申请/专利权人：帕顿涡轮技术有限责任公司

申请日：2017-06-09

公开（公告）日：2021-02-23

公开（公告）号：CN109791865B

主分类号：H01J37/065(20060101)

分类号：H01J37/065(20060101);H01J1/18(20060101)

优先权：["20160907 UA a201609313"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.02.23#授权;2019.06.14#实质审查的生效;2019.05.21#公开

摘要：一种轴向电子枪包括主要阴极13和次要阴极20，其特征在于，为了保持次要阴极20相对于轴向枪的电子束轴的稳定位置，使用一个成形的支架21，由多晶钨丝制成，并且在阴极之间施加脉动电压以轰击该阴极带电子的次要阴极。

主权项：1.一种轴向电子枪，包括主要阴极、次要阴极、加速阳极、束引导、聚焦线圈、偏转系统、供电系统和真空系统，其特征在于，还包括具有平面规则三角形、四边形、五边形或六边形的形式的多晶钨丝制成的次要阴极的图形形状的夹持器，并且其被放置在阴极的圆柱侧表面上的环形沟槽中且其顶点紧靠聚焦电极的环形沟槽。

全文数据：轴向电子枪技术领域本发明属于新的材料和涂层的制作领域，并且涉及电子束技术的设备，特别是被设计成用于真空或反应气体氛围中的材料的电子束加热、熔化和蒸发的电子枪。背景技术具有线性热阴极的电子枪是已知的，特别是在乌克兰发明专利No.21440AB.A.Movchan、V.A.Timashov、Ye.L.Piyuk、No.43927B.A.Movchan、O.Ya.Gavrilyuk、No.93182V.A.Timashov、O.L.Zhdanov、S.I.Ryabenko、A.A.Tsepkalov、S.Berns和其他发明专利中所描述的那些电子枪。其结构的特征在于束引导、加速阳极以及包括安放或阴极板、绝缘体、阴极夹持器和聚焦电极的阴极套件。聚焦电极与线性热阴极被同轴放置，并且是这些电子枪被命名为轴向枪的原因。此外，轴向电子枪被广泛地使用在基于ZrO2、Gd2O3或具有热绝缘属性的其他氧化物的陶瓷材料在燃气轮机的涡轮叶片上的电子束沉积处理。大规模生产数量中的新的材料和涂层的制作假定获得具有均匀的物理和机械属性以及完全相同的性能的最终产品。只有当电子枪在其服务寿命的相当长的时间内保持技术处理参数不变时，才能符合这些要求。当前，通过使用由单晶钨制成的阴极可以确保具有已知设计的电子枪的稳定操作，其中晶体生长轴关于阴极的工作表面精确对准。这导致枪本身以及利用这样的枪制作的产品的高成本。如果应用由更加便宜的多晶钨制成的阴极，则将会出现一些问题。在高温的效应下，阴极改变其形状，这导致其移位离开枪的电子光学系统中的原始位置，并且导致电子束的聚焦和定位的改变。由于这些效应，电子束可能会击中束引导的内部部件从而导致其随后熔化，并且导致枪的加速阳极的闪光flashing。轴向电子枪的参数稳定性和操作可靠性于是显著退化。因此，具有多晶钨的线性热阴极的电子枪的已知设计的一般缺陷是其操作的低稳定性，这是由于阴极的高温形变所导致的电子束的失准，并且因此导致其关于电子枪的光轴的位置改变。因此，所公开的本发明的目的是通过确保其参数的稳定性而改进电子枪的操作的可靠性。V.A.Timashov和转让给UnitedTechnologiesCorporation的美国专利No.08159118的共同作者所设计的轴向电子枪已被选择为原型。发明内容所公开的本发明的技术任务是在使用多晶钨的辅助阴极的情况下在轴向电子枪的较宽操作电压范围内确保稳定的电子束。本发明公开了一种电子枪，其特别包括主要阴极和次要阴极，并且特征在于这样一种设计，其中使用图形形状figure-shpaed的夹持器保持次要阴极相对于轴向枪的电子束轴的稳定位置，并且对于次要阴极的电子轰击在两个阴极之间施加脉冲电压。轴向电子枪图1由束引导1构成，所述束引导1包括偏转系统2和用于与加速阳极3的水冷却的主体联结的凸缘，所述加速阳极3包含聚焦线圈4和可替换阳极5。阴极板7通过三个高压绝缘体6被安放在加速阳极3上，并且阴极套件8被安放在阴极板7上。阴极套件图2表示两条电流引线11通过两个平面陶瓷绝缘体10与之附着的主体9，于是主要钨丝阴极13受到热屏蔽14的保护，并且主要聚焦电极15利用夹箝12被安放在电流引线11上。