устройство для излучения пучка электронов и способ излучения пучка электронов

Формула изобретения

1. Устройство для излучения пучка электронов, содержащее источник электронного пучка, ускорительную трубку для ускорения электронов, испускаемых из источника электронного пучка, фокусирующий электромагнит для наложения магнитного поля на высокоэнергетический электронный пучок, формируемый упомянутой ускорительной трубкой, для регулирования диаметра электронного пучка и электромагнит развертки пучка для наложения магнитного поля на упомянутый электронный пучок для отклонения и развертывания упомянутого электронного пучка, диаметр которого регулируется, отличающееся тем, что составляющая электрического тока, синхронизированная с электрическим током упомянутого электромагнита развертки пучка, наложена на электрический ток упомянутого фокусирующего электромагнита для регулирования электрического тока упомянутого фокусирующего электромагнита таким образом, чтобы упомянутый диаметр пучка достигал максимального значения в точках максимума упомянутой развертки пучка.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электрический ток упомянутого электромагнита развертки пучка является синусоидальным переменным электрическим током, электрический ток упомянутого фокусирующего электромагнита образован путем наложения на постоянный электрический ток синусоидального переменного электрического тока, частота которого вдвое превышает частоту электрического тока упомянутого электромагнита развертки пучка, и электрический ток упомянутого фокусирующего электромагнита регулируется синхронно таким образом, чтобы увеличить до максимума упомянутый диаметр пучка при максимальных положительном и отрицательном значениях электрического тока упомянутого электромагнита развертки пучка.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электрический ток упомянутого электромагнита развертки пучка является переменным электрическим током с триангулярной формой волны, электрический ток упомянутого фокусирующего электромагнита образован путем наложения на постоянный электрический ток переменного электрического тока с триангулярной формой волны, частота которого вдвое превышает частоту электрического тока упомянутого электромагнита развертки пучка, и электрический ток упомянутого фокусирующего электромагнита регулируется синхронно таким образом, чтобы увеличить до максимума упомянутый диаметр пучка при максимальных положительном и отрицательном значениях электрического тока упомянутого электромагнита развертки пучка.

4. Способ излучения пучка электронов, включающий следующие операции: регулирование диаметра высокоэнергетического электронного пучка путем наложения первого магнитного поля на упомянутый электронный пучок, наложение второго магнитного поля на упомянутый электронный пучок с регулируемым диаметром пучка для отклонения и развертывания упомянутого электронного пучка и регулирование упомянутого первого магнитного поля таким образом, чтобы упомянутый диаметр пучка достигал максимального значения в точках упомянутой развертки пучка.

Описание изобретения к патенту

Предшествующий уровень

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для излучения пучка электронов, в частности к устройству для излучения пучка электронов и способу излучения пучка электронов, которые используются для удаления вредных составляющих, содержащихся в отходящем газе, выпускаемом, например, из тепловой электростанции.

Считается, что тепличный эффект, кислотные дожди и другие эффекты загрязнения воздуха, которые стали проблемой во всем мире, порождаются такими компонентами, как SO_x, NO_x и т.п., содержащимися в отходящих дымовых газах, выпускаемых, например, из тепловых электростанций и т.п. Одним из применяемых на практике способов удаления вредных компонентов, как, например, SO_x, NO_x и т.п., является облучение дымового отходящего газа электронным пучком, в результате чего осуществляется десульфуризация и денитрация (удаление таких вредных компонентов, как SO_x, NO_x и т.п.).

На Фиг.1 приведен пример устройства для генерирования электронного пучка, которое используется в вышеописанном применении.

