprising two parts is fixed hermetically to cathode body, deflection and focusing coils are positioned on the said beam, which comprises two parts in the form as a knee, a rotation angle of the second part of the laser beam guide is made so that to eliminate line of sight of anode hole for passing electron beam through a crucible which positioned in the center of a processing chamber. The proposed construction is stabile during operation while melting spongy materials, powders, i.e. materials having high gas saturation in comparison to traditional gun with a hot cathode.

Description

електродів, променевід з системами фокусування і жаючи на наявність плити з каналами для прохо- відхилення променю при проходженні його в тех- дження охолоджуючої води. нологічну камеру. В цих гарматах в результаті бо- Найбільш близьким за технічною суттю і ре- мбардування поверхні катода швидкими частками зультатом, що досягається, до рішення, що заяв- (позитивними іонами і швидкими атомами газу), ляється, є газорозрядна електронна гармата, яка що виникають при прискоренні і перезарядженні складається з герметичного металевого корпусу, в іонів в області катодного падіння потенціалу, утво- якому розміщені високовольтний ізолятор, холод- рюється потік електронів. Регенерація | приско- ний увігнутий катод з розвиненою емісійною пове- рення електронів відбувається в межах розряду за рхнею і співвісний з ним порожнистий анод, донна рахунок високої напруги, що підводиться між ано- частина якого виконана у вигляді плити з канала- дом і катодом. Пучок електронів, що утворюється, ми для охолоджуючої води і отвором для прохо- проходить у технологічну камеру до поверхні, яка дження електронного пучка, а також приєднаний обігрівається, через променевід з системами фо- співісно аноду променевід з розміщеними на ньо- кусування і відхилення пучка. му фокусуючими і відхиляючими котушками. Кана-electrodes, a beam guide with focusing systems and demanding the presence of a plate with channels for the passage of the beam when passing it into the cooling water flow. nological camera. In these guns, as a result of the bombardment (positive ions and fast gas atoms), the result that is closest in terms of technical essence and ramming of the cathode surface with fast particles, the result that is achieved, is a gas-discharge electron gun, which arises during acceleration and recharging, it consists of a hermetic metal case, the ions in the region of the cathodic potential drop, in which a high-voltage insulator is placed, cools the flow of electrons. Regeneration | a smooth concave cathode with a developed emissive electron flow occurs within the discharge behind the anode and a hollow anode coaxial with it, the bottom account of high voltage, which is supplied between the anode, the part of which is made in the form of a plate with a channel and a cathode. The generated electron beam passes into the process chamber to the surface, which is connected to the cooling water and through an opening for the electron beam, and is also heated, through a beam guide with photo-axis anode beam deflector systems placed on the biting and deflection of the beam . with focusing and deflecting coils. Kana-

Недоліками гармати є: ли для охолоджуючої води виконані всередині тіла - одержання електронного пучка обмеженої плити і зв'язані між собою в єдину систему, розта- потужності і з великим кутом сходження, що шовану навколо отвору для проходження елект- ускладнює його транспортування на значну відс- ронного пучка. Охолоджуюча система виконана з тань; чотирьох каналів, з'єднаних між собою у вигляді - залежність геометрії електронного пучка від квадрата або прямокутника, кожний канал викона- регулювання потужності шляхом зміни тиску робо- ний з можливістю виходу з герметичного метале- чого газу. вого корпусу і оснащений знімною герметичноюThe disadvantages of the gun are: whether for cooling water are made inside the body - receiving an electron beam of a limited plate and connected to each other into a single system, the arrangement of power and with a large angle of ascent, which is hidden around the hole for the passage of electricity - makes it difficult to transport it over a considerable distance - ronal bundle. The cooling system is made of tan; of four channels connected to each other in the form of dependence of the geometry of the electron beam on a square or rectangle, each channel is performed by adjusting the power by changing the pressure with the possibility of exiting the sealed metal gas. of the body and is equipped with a removable airtight

При розташуванні гармати на одній вертика- пробкою |41. льній осі з об'єктом, що обігрівається в технологіч- Недоліками прототипу є перегрівання елемен- ній камері, додатково появляються ще два недолі- тів гармати, які знаходяться у зоні прямої видимо-When placing the gun on one vertical - plug |41. lin axis with the object heated in the technological The disadvantages of the prototype are overheating of the elemental chamber, in addition, there are two more short-range guns that are in the direct line of sight

