Электронная пушка

я3и огии. Энер ь судю ственнцй номитет сссро делдм изовй.:тенйй и Отнр(,(тии(54) (57) ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА, содер,жащая вакуумную камеру, в которойосесимметрично размещены термоэмиссионный катодный узел с цилиндричеким корпусом, установленным в про-,ходном изоляторе и анод с фланцеми камеру жидкостного охлаждения,коаксиально охватывающую вакуумнуюкамеру, о .т л и ч а ю щ а я с. ятем, что, с целью повышения надежности и рееурса, коаксиально с проходным изолятором размещена заполненная фторорганической жщкостьюкамера, ограниченная в радиальномнаправлении поверхностями проходного изолятора и вакуумной камеры,кОрпус катоднОГо уэла снабжен переходным фланцем и выполнен в видетепловой трубы, конденсаторная часкоторой представляет собой потенциальный экран, расположенный вкамере с фторорганической жидкостьФ10721Изобретение относится к электротехнике, в частности к мощным энергозв блокам электронно-лучевых установок,применяемым в влек тротермии.Известна электронная пушка большой мощности, применяемая для плавки металлов в вакууме, содержащаявакуумную камеру, в которой расположены термоэмиссионный катодный узел,анод с водяной рубашкой, проходнойизолятор, металлический цилиндрический корпус, внутри которого проходят шины для подвода накала, а снаружи расположены радиаторы системыохлаждений. Радиаторы охлаждениякатодного узла, находящегося под,высоким потенциалом, снаружи охвачены цилиндрическим заземленным экраном, в который встроен вентилятордля удаления нагретого воздуха 13.Недостаток указанного устройства - невозможность стабилизациитемпературного поля катодного узла.при случайных флюктуациях режима егонагрева и от"бора эмиссионного тока.При этом возрастание температурыэмиттирунхцей поверхности катода все".гона несколько десятков градусовприводит к существенному изменениюкак величины эмиссионного тока, таки скорости испарения активного жоя.В результате снижается ресурс 30работы электронной пушки, определяемый износом и потерей эмиссионных фсвойств катодного узла. Кроме того,в этом устройстве трудно обеспечитьнеобходимый запас по электрической 35прочности из-за увеличения внешнихразмеров катодного узла, охлаждаемого и иэолируемого воздушной средой, .что в итоге снижает надежность вэксплуатации. 40Известна также электронная пушка,содержащая вакуумную камеру, в которой осесимметрично размещены термоэмиссионный катодный узел с цилиндрическим корпусом, установленным в 45проходном изоляторе, и анод с фланцем, и камеру жидкостного охлаждения, коаксиально охватывающую вакуумную камеру. Камера охлаждениякатодного узла выполнена в виде цилиндрической водяной рубашки, соединенной со спиральным водяным сопротивлением, рассчитанным на полноенапряжение установки. Водяное сопротивление смонтировано внутри защитного заземленного экрана Г 2 ,55Недостатком известного устройстваявляется ограничение ресурса и надежности работы при изменениях режима электронно-лучевой плавки, обусловленных флюктуациями параметров 60цепей питания, типом технологического процесса, качеством исходногомйтериала и состоянием вакуума в камере. При этом известное устройствоне обеспечивает стабилизации темпе ратурного поля пушки,что приводитк скачкообразному возрастанию эмиссии и скорости испарений активногослоя катода и обусловливает. егопреждевременный износ или потерюэмиссионных свойств. Кроме того, визвестном устройстве система охлаждения катода, включая водяную спираль значительной длины, выполненас воздушной изоляцией, что существенно увеличивает вероятность электрических пробоев при переходных процессах и тем самым снижает надежностьустройства в целом.Цель изобретенияувеличениенадежности и ресурса работы мощнойэлектронной пушки, применяемой вэлектронно-лучевых плавильных установках.