Общие свойства плазменных источников электронов. Эмиссия электронов из плазмы и прохождение тока в диодах с плазменным катодом. Электронные источники на основе разрядов с холодным катодом в магнитном поле, страница 50

Полностью ионизованная плазма, синтезированная из электронов и ионов, испускаемых накаленными эмиттерами, позволяет получить не только очень плотные пучки, но и пучки с очень низким уровнем шумов. При этом уровень шумов оказывается не только ниже, чем при использовании газоразрядной плазмы, но и ниже, чем у термокатодов, работающих в режиме ограничения тока пространственным зарядом, когда вблизи эмиттера имеется виртуальный катод.

ГЛАВА 8

ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОНОВ

25. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПИЭЛ

Конструктивные и эксплуатационные особенности ПИЭЛ делают перспективным их применение в электронно-лучевой технике, включающей плавку, сварку, размерную обработку, отжиг, нанесение покрытий и другие технологические процессы. Основное, что отличает применение электронных пушек в технологических установках по сравнению с другими применениями— это необходимость работы в тяжелых вакуумных условиях, обусловленных интенсивным газоотделением и испарением материала обрабатываемых изделий, выплесками жидкого металла, а также периодической разгерметизацией вакуумной системы для замены изделий. В связи с этим использование в технике эффективных термокатодов на основе окислов щелочноземельных металлов затруднено прежде всего из-за их быстрого химического отравления, а применение более стойких боридных катодов ограничено вследствие чувствительности их эмиссионных характеристик к запылению парами обрабатываемого материала. Чаще всего в технологических электронных пушках применяют чисто металлические катоды: вольфрамовые и танталовые, однако и они в условиях электронно-лучевой техники обладают (в основном, вследствие интенсивной ионной бомбардировки их поверхности) недостаточными надежностью и долговечностью.

Другой существенный недостаток термокатодов, обусловленный их тепловой инерцией и непрерывным потреблением мощности независимо от режима токоотбора, состоит в трудности реализации импульсной эмиссии и связанных с этим трудностями управления током пучка пушек. Несмотря на широкое традиционное использование в технике электронных пушек с термокатодом, значительный интерес проявляется к разработке и использованию технологических ПИЭЛ.

Наибольшее развитие получили ПИЭЛ, предназначенные для электронно-лучевой сварки, где применяются электронные пучки со средней мощностью 0,1—30 кВт с плотностью мощности 10⁵—10⁶ Вт/см².

Сварочные пушки мощностью до 10 кВт при ускоряющем напряжении 10—60 кВ разработаны на основе ПИЭЛ, в которых извлечение электронов производится из плазмы отражательного разряда с холодным полым катодом (см. гл. 3). Применение нашли пушки с извлечением электронов вдоль магнитного поля через катодное отверстие и поперек магнитного поля через отверстие в аноде разрядной камеры. Пушки первого типа обеспечивают лучшую фокусировку пучка, но работают с эффективностью извлечения, не превышающей 50%. Пушки с поперечным извлечением при использовании режима высоковольтного лучевого разряда могут работать с эффективностью α≈l00%. Конструкции трех сварочных пушек приведены на рис. 13 и 18. Пушки не чувствительны к химическому отравлению вследствие самоочистки катодов разрядной камеры ионами. В то же время ионная бомбардировка конструктивных элементов ПИЭЛ слабо влияет на оптические свойства пушки, поскольку отбор электронов производится с плазменной поверхности. Управление током пучка осуществляется изменением тока разряда. Импульсный режим работы обеспечивается импульсным разрядом. Фотографии шлифов, полученных при сварке стальных изделий, приведены на рис. 77. Опыт промышленной эксплуатации пушек, имеющих конструкцию, показанную на рис. 13, а, в типовых установках А.306.05 позволяет сделать следующие выводы Долговечность службы ПИЭЛ в 3— 4 раза превышает долговечность катодного узла типовых пушек с боридным катодом. Чтобы избежать возможности возникновения нестабильностей в горении разряда, целесообразно по истечении этого срока проводить профилактическую чистку электродов разрядной камеры. Пушки с плазменным эмиттером по сравнению с пушками с термокатодом менее критичны к вакуумным условиям. Максимальное допустимое давление в рабочей камере при их использовании ограничивается только электрической прочностью ускоряющего промежутка и составляет 5∙10^-4 мм рт. ст. Отсутствие в пушке с ПИЭЛ накаливаемых до высокой температуры элементов исключает необходимое при использовании пушек с боридным термокатодом время для охлаждения катодного узла в вакууме перед развакуумированием

рабочей камеры и позволяет сократить длительность технологического цикла сварки.