О расширении технологических возможностей современных газоразрядных электронно-лучевых пушек
Благодаря длительному опыту эксплуатации газоразрядных электронно-лучевых пушек в различных технологических условиях стало возможным исследование особенностей их поведения, определение способов дальнейшего усовершенствования их конструкции с целью повышения надежности и расширения областей применени...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Datum: | 2015 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/115505 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | О расширении технологических возможностей современных газоразрядных электронно-лучевых пушек / В.И. Мельник, И.В. Мельник, Б.А. Тугай, Д.В. Ковальчук // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 2 (119). — С. 21-24. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-115505 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Мельник, В.И. Мельник, И.В. Тугай, Б.А. Ковальчук, Д.В. 2017-04-06T10:18:44Z 2017-04-06T10:18:44Z 2015 О расширении технологических возможностей современных газоразрядных электронно-лучевых пушек / В.И. Мельник, И.В. Мельник, Б.А. Тугай, Д.В. Ковальчук // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 2 (119). — С. 21-24. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0233-7681 DOI: doi.org/10.15407/sem2015.02.04 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/115505 669.187.826 Благодаря длительному опыту эксплуатации газоразрядных электронно-лучевых пушек в различных технологических условиях стало возможным исследование особенностей их поведения, определение способов дальнейшего усовершенствования их конструкции с целью повышения надежности и расширения областей применения в новых технологических процессах. Для этого в течение последних лет проведены соответствующие теоретические исследования и экспериментальные работы, в результате которых усовершенствована конструкция газоразрядных электронно-лучевых пушек серии ВТР мощностью от 60 до 450 кВт, что позволило добиться еще большей стабильности и надежности их эксплуатации в расширенном диапазоне рабочих условий. Также впервые разработана газоразрядная электронно-лучевая пушка ВТР-600/40 номинальной мощностью 600 кВт. Long-term experience of gas-discharge electron beam gun operation under different process conditions enabled studying the peculiarities of their behaviour, determining the methods for further improvement of their design to increase their reliability and expand their application in new technological processes. For this purpose appropriate theoretical investigations and experimental studies have been performed over the recent years, which resulted in improvement of design of gas-discharge electron beam guns of BTP series of 60 to 450 kW power, that allowed guaranteeing even higher stability and reliability of their operation in a broader range of operating conditions. Gas-discharge electron beam gun BTP-600/40 of 600 kW nominal power was also developed for the first time. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электронно-лучевые процессы О расширении технологических возможностей современных газоразрядных электронно-лучевых пушек On enhancing the technological capabilities of modern gas-discharge electron beam guns Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
О расширении технологических возможностей современных газоразрядных электронно-лучевых пушек |
| spellingShingle |
О расширении технологических возможностей современных газоразрядных электронно-лучевых пушек Мельник, В.И. Мельник, И.В. Тугай, Б.А. Ковальчук, Д.В. Электронно-лучевые процессы |
| title_short |
О расширении технологических возможностей современных газоразрядных электронно-лучевых пушек |
| title_full |
О расширении технологических возможностей современных газоразрядных электронно-лучевых пушек |
| title_fullStr |
О расширении технологических возможностей современных газоразрядных электронно-лучевых пушек |
| title_full_unstemmed |
О расширении технологических возможностей современных газоразрядных электронно-лучевых пушек |
| title_sort |
о расширении технологических возможностей современных газоразрядных электронно-лучевых пушек |
| author |
Мельник, В.И. Мельник, И.В. Тугай, Б.А. Ковальчук, Д.В. |
| author_facet |
Мельник, В.И. Мельник, И.В. Тугай, Б.А. Ковальчук, Д.В. |
| topic |
Электронно-лучевые процессы |
| topic_facet |
Электронно-лучевые процессы |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Современная электрометаллургия |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
On enhancing the technological capabilities of modern gas-discharge electron beam guns |
| description |
Благодаря длительному опыту эксплуатации газоразрядных электронно-лучевых пушек в различных технологических условиях стало возможным исследование особенностей их поведения, определение способов дальнейшего усовершенствования их конструкции с целью повышения надежности и расширения областей применения в новых технологических процессах. Для этого в течение последних лет проведены соответствующие теоретические исследования и экспериментальные работы, в результате которых усовершенствована конструкция газоразрядных электронно-лучевых пушек серии ВТР мощностью от 60 до 450 кВт, что позволило добиться еще большей стабильности и надежности их эксплуатации в расширенном диапазоне рабочих условий. Также впервые разработана газоразрядная электронно-лучевая пушка ВТР-600/40 номинальной мощностью 600 кВт.
