ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Сварочные электронно-лучевые технологии и электронные источники с плазменным эмитером

Электронные источники с плазменным эмитером предназначены для генерации стационарных (непрерывных) и импульсных электронных пучков для применения в вакууме, газе промежуточного давления и атмосфере. Отличительной особенностью источников является использование плазмы газового разряда в качестве эмиттера электронов. Такой принцип построения источников обеспечивает ряд их новых эксплуатационных качеств в сравнении с электронными источниками с термокатодом. Так, электронные источники с плазменным эмиттером не теряют работоспособность при повышенном рабочем давлении в области эмиссии, при воздействии паров металлов, в том числе тугоплавких, и газовых выбросов из зоны сварки, имеют большой ресурс, просты в обслуживании.

Эти свойства источников позволяют создавать на их основе принципиально новые технологии производства материалов и покрытий. В то же время они успешно применяются в традиционных электронно-лучевых технологиях, таких как сварочные, наплавочные, плазмохимические и другие технологии.

Источники электронов с плазменным эмиттером вместе с источниками электропитания и системой управления составляет электронно-лучевой энергокомплекс, который входит в состав технологической установки. Независимо от комплектности установки, электронный источник принято считать наиболее ответственным компонентом энергокомплекса и установки в целом, от параметров и надежности которого часто зависит успех технологического процесса. По этой причине дальнейшее описание будет касаться преимущественно электронных источников.

Рис.1. Электродная схема разрядной камеры.

Общее описание, принцип действия источника электронов с плазменным эмиттером.

Электронный источник с плазменным эмиттером содержит газоразрядное устройство, в котором генерируется плазма и созданы условия для выхода электронов в вакуум или газ низкого давления. Газовый разряд формируется в специальной разрядной камере (рис.1), содержащей три «холодных» электрода: полый катод, анод и эмиттерный катод. В разрядной камере создается магнитное поле Тл. В типичном рабочем режиме разряд существует при давлении газа в разрядной камере около 1÷5 Па и напряжении 350÷450 вольт. Разряд имеет неоднородное радиальное распределение концентрации плазмы с максимумом на оси.

В эмиттерном катоде имеется эмиссионный канал, через который происходит отбор электронов. Для оуществления эмиссии электронов между эмиттерным катодом и ускоряющим электродом прикладывается напряжение, создающее ускоряющее электрическое поле. Выходящие из плазмы электроны формируются в пучок и фокусируются магнитным полем фокусирующей системы.

Примеры конструкций

Конструкция разрядной камеры, внешний вид и конструктивное изображение электронного источника представлены на рис.2-4 соответственно. Корпус источника стальной, обеспечивающий защиту от рентгеновского излучения. Корпус составной и включает верхнюю 4, среднюю 12, нижнюю 7 части и крышку 10. К верхней части корпуса через вакуумный уплотнитель крепится разрядная камера 5. В ограниченный корпусом и высоковольтным изолятором разрядной камеры объем заливается трансформаторное масло.

Рис.2. Конструкция разрядной камеры.

Рис.3. Внешний вид источника электронов с плазменным эмиттером.

Рис.4. Схема источника электронов с плазменным эмиттером:

1 – датчики температуры; 2 – ручка; 3 – газовый ввод; 4 – верхний корпус; 5 – разрядная камера; 6 – ускоряющий электрод (экстрактор); 7 – нижний корпус (фланец источника); 8 – электрический разъем; 9 –дополнительная линза; 10 – составная крышка; 11 – кабельный ввод; 12 – средний корпус; 13 – шарнир;
14 – крепление основной линзы; 15 – основная фокусирующая линза; 16 – система отклонения и развертки пучка.

Примеры применения оборудования на основе источников электронов с плазменным эмиттером.

Наиболее значимое применение – это сварочные электронно-лучевые технологии. Применение в атомной промышленности:

Герметизация тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) для атомных станций на ОАО «Новосибирский завод химконцентратов» (ОАО НЗХК, г. Новосибирск).

Значительные объёмы производства ТВЭЛов обеспечиваются в условиях автоматизированного поточного производства. Поточное производство предъявляет повышенные требования к надёжности, стабильности работы оборудования технологических линий. Высокая производительность и ритм работы таких линий допускают остановки отдельного оборудования лишь на короткое время. Как показала практика, электронные источники с термокатодными узлами не могут в полной мере обеспечить стабильную работу поточных линий из-за ограниченного ресурса пушек.