Поставленная цель достигаетсятем, что в электронной пушке, содер"жащей вакуумную камеру, в которойосесимметрично размещены термоэмис"сионный катодный узел с цилиндрическим корпусом, установленным в проходном изоляторе, и анод с фланцем,и камеру жидкостного охлаждениякоаксиально охватывающую вакуумнуюкамеру, коаксиально с проходным изолятором размещена заполненная фторорганической жидкостью камера, ограниченная в радиальном направленииповерхностями проходного изолятораи вакуумной камеры, корпус катодногоузла снабжен переходным фланцем ивыйолнен в виде тепловой трубы,конденсаторная часть которой представляет собой потенциальный экран,расположенный в камере с фторорганической жидкостью.Корпус катодного узла содержитдисковую переходную часть, расположенную параллельно анодному фланцуна уровне половины высоты проходного изолятора, который выполнен издвух секций.Водяная цилиндрическая камераохлаждения и камера с фторорганической жидкостью образованы цилиндрическими ортогональными ребрамианодного фланца, расположеннымисоосно с проходным изолятором,На чертеже изображена предлагаемая электронная пушка, разрез.Электронная пушка содержит вакуумную камеру 1 с откачными патрубками 2, термоэмиссионный катодныйузел 3, состоящий из вспомогательного катода 4, основного таблеточного катода 5 н цилиндрического корпуса б, выполненного в виде тепловой трубы. Катодный узел установленна оси симметрии проходного изолятора 7, состоящего из двух секцийравной высоты, снабженного изолирующей крышкой 8, через которую проходят шины 9 подвода накала, Анод 10электронной пушки крепится на анодность конвективного теплообмена между анодом и жидкостями в камерах 13 и 14.Корпус 6 катодного узла, выполняющий Функции тепловой трубы, обеспечивает иэотермический режим работы эмиссионной поверхности основного катода 5При этом становится возможным контроль и управление скоростью испарения активного вещества катода, определяющей надежность и ресурс работы устройства в целом.Так, для оксидного катода рост температуры всего на 20 фС по сравнению с номинальной (Т 1100 К) приводит к возрастанию скорости испарения активного слоя в 4 раза, а локальный рост температуры на 50 ОС сокращает ресурс работы катода в 10 раз. В предлагаемом устройстве демпфируются также случайные флюктуации температурного поля, обусловленные обратной тепловой связью анода и катода, что .уменьшает вероятность испарения таких компонентов эмиттирующей поверхности катода, как окись бария и др.; что в условиях эксплуатации приводит к росту электрического сопротивления поверхностного слоя катода и уменьшению тока эмиссии.В качестве теплоносителя, заполнякщего корпус катодного узла, в зависимости от материала катода и его рабочей температуры (оксиДный катод, вольфрамовый, гексаборидлантаноэый, барий-никелевый и т.д.) могут использоваться, например, натрий, литий или другие теплоносители. Тепловая труба на литии при 1500 С обеспечивает направленную передачу теплового иотока порядка , 10-20 кВт/см 2. После конденсации теплоносителя в полости экрана 21 его возврат в область кипения осуществляется за счет силы тяжести и капиллярных сил, для чего полости 18 - 20 снабжаются фитилем или выполняются с канавками. При использовании. в качестве теплоносителя натрия корпус б может быть выполнен из нержавеющей стали, при использовании лития корпус изготавливается из ниобия, тантала или молибдена. Поскольку тепловая труба обеспечивает эффетивный перенос тепла только в одномнаправлении, то секция керамического изолятора 7 автоматически защищена от тепловых перегрузок. При этом. каскадное включение двух теплообменных устройств: (корпуса б и камеры 13) работает как трансформатор плотности теплового потока и стабилизатор температурного kоля в зоне эмиссии электронов.В качестве теплоносителя в камере 13 могут быть выбраны жидкости из ряда перфтораминов, теплофизичесЗО 3 . 10721ном Фланце 11 с цилиндрическимиребрами 12, образукщими теплообменнцекамеры 13 и 14, заполнениые соответственно фторорганической жид-,костью и водой, Подвод охлаждающихжидкостей осуществляется через патрубки 15 на верхнем Флаице 16 теплообменных камер. Корпус катодного еузла содержит полость, заполненнуютеплоносителем 17,. причем цилиндрическая часть 18 полости корпуса )Оявляется зоной испарения теплоноси-.