次要主聚焦电极19也通过耦合螺母16、热屏蔽17和夹箝18被固定在主体9上。次要主阴极20在其圆柱侧表面上具有环形沟槽，并且利用图形形状的夹持器被安放在次要聚焦电极19和夹箝18之间，所述夹持器21由钨丝制成并且被定形成平面规则三角形图3a、四边形图4b、五边形图3c或六边形图3d。该夹持器21确保将次要阴极20的位置居中并且固定在次要聚焦电极19的孔洞的沟槽中。在美国专利No.08159118中所描述的原型电子枪中，次要阴极利用圆环被安放在聚焦电极和夹箝之间图4。在转让给WestinghouseElectricCorporation的美国专利No.3556600中所描述的轴向电子枪和类似的设备是已知的。在这些设备中，次要阴极利用三个细钨扭力杆torsion被固定，所述扭力杆具有直径达到1mm的杆条的形式，并且关于彼此以120°的角度被安装在阴极的外部侧表面上的相应孔洞中。通过用具有平面规则三角形、四边形、五边形或六边形的形式的图形形状的居中夹持器来替换具有圆形居中环的阴极或者具有扭力杆的阴极，所规定的技术任务得到了解决。次要阴极在圆柱侧表面上具有环形沟槽。聚焦电极也具有阴极的安放板的相应深度和直径的沟槽。图形形状的夹持器被放置在阴极的沟槽上，随后带有夹持器的阴极被放置在聚焦电极的沟槽中，并且在其中通过附加的夹箝被固定图6。对于特定形状的夹持器的选择取决于次要阴极和聚焦电极的直径比。在加热时，多晶的次要阴极发生形变。但是夹持器的面face开始作为弹簧工作，从而补偿阴极形状的改变并且保持阴极相对于轴向枪的电子束轴的位置图7。作者所实施的研究已表明，新的图形形状的夹持器补偿由于热膨胀和热收缩所导致的钨阴极尺寸的改变。这种技术解决方案允许成功地应用通过粉末压制成形powderpressing的方法制作出的更加便宜的钨阴极。当使用具有环形沟槽和被定形成环的固定电极的次要阴极时图4，由于作为阴极的形变的结果而发生的电子束聚焦的丢失，已经观察到生产过程的频繁中断。于是在某些情况下，阴极会掉出并且将HV电源短路，从而导致技术处理的完全停止，甚至使用备用枪也是不可能的。其结果是，安装在处理腔室内部的所有部件都必须被导向再处理移除并且重新施加涂层。此外，在陶瓷涂层的蒸发处理结束时，观察到被定形成环的固定夹持器和环形沟槽的区域中的次要阴极之间的间隙的污染的乱真效应spuriouseffect。这一效应是由于工作腔室沉积腔室与具有枪的腔室之间的残余氧气压力的差异而造成的。通常来说，耐热陶瓷在室温下是电介质。为此原因，环形夹持器与次要阴极之间的相对均匀的间隙中的电介质层的形成导致这样的情况，即当轴向枪被关断并且完全冷却之后，对于该电介质层的破坏以及次要阴极上的额定电位-20kV的复原需要很长一段时间。当使用通过三个扭力杆固定的次要阴极时图5，由于阴极和扭力杆本身的形变所导致的电子束聚焦的中断在电子枪的简短操作之后发生。于是这些形变伴随有阴极相对于电子枪的光轴的位置的改变。由于聚焦的中断，击中加速阳极的电子数目增加，并且导致加速电压的频繁放电。于是陶瓷锭的蒸发速率显著降低，并且陶瓷涂层在部件上的沉积时间增加。当次要阴极通过环形沟槽和平面规则三角形的夹持器被固定时图6，对于阴极的整个估计服务寿命实现了轴向电子枪的操作稳定性的显著改进。直到枪的估计服务寿命的末尾，由于阴极的物理退化，已经观察到电子束聚焦的一定退化。但是聚焦以及加速电压的放电的频率仍然保持在可接受的限制内。通过使用平面规则三角形的夹持器允许夹持器与阴极之间的间隙的几何减小。其结果是，实现了间隙上的涂层沉积的乱真效应的显著减少，并且与圆形的夹持器相比，用于在轴向电子枪的完全冷却之后进入到标称模式之前移除电介质乱真层的时间损失也被显著减少。针对夹持器形状的优化的进一步研究已得出结论，规则形状四边形、五边形或六边形的阴极夹持器的应用还确保阴极的服务寿命不少于100小时。于是电子枪的故障概率在所有情况下不超出百分之10。已经确定对于四边形、五边形或六边形夹持器形状，在夹持器形状与轴向枪的故障概率之间缺少明显的相关性完全是由于钨丝的质量和夹持器制作的可制造性。在这种情况下，在制作平面规则几何形状三角形、四边形、五边形或六边形的夹持器时，术语“可制造性”涉及确保具有规定直径的钨丝发生规定角度的弯曲而不会形成表面开裂的装备能力。实验还确定了以下内容。取决于其直径并且因此是取决于其质量，次要阴极的夹持器存在最优形状。