RU2777038C1 - Газоразрядная электронно-лучевая пушка - Google Patents
Газоразрядная электронно-лучевая пушка 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
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 25
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 22
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 abstract description 19
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 13
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 10
- 238000000151 deposition Methods 0.000 abstract description 5
- 230000008021 deposition Effects 0.000 abstract description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 abstract description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 abstract description 5
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 abstract description 4
- 238000003466 welding Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 abstract description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 18
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 15
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 12
- 238000013461 design Methods 0.000 description 11
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 10
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 8
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 4
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 4
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010053172 Fatal outcomes Diseases 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 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
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000001017 electron-beam sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009501 film coating 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
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction 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
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к электронике и электротехнике в области термообработки металлов с целью их вакуумного плавления, испарения, наплавления, сварки, резки, для аддитивных технологий. Технический результат - повышение надежности, возможность реализации длительных технологических процессов, расширение функциональных возможностей электронно-лучевой пушки по обеспечению программно управляемых режимов нагрева в соответствии с заданными требованиями. Газоразрядная электронно-лучевая пушка состоит из газоразрядной камеры, катода со сферической эмиссионной поверхностью, полого анода. На внутреннюю поверхность полого анода в области геометрической близости катода со сферической эмиссионной поверхностью нанесен искроподавляющий слой. Под лучеводом расположена вестибюльная откачная камера, содержащая кольцевую систему откачных сопел. 4 ил.
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.
Электронно-лучевые технологии позволяют достигать прорывных результатов. Особо следует выделить:
- 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;
- 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);
- электронно-лучевое напыление, осаждение с использованием электронно-лучевых испарителей.
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).
В информационном поле существует множество разновидностей ГРЭЛП, в базовой конструкции которых присутствуют следующие обязательные элементы:
- газоразрядная камера;
- катод со сферической эмиссионной поверхностью;
- полый анод;
- высоковольтный токоподвод;
- водяной реостат;
- высоковольтный изолятор;
- лучевод;
- система фокусирующих катушек;
- система отклоняющих катушек;
- система подачи плазмообразующего газа;
- система водоохлаждения;
- фланец.
В основе работы ГРЭЛП лежат следующие явления и процессы, которые сопровождаются проблемами, требующими решения.
В ГРЭЛП используется ионно-электронная эмиссия, когда энергия, вызывающая испускание электронов, передается положительными ионами, бомбардирующими катод.
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.
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.
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).
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).
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.
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.
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.
Таким образом, процессы, имеющие место в ГРЭЛП, сопровождаются проблемами:
1) бомбардировкой катода ионами, выбитыми с поверхности обрабатываемого изделия (сокращают ресурс катода);
2) искровыми межэлектродными разрядами (сокращают ресурс полого анода, снижают функциональные возможности ГРЭЛП).
В качестве прототипных устройств, близких по конструкции следует рассмотреть два изобретения.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема ГРЭЛП.
На фиг. 2 показан основной узел ГРЭЛП, в котором формируется электронный пучок.
На фиг. 3 показан процесс ионизации-рекомбинации нейтральных частиц 
положительными ионами металла 
На фиг. 4 представлена организация вестибюльной откачки в ГРЭЛП.
Принципиальная схема предлагаемой ГРЭЛП представлена на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:
1 - газоразрядная камера;
2 - катод со сферической эмиссионной поверхностью;
3 - полый анод;
4 - искроподавляющий слой;
5 - плазмообразующий газ;
6 - плазмообразующая зона;
7 - водоохлаждение;
8 - высоковольтный токоподвод;
9 - водяной реостат;
10 - высоковольтный изолятор;
11 - лучевод;
12 - фокусирующие катушки;
13 - отклоняющие катушки;
14 - электронный пучок (ЭП);
15 - вестибюльная откачная камера (ВОК);
16 - кольцевая система откачных сопел;
17 - фланец;
18 - нагреваемый участок металла.
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.
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.
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.
Основной узел ГРЭЛП, в котором формируется электронный пучок, показан на фиг. 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.
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 .
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.
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:
- вестибюльная откачная камера (ВОК);
- искроподавляющий слой (ИПС) в зоне малых межэлектродных зазоров.
Причем ВОК предназначена для повышения ресурса надежности, а ИПС, - наряду с надежностью обеспечивает расширенную функциональность ГРЭЛП.
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.
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.
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.
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 .
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.
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.
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:
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.
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.
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.
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.
Таблица 1
| Параметр | Al2O3 | ZrO2 |
| Электрическая прочность, кВ/мм | 10 | >10 |
| Температура плавления, °C | 2072 | 2715 |
| Твердость по Виккерсу, ГПа | 19…21 | 12…13 |
| Трещиностойкость, МПа ⋅ м1/2 | 3…3,5 | 8…10 |
Керамическое покрытие внутренней поверхности полого анода реализует функции искроподавляющего слоя 4.
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.
Технический результат:
- кратное увеличение ресурса надежности ГРЭЛП;
- возможность реализации длительных технологических процессов;
- снижение требований к качеству источников питания;
- расширение ее функциональных возможностей по обеспечению сложных программно управляемых режимов нагрева в точном соответствии с заданными требованиями.
