專利名稱：一種功率可達800kw的大功率電子槍的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電子束熔煉爐用電子槍，尤指一種操作時功率大小易于調(diào)節(jié)且穩(wěn)定工作功率可達到SOOkw的大功率電子槍。
背景技術：
電子槍是冶煉工藝用于產(chǎn)生電子束的裝備，主要用于W、Mo、Ta、Nb等難熔金屬、合金及其化合物和復合材料，目前隨著電子束熔煉多晶硅工藝的日漸成熟，電子束熔煉爐也越來越多的被用于太陽能行業(yè)的多晶硅的提純中。其主要工作原理電子槍通過間熱式陰極電子發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的電子在陰極和陽極之間的高壓靜電場的加速下形成高能電子束，然后電子束通過電子光路系統(tǒng)的聚焦、偏轉和掃描后形成工藝要求所希望的電子束。
在實際使用的過程中，根據(jù)工藝的要求，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)。目前，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)常要反復的調(diào)節(jié)這三個參數(shù)以滿足所需要功率大小的要求，另外，還要根據(jù)導流系數(shù)變化(電子槍的導流系數(shù)隨著電子槍功率大小的變化而變化)調(diào)節(jié)聚焦電流的大小，給操作帶來了諸多不便，同時給操作人員在技術層面也提出了較高的要求，操作較為復雜，若沒有熟練掌握，電子槍的燈絲和陰極塊的壽命會大大降低，要頻繁更換這些易損件，造成生產(chǎn)效率下降，使用成本增高，工人勞動強度加大。
一般要電子槍的功率增大，首先要電子槍的主高壓加大，但隨著主高壓的增高，目前同行業(yè)使用的電子槍主高壓頻繁放電的現(xiàn)象發(fā)生較為嚴重，也是同行業(yè)面臨的一個疑難問題。在電子槍開槍開始熔煉時，目前都是從小功率開始熔煉，隨著熔池的大小逐漸的增大電子槍的功率，在使用電子槍的功率較小時，主高壓相對較低，不易發(fā)生主高壓放電現(xiàn)象， 但隨著功率的逐漸增大，放電現(xiàn)象愈發(fā)明顯，功率越大電子槍就變的越來越不穩(wěn)定。
目前大功率電子槍一般都用在多晶硅提純中，一般都需要二次熔煉，一次熔煉均在冷床內(nèi)，因冷床都是方形結構，因此對電子槍的掃描線圈的裝配提出了較高要求，稍有不正，電子槍掃描出的方形就跟冷床的方形的四邊不平行，造成電子束打在水平冷床上，造成事故。目前大部分電子槍在試驗后都要重新調(diào)整電子槍的掃描線圈，在調(diào)整線圈時，需要拆水管、氣管和真空系統(tǒng)等，工作量和勞動強度都較大，且每次的拆裝對真空都是一個考驗。 因此，在不用拆槍的前提下能夠方便調(diào)整電子槍的掃描線圈是一個重要的課題。
另外，目前電子槍隨著功率的增大，對電子槍的聚焦能力提出了新的挑戰(zhàn)，目前采用對電子槍充氬解決了這一問題，但同時又出現(xiàn)了另外的問題，即燈絲和陰極塊的壽命大大縮短，極大地影響了電子束爐的使用效率，使用成本加大。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種操作使用時功率大小易于調(diào)節(jié)且功率可達SOOkw的大功率電子槍，其解決了當前電子槍在調(diào)節(jié)功率大小時操作繁冗復雜、工作強度大和工作效率低等弊端。