Конструкции электронных пушек

Электронные пушки с катодом прямого накала в основном применяются для сварки, пайки, резки и термообработки малогабаритных изделий. Мощность источников питания таких пушек обычно не превышает 10—15 кВт. На рисунке 2.22 показана конструкция электронной пушки ЭЛА-50/5М с источником питания мощностью 5 кВт.

Блок катода 1 с помощью экрана-гайки 2 закрепляется на нижнем торце высоковольтного изолятора. Верхний торец изолятора спаивается с герметизирующим фланцем, который присоединяется к корпусу откидывающейся части электронной пушки.

Внутри откидывающейся части электронной пушки образуется герметичная полость, которая заполняется жидким диэлектриком. Сверху полость закрывается резиновой мембраной 3, которая лежит на перфорированном диске 4. Полость сообщается с атмосферой через отверстия в винтах верхней крышки 5, что не препятствует расширению масла при его нагреве или высоковольтном пробое в ее объеме. Это конструктивное решение предохраняет высоковольтный изолятор от разрушения.

Электропитание пушки осуществляется через высоковольтный кабель, распаянные проводники которого изолируются жидким диэлектриком. Анод пушки 6 находится под потенциалом земли и крепится непосредственно к корпусу.

Для обеспечения электрической безопасности в пушку встроена блокировка питания, которая срабатывает при откидывании головной части. В пушку встроен теплообменник, по которому можно подавать воду для дополнительного охлаждения посадочного места катодного узла. Подвод и слив воды осуществляется через два штуцера, ввернутых в корпус.

Ленточный катод К, изготовленный из вольфрамовой или танталовой фольги толщиной 50 мкм, зажимается винтами в катододержателях, к которым подводится питание накала. Управляющий электрод УЭ навинчивается на катодный узел У. Сменные кольца позволяют регулировать расстояние между катодом и управляющим электродом.

Объем пушки отсекается при напуске атмосферного воздуха в объем рабочей камеры с помощью отсечного клапана, расположенного за анодом. Шток 7 перемещает крышку 8, для прижима которой к уплотнению установлен специальный механизм. Герметизация механического ввода обеспечивается уплотняющим кольцом 9.

Под электронной пушкой находится блок юстировки 10, который позволяет устранять возможные отклонения электронного луча относительно оптической оси фокусирующей линзы, расположенной внизу. При отсутствии юстировки фокусировка луча вызывает перемещение пучка по поверхности изделия. Основным элементом юстирующей системы является тороидальная секционированная катушка, состоящая из двух обмоток, отклоняющих электронный луч по взаимно перпендикулярным направлениям.

Рис. 2.22. Конструкция электронной пушки ЭЛА-50/5М:

• 1 — катодный узел; 2 — экран-гайка; 3 — резиновая мембрана;
• 4 — перфорированный диск; 5 — верхняя крышка; б — анод пушки; 7 — шток; 8 — крышка; 9 — уплотняющее кольцо; 10 — блок юстировки; 11 —узел зеркал; 12 —узел защиты; 13 —линза, форсирующая электронный луч;
• 14 — отклоняющая система; К — ленточный катод; УЭ —управляющий

электрод

Ниже юстирующего блока находится оптический блок, который имеет две ветви: наблюдения и подсветки. В ветви наблюдения формируется увеличенное место сварки. Через ветвь подсветки световым пучком освещается место сварки. Наблюдение через оптический блок позволяет проводить технологический процесс в местах, недоступных для наблюдения через смотровое окно камеры. В состав блока входят осветитель, два фотообъектива, оптическая головка микроскопа, узел зеркал 11 w узел защиты 12. Источником света в осветителе служит кварцевая лампа.

Фотообъектив формирует световой поток, который через защитное свинцовое стекло ТФ5 попадает на зеркало и далее на объект наблюдения. Свет, отраженный от объекта наблюдения, попадает на второе наклонное зеркало и от него в объектив.

Этот объектив формирует уменьшенное изображение объекта, наблюдение которого осуществляется с помощью оптической головки микроскопа. Головку можно перемещать вдоль оптической оси, обеспечивая при этом необходимую фокусировку.

Технические характеристики ЭЛА-50/5М приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Характеристики агрегата ЭЛА-50/5М

Защита зеркал от напыления осуществляется лавсановой пленкой толщиной 20—100 мкм. Влияние на качество изображения она практически не оказывает, обеспечивая наблюдение в условиях интенсивного напыления продуктами испарения. В этом случае по мере ухудшения видимости места сварки пленку необходимо заменять, прокручивая ее перед зеркалом. Узел защиты смонтирован на отдельном фланце и извлекается из колонны без ее разбора. Защита от рентгеновского излучения обеспечивается наличием свинцовых стекол в ветвях осветителя и наблюдения.