Описанный способ увеличения ресурса надежности и функциональности ГРЭЛП реализован и внедрен с положительным результатом в ПАО «Электромеханика», г. Ржева, Тверской обл. РФ.
Claims (1)
- Газоразрядная электронно-лучевая пушка, содержащая газоразрядную камеру, катод со сферической эмиссионной поверхностью, полый анод, водоохлаждение, высоковольтный токоподвод, водяной реостат, высоковольтный изолятор, лучевод, фокусирующие катушки, отклоняющие катушки, фланец, отличающаяся тем, что содержит искроподавляющий слой на внутренней поверхности полого анода в области геометрической близости катода со сферической эмиссионной поверхностью, а также расположенную под лучеводом вестибюльную откачную камеру, содержащую кольцевую систему откачных сопел.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2777038C1 true RU2777038C1 (ru) | 2022-08-01 |
Family
ID=
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01128337A (ja) * | 1987-11-11 | 1989-05-22 | Hitachi Ltd | 電子銃の放電洗浄装置 |
| RU2097868C1 (ru) * | 1996-07-09 | 1997-11-27 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц (его варианты) |
| SU1126128A1 (ru) * | 1983-06-02 | 1998-04-27 | Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники | Газоразрядная электронная пушка |
| RU2323502C1 (ru) * | 2006-07-03 | 2008-04-27 | Открытое акционерное общество "Чепецкий механический завод" (ОАО ЧМЗ) | Газоразрядная электронная пушка |
| RU2400861C1 (ru) * | 2009-08-18 | 2010-09-27 | Открытое Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" | Газоразрядная электронная пушка |
| JP5370462B2 (ja) * | 2011-11-07 | 2013-12-18 | 日新イオン機器株式会社 | イオン源電極のクリーニング装置 |
| 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 (ru) * | 2018-07-09 | 2019-12-20 | Публичное акционерное общество "Электромеханика" | Электронно-лучевая пушка с повышенным ресурсом эксплуатации |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1126128A1 (ru) * | 1983-06-02 | 1998-04-27 | Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники | Газоразрядная электронная пушка |
| JPH01128337A (ja) * | 1987-11-11 | 1989-05-22 | Hitachi Ltd | 電子銃の放電洗浄装置 |
| RU2097868C1 (ru) * | 1996-07-09 | 1997-11-27 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц (его варианты) |
| RU2323502C1 (ru) * | 2006-07-03 | 2008-04-27 | Открытое акционерное общество "Чепецкий механический завод" (ОАО ЧМЗ) | Газоразрядная электронная пушка |
| RU2400861C1 (ru) * | 2009-08-18 | 2010-09-27 | Открытое Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" | Газоразрядная электронная пушка |
| 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 (ja) * | 2011-11-07 | 2013-12-18 | 日新イオン機器株式会社 | イオン源電極のクリーニング装置 |
| RU2709793C1 (ru) * | 2018-07-09 | 2019-12-20 | Публичное акционерное общество "Электромеханика" | Электронно-лучевая пушка с повышенным ресурсом эксплуатации |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2279769C2 (ru) | Плазменный ускоритель | |
| US4714860A (en) | Ion beam generating apparatus | |
| US5015493A (en) | Process and apparatus for coating conducting pieces using a pulsed glow discharge | |
| Oks et al. | Development of plasma cathode electron guns | |
| Coll et al. | Design of vacuum arc-based sources | |
| JP4130974B2 (ja) | ホローカソード | |
| US5038082A (en) | Vacuum switch apparatus | |
| RU2777038C1 (ru) | Газоразрядная электронно-лучевая пушка | |
| US6870164B1 (en) | Pulsed operation of hall-current ion sources | |
| US11629398B2 (en) | Cathodic arc ignition device | |
| RU87065U1 (ru) | Устройство для создания однородной газоразрядной плазмы в технологических вакуумных камерах больших объемов | |
| US20030080301A1 (en) | Ion implantation systems and methods utilizing a downstream gas source | |
| WO1993018538A1 (en) | Electron beam gun with grounded shield to prevent arc down | |
| RU116273U1 (ru) | Источник ионов | |
| RU2607398C2 (ru) | Способ нанесения покрытий путем плазменного напыления и устройство для его осуществления | |
| RU2792344C9 (ru) | Газоразрядная электронная пушка, управляемая источником ионов с замкнутым дрейфом электронов | |
| RU2313848C1 (ru) | Сильноточная электронная пушка | |
| JP5959409B2 (ja) | 成膜装置及び成膜装置の動作方法 | |
| US10636617B2 (en) | Axial electron gun | |
| RU2816693C1 (ru) | Плазменный источник электронов с системой автоматического поджига тлеющего разряда в полом катоде, функционирующий в среднем вакууме | |
| Ryabchikov et al. | Formation, focusing and transport of highintensity, low-energy metal ion beams | |
| RU1834911C (ru) | Способ обработки изделий в установках вакуумно-плазменного нанесени покрытий | |
| SU908193A1 (ru) | Источник ионов | |
| Burdovitsin et al. | Plasma Electron Sources | |
| Kazakov et al. | Parameters of Constricted Arc for the Pulsed Forevacuum Plasma Electron Source |