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設計方案一種功率可達SOOkw的大功率電子槍，包括一產(chǎn)生電子的電子槍槍芯，其內(nèi)置在槍室上筒上；槍芯上裝有發(fā)射電子的燈絲和陰極塊；在槍室上筒的下面裝有陽極座，在陽極座上裝有跟槍芯的陰極一起工作而形成電子束的電子發(fā)射系統(tǒng)的陽極；陽極座和第一磁透鏡的線圈固定為一體；在槍室下筒和底座之間裝有帶水冷的攔孔座，其上安裝有攔孔；在槍的最下的部分是電子槍的槍座；所述的底座其上裝有偏轉和掃描線圈，在偏轉和掃描線圈之上是第二磁透鏡的線圈，這些線圈均圍有進行冷卻用的水套；其還至少具有以下結構形式中的一種其一，在陽極座的下面裝有陽極升降控制系統(tǒng)；其二，把燈絲的中心孔直徑尺寸加大至8mm ；其三，在槍室下筒上裝有氬氣輸送開環(huán)控制系統(tǒng)。
所述的陽極升降控制系統(tǒng)包括一緊抵于陽極座之下的凸輪，用以驅動凸輪運轉的一液壓缸安置在槍外，凸輪軸上裝有轉動角度傳感器。
所述的功率可達SOOkw的大功率電子槍的氬氣輸送開環(huán)控制系統(tǒng)包括一組管道氬氣或瓶裝氬氣氣源及可控制氬氣流量的手動調(diào)節(jié)真空微量調(diào)節(jié)閥，通過管路使氣源、真空微量調(diào)節(jié)閥和攔孔室連接在一起。
所述功率可達SOOkw的大功率電子槍中，所有線圈均在真空外。
所述功率可達SOOkw的大功率電子槍中，在偏轉掃描線圈外的筒套上開有手孔。
其相對于目前國內(nèi)同類型熔煉用電子槍，本發(fā)明的優(yōu)點是1、電子槍功率大小易于調(diào)整；2、通過加上氬氣輸送開環(huán)控制系統(tǒng)，在增大電子槍功率時使得電子束聚焦狀況變的更加理想，且易于控制，因此，電子槍在SOOkw大功率工作時極其穩(wěn)定；3、燈絲和陰極塊的壽命明顯延長；4、電子槍的偏轉掃描線圈易于調(diào)節(jié)。


圖1為本發(fā)明大功率電子槍結構示意圖。
圖中1-電子槍槍芯；2-槍罩；3-槍室上筒；4-燈絲；5-陰極塊；6_陽極；7-陽極座；8-第一磁透鏡線圈；9-第一磁透鏡；10-下筒；11-插板閥；12-陽極升降控制系統(tǒng)；13-開環(huán)氬氣輸送系統(tǒng)；14-觀察窗；15-攔孔；16-攔孔座；17-第二磁透鏡；18-偏轉掃描透鏡；19-槍體底座；A-凸輪；B-液壓缸。
下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步的說明。
具體實施方式
如圖1所示，根據(jù)電子束的自上而下的途徑路徑過程，本發(fā)明功率可達SOOkw的大功率電子槍的主要部件有電子槍槍芯1、槍罩2、陽極6、第一磁透鏡9、陽極升降控制系統(tǒng) 12、插板閥11、開環(huán)氬氣輸送系統(tǒng)13、攔孔15、第二磁透鏡17和偏轉掃描透鏡18，其分別裝置在槍室上筒3、陽極座7、第一磁透鏡套9、攔孔座16和槍體底座19上。
所述的陽極升降控制系統(tǒng)12由凸輪A、液壓B、凸輪轉角傳感器和液壓控制系統(tǒng)等組成。
槍芯1安裝在上筒3上，在電子槍芯上裝有燈絲4和陰極塊5，在槍室上筒3與第一磁透鏡線圈8之間安裝帶水冷的陽極座7 ；在所述的電子槍底座19、攔孔座16、陽極座7、 槍室上筒3和下筒10和觀察窗14等部件均設有供冷卻水通過的水道，保證了各個接口的密封圈的密封性能，進而給電子槍的各項性能穩(wěn)定工作提供了必要的真空環(huán)境。
本發(fā)明的最主要一創(chuàng)新點在于成功研制了能夠穩(wěn)定工作和易于調(diào)節(jié)功率大小的 SOOkw大功率電子槍。在原有SOOkw電子槍的基礎上，通過改變陰極和陽極之間的距離來調(diào)整電子槍的功率大小，在陽極座的下面裝有陽極升降控制系統(tǒng)12，該陽極升降控制系統(tǒng)的具體一實施例是在陽極座的下面安置一凸輪A，在槍外與凸輪相連的是用以驅動凸輪運轉的液壓缸B，凸輪軸上裝有轉動角度傳感器，在主高壓調(diào)至正常工作時的最高電壓之后， 在主高壓副高壓燈絲電流均不需改變的情況下，只需調(diào)節(jié)陰陽極之間的距離即可輕松穩(wěn)定地調(diào)節(jié)電子槍的功率大小。避免了以往要反復調(diào)節(jié)燈絲電流、副高壓和主高壓的復雜操作過程和由于電壓的往復調(diào)節(jié)而造成了頻繁放電現(xiàn)象發(fā)生。