Long-term experience of gas-discharge electron beam gun operation under different process conditions enabled studying the peculiarities of their behaviour, determining the methods for further improvement of their design to increase their reliability and expand their application in new technological processes. For this purpose appropriate theoretical investigations and experimental studies have been performed over the recent years, which resulted in improvement of design of gas-discharge electron beam guns of BTP series of 60 to 450 kW power, that allowed guaranteeing even higher stability and reliability of their operation in a broader range of operating conditions. Gas-discharge electron beam gun BTP-600/40 of 600 kW nominal power was also developed for the first time.
|
| issn |
0233-7681 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/115505 |
| citation_txt |
О расширении технологических возможностей современных газоразрядных электронно-лучевых пушек / В.И. Мельник, И.В. Мельник, Б.А. Тугай, Д.В. Ковальчук // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 2 (119). — С. 21-24. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT melʹnikvi orasšireniitehnologičeskihvozmožnosteisovremennyhgazorazrâdnyhélektronnolučevyhpušek AT melʹnikiv orasšireniitehnologičeskihvozmožnosteisovremennyhgazorazrâdnyhélektronnolučevyhpušek AT tugaiba orasšireniitehnologičeskihvozmožnosteisovremennyhgazorazrâdnyhélektronnolučevyhpušek AT kovalʹčukdv orasšireniitehnologičeskihvozmožnosteisovremennyhgazorazrâdnyhélektronnolučevyhpušek AT melʹnikvi onenhancingthetechnologicalcapabilitiesofmoderngasdischargeelectronbeamguns AT melʹnikiv onenhancingthetechnologicalcapabilitiesofmoderngasdischargeelectronbeamguns AT tugaiba onenhancingthetechnologicalcapabilitiesofmoderngasdischargeelectronbeamguns AT kovalʹčukdv onenhancingthetechnologicalcapabilitiesofmoderngasdischargeelectronbeamguns |
| first_indexed |
2025-11-26T00:08:24Z |
| last_indexed |
2025-11-26T00:08:24Z |
| _version_ |
1850592135745634304 |
| fulltext |
212/2015
УДК 669.187.826
О РАСШИРЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕй
СОВРЕМЕННЫХ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПУШЕК
В.И. Мельник, И.В. Мельник, Б.А. Тугай, Д.В. Ковальчук
ПрАТ «НВО «Червона Хвиля».
03680, г. Киев, ул. Боженко, 15. E-mail: dv_kovalchuk@chervonahvilya.com
Благодаря длительному опыту эксплуатации газоразрядных электронно-лучевых пушек в различных техноло-
гических условиях стало возможным исследование особенностей их поведения, определение способов даль-
нейшего усовершенствования их конструкции с целью повышения надежности и расширения областей приме-
нения в новых технологических процессах. Для этого в течение последних лет проведены соответствующие
теоретические исследования и экспериментальные работы, в результате которых усовершенствована конструк-
ция газоразрядных электронно-лучевых пушек серии ВТР мощностью от 60 до 450 кВт, что позволило до-
биться еще большей стабильности и надежности их эксплуатации в расширенном диапазоне рабочих условий.
Также впервые разработана газоразрядная электронно-лучевая пушка ВТР-600/40 номинальной мощностью
600 кВт. Библиогр. 4, табл. 1, ил. 4.
К л ю ч е в ы е с л о в а : электронные пушки; электронно-лучевые технологии; вакуумная металлургия; газо-
разрядные электронно-лучевые пушки; электронные пушки высоковольтного тлеющего разряда
Газоразрядные электронно-лучевые пушки нахо-
дят все большее применение в различных отрас-
лях промышленности, главным образом благода-
ря их способности стабильно работать в тяжелых
вакуумных условиях, характерных для ряда тех-
нологических процессов. Опыт эксплуатации
газоразрядных электронно-лучевых пушек мощ-
ностью от 60 до 450 кВт подтвердил не только
возможность, но и целесообразность их промыш-
ленного применения в таких процессах, как элек-
тронно-лучевая плавка титана, ниобия, тантала,
молибдена, электронно-лучевого рафинирования
кремния, определенных видов сварки, напыления
покрытий и др. [1–3].