Ки: сті з поверхні, яка обігрівається в технологічній - попадання у катодний проміжок гармати під камері електронним променем, і попадання у ка- час плавки газів, пари металу і навіть бризок, що тодний проміжок гармати під час плавки газів, пари негативно впливає на працездатність гармати; металу і бризок, тобто ті ж, що і у розглянутому - перегрів конструктивних елементів гармати, вище прикладі. Перегрівання плити має місце, які знаходяться в зоні прямої видимості з поверхні, незважаючи на наявність більш ефективної ніж у що обігрівається електронним променем в техно- попередньому випадку системи охолодження, логічній камері, внаслідок випромінювання з цієї оскільки при використанні газорозрядних гармат поверхні. відстань між катодом і поверхнею, яка обігріваєть-What: from the surface that is heated in the technological - hitting the cathode gap of the gun under the camera with an electron beam, and hitting the cathode gap of the gun during the melting of gases, metal vapor and even splashes, which negatively affects the performance guns; of metal and splashes, that is, the same as in the considered case - overheating of the structural elements of the gun, in the above example. Overheating of the plate takes place, which are in the area of direct visibility from the surface, despite the presence of a more efficient than that heated by an electron beam in the techno-preliminary case of the cooling system, the logical chamber, due to radiation from this surface because when using gas-discharge guns. the distance between the cathode and the surface that heats-

Відома також газорозрядна електронна гарма- ся променем у технологічній камері, менша, ніж у та, що включає герметичний металевий корпус, в гармат з термокатодом. якому розміщені високовольтний ізолятор, холод- Вказані недоліки можна усунути, якщо розміс- ний увігнутий катод з розвиненою емісійною пове- тити гармату таким чином, щоб виключити пряму рхнею і співісний з ним порожнистий анод, донна видимість її конструктивних елементів з поверхні, частина якого виконана у вигляді плити, яка роз- яка обігрівається електронним променем в техно- ташована в середині анода і має канали для про- логічній камері. Однак, як вже вказувалось вище, у ходження охолоджуючої води | отвір для прохо- цьому випадку зникає можливість використання дження електронного пучка, а також приєднаний електромагнітного перемішування розплаву під співвісний аноду променевід з розміщеними на час плавки. ньому фокусуючими і відхиляючими котушками. В основу винаходу покладено прагнення за-A gas-discharge electron beam gun in a technological chamber is also known, which is smaller than that of a gun with a thermocathode, which includes a hermetic metal case. which has a high-voltage insulator, a cold These disadvantages can be eliminated if a space-saving concave cathode with a developed emissivity is placed in the gun in such a way as to exclude a straight line and a hollow anode compatible with it, the bottom visibility of its structural elements from the surface, part of which is made in the form of a plate, which is heated by an electron beam in the middle of an anode and has channels for a prologic camera. However, as already indicated above, in the flow of cooling water | the hole for passage- in this case, the possibility of using an electron beam, as well as the attached electromagnetic mixing of the melt under the coaxial anode of the radiation guide with placed for the time of melting, disappears. focusing and deflecting coils in it. The invention is based on the desire to

Канали для проходження охолоджуючої води ви- безпечити в гарматі поворот променя на кут, при конані у вигляді кільцевих зовнішніх проточок і якому вказана пряма видимість буде відсутня. Для розташовані по периметру плити. Між анодом і цього запропонована газорозрядна електронна фокусуючою лінзою розташований магнітний ек- гармата, яка складається з герметичного метале- ран з отвором у центрі, діаметр якого збігається з вого корпусу, в якому розміщено високовольтний діаметром отвору в дні анода (ЗІ. ізолятор, холодний увігнутий катод з розвиненоюThe channels for the passage of cooling water ensure that the beam is turned at an angle in the gun, when it is made in the form of ring-shaped external grooves and which the specified direct visibility will be absent. For plates located along the perimeter. Between the anode and this proposed gas-discharge electronic focusing lens, there is a magnetic ex-gun, which consists of a sealed metal ring with a hole in the center, the diameter of which coincides with that of the housing, which houses a high-voltage with a hole in the bottom of the anode (III. insulator, cold concave cathode with developed

