Источник электронов с плазменным эмиттером для получения радиального пучка

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ ЭМИТТЕРОМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИАЛЬНОГО ПУЧКА(71) Заявитель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(72) Авторы Антонович Дмитрий Анатольевич Груздев Владимир Алексеевич Залесский Виталий Геннадьевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(57) Источник электронов с плазменным эмиттером для получения радиального пучка,включающий размещенные соосно внешний и внутренний цилиндрические катоды и кольцевой анод между ними, а также эмиссионные каналы, в котором в качестве ускоряющего электрода служит обрабатываемая деталь, отличающийся тем, что дополнительно содержит постоянные магниты, расположенные между внешним и внутренним катодами над анодом, и цилиндрический полый катод, размещенный в нижней части источника соосно внешнему и внутреннему катодам, причем все катоды выполнены из магнитного материала, по оси внутреннего катода выполнен канал для напуска газа, а эмиссионные каналы образованы отверстиями в полом катоде и соосными им отверстиями во внешнем катоде.(56) 1. Семенов А.П., Нархинов В.П. Сильноточный тлеющий разряд в электронной структуре стержневых катодов с полым анодом // Журнал технической физики. - 1993. - Том 63. Вып. 8. - С. 17-19. 2. Ефремов и др. Высоковольтный импульсный источник электронов с плазменным эмиттером для получения радиально расходящегося пучка // Приборы и техника эксперимента. - 1987. -1. - С. 167-169 (прототип). Полезная модель относится к области получения электронных пучков и может быть использована для реализации электронно-лучевых технологий модификации и упрочнения внутренних поверхностей деталей. Известен источник электронов с плазменным эмиттером для получения радиального пучка 1, содержащий катод диаметром 260 мм, выполненный из нержавеющей стали в форме кольца прямоугольного сечения. По образующей катода радиально на половину длины заглублены 28 стержней сечением 1010 мм, которые являются полюсными наконечниками 56 попарно скрепленных постоянных стержневых магнитов. Выступающие из катода стержни проникают в полость анодного электрода и делят ее на 28 ячеек. Анод собран из цилиндра диаметром 200 и высотой 24 мм и двух съемных колец с Г-образной формой сечения, которые образуют эмиссионный канал. Коаксиально анодным кольцам с зазором 5 мм установлен извлекающий электроны цилиндрический стальной коллектор диаметром 150 мм. Разряд в известном источнике зажигается подачей напряжения между анодными кольцами и катодом. Извлекающее напряжение подается между анодными кольцами и коллектором. Формирование электронного пучка достигается извлечением электронов через эмиссионный канал и отверстия в коллекторе. Недостатками аналога являются отсутствие возможности обрабатывать внутренние поверхности деталей, высокое напряжение зажигания и горения разряда. Наиболее близким к предлагаемому является источник электронов с плазменным эмиттером для получения радиального пучка 2. Источник электронов состоит из двух цилиндрических камер диаметром 50 и общей высотой 170 см. Одна камера перфорирована для вывода пучка, в ее стенке сделаны отверстия диаметром 2 см. Камера закрыта с наружной стороны алюминиево-магниевой фольгой толщиной 50 мкм. В камере размещены соосно внешний вспомогательный электрод и внутренний цилиндрический катод и полый анод между ними и камерой. Полый анод представляет собой цилиндр с закрытыми торцами диаметром 33 см и высотой 1 м. Боковая поверхность полого анода также перфорирована и на длине 80 см по образующей затянута сеткой. Внутренние холодные катоды диаметром 3 мм выполнены из магния. Внешние электроды диаметром 20 см отделены от внутренних катодов изолирующими втулками из фторопласта и электрически соединены с анодом. Эмиссионные каналы образованы отверстиями в перфорированной камере и в перфорированном аноде. Основными недостатками прототипа являются невозможность его работы в непрерывном режиме и высокие массогабаритные параметры, что делает невозможным обработку внутренних поверхностей деталей диаметром 50 и менее сантиметров. Задачей полезной модели является генерация радиального электронного пучка технологического назначения со стабильными электрофизическими параметрами, достаточными для реализации электронно-лучевых технологий модификации и упрочнения внутренних поверхностей деталей. Поставленная задача решается тем, что заявляемый источник электронов с плазменным эмиттером для получения радиального пучка, включающий размещенные соосно внешний и внутренний цилиндрические катоды и кольцевой анод между ними, а также эмиссионные каналы, в котором в качестве ускоряющего электрода служит обрабатывае 2 49952009.02.28 мая деталь, в отличие от прототипа, дополнительно содержит постоянные магниты, расположенные между внешним и внутренним катодами над анодом, и цилиндрический полый катод, размещенный в нижней части источника соосно внешнему и внутреннему катодам, причем