一種600kw氣體放電電子槍及其使用方法
【專利摘要】一種600kw的氣體放電電子槍，包括有上部的槍罩、中部的槍體和底部的槍底座；槍體中具有一電子槍芯及陽極；陽極下方是聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)掃描線圈，并配設(shè)聚焦磁透鏡；所述電子槍槍芯、陽極、聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)掃描線圈均配設(shè)冷卻水路；冷陰極筒內(nèi)置有由單體陰極塊構(gòu)成的電子槍芯，該電子槍芯通過一根電纜外接控制系統(tǒng)，在電子槍芯與陽極的周圍形成一個密閉氣室；配設(shè)一開環(huán)控制的充氣系統(tǒng),該充氣系統(tǒng)可向密閉氣室中充入氫氣和氧氣。其能夠大大降低制造和使用成本，操作簡單，工作強度低且工作效率高。
【專利說明】—種600kw氣體放電電子槍及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電子束熔煉爐電子槍，尤指一種通過輝光放電原理而引束的最大功率可達600kw氣體放電電子槍及使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電子槍是加速電子轟擊靶材的一種裝置，它發(fā)射出具有一定能量、一定束流以及速度和角度的電子束，該電子束通過電子光路系統(tǒng)的聚焦、偏轉(zhuǎn)和掃描后形成預(yù)先設(shè)定的圖形。大功率的電子槍多用于熔煉設(shè)備，主要用于W、Mo、Ta、Nb等難熔金屬以及光伏產(chǎn)業(yè)的多晶硅除磷的提純中。
[0003]傳統(tǒng)的電子束熔煉用電子槍均是采用熱陰極電子槍，其結(jié)構(gòu)構(gòu)成一般是:1.首先需要具有陰極、陽極和燈絲，為此需配設(shè)三根電控用電纜線及其相應(yīng)的控制系統(tǒng)；2.為保證高真空度，要單獨配置分子泵+旋片泵機組的兩套真空系統(tǒng)；3.真空室內(nèi)放置至少兩套聚焦磁透鏡及其聚焦磁透鏡線圈及偏轉(zhuǎn)掃描線圈，并均配裝冷卻水套。其工作原理和操作方法是:在槍室達到高真空狀態(tài)時，首先對電子槍燈絲加熱至某一溫度，然后通過對電子槍的陰極和燈絲之間加上一定的靜電場，致使燈絲上的電子溢出對電子槍的陰極加熱；同樣的道理，當(dāng)電子槍陰極被加熱至某一溫度時，在電子槍的陰極和陽極之間加以高壓靜電場，電子槍的槍芯就會引出熔煉需要的高能電子束，然后電子束通過電子光路系統(tǒng)控制管理后直接轟擊到物料上，進而完成對物料的熔煉。電子束的功率大小需要根據(jù)實際的熔煉情況進行調(diào)節(jié)，熱陰極電子槍功率的大小調(diào)節(jié)方法一般均是先調(diào)節(jié)主高壓，然后再調(diào)節(jié)副高壓，最后調(diào)節(jié)燈絲電流；或者前三者的調(diào)節(jié)順序互換，經(jīng)常要反復(fù)的調(diào)節(jié)這三個參數(shù)以滿足所需要功率大小的要求。
[0004]從熱陰極電子槍的工作原理功率的調(diào)節(jié)上即可看出，這種電子槍要正常工作需要以下幾項條件，一是高真空；二是需要燈絲電源、副高壓電源和主高壓電源；三是需要操作員工有較高的經(jīng)驗技術(shù)。以上三個基本的前提條件決定了電子槍系統(tǒng)需要配置高真空抽氣系統(tǒng)，燈絲變壓器、副高壓變壓器等電源系統(tǒng)等裝置設(shè)備以及較有經(jīng)驗的操作員工。因此，熱陰極電子槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求較高，配制輔助設(shè)備較多，對操作人員的技能、經(jīng)驗要求高，相應(yīng)的制造和使用成本較高。