Завдяки вдало підібраній геометрії і розмірам емісійною поверхнею і співвісний з ним порожнис- конструктивних елементів гармати вона може фо- тий анод, донна частина якого виконана у вигляді рмувати електронний пучок великої потужності (до плити з каналами для охолоджуючої води, які ви- 500 кВт і більше) з стабільними геометричними і конані всередині тіла плити і зв'язані між собою в енергетичними параметрами. Недоліком гармати єдину систему, розташовану навколо отвору для при її розміщенні на одній вертикальній осі з об'єк- проходження електронного пучка, і до якого співві- том, що обігрівається електронним променем в сне приєднаний магнітний екран, мінімальний діа- технологічній камері, залишаються, як і у поперед- метр отвору в якому співпадає з діаметром отвору ньому випадку, попадання у катодний проміжок в аноді, а також герметично приєднаний до корпу- гармати під час плавки газів, пари металу 1 бри- су променевід з розміщеними на ньому фокусую- зок, а також перегрів конструктивних елементів чими і відхиляючими котушками, у якій, згідно з гармати, які знаходяться в зоні прямої видимості з винаходом, променевід виконано у вигляді коліна, поверхні, яка обігрівається електронним променем кут якого вибрано таким, щоб виключити пряму в технологічній камері. Перегрів має місце, незва- видимість отвору для проходження електронного променя з поверхні, що обігрівається електронним ня променю без торкання стінок променевіда. променем в технологічній камері, і оснащено ко- Стрижні 11 електричне ізольовані від променевіда тушками повороту променю на цій кут, і частину і з зовнішнього боку з'єднані між собою гнучким променевіда, що стикується з технологічною каме- зв'язком з струмознімачем. Фокусуючі котушки 12 рою, змонтовано на одній вертикальній вісі з крис- встановлено на частині 7 променовіда, що стику- талізатором або тиглем в цій камері, причому фо- ється з корпусом гармати, а котушки 13 відхилення кусуючі котушки розташовано на частині променю - на частині 8 променевіда, що стикуєть- променевіда, що стикується з герметичним корпу- ся з технологічною камерою. Для попередження сом гармати, а котушки повороту променю на кут перегріву частини променевіда, поверхня якого коліна і котушки відхилення променю розташовано знаходиться у зоні прямої видимості з поверхні на частині променевіда, що стикується з техноло- об'єкта 9, що обігрівається променем у технологіч- гічною камерою, на цій же частині променевіда ній камері, ця поверхня променевіда футерована поблизу коліна встановлено стрижні з тугоплавко- тугоплавким матеріалом 14. го металу, які електричне ізольовані від промене- Запропонована газорозрядна електронна гар- віда і з зовнішнього боку з'єднані між собою гнуч- мата працює таким чином. Після створення у тех- ким зв'язком з 0 струмознімачем. Частину нологічній камері потрібного вакууму в катодно- променевіда, яка знаходиться у зоні прямої види- анодну порожнину гармати подають робочий газ, а мості з поверхні, що обігрівається електронним на катод 2 - прискорюючу постійну напругу у 20-30 променем в технологічній камері, футерована ту- КВ. При тиску у діапазоні 1072-1 Па виникає тліючий гоплавким матеріалом. розряд, сила струму якого регулюється шляхомThanks to the well-chosen geometry and dimensions of the emission surface and the hollow structural elements of the gun, it can photo anode, the bottom part of which is made in the form of a high-power electron beam (to the plate with channels for cooling water, which are 500 kW and more) with stable geometrical and konani inside the body of the plate and are interconnected in energy parameters. The disadvantage of the gun is a single system located around the opening for when it is placed on one vertical axis from the object- the passage of the electron beam, and to which a magnetic screen heated by an electron beam in the dream is attached, a minimal dia- technological chamber, remain, as well as in the pre-meter of the hole in which the diameter of the hole coincides with the diameter of the hole in this case, hitting the cathode gap in the anode, as well as hermetically attached to the gun body during the melting of gases, metal vapor 1 of the beam reflector with the focusers placed on it , as well as overheating of the structural elements by chims and deflecting coils, in which, according to the guns that are in the line of sight with the invention, the radiation guide is made in the form of a knee, the surface, which is heated by an electron beam, the angle of which is chosen so as to exclude a straight line in the technological chamber . Overheating takes place, the invisibility of the opening for the passage of the electron beam from the surface heated by the electron beam without touching the walls of the beam. beam in the technological chamber, and is equipped with rods 11 electrically isolated from the beam viewer by carcasses of turning the beam at this angle, and a part and from the outside are connected to each other by a flexible beam viewer, which is connected to the technological camera- communication with the current collector. Focusing coils 12 swarm, mounted on one vertical axis with a crystal is installed on part 7 of the beam finder, which is a catalyst or crucible in this chamber, and it is connected with the body of the gun, and coils 13 deflection biting coils are located on part of the beam - on part 8 beam viewer that connects - beam viewer that connects to a hermetic case with a technological chamber. To prevent soms of the gun, and the coils of turning the beam to the angle of overheating of the part of the beam viewer, the surface of which the knee and the beam deflection coil is located is in the direct line of sight from the surface on the part of the beam viewer, which is connected to the technological object 9, which is heated by the beam in the technological with a high temperature chamber, on the same part of the radiation chamber, this radiation surface is lined near the knee, rods with a refractory material of the 14th metal are installed, which are electrically isolated from the radiation and connected to each other on the outside the bending machine works like this. After creating a technical connection with 0 current collector. Part of the nological chamber of the desired vacuum in the cathode-ray viewer, which is located in the zone of direct vision - the anode cavity of the gun is supplied with working gas, and the bridge from the surface heated by electronic on the cathode 2 - an accelerating constant voltage of 20-30 by a beam in the technological chamber, lined with - KV. At a pressure in the range of 1072-1 Pa, smoldering fusible material occurs. discharge, the current strength of which is regulated by