Газоразрядные электронно-лучевые пушки се-
рии BTP, разработанные ПрАТ «НВО «Червона
Хвиля», представлены на рис. 1.
Современное промышленное оборудование,
созданное на базе газоразрядных электронно-лу-
чевых пушек, отличается относительной кон-
структивной простотой, стабильностью работы,
удобством обслуживания, высокой производствен-
ной и экономической эффективностью. Некоторые
особые рабочие характеристики газоразрядных
электронно-лучевых пушек открывают возможно-
сти реализации новых технологических режимов
и даже процессов.
Опыт эксплуатации газоразрядных электрон-
но-лучевых пушек типа ВТР в реальных про-
мышленных условиях позволил исследовать их
характеристики в различных рабочих условиях и
определить пути дальнейшего усовершенствова-
ния газоразрядных электронно-лучевых пушек с
целью повышения их технологической и коммер-
ческой привлекательности.
Основными направлениями исследовательских
и конструкторских работ стало улучшение ста-
бильности работы газоразрядных электронно-лу-
чевых пушек в условиях динамичного изменения
остаточного давления в рабочей камере, повыше-
ние общей надежности, увеличение срока службы
пушек и их отдельных частей, сокращение про-
стоев оборудования за счет снижения особых тре-
бований к регламентному обслуживанию.
С целью дальнейшего улучшения эксплуата-
ционных качеств газоразрядных электронно-лу-
© В.И. МЕЛЬНИК, И.В. МЕЛЬНИК, Б.А. ТУГАЙ, Д.В. КОВАЛЬЧУК, 2015
Рис. 1. Газоразрядные электронно-лучевые пушки BTP-
100 (100 кВт), BTP-300 (300 кВт) и BTP-450 (450 кВт)
22 СЭМ
чевых пушек типа ВТР в различных рабочих ус-
ловиях проведены следующие теоретические и
экспериментальные исследования:
анализ работы холодного катода при различ-
ных характеристиках высоковольтного тлеющего
разряда в широком диапазоне давлений и состава
газовой среды;
расчеты и экспериментальная проверка пре-
дельных энергетических параметров электродных
систем;
оптимизация геометрических характеристик
электродной системы и ее электронно-оптических
параметров;
разработка системы транспортирования луча
от разрядной камеры пушки до рабочей камеры с
большим углом схождения.
Как правило, для изготовления холодных като-
дов газоразрядных электронно-лучевых пушек типа
ВТР используются низколегированные сплавы алю-
миния, преимущественно благодаря относительно
высокому коэффициенту ионно-электронной эмис-
сии (плотность тока более 0,1 А/см²) и хорошей
теплопроводности. Оптимизация конструкции
катодного узла, все части которого находятся под
высоким отрицательным напряжением, обеспе-
чила равномерное распределение электрического
поля в изолирующем вакуумном промежутке, тем
самым существенно уменьшив вероятность воз-
никновения пробоев.
В усовершенствованной конструкции катод
крепится непосредственно на нижнем торце вы-
соковольтного изолятора, что исключает потреб-
ность в применении уплотняющей прокладки
между вакуумным пространством пушки и вну-
тренней полостью катода для водяного охлажде-
ния и вероятность проникновения паров воды в
разрядное пространство пушки.
Оптимизация геометрии анодного диска обе-
спечила намного лучшую стабильность фокусно-
го расстояния электронного луча при различных
значениях тока разряда. Это свойство улучшает
транспортировку луча через анодное отверстие
без существенных потерь энергии и соответствен-
но упрощает охлаждение этого узла.
Необходимые предельные энергетические па-
раметры электродных систем обеспечиваются в
результате правильного выбора материалов и геоме-
трии холодного катода и полого анода газоразряд-
ных электронно-лучевых пушек типа ВТР с уче-
том максимально допустимого выделения энергии
в разрядной камере пушки. Требуемая плотность
мощности зависит от предельной мощности элек-
тродов при их рабочей температуре, а предельная
плотность тока — от эмиссионных свойств катода
и количества энергии, которая может быть отве-
дена от катода во время ионной бомбардировки.
Оптимизацию основных параметров электрон-
но-лучевых пушек выполнили в зависимости от
указанных физических свойств и условий эксплу-
атации.
