Электронная пушка высоковольтного тлеющего разряда

Метод использования высоковольтного тлеющего разряда для создания электронных пушек с холодным катодом известен уже более трех десятилетий. В России исследования в этом направлении были начаты во Всесоюзном электротехническом институте еще в 1963 году, первые научные публикации появились в 1970 г.

Сегодня институт, являясь пионером в области создания электронных пушек высоковольтного тлеющего разряда (ВТР), является единственным в мире предприятием, серийно их выпускающим. Мощные газоразрядные электронные пушки нашли применение на заводах России, Украины и Эстонии.

Обладая серьезными преимуществами – простотой изготовления, надежностью и большим эксплуатационным ресурсом (особенно в тяжелых вакуумных условиях), пушки ВТР позволяют, с одной стороны, реализовать технологии, недоступные для традиционных электронных пушек и вакуумной дуги, с другой – резко снизить расходы при создании и эксплуатации любых электронно-лучевых установок.



Устройство электронной пушки

Электронная пушки ВТР 200‑300/25 предназначена для нагрева, плавления, испарения и модификации материалов в условиях технологических установок как высокого, так и низкого вакуума. Пушка работает от любого источника напряжения. Источников питания накала при этом не требуется. Регулирование мощности обеспечивается в пределах от 0 до 300 кВт изменением подачи рабочего газа – технического водорода или изменением величины питающего напряжения.

Возможно применение и других газов: воздуха, азота, кислорода, инертных газов. Но максимальная мощность при этом может снизиться более чем в 2 раза.

Пушка обеспечивает стабильную работу любой установки при вакууме в технологической камере не хуже 0,02 мм. рт. ст. в среде любого газа и без промежуточной откачки.

Возможные применения: замена термоэлектронных пушек на существующих и вновь создаваемых технологических электронно-лучевых установках для нагрева, плавления, испарения и модификации материалов, особенно в тяжелых вакуумных условиях и агрессивных средах.

В состав устройства электронной пушки входят анодный узел, катодный узел, узел ввода высокого напряжения и охлаждения катода, датчик ионизационного манометра и штепсельный разъем системы управления электронным лучом.

Анодный узел включает в себя охлаждаемый водой корпус анода, на котором смонтированы отклоняющая система, магнитная линза, датчик ионизационного манометра, измеряющего давление в пушке, и штепсельный разъем для подсоединения кабеля от блока управления электронным лучом к пушке. Магнитная линза и отклоняющая система закрыты защитным кожухом.

Узел ввода высокого напряжения содержит кабельный высоковольтный разъем и «водяной реостат» для безопасного охлаждения катода, находящегося под высоким потенциалом.



Принцип действия

При повышении рабочего давления в пушке до уровня 0,01‑0,1 мм рт. ст. и при приложении высокого напряжения (1‑30 кВ) между катодом и анодом в разрядном пространстве пушки в среде рабочего газа развивается высоковольтный тлеющий разряд.

Для этого типа разряда характерно наличие в разрядном пространстве двух примыкающих друг к другу областей: области плазмы, заполняющей полость анода, и области катодного падения потенциала между рабочей (вогнутой) частью поверхности катода и плазмой. В области катодного падения сосредоточено практически все напряжение разряда.

Вытягиваемые электрическим полем катодного падения с границы плазмы положительные ионы, двигаясь к катоду, претерпевают многократную перезарядку, в результате чего поверхность катода бомбардируется потоком ионов и быстрых нейтральных частиц (атомов и молекул), вызывающих эмиссию электронов и, к сожалению, нагрев катода. Электроны, ускоряясь в области катодного падения, формируются в сходящийся электронный луч, ионизуя при этом рабочий газ в разрядном пространстве и обеспечивая этим существование плазмы и дополнительного потока ионов в сторону катода. Электронный луч выводится из разрядного пространства в технологическую камеру через анодное отверстие, попадая по дороге в магнитные поля магнитной линзы и отклоняющей системы, с помощью которых осуществляется его фокусировка, развертка и перемещение на мишени.



Технические характеристики

Эмиссия катода электронной пушки ВТР зависит от рабочего давления и напряжения на электродах и не подчиняется закону ограничения тока пространственным зарядом электронов, то есть первеанс такой пушки не является постоянной величиной. При высоких напряжениях (более 20 кВ) эмиссионная способность электронной пушки ВТР существенно опережает возможности традиционных электронных пушек с накаленным катодом.

С точки зрения затрат энергии на создание электронного луча эмиссионную способность электронной пушки ВТР характеризует также величина доли тепловой мощности, выделяемой на катоде вследствие бомбардировки ионами и нейтралами.

Эта величина, как показали многочисленные эксперименты на электронных пушках ВТР различных конструкций, зависит от материала катода, рабочего газа и напряжения на электродах.

