Описание

На протяжении многих лет традиционным направлением в научно-исследовательской работы ФГУП ВЭИ является разработка квазистационарных электронно-лучевых пушек различного назначения: для плавки и сварки тугоплавких металлов и сплавов электронными пучками.

ВЭИ является пионером в области создания электронных пушек высоковольтного тлеющего разряда (ВТР). Достигнут уровень существенно опережающий мировой. ВЭИ владеет ноу-хау и является единственным в мире предприятием, многие  годы серийно выпускающим самые мощные газоразрядные электронные пушки, нашедшие применение на заводах России, Украины, Эстонии и Китая.

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.

В настоящее время разработанные пушки достигают мощности 600 кВт широко используются при производстве жаростойких металлов и сплавов, для чистового переплава тугоплавких металлов и сплавов включая молибден, ниобий, вольфрам.

Целесообразность создания современного оборудования и экологически чистых технологий на основе электронных пушек ВТР сегодня не  подвергается сомнению. Накопленный опыт разработки и эксплуатации пушек ВТР и установок на их основе позволяет уверенно говорить о возникновении и развитии в России нового оригинального направления в области электронно-лучевых технологий, связанного с созданием и применением принципиально новых мощных электронных пушек с холодным катодом.

Устройство

Электронные пушки предназначены для нагрева, плавления, испарения и модификации материалов в условиях технологических установок как высокого, так и низкого вакуума. Пушка работает от любого напряжения питания, 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.

Здесь: 1 - анодный узел, 2 - катодный узел, 3 - узел ввода высокого напряжения и охлаждения катода, 4 - датчик ионизационного манометра, 5 - штепсельный разъем системы управления электронным лучом.

Анодный узел 1 включает в себя охлаждаемый водой корпус анода, на котором смонтированы отклоняющая система, магнитная линза, датчик иониизационного манометра 4, измеряющего давление в пушке и штепсельный разъем 5 для подсоединения кабеля от блока управления электронным лучом к пушке. Магнитная линза и отклоняющая система закрыты защитным кожухом.

Узел ввода высокого напряжения 3 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 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.

Особенности

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 (отношение тока электронного потока к ускоряющему (анодному) напряжению в степени 3/2) 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.

Технические характеристики

Представлены технические характеристики электронной пушки ВТР 200-300/25.

Номинальное напряжение 250 кВт
Максимальная мощность 300 кВт
Пределы регулирования мощности 0-300 кВт
Номинальный ток 8.5-10 А
Максимальный ток 12 А
Номинальное напряжение 25 кВ
Максимальное напряжение 30 кВ
Угол отклонения электронного луча от оси пушки 25°
Максимально допустимое давление в технологической камере  0.02 мм рт.ст.
Габаритные размеры 192х145 мм
Вес 29 кг
Рабочий газ технический водород
Максимальный расход рабочего газа 30 л ат/час
Расход охлаждающей воды не более 0,5 л/сек

Применение

  • Литейная печь ВДЛ-1 мощностью 150 кВт разработки ВИАМ для производства отливок из титановых сплавов. 
  • Плавильные электронно-лучевые печи ЕМО – 250 номинальной мощностью 250 кВт каждая разработки фирмы von ARDENNE ANLAGEN TECHNIK (ФРГ) для производства слитков ниобия.
  • Плавильные электронно-лучевые печи для производства слитков ванадия типа С-462М, С-2508 и С-3144.
  • Электронно-лучевая печь ЭЛУТО – ВТР для переплава титановых отходов в слитки-электроды для литейных дуговых печей.
  • Специализированные электронно-лучевые установки с горизонтальным кристаллизатором типа П-1056 созданные в период 2001-2003 г. усилиями ФГУП «ГИРЕДМЕТ», ВЭИ и НИИ «Изотерм» (г. Брянск) для производства ниобия.