Суть винаходу пояснюється кресленням, на регулювання тиску робочого газу і який приводить якому наведений схематичний розріз газорозряд- до створення електронного пучка. Цей пучок за ної електронної гармати. допомогою фокусуючих котушок 12 поступає уThe essence of the invention is explained by the drawing, on regulating the pressure of the working gas and which leads to the creation of an electron beam. This beam is behind an electron gun. with the help of focusing coils 12 enters the

Газорозрядна гармата містить в герметичному частину променевіда 7, що стикується з камерою металевому корпусі ізолятор 1, на якому закріпле- гармати, а за допомогою котушок повороту проме- ний катод 2 з розвиненою сферичною емісійною ню 10-у частину променевіда 8, що стикується з поверхнею. Катод 2 встановлено співвісне з поро- технологічною камерою. Положення променю ре- жнистим анодом 3, донна частина якого виконана гулюють за допомогою сигналів, які отримують з у вигляді плити 4 з каналами для охолоджуючої стрижнів 11.3 частини 8 променевіда пучок виво- води. Канали зроблені всередині тіла плити і зв'я- диться у технологічну камеру і фокусується на зані між собою в єдину систему, розташовану на- поверхні об'єкта 9, що нагрівається. Процесом вколо отвору 5 для проходження електронного нагрівання поверхні об'єкту 9 можна управляти за пучка. До плити 4 приєднано магнітний екран 6 з допомогою котушок 13, які дозволяють створювати феромагнітної сталі, мінімальний діаметр отвору в різні конфігурації нагріву. якому співпадає з діаметром отвору 5 в аноді і Перевагою запропонованої гармати перед ти- який зменшує поперечний розмір пучка в зоні його ми, що використовуються в промисловості в даний транспортування, що дозволяє зменшити діаметр час, є більша стабільність в роботі при плавці від- каналу, через який пучок транспортується. До кор- ходів виробництва, губчастих матеріалів, порош- пусу гармати герметично приєднано променевід, ків, тобто матеріалів, які мають високу газонасиче- який виконано у вигляді коліна, що складається з ність. Крім того, гармата достатньо проста з точки двох частин, одна з яких 7 з'єднується з корпусом зору конструктивного виконання, що дає змогу її гармати, а друга 8-з технологічною камерою (не виготовлення в умовах більшості підприємств без показано) таким чином, що поверхня об'єкта 9, яка залучення спеціального обладання. обігрівається електронним променем в технологіч- Література ній камері, розташована на одній вертикальній осі 1. Злектронно-лучевая плавка в литейном з частиною 8 променевіда. Кут коліна с між части- производстве / С.В. Ладохин, Н.И. Левицкий, В.Б. нами 7 і 8 променевіда вибирають таким, щоб ви- Чернявский и др. - К.; Изд-во «Сталь», 2007. - С. ключити пряму видимість отвору 5 з поверхні 9, 102-107. яка обігрівається електронним променем в техно- 2. Плазменньюе процессь в технологических логічній камері. Поблизу коліна розміщують котуш- злектронньїх пушках / М.А.Завьялов, Ю.З. Крейн- ки 10 повороту променя на кут с. Для фіксації по- дель, А.А. Новиков, Л.П. Шантурин. "- ложення променю при повороті на кут о в частині М.:Знергоатомиздат, 1989. - С. 97-145. променевіда 8, що стикується з технологічною 3. Патент України Ме 38451, МПК 7 НОТ 37/06, камерою, поблизу коліна встановлено стрижні 11 з Бюл. Мо 1,2004 р. тугоплавкого металу. Кількість і розміщення стри- 4. Патент України Ме 83514, МПК 8 НО1.) 37/06, жнів вибирають з умови забезпечення проходжен- Бюл. Ме 14, 2008 р.The gas-discharge gun contains in the hermetic part of the beam viewer 7, which is in contact with the camera, the insulator 1, on which the gun is fixed, and with the help of coils of rotation, the cathode ray 2 with a developed spherical emission nu, the 10th part of the beam viewer 8, which is in contact with the surface . Cathode 2 is installed coaxially with the poro-technological chamber. The position of the beam with the slotted anode 3, the bottom part of which is made is guided by the signals received from the plate 4 with channels for cooling the rods 11.3 of part 8 of the output beam beam. The channels are made inside the body of the plate and are connected to the technological chamber and are focused on each other into a single system located on the surface of the heated object 9. The process around the hole 5 for the passage of electronic heating of the surface of the object 9 can be controlled by the beam. A magnetic screen 6 is attached to the plate 4 with the help of coils 13, which allow you to create ferromagnetic steel, the minimum diameter of the hole in various heating configurations. which coincides with the diameter of the hole 5 in the anode and the advantage of the proposed gun over the ti- which reduces the transverse size of the beam in the zone of it we used in industry in this transportation, which allows to reduce the diameter time, there is greater stability in work when melting from the channel, through which beam is transported. A radiation deflector is hermetically attached to production cores, spongy materials, gun powder, i.e., materials that have high gas saturation, which is made in the form of a knee consisting of In addition, the gun is quite simple from the point of view of two parts, one of which 7 is connected to the body of the sight of the structural design, which enables its gun, and the second 8-with the technological camera (not manufactured in the conditions of most enterprises without being shown) in this way, that the surface of the object 9, that the attraction of special possession. is heated by an electron beam in a technological chamber located on one vertical axis 1. Electron-beam melting in a foundry with part 8 of the beam. The angle of the knee with between parts - production / S.V. Ladokhin, N.I. Levitskyi, V.B. we choose the 7th and 8th beam viewer so that you - Chernyavskyi et al. - K.; Izd-vo "Stal", 2007. - S. key direct visibility of hole 5 from surface 9, 102-107. which is heated by an electron beam in a technological 2. Plasma process in a technological logical chamber. A coil of electron guns is placed near the knee / M.A. Zavyalov, Yu.Z. Cranes 10 turning the beam to an angle c. To fix the parts, A.A. Novikov, L.P. Shanturin "- the laying of the beam when turning to an angle o in the part of M.: Znergoatomizdat, 1989. - P. 97-145. beam view 8, which is in contact with the technological 3. Patent of Ukraine Me 38451, IPC 7 NOT 37/06, camera, near the knee installed rods 11 of refractory metal Bull. Mo 1, 2004. The number and placement of rods 4. Patent of Ukraine Me 83514, МПК 8 НО1.) 37/06, the harvest is chosen on the condition of ensuring passage- Bull. Me 14, 2008 .