本發(fā)明的另一創(chuàng)新點在于開發(fā)了氬氣開環(huán)控制系統(tǒng)。對于SOOkw大功率的電子槍，因聚焦的需要，設計了氬氣控制聚焦系統(tǒng)。一般來說，在電子槍的功率較小時，電子束的電流較小，因而相應的電子束的每個截面的直徑也較小，但隨著功率的增大，特別是達到 500kw至SOOkw之間時，電子束的直徑變的越來越大，從而電子束的聚焦質(zhì)量也變得越來越差，以至于使電子槍的功率無法繼續(xù)提高。針對這一問題，我們原來在大功率電子槍上加有氬氣閉環(huán)控制系統(tǒng)，電子槍大功率工作時聚焦效果明顯，但被電子束電離的氬氣產(chǎn)生的正離子對易損件的使用壽命也提出了極大挑戰(zhàn)，如電子槍的陰極塊和燈絲的使用壽命明顯降低。相對于氬氣閉環(huán)控制系統(tǒng)，開環(huán)控制系統(tǒng)能夠大大提高易損件的壽命，其主要構成由管道氬氣或者瓶裝氬氣提供氣源，通過管路連接使氣源、真空微量調(diào)節(jié)閥和攔孔室連接在一起，操作員工可以根據(jù)實際聚焦情況手動調(diào)節(jié)真空微量調(diào)節(jié)閥以控制氬氣的流量。開環(huán)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電子槍的功率大小和聚焦的實際情況的好壞而增大或者減小甚至停止對對電子槍充氬氣，避免了閉環(huán)控制系統(tǒng)只能由控制系統(tǒng)自動地死板地保證預先設定的真空度(這個真空度值一般是功率最大、聚焦最差時給定的一個真空數(shù)值)，造成氬氣過多，使電子槍的一些零部件損壞速度加快等弊端，這樣對電子槍易損件的使用壽命明顯提高，節(jié)約了使用成本，提高了生產(chǎn)效率。
本發(fā)明的另一創(chuàng)新點在于把燈絲的中心孔直徑尺寸加大至8mm，從而使燈絲和陰極塊的使用壽命大大提高。為了提高聚焦能力通入了氬氣，但氬氣被電離后產(chǎn)生的正離子對陰極塊和燈絲的壽命造成了明顯的影響，因為現(xiàn)有技術的燈絲中心孔較小，其在轟擊電壓下產(chǎn)生的轟擊電流對陰極塊的加熱，致使陰極塊中心的溫度比周邊溫度稍高，若陰極塊再在氬氣產(chǎn)生的正離子轟擊下，實踐證明陰極塊中心溫度過高致使陰極塊中心很快擊穿出現(xiàn)大洞，正離子通過陰極塊的中心孔打在燈絲上，致使燈絲很快被切斷。在燈絲中心孔改為大的中心孔之后，在陰極塊和燈絲之間加上轟擊電壓時，不會使陰極塊的中心溫度過高， 反而使中心的溫度稍微低于周圍的溫度，陰極塊再在氬氣產(chǎn)生的正離子轟擊的情況下使中心的溫度基本與周圍的溫度基本一致，使陰極塊中心不至于被正離子擊穿出現(xiàn)大洞，即使部分正離子穿過陰極塊的中心孔往燈絲部分飛去，由于中心孔較大的緣故，也不至于使正離子打在燈絲上，從而大大提高了燈絲和陰極塊的使用壽命，實踐已經(jīng)證明了這一點，燈絲和陰極塊的使用壽命均在2000小時以上，由此可見，燈絲中心孔的加大至8mm對改善電子槍的意義是極其重大。