Ограничение внутреннего просвета лучево-
да, поперечное сечение которого соответствует
форме проводимого луча, обеспечивает разницу
давлений разрядной камеры пушки и рабочей ка-
меры установки (до двух порядков) при условии
достаточной мощности откачной системы. Это
позволяет откачивать внутреннее пространство
газоразрядной электронно-лучевой пушки вместе
с рабочей камерой общей вакуумной системой
электронно-лучевой установки и расширять диа-
пазон рабочего вакуума во время технологическо-
го процесса.
Транспортировка электронного луча от разряд-
ной камеры пушки до рабочей камеры установки
через лучевод с ограниченным просветом обеспе-
чивается в случае надлежащего размещения двух
фокусных линз.
Для сканирования электронного луча на вы-
ходе из лучевода применяется отклоняющая си-
стема, состоящая из определенного количества
тороидальных линз, монтируемых на кольцевом
магните. Лучевод прикрепляется к базовому флан-
цу пушки, при помощи которого последняя уста-
навливается на рабочей камере установки.
В результате проведенных работ достигнуты
существенные улучшения основных эксплуатаци-
онных показателей газоразрядных электронно-лу-
чевых пушек типа ВТР, а также продемонстриро-
вана возможность работы таких пушек в более
широком диапазоне рабочих параметров и их при-
менения в новых перспективных технологиях.
Например, исследованы характеристики электро-
нного луча, генерируемого в газоразрядных элек-
тронно-лучевых пушках типа ВТР при различных
значениях ускоряющего напряжения в диапазоне от
10 до 40 кВ, установлеы параметры его воздействия
на обрабатываемый материал (мишень).
Как правило, газоразрядные электронно-лу-
чевые пушки типа ВТР мощностью от десятков
до сотен киловатт функционируют при ускоряю-
щем напряжении в пределах 25…30 кВ, которое
в целом удовлетворяет требованиям условий экс-
плуатации пушек в составе различного техноло-
гического оборудования. К тому же такой уровень
напряжения упрощает защиту персонала от наве-
денного жесткого излучения.
Пример использования газоразрядной элек-
тронно-лучевой пушки ВТР-300, работающей при
232/2015
номинальном ускоряющем напряжении 30 кВ в
составе электронно-лучевой плавильной печи,
представлен на рис. 2.
Анализ работы пушек в определенных техно-
логических процессах показал, что иногда варьи-
руя значениями ускоряющего напряжения, можно
обеспечить более гибкие и/или подходящие усло-
вия для нагрева обрабатываемой мишени.
Для использования газоразрядных электрон-
но-лучевых пушек в составе крупных промыш-
ленных электронно-лучевых плавильных печей
требуется повышенное ускоряющее напряжение,
поскольку в этом случае создаются лучшие ус-
ловия для транспортировки электронного луча
на большее расстояние в плохом вакууме, напри-
мер, в случае технологических процессов, сопро-
вождаемых интенсивным газовыделением и/или
испарением. В этом случае повышенное ускоряю-
щее напряжение обеспечивает большую удельную
мощность, что способствует большей эффектив-
ности использования энергии нагрева.
Разработана новая газоразрядная электрон-
но-лучевая пушка BTP-600/40 мощностью
600 кВт с ускоряющим напряжением 40 кВ. Уве-
личение ускоряющего напряжения до 40 кВ обе-
спечило повышение коэффициента ионно-элек-
тронной эмиссии холодного катода, что позволило
снизить энергетические потери на электродах и
улучшить энергетические и геометрические па-
раметры электронного луча. Однако возрастание
ускоряющего напряжения может вызывать более
интенсивное образование дуг между катодом и
анодом и снижение стабильности работы пуш-
ки. С целью уменьшения влияния этих факторов
на стабильность работы пушки и всей установки
разработана специальная конструкция катодного
Рис. 2. Газоразрядная электронно-лучевая пушка BTP-300 в
составе печи ЭЛП
Рис. 3. Газоразрядная электронно-лучевая пушка BTP-600/40
Мощность,
кВт
Ускоряющее
напряжение,
кВ
Ток
луча,
A
Диаметр
луча на
мишени, мм
Диапазон
рабочих
давлений
в рабочей
камере, Па
Рабочие газы Технологии
применения
1…10 10…40 0,1…1,0 0,5…4,0 10…10ˉ²
Воздух
Кислород
Аргон
Гелий
Сварка тонкостенных деталей,
пайка, поверхностная термообра-
ботка, аддитивное производство
30…100 25…30 1…4 5…8 10…10ˉ³
Водород
Кислород
Сварка прессованных материалов,
напыление покрытий, выращива-
ние монокристаллов
100…450 30 3,3…15,0 8…20 5…10ˉ²
Водород с
добавками
кислорода
Плавка и рафинирование тугоплав-
ких и активных металлов и сплавов
600 40 15 15…20 5…10ˉ² То же То же
24 СЭМ
узла. Кроме того, конструкция лучевода пушки
BTP-600/40 обеспечивает больший предельный
угол отклонения электронного луча от оси (не
менее 30°) и большую частоту сканирования, чем
применяемые ранее стандартные газоразрядные
электронно-лучевые пушки большой мощности.