Устройство для обработки дымового отходящего газа, главным образом, содержит: источник питания 10, генерирующий постоянное высокое напряжение; устройство для излучения электронного пучка 11, излучающее пучок электронов на дымовой отходящий газ; газовый тракт для течения дымового отходящего газа, расположенный вдоль выходного окна для излучения 15, обеспечивающего выпуск электронного пучка, излучаемого устройством 11. Электронный пучок, испускаемый наружу из выходного окна 15, излучает молекулы кислорода (О₂), пара (Н₂О) и т. п. в дымовой отходящий газ, при этом выходное окно 15 имеет, например, тонкую пленку из титана и т.п. Принимая излучение, эти молекулы становятся свободными радикалами, такими как ОН, НО₂ и т.п., обладающими очень сильной окислительной способностью. Эти свободные радикалы окисляют вредные компоненты, такие как SO_x, NO_x и т.п., и образуют промежуточные продукты, такие как серная кислота, азотная кислота и т.п. Эти промежуточные продукты химически реагируют с газообразным аммиаком (NH₃), который инжектируется заранее, и превращаются в сульфат аммония и нитрат аммония. Сульфат аммония и нитрат амония извлекаются в качестве материалов для удобрений. За счет использования такой системы для обработки отходящего газа обеспечивается возможность удаления вредных компонентов, таких как SO_x, NO_x и т.п., из дымового отходящего газа и извлечения побочных продуктов, таких как сульфат аммония и нитрат аммония, которые могут быть использованы в качестве материалов удобрений.

Устройство для генерирования электронного пучка 11, в основном, содержит: источник генерирования термоэлектронов 12, как, например, термоэмиссионный катод и т.д.; ускорительную трубку 13 для ускорения электронов, испускаемых источником генерирования термоэлектронов 12; фокусирующий электромагнит 16 для наложения магнитного поля на высокоэнергетический электронный пучок, сформированный в ускорительной трубке, в результате чего осуществляется регулирование диаметра (сечения) электронного пучка; и электромагнит развертки пучка 17 для наложения магнитного поля на электронный пучок, в котором регулируется диаметр (сечения) пучка, вследствие отклонения элекронного пучка. Эти элементы находятся внутри кожуха, образованного элементами 18а и 18б, в котором поддерживается атмосфера высокого вакуума. Сформированный таким образом высокоэнергетический электронный пучок отклоняется и развертывается магнитным полем, налагаемым посредством электромагнита 17, и испускается из выходного окна 15 в заданную зону газового тракта 19 для отходящего газа.

На Фиг. 2 показано отклонение и стягивание пучка, создаваемые обычными фокусирующим электромагнитом и электромагнитом развертки пучка. Например, термоэлектроны, генерируемые источником термоэлектронов 12, как, например, катодом и т. п., ускоряются и стягиваются посредством высокого напряжения, например около 1 МВ, на ускорительной трубке 13 и превращаются в высокоскоростной электронный пучок. Затем для увеличения или уменьшения диаметра (сечения) пучка последний регулируется фокусирующим электромагнитом 16 для стягивания в пучок с постоянным диаметром (сечения). В этой конструкции фокусирующий электромагнит 16 является электромагнитом, содержащим кольцеобразную катушку, размещенную вокруг главной оси. Посредством фокусирующего электромагнита создается симметричное относительно оси в направлении оси пучка магнитное поле, при этом диаметр (сечения) пучка регулируется в соответствии с величиной и направлением магнитного поля. Как видно из Фиг.3б, для вышеуказанной цели на электромагнит подается постоянный электрический ток ₀.

Электронный пучок, диаметр (сечения) которого регулируется посредством фокусирующего электромагнита 16, развертывается в направлениях х и у посредством электромагнита развертки пучка 17. В этой конструкции электромагнит 17 является электромагнитом, содержащим два комплекта магнитных полюсов, способных отклонять электронный пучок в направлениях X и Y. Путем регулирования величины и направления электрического тока, подаваемого на катушку электромагнита, регулируются углы отклонения в направлениях X и Y, развертывается электронный пучок и регулируется позиция облучения электронным пучком. С этой целью, как видно из Фиг.3а, на катушку электромагнита подается синусоидальный переменный ток I_S. В результате, как показано на Фиг.2б, в выходном окне 15 электронный пучок развертывается в направлениях влево и вправо. Следует отметить, что на Фиг.2а развертка в вертикальном направлении сокращена для удобства пояснения.