теля, дисковая часть 19, котораяможет быть расположена на уровнеполовины высоты проходного изолятора, является адчабатной зоной тепловой трубы. Конденсация теплоносителя.происходит в цилиндрической полости 20, расположенной внутри потен-.циального экрана 21, охватывакицегопроходной изолятор, Подключение питания йакала производится высоковольт Оным кабелем .22, проходящим череззаземленный экран 23.Устройство работает следукщимобраэом.После включения мощности накала, . 25подводимой шинами 9, происходит разогрев основного катода 5.до номи"нальной рабочей температуры. В. процессе выхода на номинальный режим.накала происходит автоматическийзапуск тепловой трубы, являющейсякорпусом б катодного узла. В цилинд"рической его части 1 В происходит:испарение теплоносителя, который,проходя дисковую часть 19, конденсируется в цилиндрической полости 20,расположенной внутри потенциальногоэкрана 21. Тепловой поток с поверхности экрана 21, находящегося подвысоким отрицательным потенциалом 4 Окатодного узла 3, снимается в теплообменной камере 13, заполненной Фтор"органической жидкостью. Мощность,необходимая для нагрева катода 5,зависит от его размеров, материала,выбора рабочей температуры и структурытепловых потерь.. Если отбор тепла на поверхностиэкрана 21 происходит в процессе кипе. ния пограничного слоя Фтороргаиичес"кой жидкости, то это не приводит кснижению электрической прочностипушки. Паровая Фаза ФторорганическОйжидкости в камере 13 имеет электрическую прочность, близкую к прочнос"ти трансформаторного масла, а диэлектрическая проницаемость изменя-ется линейно в широком диапазонеизменения температур. Движение изолирукщей жидкости в камере 13 происходит за счет разности плотностей, а, Ыотвод тепла осуществляется черезцилиндрическую стенку, разделяйщуюкамеры 13 и 14,Большая площадь поверхности анодного Фланца 11 обеспечивает эффектив1072138 10 15 Составитель А Захаров Редактор С.Квятковская Техред С Мигунова Корректор В.Бутяга 4 М Юе Заказ 13 б/4 б Тираж 683 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4 кие и электроиэоляционные свойствакоторых не уступают трансформаторному маслу, но они характеризуютсяхимической инертностью к нагретымметаллам, взрывобеэопасностью, аэлектрическая прочность их послетренировочных пробоев возрастает впределах 50-150 кВ/см. Совмещениефункций изолирующей высокопрочнойжидкости и теплоносителя позволяетсущественно сократить габариты устройства при заданном уровне высокого напряжения или увеличить уровеньускоряющего напряжения в 2-3 разапри тех же габаритах. При применении изобретения стабилизируется температура катодного узла и уменьшается его износ независимо от наличия теплообмена между анодом и катодом электронной пушки, 20 взаимного влияния цепей питания (прямого и электронного накала и анодной цепи) и других факторов, а также уменыаается вероятность электрических пробоев в устройстве в25 ,целом. Причем оптимизация конструктивного оформления пушки, учитывающая конкретную взаимосвязь электрических и тепловых процессов, достигается на основе принципа совмещения изолирующей и охлаждающей. среды(использование камеры с фторорганической жидкостью), совмещения корпуса катодного. узла и тепловой трубы,конденсаторной части тепловой трубыи потенциального электрода, обеспечивающего однородную структуруэлектрического поля, и совмещенияоребренного анодного фланца с теплообменными камерами. Поэтому нарядус повышением надежности и ресурсаработы устройства уменыааются еговесогабаритные показатели, особеннопри .переходе к болыаим мощностямнакала и энергиям пучка (высота пушки уменьшается почти вдвое), Этиособенности позволяют эффективно применять электронную пушку в электронно-лучевых установках средней ибольшой мощности, а также в электрофизических установках для формирования и исследования интенсивныхрелятивистских пучков электронов.