Материал: Выбор электронной пушки и расчёт основных ее элементов

Выбор электронной пушки и расчёт основных ее элементов

Министерство Образования Российской Федерации

Московский Энергетический Институт

(технический университет)

Кафедра технологии металлов

Курсовой проект по курсу:

“Проектирование специализированного оборудования и оснастки для обработки материалов КПЭ”

Тема проекта: ”Выбор электронной пушки и расчёт основных ее элементов”

Студент: Коссе И.М.

Группа: С-10-09

Руководитель: Рыжкин Р.А.

Москва 2012

Содержание

Задание на курсовое проектирование

Введение

. Выбор электронной пушки

. Расчет проволочного прямонакального катода

2.1 Цель расчета катода

.2 Справочные данные

2.3 Расчет проволочного прямонакального катода, выполненного из тантала

.4 Сравнительный анализ параметров катодов из вольфрама и тантала

. Расчет параметров фокусирующей катушки

4. Выбор насосов вакуумной системы и ее схемы для откачки электронной пушки

.1 Выбор схемы откачки

4.2 Выбор насосов вакуумной системы

4.2.1 Определение суммарного газового потока натекающего в электронную пушку

.2.2 Определение быстроты откачки

.2.3 Выбор высоковакуумного насоса

.2.4 Выбор насоса предварительного разряжения

4.2.5 Расчет времени откачки электронной пушки

.2.6 Графическая проверка выбора вакуумных насосов и определение совместности их работы

Заключение

Список литературы

Задание на курсовое проектирование

по курсу: “Проектирование специализированного оборудования и оснастки для обработки материалов КПЭ”

Тема проекта: “ Выбор электронной пушки и расчёт основных ее элементов ”

Содержание задания:

. Выбрать электронную пушку (из имеющихся в литературе) для выполнения технологического процесса - сварка; привести схему - чертеж и описание конструкции.

. Выполнить расчет проволочного прямонакального катода из вольфрама и для сравнения из тантала. Разработать конструкцию катодного узла.

. Рассчитать основные параметры фокусирующей катушки.

. Выбрать насосы вакуумной системы и ее схему для откачки пушки.

Объем проекта (минимальный):

·   графическая часть - 2 листа формата А1;

·   пояснительная записка - не менее 20 страниц формата А4.

Исходные данные: ЭП для сварки, проволочный прямонакальный катод,

U_уск=45 кB; I=200 мA.

Введение

Электронно-лучевая установка - это технологическая машина для обработки материалов с помощью электронного пучка. Его формирование осуществляется в специальном устройстве, называемом электронно-лучевым генератором или электронной пушкой, для чего используют электрические и магнитные поля. Пучок представляет собой ускоренный поток электронов. Плотность мощности, достигаемая в нем … Вт/см², позволяет отнести его к концентрированным потокам энергии, которые обеспечивают быстрый нагрев, плавление и испарение материалов.

В определенном смысле, в силу его свойств и широкого спектра технологических возможностей, пучок электронов можно считать идеальным термическим инструментом для обработки материалов. Это подтверждается преимуществами пучка по сравнению с лазерным лучом и плазменной дугой, такими как:

высокий эффективный К.П.Д. нагрева (0,9…0,98);

большая концентрация мощности в пятне нагрева (у лазерного луча достижимы на порядок большие значения);

хорошая управляемость мощностью, распределением плотности мощности в пятне нагрева и положением самого пятна;

вакуумная защита зоны обработки (достоинство, приводящие к значительному усложнению технологической установки).

. Выбор электронной пушки

К высоковольтным пушкам относятся все пушки, созданные в ФРГ К. Штейгервальдом. Особое внимание Штейгервальд уделяет созданию ряда типовых электронно-лучевых пушек для сварки и размерной обработки, а также специализированных пушек и аппаратуры управления лучем, считая, что пушки, источники питания и аппаратура управления лучем являются автономными блоками и могут использоваться на любой установке.

Сварочные пушки К. Штейгервальда работают при ускоряющем напряжении до 150 кВ. В качестве прототипа была выбрана электронная пушка К. Штейгервальда [1] мощностью 9 кВт (U_уск=45 кВ; I=200 мА). Отличием новой конструкции является модификация катодного узла. Электронная пушка представлена на рис.1.

Данная электронная пушка отвечает следующим требованиям:

а) быстрая замена катодного узла без разборки всей пушки и последующей юстировки электронно-оптической системы;

б) возможность работы в любом пространственном положении, для чего высоковольтный ввод выполнен без масляной изоляции;

в) блочная структура конструкции позволяет легко приспосабливать пушку к изменяющимся условиям производства.