все катоды выполнены из магнитного материала, по оси внутреннего катода выполнен канал для напуска газа, а эмиссионные каналы образованы отверстиями в полом катоде и соосными им отверстиями во внешнем катоде. Такая конфигурация магнитов, катодов и анода позволяет сформировать в источнике электронов две области горения разряда с различными параметрами. В одной из которых происходит зажигание разряда с низким напряжением, а в другой области формируемая плазма газового разряда достигает плотности, достаточной для реализации электронно-лучевых технологий модификации и упрочнения внутренних поверхностей деталей. На фиг. 1 представлена электродная структура заявляемого источника в разрезе, на фиг. 2 - общий вид. Источник электронов с плазменным эмиттером для получения радиального пучка включает внешний 1 и внутренний 2 катоды. Внешний катод - цилиндр диаметром 45 мм,выполненный из нержавеющей стали с толщиной стенки 2 мм. Внутренний катод - сплошной цилиндр диаметром 10 мм, выполненный из нержавеющей стали, с каналом 3, диаметром 2 мм внутри, для напуска газа. Внешний и внутренний катоды соосны, их высота 0,2 м. Между катодами 1 и 2 размещен кольцевой медный анод 4. В нижней части источника размещен полый катод 5. Он представляет собой цилиндр диаметром 22 мм, диаметр полости 20 мм, толщина стенки 1 мм, изготовлен из стали (магнитный материал), закреплен на внутреннем катоде в его нижней части соосно с внутренним и внешним катодами и имеет два диаметрально противоположных отверстия 6 диаметром 4 мм, для проникания плазмы внутрь полого катода при формировании разряда и извлечения электронов из источника электронов при обработке детали. Во внешнем катоде выполнены отверстия 7 диаметром 3 мм, соосные отверстиям 6 в полом катоде. Отверстия 6 и 7 образуют эмиссионный канал. Между внешним и внутренним катодами над анодом размещены постоянные магниты 8, создающие радиальное магнитное поле между внешним и внутренним катодами. Нижний торец источника закрыт крышкой 9, выполненной из алюминия (немагнитный материал). Работает заявляемый источник с плазменным эмиттером следующим образом. В источнике имеются две области (на фиг. 1 обозначеныи ), позволяющие реализовать режимы горения разряда с различными условиями. В областикатоды 1, 2 и анод 4 формируют электрическое поле с вектором напряженности, перпендикулярным вектору индукции магнитного поля постоянных магнитов 8 (скрещенные ЕН поля). Это способствует радиальным осцилляциям электронов между катодами, что удлиняет их траектории, тем самым снижает напряжение зажигания разряда и повышает степень ионизации плазмообразующего газа. В области , представляющей собой внутреннюю полость катода, инициируется эффект полого катода и формируется эмитирующая плазма. При подаче разрядного напряжениямежду катодами 1, 2 и анодом 4 в областиформируется газовый разряд, который через отверстия 6 проникает во внутреннюю полость полого катода 5 (область ), инициируя в этой области эффект полого катода. Диаметр катодной полости экспериментально подобран исходя из двух критериев объем полости с одной стороны должен быть максимальным для увеличения осцилляции электронов и повышения плотности эмитирующей плазмы, с другой стороны расстояния между полым катодом, анодом и внешним катодом должны быть достаточными для уверенного зажигания разряда при напряжениях менее 700 В и беспрепятственного проникновения плазмы в полый катод. Газ (воздух) через канал 3 во внутреннем катоде 2 подается непосредственно в полый катод 5 для повышения плотности эмиссионной плазмы и увеличения перепада давления между областью горения разряда и областью ускорения. Полый катод 5 изготовлен из стали для усиления магнитного поля в области эмиссионно 3 49952009.02.28 го отверстия, чтобы извлечение электронов происходило вдоль магнитного поля для снижения расходимости электронного пучка. Ускоряющая разность потенциаловприкладывается между внешним катодом 1 и обрабатываемой деталью 10. Формирование электронного пучка достигается извлечением электронов из полого катода 5 (области ) через эмиссионный канал, образованный отверстиями 6 в полом катоде 5 и отверстиями 7 во внешнем катоде 1. В данной конструкции воздействие на обрабатываемую деталь 10 обеспечивается одновременно двумя диаметрально противоположными электронными пучками. Для обработки всей внутренней поверхности требуется вращение и осевое перемещение обрабатываемой цилиндрической поверхности. При увеличении числа эмиссионных отверстий и формировании более чем двух электронных пучков возможно снижение времени обработки детали и повышение производительности источника электронов. Предлагаемая конструкция источника электронов обеспечивает формирование радиальных пучков диаметром до 3 мм с током пучка до 50 мА при ускоряющем напряжении 30 кВ, что делает возможным применение такого источника электронов при реализации электронно-лучевых технологий модификации и упрочнения внутренних поверхностей деталей. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4