Краткое описание изобретения

Однако при развертывании электронного пучка в направлении х путем использования электромагнита развертки пучка 17, если угол отклонения вблизи точек максимального развертывания А и В велик, возникает проблема, заключающаяся в том, что выходной угол электронного пучка становится отличным от его угла падения вследствие эффекта отклонения магнитным полем, созданным электромагнитом, и электронный пучок сходится в фокальную точку вследствие эффекта, подобного действию выпуклой линзы. Другими словами, ожидается достижение равномерного растра электронного пучка, как показано пунктирной линией на Фиг.2б, но в действительности излучение пучка особенно концентрируется у точек максимальной развертки А и В, которые расположены у правой и левой боковых сторон заштрихованной области на чертеже. Когда электронный пучок концентрируется в местах вблизи позиций максимальной развертки А и В, как указывалось выше, плотность энергии в этих местах возрастает, и в результате этого возникает проблема, заключающаяся в возможном повреждении выходного окна. Кроме того, в местах вблизи позиций максимальной развертки пучка А и В образуются некоторые зоны, не облученные электронным пучком. В результате этого удаление вредных компонентов из дымового отходящего газа не может быть осуществлено в достаточной степени.

Настоящее изобретение предназначено для решения вышеупомянутых проблем. Задачей настоящего изобретения является создание устройства для излучения пучка электронов, способного исключить проблемы сходимости электронного пучка у точек максимальной развертки пучка и постоянно получать полностью облученную зону с постоянной плотностью энергии.

Устройство для излучения пучка электронов согласно настоящему изобретению содержит: источник электронного пучка; ускорительную трубку для ускорения электронов, испускаемых из упомянутого источника электронного пучка; фокусирующий электромагнит для наложения магнитного поля на высокоэнергетический электронный пучок, формируемый упомянутой ускорительной трубкой, посредством которого регулируется диаметр электронного пучка; и электромагнит для наложения магнитного поля на упомянутый электронный пучок для отклонения и развертывания электронного пучка, диаметр которого регулируется; устройство для излучения пучка электронов отличается тем, что составляющая электрического тока, которая синхронизируется с электрическим током упомянутого электромагнита развертки, налагается на электрический ток упомянутого фокусирующего электромагнита, в результате чего электрический ток упомянутого фокусирующего электромагнита регулируется таким образом, что упомянутый диаметр пучка становится максимальным в упомянутых точках максимума упомянутой развертки пучка.

Согласно настоящему изобретению, путем наложения на постоянный электрический ток фокусирующего электромагнита составляющей электрического тока, синхронизированной с электрическим током электромагнита развертки пучка, электрический ток фокусирующего электромагнита регулируется таким образом, чтобы увеличить до максимума диаметр пучка в точках максимальной развертки, т. е. в точках, в которых угол отклонения становится максимальным, и, при обычном развертывании, диаметр пучка сходится. Вышеупомянутым способом, поскольку диаметр (сечения) пучка в точках максимальной развертки (т.е. в точках максимального угла отклонения) увеличен до максимума, можно увеличить видимое фокусное расстояние и исключить сходимость диаметра (сечения) пучка на участке выходного окна. В результате этого плотность излучения электронного пучка на участке выходного окна для выпуска излучения становится постоянной, повреждение участка выходного окна для выпуска излучения может быть исключено, в результате чего электронный пучок равномерно облучает дымовой отходящий газ и может быть достигнуто удовлетворительное удаление вредных компонентов.

Кроме того, настоящее изобретение отличается тем, что электрический ток упомянутого электромагнита развертки является синусоидальным переменным электрическим током и электрический ток упомянутого фокусирующего электромагнита создается путем наложения на постоянный электрический ток, синусоидальный переменный электрический ток имеет частоту, вдвое превышающую частоту постоянного тока упомянутого электромагнита развертки пучка, и электрический ток упомянутого фокусирующего электромагнита регулируется синхронно таким образом, чтобы увеличить до максимума упомянутый диаметр (сечения) пучка при максимальных положительных и отрицательных значениях электрического тока упомянутого фокусирующего электромагнита. За счет вышеупомянутых отличительных признаков диаметр (сечения) пучка может быть увеличен до максимума в максимальных точках развертки пучка в положительном и отрицательном направлениях соответственно.