[0005]隨著工業(yè)的快速發(fā)展，目前配置使用熱陰極電子槍的設(shè)備所生產(chǎn)的產(chǎn)品的競爭力有所下滑，針對這種狀況，本發(fā)明人一直在致力于研制和開發(fā)可節(jié)省制造和使用成本的體積較小的氣體放電冷陰極電子槍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種600kw氣體放電電子槍，其能夠大大降低制造和使用成本，操作簡單，工作強度低且工作效率高。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計方案:
[0008]—種600kw的氣體放電電子槍,包括有上部的槍罩、中部的槍體和底部的槍底座；中部的槍體中具有一電子槍芯及與槍芯一起工作而形成電子束的陽極；陽極下方是依次裝在槍底座上的聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)掃描線圈，并配設(shè)有聚焦磁透鏡；所述的電子槍槍芯、陽極、聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)掃描線圈均配設(shè)冷卻水路；
[0009]所述中部的槍體由一裝在槍罩下的大筒體及內(nèi)置于大筒體內(nèi)可形成輝光放電的冷陰極筒組合構(gòu)成，冷陰極筒內(nèi)置有陰極電子槍芯，該冷陰極電子槍芯由單體陰極塊構(gòu)成，該單體陰極塊通過一根電纜外接控制系統(tǒng)，在電子槍芯與陽極的周圍形成有一個密閉氣室；配設(shè)一開環(huán)控制的充氣系統(tǒng)，該充氣系統(tǒng)可向密閉氣室中充入氫氣和氧氣；在冷陰極筒上方裝有陰極塊的封閉冷卻水單元裝置和固定冷陰極電子槍芯的密封固定件。
[0010]所述600kw的氣體放電電子槍中，所述陽極的冷卻水路緊鄰該密閉氣室，在該冷卻水路中配設(shè)一可監(jiān)控該開環(huán)控制充氣系統(tǒng)的充氣量及其充氣比例的熱電偶。
[0011]所述600kw的氣體放電電子槍中，所述密閉氣室中通入的氫氣和氧氣中，氫氣至少為95%，其余為氧氣。
[0012]所述600kw的氣體放電電子槍中，保持冷陰極筒內(nèi)的環(huán)境壓力為0.1?15Pa。
[0013]所述600kw的氣體放電電子槍中，在聚焦和偏轉(zhuǎn)掃描線圈的中心為真空細(xì)筒，該真空細(xì)筒同時裝有可對聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)掃描線圈進行冷卻的水。
[0014]所述600kw的氣體放電電子槍中，在冷陰極筒的周圍裝有防放電的不銹鋼環(huán)。
[0015]所述600kw的氣體放電電子槍中，所述陰極塊的封閉冷卻水單元裝置是盤設(shè)在槍罩內(nèi)的若干圈冷卻水管。
[0016]所述600kw的氣體放電電子槍中，只配設(shè)一套聚焦磁透鏡及配套的一組聚焦磁透鏡線圈和偏轉(zhuǎn)掃描線圈。
[0017]所述600kw的氣體放電電子槍的聚焦磁透鏡線圈及偏轉(zhuǎn)掃描線圈均放在真空外，且加有水套。
[0018]本發(fā)明的另一目的是提供一種600kw氣體放電電子槍的使用方法，其在結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低的條件下最大的工作功率仍可達600kw,且能夠穩(wěn)定工作。
[0019]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計方案:
[0020]一種上述的600kw氣體放電電子槍的使用方法，是在600kw的氣體放電電子槍工作前，先通過氣體流量計對電子槍槍室(密閉氣室)進行充氫氣和氧氣，調(diào)整槍室的真空度控制在0.1?15Pa之間，掌握氫氣的含量在95%以上，在600kw的氣體放電電子槍工作中，當(dāng)槍室內(nèi)的溫度過高時，對槍室充入氧氣，降低槍室溫度達所要求(最高不超80°C )為止。
[0021]本發(fā)明600kw的氣體放電電子槍相對于目前國內(nèi)外的電子槍(熱陰極槍)來說具有極大的優(yōu)勢所在，其能夠大大降低制造和使用成本，操作簡單，解決了當(dāng)前電子槍在調(diào)節(jié)功率大小時操作繁冗復(fù)雜、工作強度大、工作效率低等弊端，從而大大提高了電子束熔煉爐的使用價值和使用范圍，對促進工業(yè)發(fā)展和提高工業(yè)水平能做出重要貢獻。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0023]1.能大大節(jié)省制造和使用成本；
