Компактный источник электронного пучка для установок электронно-лучевой сварки с трансформаторной передачей электропитания электроники управления пучком и катода электронной пушки

Цитирование: Семенов Ю. И. Компактный источник электронного пучка для установок электронно-лучевой сварки с трансформаторной передачей электропитания электроники управления пучком и катода электронной пушки / Ю. И. Семенов, Д. Ю. Болховитянов, И. А. Гусев и др. // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2024, 17(1). С. 73–81. EDN: LOUTZU

Компактный источник электронного пучка с лазерным подогревом катода на испытаниях работал достаточно надёжно [9]. Способ лазерного подогрева катода описан в [10], а способ регулировки и стабилизации тока катода электронной пушки посредством управления мощностью лазерного луча описан в [11].

Вариант источника с передачей электропитания электроники управления пучком и накала катода электронной пушки через разделительные конденсаторы на испытаниях работал не надёжно. Разделительные конденсаторы часто пробивались при работе в режимах, не превышающих их рабочие параметры.

В настоящей работе представлен компактный источник электронного пучка для установок электронно-лучевой сварки с трансформаторной передачей электропитания электроники управления пучком и катода электронной пушки.

Описание прототипа

Обычно источники электронных пучков для электронно-лучевых технологий состоят из отдельных друг от друга компонентов, которые между собой коммутируются кабелями, в том числе дорогостоящими высоковольтными кабелями и высоковольтными соединителями [12]. В нашем случае электронная пушка с электронно-оптической колонной, высоковольтный источник ускоряющего напряжения электронной пушки и блок электроники накала катода и управления током электронного пучка располагаются в едином корпусе-моноблоке (рис. 1), и передача электропитания электроники управления током электронного пучка и накала катода осуществляется через разделительный трансформатор. Блок электроники питания накала катода и управления током источника (рис. 1, поз. 4), находящийся под потенциалом ускоряющего напряжения электронной пушки в 120 кэВ, является достаточно сложным и дорогим компонентом электронного источника. При этом необходимо передавать мощность электропитания порядка 250 Вт. Электронику надо защищать от пробоев и от рентгеновского излучения.

В настоящей работе для передачи мощности электропитания используются два последовательно включенных трансформатора. Магнитопровод каждого трансформатора представляет собой кольцо из аморфного железа, на котором намотаны две обмотки. Одинаковые обмотки трансформаторов намотаны в два провода (рис. 2). Напряжение изоляции проводов каждой из обмоток – 30кВ. Таким образом, первичная и вторичная обмотки могут быть разнесены на 60 кВ. Два последовательно включенных трансформатора позволяют разнести потенциалы первичной и вторичной обмоток на 120 кВ. Выгода такого решения состоит в том, что используются стандартные покупные детали и не приходится разрабатывать высоковольтный трансформатор, но размер этих трансформаторов значительно больше, чем размер специально разработанных трансформаторов. Однако трансформаторы устанавливаются в таком месте, что дополнительный объем не потребовался. Электрическая прочность обеспечивается за счет высоковольтной изоляции проводов.

На рис. 3 представлена принципиальная схема трансформаторной передачи электропитания электроники управления пучком и катода электронной пушки. Здесь нумерация выделенных блоков совпадает с нумерацией блоков на рис. 1: 2 – электронная пушка с электроннооптической колонной; 4 – блок электроники накала катода и управления током электронного пучка; 5 – умножитель напряжения; 6 – трансформатор входной 30 кВ.