Также возможны обстоятельства, при которых электрический ток упомянутого электромагнита развертки пучка является триангулярным переменным током, электрический ток упомянутого фокусирующего электромагнита создается путем наложения на постоянный электрический ток синусоидального переменного электрического тока, частота которого вдвое превышает частоту электрического тока упомянутого электромагнита развертки пучка, и электрический ток фокусирующего электромагнита регулируется синхронно таким образом, чтобы увеличить до максимума упомянутый диаметр пучка при максимальных значениях электрического тока упомянутого электромагнита развертки пучка в положительном и отрицательном направлениях. За счет упомянутого выше также можно увеличить до максимума диаметр пучка в максимальных точках развертки пучка в положительном и отрицательном направлениях соответственно.

Способ излучения пучка электронов согласно настоящему изобретению отличается тем, что: регулируют диаметр высокоэнергетического пучка электронов путем наложения первого магнитного поля на электронный пучок; налагают второе магнитное поле на упомянутый электронный пучок для отклонения и развертывания электронного пучка, диаметр которого регулируют; и регулируют упомянутое первое магнитное поле таким образом, чтобы упомянутый диаметр пучка достигал максимального значения в точках максимальной развертки пучка. Следует понимать, что форма волны электрического тока электромагнита развертки не ограничивается описанными выше синусоидальной и триангулярной формами и нет необходимости говорить о том, что не может быть никаких возражений против любой другой формы волны электрического тока, которая обеспечит получение равномерного растра электронного пучка.

За счет упомянутой выше конструкции даже в случае развертывания высокоэнергетического электронного пучка с относительно большим углом отклонения становится возможным исключение проблемы сходимости пучка и, следовательно, облучение электронным пучком с постоянной плотностью энергии широкой поверхности развертки пучка. В результате в применении устройства в качестве устройства для излучения пучка электронов, используемого для технологической обработки отходящего газа, можно подавать электронный пучок постоянной плотности на относительно большую поверхность облучения. Кроме того, можно добиться большего угла отклонения и в результате этого уменьшить размеры устройства. Можно ожидать, что подобный эффект может быть достигнут и в случае использования настоящего изобретения во множестве устройств, в которых используется электронный пучок, как, например, в устройстве для электронно-лучевой сварки, в сканирующем электронном микроскопе и т.д., в дополнение к устройству для облучения электронным пучком для технологической обработки отходящего газа.

Другие задачи настоящего изобретения становятся очевидными из последующего подробного описания вариантов настоящего изобретения и приложенных чертежей.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 является схематическим изображением известного устройства для технологической обработки отходящего газа путем облучения пучком электронов.

Фиг. 2(а) является пояснительной схемой известного устройства, показывающей, как отклоняется электронный пучок, и

Фиг.2(б) изображает диаграмму излучения электронного пучка.

Фиг.3(а) показывает электрический ток в электромагните развертки, и Фиг. 3(б) показывает электрический ток в известном фокусирующем электромагните.

Фиг. 4(а) изображает конструкцию первого варианта устройства для излучения пучка электронов согласно настоящему изобретению и показывает, как отклоняется электронный пучок, и на Фиг.4(б) изображена диаграмма излучения электронного пучка Фиг.4(а).

Фиг. 5(а) показывает электрический ток в электромагните развертки пучка первого варианта настоящего изобретения, и Фиг.5(б) показывает электрический ток в фокусирующем электромагните первого варианта настоящего изобретения.

Фиг. 6(а) показывает электрический ток электромагнита развертки пучка второго варианта настоящего изобретения, и Фиг.6(б) показывает электрический ток фокусирующего электромагнита второго варианта настоящего изобретения.

Фиг. 7(а) показывает электрический ток электромагнита развертки пучка третьего варианта настоящего изобретения, и Фиг.7(б) показывает электрический ток фокусирующего электромагнита третьего варианта настоящего изобретения.

Подробное описание настоящего изобретения

Вариант настоящего изобретения далее описывается со ссылкой на Фиг. 4(а)-7(б). На чертежах одним и тем же или эквивалентным элементам соответствуют одни и те же позиции.