лек ї Хм. й шо х Ж о Ей пон ту Я У ар я ве че дух що Р, йlek and Hm. y sho x Z o Ei pont tu Ya U ar ya veche duh that R, y

Меч ви - но Еву К ! їй їй СК дл с ше лоді І ШИSword you - but Eva K! her she SK dl s she lodi I SHY

Ж я, А В й шо У шия чи а -2 3F I, A B and what U neck or a -2 3

Шо я вет йт я КУ со тен АЙ й Ше У ую я 7 г Її з ти пд Шок Б иа ех ння тА ес я «т ИН ря ЖЖ. ШиSho i vet yt i KU so ten AY y She U uyu i 7 g Her z ti pd Shok B ia eh nia tA es i «t YN rya ЖЖ. Shi

ПД ши ви ИН ня мин ан» Я в ни кі МкегяPD shi vi YN nya min an" Ya v ny ki Mkegya

Я нн, Ше зи. х я Я се й б сто шо ше ж жо внI nn, She zi. х я Я се и б што шо ше ж жо вн

Шин со! Га нн НГ пн АН к З Й ! ; й Ши ох рн) ШИНИ | в стро Ма у, лобобоння Ва Ши шк мем пня зИМднея ДЯ я щShin so! Ha nn NG mon AN k Z Y ! ; y Shi oh rn) TIRES | in stro Ma y, lobobonnya Va Shi shk mem pnia zIMdneya DYA i sh

Н її й; її диняN her and; her melon

НІ - ін к-тNO - other k-t

Фіг. 1Fig. 1

Комп'ютерна верстка І. Скворцова Підписне Тираж 23 прим.Computer typesetting by I. Skvortsov Signed Circulation 23 approx.

Міністерство освіти і науки УкраїниMinistry of Education and Science of Ukraine

Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, УкраїнаState Department of Intellectual Property, str. Urytskogo, 45, Kyiv, MSP, 03680, Ukraine

ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 42, 01601SE "Ukrainian Institute of Industrial Property", str. Glazunova, 1, Kyiv - 42, 01601