В связи с этим уже длительное время в производстве ТВЭЛов, в частности, на ОАО НЗХК применяются электронные источники с плазменным эмиттером (см. рис.5).

Рис.5. Поточная линия герметизации ТВЭЛов.

Технология производства сверхпроводящих материалов для обмоток соленоидов термоядерного реактора по программе ИТЭР включает операции по дегазации и заварке изделий с оболочкой из меди.

Эти операции, как и герметизация оболочек ТВЭЛов, выполняются электронным пучком в вакууме. Для обеспечения стабильной работы установки нагрев изделий и герметизация оболочек на ОАО «Чепецкий механический завод» (ОАО «ЧМЗ», г. Глазов), производятся источниками с плазменным эмиттером (см. рис. 6).

Рис.6. Установка по заварке изделий с оболочкой из меди на основе источника электронов с плазменным эмиттером.

Электронно-лучевые источники с плазменным эмиттером используются в установках электронно-лучевой наплавки.

На рис.7 показан внешний вид установки, предназначенной для нанесения термоизносостойких покрытий с целью увеличения их эксплуатационной стойкости, а также для восстановления различных деталей машиностроения и металлургического оборудования. Установка эксплуатируется на одном из крупнейших в мире металлургических производств – Западно-Сибирском металлургическом комбинате в г. Новокузнецк, Кемеровской области.

Рис.7. Внешний вид установки электронно-лучевой наплавки.

Электронно-лучевые источники с плазменным эмиттером применяются для постановки научных экспериментов и отработки новых технологий.

На рис.8а показана установка для исследования свойств пылевой плазмы (Объединенный институт высоких температур РАН). На рис.8б представлена установка для диагностики импульсных газовых струй (Новосибирский государственный университет). Источники с плазменным эмиттером, входящие в состав этих установок, формируют электронный пучок, который выводится в область с повышенным давлением газа.

а

Рис.8. Внешний вид установки для исследования свойств пылевой плазмы (а) и для диагностики импульсных газовых струй (б).

В настоящее время основное внимание уделяется новым направлениям развития и новым применениям источников. Одно из таких направлений – вневакуумные электронно-лучевые технологии. Использование в этих технологиях источников с плазменным эмиттером с учетом их особых эксплуатационных свойств должно привести к существенному упрощению оборудования по выводу пучков в область атмосферного давления. В то же время электронные пучки, формируемые электронными источниками с плазменным эмиттером, должны иметь ряд уникальных геометрических параметров (быть сверхтонкими, с высокой яркостью). К настоящему времени выполнен цикл исследовательских работ с целью совершенствования источника электронов. В институте материаловедения университета им. Лейбница (г. Ганновер, Германия) собрана экспериментальная установка с выводом пучка в атмосферу, получен и выведен в атмосферу электронный пучок, сформированный электронным источником с плазменным эмиттером. Внешний вид установки показан на рис.9.

Рис.9. Внешний вид установки с выводом пучка в атмосферу на базе электронного источника с плазменным эмиттером.

Результаты исследований последних лет позволили создать вневакуумную электронно-лучевую систему на основе электронного источника с плазменным эмиттером, которая обеспечивает генерацию сфокусированного электронного пучка с энергией 120 кЭв и его последующую транспортировку в область с атмосферным давлением. Источник электронов с устройством вывода пучка в атмосферу располагается на роботе-манипуляторе (рис. 10), позволяющем легко перемещать их по заданной траектории и тем самым обеспечивать реализацию различных технологических процессов в атмосфере.

Рис 10. Внешний вид электронного источника с устройством вывода, установленного на роботе.

Характеристики оборудования, приведены в таблице.

Особенностью разработанного оборудования является то, что перепад давления между областью генерации электронного пучка и атмосферой обеспечивается двумя ступенями откачки. Устройство вывода обеспечивает транспортировку электронного пучка в область с атмосферным давлением без существенной потери мощности электронного пучка на выводных диафрагмах.

Источник

Serzrom › Блог › Электрический ток. Источники электрического тока.