Формирование пучка происходит в электронно-лучевой пушке. Источником электронов является термоэмиссионный катод, который выполнен из тантала. Катодный узел (2) и управляющий электрод (3) закреплены на высоковольтном изоляторе (4). На некотором расстоянии от катода находится анод (5), выполненный в виде массивной детали с отверстием на оси, которая крепится на корпус электронно-лучевой установки. Между катодом и анодом прикладывается ускоряющее напряжение 45 кВ. Ускоряющее напряжение разгоняет эмитированные электроны, которые пройдя отверстие в аноде в дальнейшем движутся по инерции. Фокусирование электронного пучка происходит с помощью фокусирующей системы (7), которая выполнена в виде магнитной линзы- соленоида, создающего магнитное поле специальной формы. Фокусирующая система изменяет траекторию пролетающих электронов, при этом пучок сходится на изделии и обладает высокими удельными энергетическими показателями. Отклоняющая система содержит две пары отклоняющих катушек (8), расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях, и отклоняющих сфокусированный пучок по изделию.

В этой пушке для смены катода нужно освободить токопровод от уплотнителей, открыть верхнюю крышку корпуса (1), извлечь сменный катодный узел и установить новый. Конструкция катодного узла, чертеж которого приведен на рис.2, и высокая точность его изготовления обеспечивают попадание луча в ту же самую точку, что и до смены катодного узла. Лучепровод пушки (6) снабжен вакуумным затвором (9), позволяющим перекрывать область катодного узла при сварке в промежуточном вакууме. С целью поддержания в области катодного узла высокого вакуума (примерно  мм. рт. ст.) пушка снабжена дифференциальной системой откачки.

Катодный узел является одним из основных функциональных элементов электронно-лучевой установки, т.к. от его стабильной работы (постоянство эмиссии электронов) зависит успех технологического процесса.

Рис.1. Модифицированная электронно-лучевая пушка Штейгервальда

Рис.2. Конструкция катодного узла

. Расчет проволочного прямонакального катода

.1 Цель расчета катода

Целью расчета катода является определение, с учетом конкретной конструкционной схемы и материала, его геометрических размеров и электрических параметров источника накала, которые обеспечивают заданную силу тока эмиссии катода. В свою очередь, ток эмиссии катода определяет значение тока электронного пучка для пушки, использующей данный катод.

Суть расчета заключается в вычислении электрических и геометрических параметров катода при различных температурах. Данная методика расчета проволочного прямонакального катода приведена в учебном пособии [1].

.2 Справочные данные [1]

Таблица 2.1

Таблица 2.2

Поправки на охлажденные концы катодов из W и Ta:

2.3 Расчет проволочного прямонакального катода, выполненного из тантала

Таблица 2.3

Константы и теплофизические свойства тантала при Т = 2200°С [1]

Расчет единичного катода

Гипотетический единичный катод - это катод, у которого длина и диаметр равны используемой единице длины.

В соответствии с рекомендациями [1], расчёт начинаем с вычисления параметров единичного катода :

Достижимая плотность тока термоэлектронной эмиссии нагретого тела (плотность тока насыщения) зависит от температуры по закону Ричардсона - Дэшмана:

(2.1)

где Т - температура нагрева;

Удельное излучение с поверхности (величина, определяемая теплофизическими характеристиками катода и не зависящая от его величины) определяется по формуле:

 (2.2)

Электрофизические параметры единичного катода определяются по следующим формулам.

Мощность, подводимая от источника питания для нагрева катода:

 (2.3)

.

Сопротивление нагретого катода:

 (2.4)

Ток накала катода:

 (2.5)

Напряжение накала катода:

 (2.6)

Сила тока эмиссии катода:

 (2.7)

Скорость испарения материала катода:

 (2.8)

Расчет геометрических параметров катода

Для идеального катода ток эмиссии равен току пучка с учетом потерь эмиссионных свойств на 20%.

 (2.9)

Идеальный катод имеет по всей длине постоянную температуру в отличии от реального катода, который имеет участки, находящиеся в непосредственной близости от держателей с меньшей температурой, чем температура центральной части. Снижение температуры ведет к изменению всех характеристик идеального катода, в том числе наиболее важных с практической точки зрения - силы тока эмиссии катода и падения напряжения на его длине.