Электронно-лучевая установка

 

1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ УСТАНОВКА , содержащая вакуумную камеру, водоохлаждаемый тигель и электронную пушку с системой проведения луча, включающей водоохлаждаемые магнитные линзы и отклоняющую систему, отличающаяся тем, что, с целью повышения ресурса, она снабжена герметичными капсулами, содержащими вещество с упругостью пара более 1-10 мм рт.ст. при нормальных условиях , расположенными с вакуумной стороны на поверхностях, защищаемых от воздействия электронного луча. 2.Установка по п. 1, отличающаяся тем, что масса указанного вещества, содержащегося в капсуле, увеличивается по направлению от электронной пушки к вакуумной камере. 3.Установка По пп. 1 и 2, о т личающаяся тем, что каждая капсула снабжена клапаном с порогом открытия 10-20 атм. 4.Установка по п. 1, о т л и чающаяся тем, что в качестве (Л указанного вещества выбрана вода. 5.Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве указанного вещества в капсулах, распо-и ложенных в электронной пушке, используются цинк, кадмий или их сплавы.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3(51) Н 01 .) 37 305

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

® Р(;()цщ;

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ И ДИ0ТИ

В (21) 3595316/18-21 (22) 23.05.83 (46) 07.09.84. Бюл. )) 33 (72) Ю.В.Григорьев, Л.А.Лукьянов и В.А.Тарасенков (71) Всесоюзный электротехнический институт им. В.И.Ленина (53) 621.385(088.8) (56) 1 ° Патент США -3821979, кл. 164-252, 1979.

2. Шиллер 3. и др. Электронно-лучевая технология. M., "Энергия", 1980, с. 176 (прототип). (54)(57) 1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ УСТАНОВКА, содержащая вакуумную камеру, водоохлаждаемый тигель и электронную пушку с системой проведения луча, включающей водоохлаждаемые магнитные линзы и отклоняющую систему, о т л ич а ю щ а я с я тем, что. с целью повышения ресурса, она снабжена герметичными капсулами, содержащими вещество с упругостью пара более

1 ° 10 мм рт.ст. при нормальных условиях, расположенными с вакуумной стороны на поверхностях, защищаемых от воздействия электронного луча.

2. Установка по п. 1, о т л и— ч а ю щ а я с я тем, что масса указанного вещества, содержащегося в капсуле, увеличивается по направлению от электронной пушки к вакуумной камере.

3. Установка по пп. 1 и 2, о т— л и ч а ю щ а я с я тем, что каждая капсула снабжена клапаном с порогом открытия 10-20 атм.

4. Установка по п. 1, о т л и — Е

O ч а ю щ а я с я тем, что в качестве указанного вещества выбрана вода.

5. Установка по п. 1, о т л и— ч а ю щ а я с я тем, что в качестве указанного вещества в капсулах, распо-Я ложенных в электронной пушке, используются цинк, кадмий или их сплавы.

1 1112

Изобретение относится к вакуумной металлургии, а им нно к устройствам для плавки, литья или испарения материалов в вакууме, использующих в качестве средства нагрева пучок электронов.

Известна электронно-лучевая установка для вакуумного переплава металлов, содержащая технологическую камеру, водоохлаждаемые тигель и крис-1р таллизатор и электронные пушки с устройствами проводки и отклонения луча (1) .

Недостаток этой установки состоит в том, что даже интенсивное водяное охлаждение ее основных узлов не за щищает их от повреждения лучом электронов. Мощный поток электронов, попав на стенки вакуумной камеры, край кристаллизатора или тигля, проплавляет их в течение нескольких секунд.

При этом водяное охлаждение тигля не может быть выключено немедленно из-за наличия в нем большой массы расплавленного металла. Поэтому технологическая камера заполняется водой и на восстановление в ней вакуума требуется несколько дней, если поврежденные детали удается оперативно заменить или отремонтировать.

Причинами такого рода аварии являются ошибка оператора, отказ системы управления электронным лучом, а при плавке материалов с большим атомным номером, например вольфрама — отражение луча от облака вторичных элект«35 ронов над расплавом.

Наиболее близкой к предложенной по технической сущности является электронно-лучевая установка, содер40 жащая технологическую вакуумную камеру, водоохлаждаемый тигель и электронную пушку с системой проводки луча, включающей водоохлаждаемые магнитные линзы и отклоняющую систе45 ) е

Недостаток известной установки также состоит в том, что ее конструкция не обеспечивает надежной защиты от повреждений электронным лучом в аварийных случаях или при ошибках оператора.