Первую запись хочу посвятить электрическому току. Материал я взял из учебника по физике за 8 класс. Автор А.В. Перышкин. Издательство ДРОФА, Москва 2006.

§ 32 Электрический ток. Источники электрического тока.

Когда говорят об использовании электрической энергии в быту,
на производстве или транспорте, то имеют в виду работу электрического
тока. Электрический ток подводят к потребителю от электростанции
по проводам. Поэтому, когда в домах неожиданно гаснут
электрические лампы или прекращается движение электропоездов,
троллейбусов, говорят, что в проводах исчез ток.

Что же такое электрический ток и что необходимо для его возникновения
и существования в течение нужного нам времени?

Слово «ток» означает движение или течение чего-то.

Что может перемещаться в проводах, соединяющих электростанцию
с потребителями электрической энергии?

Мы уже знаем, что в телах имеются электроны, движением которых
объясняются различные электрические явления (см. § 31).
Электроны обладают отрицательным электрическим зарядом. Электрическими
зарядами могут обладать и более крупные частицы вещества — ионы. Следовательно, в проводниках могут перемещаться различные заряженные частицы.

Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нем электрическое поле. Под действием этого поля заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться в этом проводнике, придут в движение в направлении действия на них электрических сил. Возникнет электрический ток.

Чтобы электрический ток в проводниках существовал длительное время, необходимо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Электрическое поле в проводниках создается и может длительное время поддерживаться источниками электрического тока.

Источники тока бывают различные, но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделенные частицы накапливаются на полюсах источника тока. Так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой — отрицательно. Если полюсы источника соединить проводником, то под действием электрического поля свободные заряженные частицы в проводнике начнут двигаться в определенном направлении, возникнет электрический ток.

В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение механической, внутренней или какой-нибудь другой энергии в электрическую. Так, например, в электрофорной машине (рис. 42) в электрическую энергию превращается механическая энергия.

Можно осуществить и превращение внутренней энергии в электрическую. Если две проволоки, изготовленные из различных металлов, спаять, а затем нагреть место спая, то в проволоках возникнет электрический ток (рис. 43).

Такой источник тока называется термоэлементом. В нем внутренняя энергия нагревателя превращается в электрическую энергию. При освещении некоторых веществ, например селена, оксида меди (I), кремния, наблюдается потеря отрицательного электрического заряда (рис. 44).

Это явление называется фотоэффектом. На нем основано устройство и действие фотоэлементов. Термоэлементы и фотоэлементы изучают в курсе физики старших классов.

Рассмотрим более подробно устройство и работу двух источников тока
— гальванического элемента и аккумулятора, которые будем использовать в опытах по электричеству.

В гальваническом элементе (рис. 45) происходят химические реакции и внутренняя энергия, выделяющаяся при этих реакциях, превращается в электрическую.

Изображенный па рисунке 46 элемент состоит из цинкового сосуда (корпуса) Ц. В корпус вставлен угольный стержень У, у которого имеется металлическая крышка М. Стержень помещен в смесь оксида марганца (IV) MnO2 и размельченного углерода С. Пространство между цинковым корпусом и смесью MnO2 с С заполнено желеобразным раствором соли (хлорида аммония NH4Cl) P.

В ходе химической реакции цинка Zn с хлоридом аммония NH4Cl цинковый сосуд становится отрицательно заряженным.

Оксид марганца несет положительный заряд, а вставленный в него угольный стержень используется для передачи положительного заряда.

Между заряженными угольным стержнем и цинковым сосудом, которые называются электродами, возникает электрическое поле. Если угольный стержень и цинковый сосуд соединить проводником, то по всей длине под действием электрического поля свободные электроны придут в упорядоченное движение. Возникнет электрический ток.

Гальванические элементы — самые распространенные в мире источники постоянного тока. Их достоинством является удобство и безопасность в использовании.

В быту часто применяют батарейки, которые можно подзаряжать многократно — аккумуляторы (от лат. слова аккумуляторе — накоплять). Простейший аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин (электродов), помещенных в раствор серной кислоты.

Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Для зарядки через аккумулятор пропускают постоянный ток от какого-нибудь источника. В процессе зарядки в результате химических реакций один электрод становится положительно заряженным, а другой — отрицательно. Когда аккумулятор зарядится, его можно использовать как самостоятельный источник тока. Полюсы аккумуляторов обозначены знаками «+» и «-». При зарядке положительный полюс аккумулятора соединяют с положительным полюсом источника тока, отрицательный — с отрицательным полюсом.

Кроме свинцовых, или кислотных, аккумуляторов широко применяют железоникелевые, или щелочные, аккумуляторы. В них используется раствор щелочи, а пластины состоят одна из спрессованного железного порошка, вторая — из пероксида никеля. На рисунке 47 изображена батарея из трех таких аккумуляторов.

Аккумуляторы имеют широкое и разнообразное применение. Они
служат для освещения железнодорожных вагонов, автомобилей, для запуска автомобильного двигателя. Батареи аккумуляторов питают электроэнергией подводную
лодку под водой. Радиопередатчики и научная аппаратура на искусственных спутниках 3емли также получают электропитание от аккумуляторов, установленных на спутнике.

На электростанциях электрический ток получают с помощью генераторов (от лат. слова генератор — создатель, производитель). Этот электрический ток используется в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве.

1. Что такое электрический ток?

2. Что нужно создать в проводнике, чтобы в нем возник и существовал ток?

3. Какие превращения энергии происходят внутри источника тока?

4. Как устроен сухой гальванический элемент?

5. Что является положительным и отрицательным полюсами батареи?

6. Как устроен аккумулятор?

7. Где применяются аккумуляторы?

Источник

Источники электронов, виды электронной эмиссии, причины ионизации

Для того чтобы понять и объяснить принципы действия электронных приборов, необходимо ответить на следующий вопрос: каким образом электроны освобождаются? На него мы ответим в настоящем статье.

В соответствии с современной теорией атом состоит из ядра, имеющего положительный заряд и сосредоточивающего в себе почти всю массу атома, и расположенных вокруг ядра отрицательно заряженных электронов. Атом как целое электрически нейтрален, поэтому заряд ядра должен равняться заряду окружающих его электронов.

Поскольку все химические вещества состоят из молекул, а молекулы из атомов, то всякое вещество в твердом, жидком или газообразном состоянии представляет собой потенциальный источник электронов. Действительно, все три агрегатных состояния вещества используются в технических приборах в качестве источника электронов.

Особенно важным источником электронов являются металлы, которые для этой цели обычно используются в виде проволок или лент.

Возникает вопрос: если такая нить содержит в себе электроны и если эти электроны сравнительно свободны, т. е. могут более или менее свободно перемещаться внутри металла (что это действительно так, мы убеждаемся на основании того, что даже весьма малая разность потенциалов, приложенная к двум концам такой нити, направляет поток электронов вдоль нее), то почему электроны не вылетают из металла и не образуют в обычных условиях источника электронов? Простой ответ на этот вопрос можно дать на основе элементарной электростатической теории.

Предположим, что электроны покидают металл. Тогда металл должен приобрести положительный заряд. Поскольку заряды противоположных знаков взаимно притягиваются, электроны снова притянутся к металлу, если только какое-нибудь внешнее воздействие не будет препятствовать этому.

Существует несколько способов, с помощью которых электронам в металле можно сообщить энергию, достаточную для того, чтобы они покинули металл:

1. Термоэлектронная эмиссия

Ток, который течет по нити, когда к ее концам приложено напряжение, нагревает эту нить. Когда температура металла окажется достаточно высокой, электроны будут покидать поверхность металла и выходить в окружающее пространство.

Металл, используемый таким образом, носит название термоэлектронного катода, а освобождение электронов этим способом называется термоэлектронной эмиссией. Процессы, вызывающие термоэлектронную эмиссию, аналогичны процессам испарения молекул с поверхности жидкости.

Как в том, так и в другом случае должна быть затрачена некоторая работа. В случае жидкости эта работа представляет собой скрытую теплоту парообразования, равную энергии, необходимой для того, чтобы перевести один грамм вещества из жидкого в газообразное состояние.

В случае термоэлектронной эмиссии так называемая работа выхода представляет собой минимальную энергию, необходимую для того, чтобы испарить один электрон из металла. Вакуумные ампы, ранее применявшиеся в радиотехнике, обычно имели термоэлектронные катоды.