Рис. 1. Компоновка моноблока: 1 – вакуумная камера, 2 – электронная пушка с электронно-оптической колонной, 3 – блок делителя напряжения, 4 – блок электроники накала катода и управления током электронного пучка, 5 – умножитель напряжения, 6 – трансформатор входной 30 кВ, 7 – радиатор водяного охлаждения, 8 – корпус моноблока

Fig. 1. Monoblock layout: 1 – vacuum chamber, 2 – electron gun with electron-optical column, 3 – voltage divider block, 4 – tank of electronics for heating the cathode and for electron beam current control, 5 – voltage multiplier, 6 – input transformer 30 kV, 7 – water cooling radiator, 8 – housing of the monoblock

Рис. 2. Поперечное сечение одного из двух трансформаторов и его размещение в блоке делителя моноблка: 1– магнитопровод, 2 – обмотка из провода с высоковольтной изоляцией

Fig. 2. Cross section of one of the two transformers and its placement in the monoblock divider block: 1 – magnetic circuit, 2 – winding made of wire with high-voltage insulation

Рис. 3. Принципиальная схема трансформаторной передачи питания электроники управления пучком и катода электронной пушки

Fig. 3. Schematic diagram of transformer transmission power supply for beam control electronics and electron gun cathode

Результаты и их обсуждение

При испытаниях компактный источник электронного пучка с трансформаторной передачей электропитания электроники управления пучком и катода электронной пушки работал надёжно и были проведены измерения его основных параметров:

• •    схема трансформаторной передачи питания электроники управления пучком и катода электронной пушки (обеспечивался ток накала катода электронной пушки до 95 А);

• •    ток электронного пучка измерялся с помощью цилиндра Фарадея и составлял до 100 мА при энергии электронов 90 кэВ;

• •    ширина профиля пучка на его полувысоте на расстоянии от среза электроннооптической колонны 550 мм не более 0,9 мм.

Размер профиля тока электронного пучка по его поперечному сечению измерялся методом быстрой развёртки электронного пучка поперек параллельных узких щелей измерительной решётки и осциллографирования тока электронов, прошедших через узкую измерительную щель металлической пластины в цилиндр Фарадея.

В данной компоновке источника электронного пучка магнитопроводы трансформаторов передачи электропитания электроники управления пучком и катода электронной пушки охватывают лучепровод, то есть электронный пучок проходит сквозь кольца трансформаторов. Таким образом, на электронный пучок воздействует не только постоянное напряжение 120 кВ, но и переменное напряжение, наведенное от трансформаторов. Это напряженение невелико – около 7 вольт и при правилной коммутации обмоток поля двух трансформаторов комненсиру-ют друг друга. Какого-то влияния на сварочный ток не было замечено.

Резюме и выводы

Измерены основные параметры компактного источника пучка с трансформаторной передачей электропитания электроники управления пучком и катода электронной пушки:

• •    максимальный ток накала катода электронной пушки;

• •    ток электронного пучка;

• •    размер профиля пучка электронов на его полувысоте.

Были проведены испытания компактного источника электронного пучка в виде моноблока в трёх вариантах схемы подогрева катода и электроники управления пучком:

• •    лазерный подогрев катода с регулировкой и стабилизацией тока катода посредством управления мощностью лазерного луча;

• •    передача электропитания электроники управления пучком и накала катода через разделительные конденсаторы;

• •    передача электропитания электроники управления пучком и накала катода через разделительный трансформатор.

Вариант источника с лазерным подогревом эмиссионной поверхности катода на испытаниях работал достаточно надёжно [9], и его основным недостатком является дороговизна источника лазерного излучения.

Вариант источника с передачей электропитания электроники управления пучком и накала катода через разделительные конденсаторы на испытаниях работал не надёжно. Разделительные конденсаторы часто пробивались при работе в режимах, не превышающих их рабочие параметры. После пробоев изменялись их физические свойства.

Вариант с передачей электропитания электроники управления пучком и накала катода через разделительный трансформатор на испытаниях работал надёжно и обеспечивал работу источника электронного пучка во всех его рабочих режимах.

Оценивая результаты испытаний, можно сказать, что для производственного применения наиболее приемлемым является компактный источник электронного пучка с трансформаторной схемой передачи электропитания электроники управления пучком и накала катода электронной пушки.