Устройство вывода частиц

 

Изобретение относится к электронно-лучевой технологии и может быть использовано для вывода из вакуума в атмосферу пучков заряженных частиц. Целью изобретения является снижение мощности откачных средств. Устройство для вывода частиц содержит источник 1 частиц, камеру 2 дифференциальной откачки и соосные источнику входное 3 и выходное 4 отверстия, снабженные патрубками 5 и 6 для выпуска частиц. В каждом из патрубков выполнено не менее чем по два щелевых паза 7 и 8, один из которых направлен по часовой стрелке, а другой - против. В устройстве обеспечивается эффект, при котором отверстие большего сечения перестает пропускать газ. Положительный эффект обеспечивается путем уменьшения энергоемкости, повышения качества и расширения ассортимента обрабатывааемого материала, уменьшения эксплуатационных расходов, сокращения цикла обработки. 1 ил.

Изобретение относится к электронно- и ионно-лучевой технологии и предназначено для вывода из вакуума в атмосферу пучков заряженных частиц с целью дальнейшей обработки ими различных материалов и является дополнительным к авт.св.N 1047371. Целью изобретения является снижение мощности откачных средств. На чертеже схематично изображено предлагаемое устройство. Устройство состоит из источника 1 частиц, камеры 2 дифференциальной откачки, в которой выполнено отверстие для подсоединения к средствам откачки и соосные источнику входное 3 и выходное 4 отверстия. Отверстия 3 и 4 снабжены патрубками 5 и 6 для выпуска частиц. В каждом из патрубков выполнено по два щелевых паза 7 и 8, один из которых направлен по часовой стрелке, а другой - против. На чертеже обозначены также начало 9 и конец 10 щелевого паза 7 и формируемый вихрь 11. Устройство работает следующим образом. При откачке газа из источника 1 и из камеры 2 газ из окружающего пространства с давлением P_∞ через патрубок 5 устремляется в направлении источника частиц. Одновременно газ начинает поступать в патрубок и через начало 9 щелевого паза. Пропускная способность патрубка определяется пролетным отверстием патрубка. Поток в другом месте патрубка прежде чем дойти до щелевого паза (до точки 10) уменьшает свое давление (из-за откачки камеры 2) и ускоряется. В конце 10 происходит всасывание потока газа. Поскольку щелевой паз винтовой, то по мере ускорения потока в патрубке 5 все больше газа вводится в боковую поверхность потока. Сложение движений приводит к спиралевидному закручиванию потока в патрубке и формированию вихря 11. Уравнение неразрывности для вихря имеет вид C · S = const, где C - скорость газа, м/с; S - площадь потока газа, м². Это значит, что при закручивании потока будет возрастать скорость газовых молекул в вихре. Возрастанию скорости способствует и другой щелевой паз. В камере дифференциальной откачки поток сначала откачивается радиально, а поскольку щелевой паз винтовой и противоположно направленный, то это способствует дополнительному раскручиванию потока (как бы разбивает его). Однако молекулы газа в вихре не могут беспредельно наращивать скорость. Прохождение через скорость звука связано с формированием скачков уплотнения давления, которые локализуются в виде дуг вдоль патрубка и напоминают собой тороид. Интенсивность этих скачков может быть рассчитана по соотношениям газовой динамики. В первом приближении отношение плотностей газа в скачке пропорционально отношению скоростей на границе вихря и вне его (у стенки патрубка). В пределе плотность газа в скачке увеличивается до значения (K+1) (K-1), где K - показатель адиабаты газа. Для воздуха K=1,4, изменение плотности достигает 6 раз. Этот тороидальный скачок блокирует поток вдоль стенок патрубка. Пропускная способность патрубка определяется только его центральной зоной, которая в пределе стремится к точке. При реальном перепаде давления, обусловленном откачными средствами (от 10 до 300, что охватывает практически все устройства с выводом частиц), размер центральной зоны составляет порядка десятой доли диаметра патрубка (1-1,5 мм при пролетном отверстии патрубка 10 мм). При этом наступает эффект уменьшения поступления потока газа в направлении источника частиц. Для формирования блокирующего тороидального давления на концах патрубка 0,528 (для воздуха), что может быть достигнуто небольшими насосами. При этом перепаде вихревой поток достигает скорости звука. В пределе скорость газа вдоль патрубка достигает звуковой. Однако по законам вакуумной техники (при перепаде давления