Целью изобретения является повышение ресурса установки.

Поставленная цель достигается тем, что электронно-лучевая установка, содержащая вакуумную камеру, водоохлаждаемый тигель и электронную

437 3 пушку с системой проведения луча, включающей водоохлаждаемые магнитные линзы и отклоняющую систему, снабжена герметичными капсулами, содержащими вещество с упругостью пара более 1 10 " мм рт.ст. при нормальных условиях, расположенными с вакуумной стороны на поверхностях, защищаемых от воздействия электронного луча.

При этом масса указанного вещест ва, содержащегося в капсуле, увеличивается по направлению от электронной пушки к вакуумной камере, а также каждая капсула снабжена клапаном с порогом открытия 10-20 атм.

Кроме того, в качестве указанного вещества выбрана вода, а также в качестве указанного вещества в капсулах, расположенных в электронной пушке, используют цинк, кадмий или их сплавы.

На чертеже представлена электронно-лучевая установка.

Электронно-лучевая установка включает электронную пушку, содержащую катод 1 и анод 2, расположенные в катодной камере 3, присоединенной к откачному устройству. Стрелками на чертеже показано направление откачки Пушка содержит также систему проведения луча и отклоняющую систему электронного луча; состоящую из водоохлаждаемых магнитных линз 4 и 5, устройства 6 отклонения, диафрагмы 7,. обеспечивающей вакуумный перепад между катодной 3 и технологической вакуумной 8 камерами, а также лучевода 9. Электронная пушка присоединена к технологической вакуумной камере 8, Внутри камеры 8 находится объект 10 нагрева. На чертеже объект нагрева помещен в водоохлаждаемый тигель 11.

Магнитные линзы, диафрагма, лучевод, технологическая камера и тигель охлаждаются водой, протекающей по каналам 12-16.

Обращенные в вакуум водоохлаждаемые поверхности пушки, технологической камеры и тигля снабжены экранами 17, расположенными с зазором по отношению к этим поверхностям. В пространство между экранами 17 и водоохлаждаемыми стенками помещается вещество !8 с высокой упругостью пара. Указанное вещество имеет упругость пара не менее 10 мм рт.ст., чтобы обеспечить необходимое повышение давления в камере при его испа1112437

3 ренин. В качестве такого вещества наиболее целесообразно использовать воду, так как она не загрязняет установку продуктами термического разложения. При этом вода помещается в ряде полостей, вакуумно-плотно изоли-. рованных один от другого и от вакуумного объема установки.

На чертеже представлено несколько вариантов конструктивного испол- 10 нения этих полостей.

Так, для защиты канала 13, указанные полости выполняются непосредственно в теле диафрагмы 7. В этом случае, необходимость в экране, как 15 в отдельной детали отпадает и его роль выполняет стенка диафрагмы 7.

Важно лишь, чтобы полости располагались между областью прохождения электронного пучка и каналом 13 во- 20 дяного охлаждения.

Наиболее просто выполнять их в виде ряда глухих отверстий, просверленных в диафрагме 7 со стороны, противоположной катоду 1. После заполненияд5 полостей водой, они могут быть заглушены, например резьбовыми пробками 19. Пробки 19 имеют клапан, открывающийся при повышении давления внутри полости до 5-10 атм.

Для защиты от повреждения электронным лучом магнитной линзы 4 в качестве вещества 18 использованы такие материалы, как цинк, кадмий или их сплавы, обладающие низкой 35 упругостью пара при комнатной температуре и высокой — при температуре порядка нескольких сотен градусов.

При этом отпадает необходимость в устройстве герметичных полостей. 40

К стенкам лучевода 9 и технологической камеры 8, изготавливаемым обычно из стали, экраны 17 прикрепляются сваркой, а зазор между экранами и стенкой разделяется на ряд герметич- 45 ных полостей посредством перегородок 20.

Там, где применение сварки нежелательно, например на медном тигле 11, роль системы экран — перегородка — вещество с высокой упругостью пара выполняет ряд трубок 21 заполненных указанным веществом 18 и вакуумно-плотно заглушенных на концах..55

Трубки 21 укладываются на поверхность тигля 11 и сверху могут бьггь прикрыты общим экраном 17.