在实践中还确定并表明，不管是在开始处理时还是在陶瓷材料的密集蒸发的稳态处理阶段，在“夹持器形状-轴向电子枪的操作可靠性”关系方面，并且考虑到在枪腔室中的不超出0.67Pa5x10-3Torr的残余氧气压力下的夹持器与次要阴极之间的间隙中的陶瓷层的乱真沉积的数量，阴极直径和夹持器形状的最有效的组合为如下：对于8-10mm的阴极直径是三角形；对于10-14mm的阴极直径是三角形或四边形；对于14-16mm的阴极直径是四边形；对于16-18mm的阴极直径时五边形；对于18mm和更大的阴极直径是六边形。对于次要阴极的电子轰击通常使用稳定化的恒定电压。但是由于主要阴极13与次要阴极20之间的小间距以及不足够的真空水平，在两个阴极之间可能会发生自发离子-等离子体放电。这些放电将导致次要阴极的不受控制的加热以及电子枪束电流的不受控制的升高。为了防止这一过程，我们提出对于次要阴极20的电子轰击应用脉冲电压。这一电压将熄灭新发起的等离子体电弧放电，并且将防止轴向电子枪内的不受控制的过程，并且电子枪的操作将更加稳定。由于次要阴极20的相对较大的质量，脉冲轰击电压不会导致其温度的相应脉冲改变，因此轴向电子枪的束电流的脉冲将不会发生。附图说明参照附图将会更好地理解所公开的本发明，但是本发明不受附图限制，其中附图示出以下内容：图1示出了轴向电子枪的主要结构单元的垂直剖面。图2示出了阴极套件的结构的垂直剖面。图3a-d示出了被定形成平面规则多边形的夹持器相对于次要阴极的位置。图4示出了利用O形环的次要阴极的安装轮廓的垂直和水平剖面。图5示出了利用扭力杆夹持器的次要阴极的安装轮廓的垂直和水平剖面。图6示出了利用被定形成平面规则三角形的安装轮廓的次要阴极的垂直和水平剖面。图7示出了利用被定形成平面规则三角形的夹持器来补偿次要阴极的高温形变。图8示出了轴向电子枪的运行时间与次要阴极的紧固方法之间的关系图。具体实施方式包括阴极套件图2的轴向电子枪图1如下操作。4-10VAC的交变电压被施加到电流引线11，从而使得处于20到80A范围内的加热电流流经主要钨丝阴极13并且将其加热。处于-0.5到-2.5kV范围内的轰击电压被施加在主要阴极13与次要阴极20之间。从主要阴极发出的电子轰击次要阴极并且将其加热到大约2800℃的温度。次要阴极20的加热强度取决于主要阴极13的加热电流和轰击电压。处于18-30kV范围内的加速电压被施加在通过被定形成平面规则多边形的夹持器而固定的次要阴极20与阳极5之间。在这一电压的效应下，电子离开阴极20，被聚焦电极15聚焦，并且经过加速阳极5中的孔洞行进到轴向电子枪1的束引导。以这样的方式形成的电子束被聚焦线圈4附加地聚焦，并且被偏转系统2偏转在适当的方向上。偏转系统还实施电子束的扫描。这样，通过改变主要阴极13的加热电流的数值，有可能控制次要阴极20的轰击电流还有枪束电流的数值。工业适用性图8示出了以小时计的轴向电子枪的运行时间与次要阴极的紧固方法之间的关系图。1、通过被定形成环的夹持器的阴极紧固。2、通过三个分开的扭力杆的阴极紧固。3、通过所公开的规则三角形的夹持器的阴极紧固。所给出的图示出所公开的技术解决方案确保操作在正常模式下的轴向电子枪的工作持续时间与原型相比增加三倍和更多，并且与通过扭力杆紧固次要阴极相比增加大约1.5倍。权利要求书按照条约第19条的修改1.一种轴向电子枪，包括主要阴极、次要阴极、加速阳极、束引导、聚焦线圈、偏转系统、供电系统和真空系统，其特征在于，具有平面规则三角形、四边形、五边形或六边形的形式的由多晶钨丝制成的图形形状的夹持器被使用并且被放置在阴极的圆柱侧表面上的环形沟槽中。2.根据权利要求1所述的轴向电子枪，其中，对于次要阴极的电子轰击，在次要阴极与主要阴极之间施加脉冲电压。

权利要求：1.一种轴向电子枪，包括主要阴极、次要阴极、加速阳极、束引导、聚焦线圈、偏转系统、供电系统和真空系统，其特征在于，具有平面规则三角形、四边形、五边形或六边形的形式的由多晶钨丝制成的图形形状的夹持器被用于保持次要阴极相对于轴向枪的电子束轴的稳定位置，并且被放置在阴极的圆柱侧表面上的环形沟槽中。2.根据权利要求1所述的轴向电子枪，其中，对于次要阴极的电子轰击，在次要阴极与主要阴极之间施加确保在其发起时刻熄灭两个阴极之间的离子-等离子体放电的脉冲电压。

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