[0024]2.結(jié)構(gòu)既簡單，操作又方便；
[0025]3.工作穩(wěn)定且使用成本較低；
[0026]4.相對熱陰極電子槍應(yīng)用范圍更廣(可在真空度較低的狀態(tài)下工作)；
[0027]5.由于只采用一套聚焦磁透鏡及配套的一組聚焦磁透鏡線圈和偏轉(zhuǎn)掃描線圈，所以體積小，增加了一臺電子束爐用多把電子槍的整體設(shè)計的可行性，節(jié)約能源，成本低廉。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明600kw的氣體放電電子槍結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖中:1_槍罩；2-水管；3_高壓絕緣瓷瓶；4_密封固定件；5_冷陰極筒；6_防放電的不銹鋼環(huán)；7_大筒體；8_充氣系統(tǒng)；9_陽極；10-熱電偶；11-聚焦線圈；12-偏轉(zhuǎn)掃描線圈；13_真空細(xì)筒；14_槍室。
【具體實施方式】
[0030]如圖1所示，本發(fā)明是通過輝光放電原理而引束的600kw氣體放電電子槍，其包括:最上端是槍罩1，槍罩I內(nèi)盤有多圈水管2 (作為陰極塊的封閉冷卻水單元裝置)，以增加水管電阻，在槍罩下裝有大筒體7，大筒體上裝有開環(huán)控制的充氣系統(tǒng)8，其主要是用來調(diào)整電子槍功率大小和調(diào)節(jié)槍室溫度。在大筒體上坐落有高壓絕緣瓷瓶3，大筒體內(nèi)裝有形成輝光放電的關(guān)鍵零件冷陰極筒5，在冷陰極筒5上裝有封閉冷卻水和固定冷陰極的密封固定件4，在密封固定件4上裝有一進一出兩根水管，該兩根水管與槍罩I內(nèi)盤有的多圈水管2形成循環(huán)的冷卻水回路，在冷陰極筒5的周圍裝有防放電的不銹鋼環(huán)6，在大筒體下裝有陽極9，該陽極9的頂部端與冷陰極筒5正對；陽極9上有單獨的冷卻用回水水路，在該回水水路上裝有測溫的熱電偶10以進一步對充氣量及其充氣比例進行控制，在高壓一定的情況下，為確保功率達到600kw，應(yīng)調(diào)整槍室真空度控制在0.1?15Pa之間，其中氫氣含量在95%以上，當(dāng)槍室內(nèi)的溫度過高時，對槍室充入適量氧氣，可以降低槍室溫度。陽極下方裝有聚焦線圈11，在聚焦線圈11下面裝有偏轉(zhuǎn)掃描線圈12，在聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)掃描線圈的中心置真空細(xì)筒。
[0031]所述的裝在電子光路真空細(xì)筒外的聚焦線圈11和偏轉(zhuǎn)掃描線圈12均設(shè)在真空室夕卜，由真空細(xì)筒內(nèi)的水來進行對線圈進行冷卻。
[0032]本發(fā)明的發(fā)明點在于:裝有開環(huán)控制充氣系統(tǒng)8，其是向冷陰極電子槍芯工作的密閉氣室14中輸入氫氣和氧氣，通過調(diào)整兩種氣體的充氣量和比例來控制電子槍的功率大小及穩(wěn)定性，根據(jù)輝光放電原理，在高壓一定的情況下，通過通入氣體的充其量和比例來調(diào)整電子槍的功率，此操作是開環(huán)控制，結(jié)合操作面板上顯示的功率大小和熔煉工藝要求來對兩種氣體的充其量以及比例進行調(diào)整，以滿足實際需求；在高壓一定的情況下，為確保功率達到600kw，應(yīng)調(diào)整槍室真空度控制在0.1?15Pa之間，當(dāng)槍室內(nèi)的溫度過高時，對槍室充入適量氧氣，以降低槍室溫度。
[0033]本發(fā)明的另一發(fā)明點在于:通入的兩種氣體的種類及使用方法。調(diào)整電子槍功率大小時通入的兩種氣體是氫氣和氧氣，其中氫氣的含量所占比例為95以上，氧氣用來調(diào)整電子槍的穩(wěn)定度和功率大小。