Экраны и вещество с высокой упругостью пара размещаются толвко на тех участках устанрвки, которые могут оказаться под воздействием электронного луча при.ошибках оператора или в аварийном режиме. Например, края тигля 11 необходимо защищать, так как они часто повреждаются при неправильном управлении лучом. В большинстве установок оси тигля и электронной пушки смещены, чтобы исключить попадание брызг материала— объекта нагрева 10 в пушку. Поэтому отказ устройства отклонения может привести к попаданию луча на дно камеры 8, которое должно из-за этого бьггь защищено.

Масса вещества с высокой упругостью пара, находящегося в каждой отдельной полости, зависит от особенностей конкретной установки, в первую очередь, от производительности откачных устройств, объема вакуум-. ных камер, конструкции системы проводки луча.

В общем случае, эта масса возрастает по мере удаления от катода пушки так, чтобы выполнялось соотношение.

m Vg

- =(5-50) вЂ, шк

Э где т и m„ — массы указанного вещества, помещенного в одну полость, в технологической 8 и катодной 3 камерах соответственно;

7 и V — соответственно объемы технологической и катодной камер.

Числовой коэффициент учитывает перепад давлений между камерами при работе установки. При перепаде давлений в один порядок коэффициент равен примерно 20.

Если в пушке используется термо эмиссионный катод, то масса воды в одной полости, находящейся в катод-, ной камере 3, должна составлять 1-3 r.

Установка работает следующим образом.

После приложения между катодом 1 и анодом 2 электронной пушки ускоряющего напряжения, эмиттируемые катодом 1 электроны формируются в луч 22.

Сфокусированный магнитными линзами 4 и 5, электронный луч 22 отклоняется магнитным полем устройства 6 отклонения на объект 10 нагрева.

1112437

Если по какой-либо причине луч 22 уходит с поверхности нагрева объекта 1Î или теряет фокусировку в системе проводки луча, он попадает на один из экранов 17 и проплавляет его насквозь. Если в качестве вещества с высокой упругостью пара применена вода, а пробки — заглушки полостей с водой оснащены клапанами, то при повышении давления в полости вследствие нагрева клапаны открываются, выпускная часть воды с паром в вакуум.

Вещество с высокой упругостью пара, оказавшись в вакууме, облучаемое мощным потоком электронов, испаряется почти мгновенно. Вследствие этого, давление в вакуумном объеме установки возрастает. на два-три порядка °

Возникающий вследствие этого разряд замыкает промежуток катод-анод элект- 20 ронной пушки. Это приводит к срабатыванию системы защиты по току высоковольтного источника, т,е. отключению ускоряющего напряжения. Кратковременный срыв работы откачных агрегатов, вызванный появлением небольшого количества воды, не позволяет включить пущку даже при наличии автомата повторного включения.

При использовании вместо воды цин- 30 ка или кадмия, помещаемых в пределах катодной камеры пушки, кратковременный обратимый выход установки из строя происходит не из-за повышения давления в вакуумной системе, а из-за 35 ухудшения электрической прочности 3азора катод - анод электронной пушки.

После проведения высоковольтной тренировки пробоями, занимающей от нескольких минут до часа, электрическая прочность зазора восстанавливается.

Установка выходит из строя на некоторое время при возникновении аварийных ситуаций. Однако это время (обыч-. но несколько минут), значительно меньше времени, которое требуется для ремонта основного оборудования в случае его повреждения электронным лучом.

Использование предлагаемого устройства целесообразно при мощности электронного луча свыше нескольких десятков киловатт. Кроме того, положительный эффект достигается независимо от вида технологического процесса, типа электронной пушки (с холодным или с термоэмиссионным катодом).

Предлагаемая установка совместима с любыми внешними системами контроля и защиты и дополняет их. По ее образцу усовершенствованы уже действующие установки. Единственное условие, необходимое для обеспечения работоспособности установки — наличие защиты по току у источника питания электронной пушки, — выполняется всегда.

Вероятность попадания электронного луча в одно и то же место при двух последовательных авариях невелика.

Поэтому эффективность защиты без ремонта установки сохраняется длительное время, так как при каждой аварии вскрывается лишь небольшое число полостей с водой.

1112437

11

18

zo

Составитель-В.Александров

Редактор Г.Волкова Техред Т, Пубинчак Корректор М.Шарощи

Закаэ 6461/37 Тираж 682 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4