Особенностью мощных электронных пушек ВТР является наличие протока рабочего газа, обеспечивающего необходимое для поддержания разряда давление в разрядном пространстве пушки. Из‑за сильной зависимости параметров разряда от давления газа последнее должно поддерживаться строго определенным, чтобы уменьшить или исключить влияние на электрические характеристики электронного луча непрерывно меняющихся вакуумных условий в технологической камере.

В отличие от термоэлектронной пушки для пушки ВТР характерно постоянство давления в разрядном пространстве с ростом давления в технологической камере до некоторой критической величины, зависящей от условий истечения рабочего газа через отверстие для вывода электронного луча в технологическую камеру.

Независимость давления в разрядном пространстве пушки ВТР от давления в технологической камере объясняется существованием в анодном отверстии потока рабочего газа со скоростью равной скорости звука, поэтому возмущения давления, распространяющиеся, как известно, в газовой среде со скоростью звука, не могут пройти против этого потока в полость анода и воздействовать на давление в разрядном пространстве.

Электронные пушки ВТР, несмотря на отсутствие собственной системы откачки, обладают существенным, по сравнению с традиционными пушками запасом устойчивости против воздействия газовыделения со стороны технологической камеры.



Энергоблок на основе электронной пушки

Для обеспечения работы электронной пушки ВТР необходим ряд систем, обеспечивающих электропитание, охлаждение и откачку пушки, а также подачу рабочего газа и измерение параметров пушки во время работы.

Кроме того, необходимы управление электронным лучом, блокировка высокого напряжения при различных аварийных и нерасчетных режимах.

Система электропитания может быть собрана по любой из известных схем регулируемого или нерегулируемого выпрямителя с максимальной защитой и кратностью тока короткого замыкания не более 2‑3. Наличие газоразрядного промежутка в пушке влечет за собой, с одной стороны, существенно большую частоту пробоев (обычно – один в 0,1‑1 мин.), с другой стороны, из‑за малого времени восстановления электрической прочности при отключении источника питания позволяет резко уменьшить длительность паузы при автоматическом повторном включении (до 0,1‑1 мс).

При использовании источника питания с тиристорным контактором оптимальное время паузы при автоматическом повторном включении составляет 5‑10 мсек, при этом длительность режима короткого замыкания обычно не превышает 35 мсек. Даже при частости пробоев один в 1 мин. снижение средней мощности пушки при ведении технологического процесса не превышает 1%.

Существенно нелинейная вольт-амперная характеристика пушки позволяет полностью избежать проблемы перенапряжений источника питания при переходных режимах.

Система управления электронным лучом электронной пушки ВТР 200‑300/25 ничем не отличается от традиционных систем с одной магнитной линзой и отклоняющей системой, за исключением неэлектрического способа регулирования мощности электронного луча изменением расхода рабочего газа через разрядное пространство пушки.

Конструкция отклоняющей системы позволяет работать на частотах развертки до 500 Гц.

Система подачи рабочего газа очень проста и обычно состоит из источника рабочего газа (генератора газа или баллона), подсоединенного к пушке через редуктор и дозирующий вентиль, с помощью которого осуществляется установка и регулирование рабочих режимов пушки. Практика эксплуатации плавильных установок с бустерными насосами показывает, что доля потока рабочего газа пушки в общем потоке откачиваемого из технологической камеры газа редко превышает 10%.

Тепловыделение на электродах пушки при максимальных и неблагоприятных режимах может достигать 10‑15 кВт, что требует интенсивного принудительного водяного охлаждения как катода, так и анода.

При работе электронно-лучевой установки с пушкой ВТР измерениям подлежат: ток разряда, ускоряющее напряжение, предельный и рабочий вакуум пушки, а также предельный и рабочий вакуум в технологической камере. Для измерения тока и напряжения пушки могут использоваться любые электроизмерительные методы и приборы; при этом желательно использовать и самописцы – это позволяет более достоверно оценивать состояние пушки, особенно после аварийных или нестандартных ситуаций.



Опыт эксплуатации

В настоящее время в России произведено более 200 электронных пушек ВТР. Накоплен опыт эксплуатации пушек этого типа при переплаве реакционных металлов и их отходов – на уровне мощности до 300 кВт, а также опыт применения в установках высокопроизводительного (до 20 мкм/мин) напыления алюминиевых контактных покрытий на кремний при производстве силовых полупроводниковых приборов – на уровне мощности до 60 кВт.

Сегодня находятся в промышленной эксплуатации 18 электронных пушек на девяти плавильных и одной напылительной электроннолучевой установках.

Применение электронных пушек ВТР в плавильных установках позволяет повысить производительность этих установок, по сравнению с термоэлектронными пушками, не менее чем в 2 разапаряющихся материалов и т.п.

НИЦ «Энергия», Владлен ЧЕРНОВ

Источник: http://www.eprussia.ru