на концах патрубка более 0,037 для воздуха) проводимость газа в таких условиях достигает конечной величины. В результате наступает эффект, при котором отверстие большого сечения перестает пропускать газ. Создается газовая пробка для потока, стремящегося в источник частиц под действием перепада давления. Сохранение прежнего вакуума в источнике оказывается возможным с меньшими откачными средствами. Величину уменьшения мощности можно оценить из возможного уменьшения потока через патрубок, зная проводимость патрубка U(м³/с), поток Q (м³·Па/с) и давление в центре вихря P_y (Па). В частности, давление в центре вихря P_y, сформированного в цилиндре, описывается выражением P_y = P_∞ - ρc²/2, , где P_∞(Па),ρ (кг/м³), с (м/с) - соответственно давление, плотность и скорость газа. Подставляя для простоты значения для воздуха ρ = 1,23 кг/м³, с=3,3 · 10² м/с при атмосферном давлении P=10⁵ Па, имеем P_y = 10⁵-[1-23·(3,3-10²)²]/2 = 5·10⁴ (Па). Видно, что давление только за счет вихря на оси патрубка уменьшается примерно в 5 раз. С другой стороны поток газа связан с проводимостью соотношением Q = U·P_y или Q = 200·S·P_y. Таким образом, поток уменьшается в 5 раз. Благодаря блокированию потока по периферии патрубка (плотность газа в скачке возрастает в 6 раз) уменьшается площадь прохождения потока газа (не менее чем на порядок), но в этой площади уменьшается и давление потока натекающего газа (в 5 раз). В среднем на откачку газа при давлении 1 мм рт.ст. тратится 2 кВт на 10 л потока. Таким образом, мощность откачных средств от введения щелевых пазов уменьшается не менее чем на порядок по сравнению с прототипом. В конкретном случае использована газоразрядная электронная пушка с газодинамическим окном на основе дифференциальной откачки газа. В описанном устройстве пучок электронов выводится через патрубки диаметром 0,8 мм в газ с давлением 20 кПа с помощью двух насосов ВН-1МГ (общая мощность 6 кВт). В конкретном случае выводные элементы газодинамического окна выполнены в виде медных толстостенных трубок с пролетным отверстием диаметром 3 мм и длиной 10 мм. Трубки крепятся в камере дифференциальной откачки так, что концы их одинаково отстоят от стенки камеры. На трубках выполнены винтовые щелевые пазы шириной 1,5 мм так, что пазы 7, ближние к источнику, имеют правую резьбу (направлены против часовой стрелки), а пазы 8 дальнего источника имеют левую резьбу (направлены по часовой стрелке). Угол наклона винтовой линии выбирается из конкретных условий. В идеале это 45^o, однако при выводе заряженных частиц (электронов и особенно ионов) угол выбирается меньше (в данном случае 20^o), чтобы по возможности сократить путь транспортировки. Эффект при этом существенно не изменится, так как увеличится путь раскрутки. Первоначально через отверстия для вывода частиц пропускается стержень и отверстия закрываются. Затем включается насосная группа, состоящая из двух насосов ВН-1. Один насос откачивает источник электронов до давления 30 Па, другой - камеру дифференциальной откачки до такого же давления. Пазы открываются раньше, чем пролетное отверстие патрубка, поэтому еще до поступления газа вдоль патрубка уже поступает газ в пазы и формируется вихрь с присущими ему блокирующими скачками уплотнения давления, перекрывающими поступление газа вдоль патрубка. В стационарном режиме при выводе электронного пучка в атмосферу в камере дифференциальной откачки устанавливается давление 100 Па, в источнике 30 Па. По сравнению с аналогичным устройством площадь пролетного отверстия увеличена от 0,465 до 6,5 мм², т.е. более чем в 10 раз. Для откачки такого отверстия в прототипе потребовалась бы мощность в 10 раз больше, т.е. 60 кВт. Устройство может найти применение 25 при выводе электронных, ионных и нейтральных молекулярных пучков для технологических целей (электронно-лучевой сварки, накачки мощных газовых лазеров, для операций по обработке материалов). Положительный эффект от внедрения устройства обеспечивается за счет уменьшения и расширения ассортимента обрабатываемого материала, уменьшения эксплуатационных расходов, сокращения цикла обработки. Авторское свидетельство СССР N 1047371, кл. H 05 H 7/00, 1982.

Формула изобретения

Устройство вывода частиц по авт. св. N 1047371, отличающееся тем, что, с целью уменьшения мощности откачных средств, в каждом из патрубков выполнено не менее двух щелевых винтовых пазов, один из которых направлен по часовой срелке, а другой - против.

РИСУНКИ

Рисунок 1