Действие света на поверхности различных материалов также приводит к освобождению электронов. Энергия света используется для сообщения электронам вещества необходимой добавочной энергии с тем, чтобы они могли покинуть металл.

Материал, применяемый в качестве источника электронов по этому способу, носит название фотоэлектрического катода, а процесс освобождения электронов известен как фотоэлектрическая или фотоэлектронная эмиссия. Этот способ освобождения электронов лежит в основе электрического глаза — фотоэлемента.

3. Вторичная эмиссия

При ударе частиц (электронов или положительных ионов) о металлическую поверхность часть кинетической энергии этих частиц или вся кинетическая энергия их может быть сообщена одному или нескольким электронам металла, в результате чего они приобретут энергию, достаточную для того, чтобы покинуть металл. Этот процесс называется вторичной электронной эмиссией.

4. Автоэлектронная эмиссия

Если вблизи поверхности металла существует весьма сильное электрическое поле, то оно может вырывать из металла электроны. Это явление называется автоэлектронной или холодной эмиссией.

Ртуть является единственным металлом, который широко используется в качестве катода с автоэлектронной эмиссией (в старых ртутных выпрямителях). Ртутные катоды допускают очень большие плотности тока и позволяют конструировать выпрямители на мощности до 3000 кВт.

Из газообразного вещества электроны могут освобождаться также несколькими путями. Процесс, в результате которого атом теряет электрон, называется ионизацией. Атом, потерявший электрон, называется положительным ионом.

Процесс ионизации может иметь место в результате следующих причин:

1. Электронная бомбардировка

Свободный электрон в газонаполненной лампе может приобрести за счет электрического поля энергию, достаточную для ионизации молекулы или атома газа. Этот процесс может носить лавинный характер, так как после выбивания электрона из атома оба электрона в дальнейшем при столкновении с частицами газа могут освобождать новые электроны.

Первичные электроны могут освобождаться из твердого тела любым из рассмотренных выше способов, причем роль твердого тела может играть как оболочка, в которую заключен газ, так и любой из электродов, расположенных внутри лампы. Первичные электроны могут также создаваться в результате фотоэлектрической эмиссии.

2. Фотоэлектрическая ионизация

Если газ подвергнуть действию видимого или невидимого излучения, то энергия этого излучения может оказаться достаточной (при поглощении ее атомом) для того, чтобы вырвать некоторые электроны. Этот механизм играет важную роль в определенных видах газового разряда. Кроме того, в газе может иметь место фотоэлектрический эффект под действием излучения возбужденных частиц самого газа.

3. Бомбардировка положительными ионами

Положительный ион, соударяясь с нейтральной газовой молекулой, может освободить электрон, как в случае электронной бомбардировки.

4. Термическая ионизация

Если температура газа достаточно высока, то некоторые электроны, входящие в состав его молекул, могут приобрести энергию, достаточную для того, чтобы покинуть атомы, которым они принадлежат. Это явление аналогично термоэлектрической эмиссии из металла. Этот тип эмиссии играет роль только в случае мощной дуги при высоком давлении.

Наиболее существенную роль играет ионизация газа в результате электронной бомбардировки. Фотоэлектрическая ионизация имеет значение при некоторых разновидностях газового разряда. Остальные процессы имеют меньшее значение.

Еще относительно недавно везде применялись электровакуумные приборы различных конструкций: в технике связи (в особенности радиосвязи), в радиолокации, в энергетике, в приборостроении и т. д.

Применение электровакуумных приборов в области энергетики состояло в преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямление), в преобразовании постоянного тока в переменный (инвертирование), в изменении частоты, в регулировании скорости электродвигателей, в автоматическом контроле напряжения генераторов переменного и постоянного тока, во включении и выключении значительных мощностей в электросварке, в управлении освещением.

Использование взаимодействия излучения с электронами привело к созданию фотоэлементов и газоразрядных источников света: неоновых, ртутных и люминесцентных ламп. Электронные приборы управления имели исключительное значение для цепей театрального и производственного освещения.

В настоящее время все эти процессы используют полупроводниковые электронные приборы, а для целей освещения используются светодиодные технологии.

Источник

• ← Как сделать источник радиопомех
• Как сделать источники в ворде →