[0034]本發(fā)明的另一發(fā)明點在于:設(shè)計此電子槍可工作在0.1—15Pa的工作環(huán)境中。根據(jù)輝光放電原理和我們實際的試驗?zāi)M，得出電子槍可以在此范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。冷陰極電子槍的這種特性完全可以省掉原來在熱陰極電子槍上單獨配置的兩套分子泵+旋片泵機組真空系統(tǒng)，大大節(jié)約了制造成本和使用成本。電子槍在此壓力下工作，其內(nèi)部的壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于爐體的真空度(一般在5XE-3Pa左右)，因此爐體內(nèi)的揮發(fā)物在此壓力差下不會飛進電子槍內(nèi)，保證了電子槍槍室的潔凈度，從而保證了電子槍的不易放電等，確保了工作穩(wěn)定性。
[0035]本發(fā)明的另外一發(fā)明點在于:采用一套聚焦磁透鏡。與熱陰極電子槍相比，冷陰極電子槍的工作真空度較低，沒有必要采用熱陰極電子槍使用的兩套或者三套磁透鏡的方式，每把電子槍節(jié)約了至少一套磁透鏡和聚焦電源，且在電子槍上省去了觀察窗結(jié)構(gòu)，同時省掉了攝像機、液晶顯示屏和信號傳輸處理系統(tǒng)等，在此又一次大大降低了成本，操作也更加簡單、方便，外觀更加美觀。
[0036]本發(fā)明的另外一發(fā)明點在于:聚焦磁透鏡線圈偏轉(zhuǎn)掃描線圈放在真空外，且加有水套。避免了線圈在真空室內(nèi)高溫放氣，絕緣等級降低等弊端，延長了線圈的使用壽命。
[0037]本發(fā)明的又一發(fā)明點在于:冷陰極電子槍只有一個陰極塊，無燈絲陰極結(jié)構(gòu)。冷陰極槍的陰極塊可以用普通導(dǎo)電材料來做，避免了熱陰極槍的陰極塊只能使用貴金屬來制造的高成本使用方式，且發(fā)射電子源周圍的工作環(huán)境溫度會大大降低，對水冷密封要求大大降低，更容易實現(xiàn)密封要求。無燈絲結(jié)構(gòu)，從而省去了燈絲變壓器和副高壓變壓器及其相應(yīng)的控制系統(tǒng)，在此再一次大大節(jié)約了成本。
[0038]本發(fā)明的另外一發(fā)明點在于:只使用一根電纜線。由于冷陰極電子槍的原理的優(yōu)勢，在電子槍上只需要接一根電纜線，相比熱陰極電子槍需要三根電纜線(其中燈絲電流較大，所以所需的電纜需要的電纜線更粗)，電纜線的成本大大降低，工人的勞動強度也明顯下降。
[0039]本發(fā)明的另外一發(fā)明點在于:在陰極塊外裝有防放電環(huán)。防放電環(huán)外部采用合適的弧度和較好的光潔度，防放電環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，但防放電效果極其明顯，避免了未使用防放電環(huán)的情況下頻繁放電擊壞高壓瓷瓶的現(xiàn)象。
[0040]本發(fā)明的另外一發(fā)明點在于:陰極塊冷卻水管在槍罩內(nèi)的螺旋盤設(shè)的方式。冷陰極電子槍的陰極需要進行水冷，但冷陰極接的是五萬伏特的高壓，需要加長冷卻水管電阻，在槍罩內(nèi)裝有螺旋形多層水管，結(jié)構(gòu)緊湊，達到了美觀實用的目的。進線方式更加方便，減小了工人的勞動強度，更重要的是高壓放電現(xiàn)象因為槍罩的結(jié)構(gòu)改進而杜絕。
[0041]本發(fā)明利用輝光放電原理成功研制了功率為600kw的冷陰極電子槍。通過大量地嚴(yán)謹(jǐn)計算仿真試驗以及反復(fù)論證之后，根據(jù)輝光放電的工作原理對電子槍的電子發(fā)射系統(tǒng)(聚焦系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等進行設(shè)計，成功研制成了能夠穩(wěn)定工作在600kw功率能力的熔煉用冷陰極電子槍。大大降低了使用成本，使電子束爐這種昂貴的設(shè)備成本明顯降低，隨著成本的降低，其使用范圍也迅速擴大，對促進工業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展做出了重要貢獻。