Указанные характеристики обеспечивают сущест-
венное повышение КПД пушек, а также техно-
логических установок, позволяют проектировать
высокопроизводительные установки с меньшим
количеством пушек, что упрощает обслуживание
и сокращает эксплуатационные затраты.
Газоразрядная электронно-лучевая пушка ВТР-
600/40 представлена на рис. 3.
Существует ряд более тонких металлургических
процессов, требующих очень мягкого или плав-
ного нагрева мишеней, например, тонких деталей
или малых зон обработки. Это может быть сварка
тонкостенных элементов, пайка, поверхностная
обработка, аддитивное производство и т.п. В та-
ких случаях ускоряющее напряжение (10…20 кВ)
обеспечивает высокую эффективность работы
газоразрядной электронно-лучевой пушки, при
этом комплектное оборудование становится более
простым, дешевым и безопасным.
Разработан широкий ряд газоразрядных элек-
тронно-лучевых пушек различной конструкции и
мощности [4]. Основные технические характерис-
тики доступных газоразрядных электронно-лу-
чевых пушек различного назначения предста-
влены в таблице.
Примеры использования газоразрядных элек-
тронно-лучевых пушек серии ВТР в составе раз-
личных электронно-лучевых установок предста-
влены на рис. 4.
В настоящее время можно утверждать, что га-
зоразрядные электронно-лучевые пушки стали
надежным инструментом промышленного произ-
водства с растущими перспективами освоения но-
вых технологий и процессов.
1. Электронно-лучевая плавка губчатого титана с исполь-
зованием пушек высоковольтного тлеющего разряда /
А.Л. Тихоновский, Н.К. Лашук, А.А. Тур и др. // Пробл.
спец. электрометаллургии. — 1993. — № 10. — С. 66–70.
2. Denbnovetskiy S.V., Melnyk V.I., Melnyk I.V. High-Voltage
Glow-Discharge Electron Sources and Possibilities of
Its Application in Industry for Realizing of Different
Technological Operations // IEEE transactions on plasma
science. — 2003. — 31, № 5. — P. 987–993.
3. Пат. US 2007/0077191 A1 США. Мethod and apparatus
for refining silicon using an electron beam / Norichika
Yamauchi, Takehiko Shimada, Minoru Mori. — Publ.
05.04.2007.
4. Технологические возможности электронных пушек высо-
ковольтного тлеющего разряда / С.В. Денбновецкий, В.И.
Мельник, И.В. Мельник, Б.А. Тугай // Электротехника и
электроника. — 2009. — № 5–6. — С. 189–192.
Long-term experience of gas-discharge electron beam gun operation under different process conditions enabled studying
the peculiarities of their behaviour, determining the methods for further improvement of their design to increase
their reliability and expand their application in new technological processes. For this purpose appropriate theoretical
investigations and experimental studies have been performed over the recent years, which resulted in improvement
of design of gas-discharge electron beam guns of BTP series of 60 to 450 kW power, that allowed guaranteeing even
higher stability and reliability of their operation in a broader range of operating conditions. Gas-discharge electron
beam gun BTP-600/40 of 600 kW nominal power was also developed for the first time. 4 References, 1 Table, 4 Figures.
K e y w o r d s : electron guns; electron beam technologies; vacuum metallurgy; gas-discharge electron beam guns;
high-voltage glowing discharge electron guns
Поступила 02.02.2015
Рис. 4. Газоразрядные электронно-лучевые пушки BTP-100 в составе установки напыления (а) и BTP-30 в составе лаборатор-
ной установки (б)
|