Линза 13 фокусирует электронный луч. Обмотка фокусирующей линзы находится на каркасе, состоящем из двух магнитомягких дисков и немагнитной вставки, спаянных магнитомягким припоем. Внутренняя поверхность каркаса под обмоткой изолирована лаком. Наружная часть магнитопровода выполняет функцию биологической защиты от рентгеновского излучения. Внутренняя поверхность линзы защищена от паров и брызг обрабатываемого материала экраном.

Отклоняющая система 14 перемещает электронный луч по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Отклоняющая система состоит из двух катушек, расположенных одна под другой. Фланец, на котором закреплены катушки, может вращаться на 90 градусов вокруг своей оси. Это вращение осуществляется снаружи блока с помощью зубчатой передачи и позволяет изменить направление отклонения электронного пучка относительно координатного стола. Отклоняющая система защищена экраном от воздействия теплового излучения и продуктов испарения, сопутствующих сварке. Экран состоит из двух дисков, закрепленных на фланце.

Электронные пушки с катодом косвенного подогрева применяются для сварки деталей больших и средних толщин, плавки и рафинирования различных материалов. Мощность электронного пучка в них может достигать 100 кВт.

В качестве примера можно рассмотреть конструкцию пушки ЭЛА-15 класса 60 кВ, которая приведена на рис. 2.23.

Конструктивно катодный узел электронной пушки с системой изолирования составляют катодный блок, а анодный узел вместе с системами фокусировки и отклонения — анодный блок. Эти блоки охлаждаются отдельно и являются разъемными элементами электронной пушки. При этом обеспечивается доступ к катодному узлу для замены быстроизнашивающихся частей: катода К и подогревателя П.

Термокатод К имеет вид таблетки из гексаборида лантана LaB₆ толщиной 1,5 мм и диаметром 4,7 или 6 мм, фиксируемого в держателе Д из молибдена. Подогрев катода осуществляется электронной бомбардировкой. Источником свободных электронов является вольфрамовая спираль подогревателя П с диаметром проволоки 0,3 мм. Соосно с катодом расположен управляющий электрод УЭ.

Система изолирования включает в себя высоковольтный металлокерамический или металлостеклянный изолятор 7, который является одновременно несущим элементом для катодного узла 2 и герметичным узлом масляной изоляции 3 высоковольтного ввода питания.

Шероховатость поверхности анода 4, обращенной к катодному узлу, не должна превышать 0,63 мкм, в противном случае резко повышается частота пробоев в межэлектродном промежутке пушки.

Система охлаждения 5 служит для отвода тепла, выделяющегося в катодном блоке при подогреве катода, на аноде и лучепроводе из-за оседания части электронного потока, и на нижнем фланце электронной пушки из-за воздействия излучения и паров из сварочной ванны. В качестве охладителя используется вода.

Фокусирующая магнитная линза б и отклоняющая система 7, расположенные в нижней части пушки, выполнены с общим контуром водяного охлаждения.

Технические характеристики пушек типа ЭЛА-15, ЭЛА-30, ЭЛА-60/60 и ЭЛА-60/60Б приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3

Характеристики электронных пушек ЭЛА-15, ЭЛА-30, ЭЛА-60/60

Особый класс технологических установок представляю!' электроннолучевые испарители. Эти установки предназначены для нанесения проводящих, полупроводниковых и диэлектрических (керамических) покрытий.

Рис. 2.23. Конструкция электронной пушки ЭЛА-15.

• 1 — высоковольтный металлокерамический или металлостеклянный изолятор; 2 — катодный узел; 3 — узел масляной изоляции высоковольтного ввода питания; 4 — анод; 5 — система охлаждения; б — фокусирующая магнитная линза;
• 7 — отклоняющая система

в вакууме методом термического электронно-лучевого испарения. Скорость нанесения покрытий при этом может достигать 1 мкм/мин.

Схема электронно-лучевого испарителя приведена на рис. 2.24. Катод, выполненный в виде цилиндрической спирали, показанной на рисунке 2.25, эмитирует свободные электроны, которые фокусируются полем формирующего электрода и ускоряются полем анода. Ленточный электронный пучок попадает в поле магнитной системы, осуществляющей разворот пучка на 270°. Схема с разворотом пучка обеспечивает защиту катода от разрушения ионной бомбардировкой. Испаряемый материал помещается в медный водоохлаждаемый тигель. Изделие, на которое наносится покрытие, устанавливается над тиглем. Для измерения толщины покрытия применяются датчики типа кварцевых микровесов, которые устанавливаются в плоскости изделия.

Рис. 2.25. Электронная пушка испарителя:

К — катод, А — анод, ФЭ — формирующий электрод; ЭП — электронный пучок