[0042]上述各實施例可在不脫離本發(fā)明的范圍下加以若干變化，故以上的說明所包含及附圖中所示的結(jié)構(gòu)應(yīng)視為例示性，而非用以限制本發(fā)明的申請專利范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種600kw的氣體放電電子槍，包括有上部的槍罩、中部的槍體和底部的槍底座；中部的槍體中具有一電子槍芯及與槍芯一起工作而形成電子束的陽極；陽極下方是依次裝在槍底座上的聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)掃描線圈，并配設(shè)有聚焦磁透鏡；所述的電子槍槍芯、陽極、聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)掃描線圈均配設(shè)冷卻水路；其特征在于: 所述中部的槍體由一裝在槍罩下的大筒體及內(nèi)置于大筒體內(nèi)可形成輝光放電的冷陰極筒組合構(gòu)成，冷陰極筒內(nèi)置有陰極電子槍芯，該冷陰極電子槍芯由單體陰極塊構(gòu)成，該單體陰極塊通過一根電纜外接控制系統(tǒng)，在電子槍芯與陽極的周圍形成有一個密閉氣室；配設(shè)一開環(huán)控制的充氣系統(tǒng)，該充氣系統(tǒng)可向密閉氣室中充入氫氣和氧氣；在冷陰極筒上方裝有陰極塊的封閉冷卻水單元裝置和固定冷陰極電子槍芯的密封固定件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的600kw的氣體放電電子槍，其特征在于:所述陽極的冷卻水路緊鄰該密閉氣室，在該冷卻水路中配設(shè)一可監(jiān)控該開環(huán)控制充氣系統(tǒng)的充氣量及其充氣比例的熱電偶。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的600kw的氣體放電電子槍，其特征在于:所述密閉氣室中通入的氫氣和氧氣中，氫氣至少為95%，其余為氧氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的600kw的氣體放電電子槍，其特征在于:保持冷陰極筒內(nèi)的環(huán)境壓力為0.1?15Pa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的600kw的氣體放電電子槍,其特征在于:在聚焦和偏轉(zhuǎn)掃描線圈的中心置真空細(xì)筒，該真空細(xì)筒中裝有可對聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)掃描線圈進行冷卻的水。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的600kw的氣體放電電子槍，其特征在于:在冷陰極筒的周圍裝有防放電的不銹鋼環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的600kw的氣體放電電子槍，其特征在于:所述陰極塊的封閉冷卻水單元裝置是螺旋盤設(shè)在槍罩內(nèi)的若干圈冷卻水管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的600kw的氣體放電電子槍，其特征在于:只采用一套聚焦磁透鏡及配套的一組聚焦磁透鏡線圈和偏轉(zhuǎn)掃描線圈。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的600kw的氣體放電電子槍，其特征在于:所述的聚焦磁透鏡線圈及偏轉(zhuǎn)掃描線圈均放在真空外。
10.一種權(quán)利要求1所述的600kw氣體放電電子槍的使用方法,其特征在于:在600kw的氣體放電電子槍工作前，先通過氣體流量計對電子槍槍室進行充氫氣，調(diào)整槍室的真空度控制在0.1?15Pa之間，掌握氫氣的含量在95%以上，在600kw的氣體放電電子槍工作中，當(dāng)槍室內(nèi)的溫度過高時，對槍室充入氧氣，降低槍室溫度達所要求為止。
【文檔編號】H01J37/077GK103887131SQ201210555434
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月19日
【發(fā)明者】孫照富, 尹中榮 申請人:北京有色金屬研究總院