本發(fā)明的另一創(chuàng)新點在于電子槍的偏轉掃描線圈易于調(diào)節(jié)。因目前電子束爐的冷床結構都是方形結構，因此對電子槍的掃描線圈的裝配提出了較高要求，稍有不正，電子槍掃描出的方形就跟冷床的方形的四邊不平行，造成電子束打在水平冷床上，造成事故。以往大部分電子槍在試驗后都要重新調(diào)整電子槍的掃描線圈，在調(diào)整線圈時，需要對槍的冷卻系統(tǒng)放水、拆水管、氣管和真空系統(tǒng)等，工作量和勞動強度都較大，且每次的拆裝對真空和水路都是一個嚴峻的考驗。本發(fā)明通過在電子槍外筒開手孔，可以解決在不拆槍的情況下很輕松調(diào)整方掃描的方形與水平冷床的四邊不平行現(xiàn)象，克服了以往在安裝調(diào)試后一般仍要再拆槍重新旋轉線圈而造成安裝調(diào)試工期長，勞動強度大的缺點。
由于本發(fā)明對電子槍整體結構的改良，使得電子槍的功率易于調(diào)節(jié)，電子槍的使用性能更加穩(wěn)定，安裝調(diào)試更加方便、簡單等。
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構應視為例示性，而非用以限制本發(fā)明的申請專利范圍。]
權利要求
1.一種功率可達SOOkw的大功率電子槍，包括一產(chǎn)生電子的電子槍槍芯，其內(nèi)置在槍室上筒上；槍芯上裝有發(fā)射電子的燈絲和陰極塊；在槍室上筒的下面裝有陽極座，在陽極座上裝有跟槍芯的陰極一起工作而形成電子束的電子發(fā)射系統(tǒng)的陽極；陽極座和第一磁透鏡的線圈固定為一體；在槍室下筒和底座之間裝有帶水冷的攔孔座，其上安裝有攔孔；在槍的最下的部分是電子槍的槍座；所述的底座其上裝有偏轉和掃描線圈，在偏轉和掃描線圈之上是第二磁透鏡的線圈，這些線圈均圍有進行冷卻用的水套；其特征在于還至少具有以下結構形式中的一種其一，在陽極座的下面安裝有陽極升降控制系統(tǒng)； 其二，把燈絲的中心孔直徑尺寸加大至8mm ； 其三，在槍室下筒上裝有氬氣輸送開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求1所述的功率可達SOOkw的大功率電子槍，其特征在于所述的陽極升降控制系統(tǒng)包括一緊抵于陽極座之下的凸輪，用以驅動凸輪運轉的一液壓缸安置在槍外，凸輪軸上裝有轉動角度傳感器。
3.根據(jù)權利要求1所述的功率可達SOOkw的大功率電子槍，其特征在于所有線圈均在真空外。
4.根據(jù)權利要求1所述的功率可達SOOkw的大功率電子槍，其特征在于在偏轉掃描線圈外的筒套上開有手孔。
5.根據(jù)權利要求1所述的功率可達SOOkw的大功率電子槍，其特征在于所述的氬氣輸送開環(huán)控制系統(tǒng)包括一組管道氬氣或瓶裝氬氣氣源及可控制氬氣流量的手動調(diào)節(jié)真空微量調(diào)節(jié)閥，通過管路使氣源、真空微量調(diào)節(jié)閥和攔孔室連接在一起。
全文摘要
一種功率可達800kw的大功率電子槍，包括一電子槍槍芯，置在槍室上筒上；槍芯上裝有燈絲和陰極塊；槍室上筒下裝有陽極座，陽極座上裝有陽極；陽極座和第一磁透鏡的線圈固定為一體；在槍室下筒和底座之間裝有帶水冷的攔孔座，其上安裝有攔孔；在槍的最下的部分是電子槍的槍座；所述的底座上裝有偏轉和掃描線圈，在偏轉和掃描線圈之上是第二磁透鏡的線圈，這些線圈均圍有進行冷卻用的水套；其還至少具有以下結構形式中的一種其一，在陽極座的下面安裝有陽極升降控制系統(tǒng)；其二，把燈絲的中心孔直徑尺寸加大至8mm；其三，在槍室下筒上裝有氬氣輸送開環(huán)控制系統(tǒng)。其解決了當前電子槍在調(diào)節(jié)功率大小時操作繁冗復雜、工作強度大和工作效率低等弊端。
文檔編號H01J37/04GK102522301SQ20111044706
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權日2011年12月28日
發(fā)明者孫照富, 尹中榮 申請人:北京有色金屬研究總院