На Фиг.4(а) показано, как отклоняется пучок, сформированный фокусирующим электромагнитом и электромагнитом развертки пучка одного из вариантов настоящего изобретения, и на Фиг.4(б) показана диаграмма излучения электронного пучка на облучаемую поверхность. На Фиг.5(а) показан электрический ток электромагнита развертки пучка согласно первому варианту настоящего изобретения, и на Фиг.5(б) показан электрический ток фокусирующего электромагнита согласно первому варианту настоящего изобретения. Это устройство для облучения электронным пучком 11 содержит: источник пучка электронов 12, ускорительную трубку 13, фокусирующий электромагнит 16, электромагнит развертки пучка 17. Конструкция, в которой пучок электронов, ускоренный и развернутый магнитным полем электромагнита развертки пучка 17, испускается из выходного окна 15, является такой же, как и известная конструкция. Кроме того, подобно известному устройству устройство 11 использует высокое постоянное напряжение около 1 МВ в ускорительной трубке 13 для ускорения электронного пучка, имеющего высокую скорость, с тем, чтобы регулировать диаметр (сечения) электронного пучка посредством фокусирующего электромагнита 16 и отклонять электронный пучок, диаметр (сечения) которого регулируется, в заданную зону развертки пучка. Ширина этой развертки пучка составляет около 3-4 м в направлении более длинной стороны (направление X) и около 30-40 см в направлении более короткой стороны (направление Y).

В настоящем изобретении в устройстве для излучения пучка электронов составляющая электрического тока, синхронизируемая с переменным электрическим током I_S электромагнита развертки пучка, налагается на постоянный ток I₀ фокусирующего электромагнита 16. На Фиг.5(а) показан переменный электрический ток I_S, который подается на катушку электромагнита для развертывания в направлении X. Развертка в направлении Х осуществляется путем подачи синусоидального электрического тока на катушку электромагнита развертки пучка. Когда величина синусоидального электрического тока, подаваемого на катушку электромагнита развертки пучка, достигает максимального значения, создается максимальное магнитное поле, в результате чего угол отклонения электронного пучка становится максимальным и вершина развертки электронного пучка располагается в точке максимума А на правой боковой стороне на Фиг.4(б). Когда величина синусоидального электрического тока становится максимально отрицательной, вершина развертки пучка располагается в точке максимума В на левой боковой стороне Фиг.4(б). Замечено, что, хотя также проводится развертка электронного пучка и в направлении Y, проблема, касающаяся сходимости диаметра пучка, не имеет места, поскольку ширина развертки в направлении Y уже, чем ширина развертки в направлении Х.

С другой стороны, на катушку фокусирующего электромагнита 17 подают электрический ток I_F, образованный путем наложения на постоянный ток I₀ составляющей переменного электрического тока, синхронизированной с током I_S и имеющей частоту, вдвое превышающую частоту тока I_S. Другими словами, постоянный ток I₀ фокусирующего электромагнита регулируют для увеличения диаметра пучка, и на постоянный ток I₀ налагают переменный электрический ток, частота которого вдвое превышает частоту электрического тока I_S электромагнита развертки пучка 17, таким образом, чтобы максимальные значения переменного электрического тока были соответственно синхронизированы с максимальными положительными и отрицательными точками А и В синусоидального электрического тока электромагнита развертки пучка 17.

За счет описанной выше конструкции в точках максимума А и В, к которым посредством электромагнита развертки пучка 17 отклоняется вправо и влево электронный пучок, ток I_F, подаваемый на фокусирующий электромагнит 16, становится максимальным, и в то же время диаметр пучка также становится максимальным. Следовательно, когда электронный пучок входит в магнитное поле электромагнита развертки и отклоняется, пучок наклоняют для обеспечения отклонения, и, следовательно, видимое фокусное расстояние увеличивается, вследствие чего исключается сходимость электронного пучка в выходном окне 15. В результате можно исключить явление сходимости электронного пучка, которое имеет место в известных устройствах при больших углах отклонения, т.е. концентрацию плотности энергии, и получить растр излучения с постоянной плотностью энергии, как показано на Фиг.4(б), без учета позиций развертки. Следовательно, можно исключить такую проблему, как повреждение выходного окна 15 за счет выгорания, вызванного сходимостью электронного пучка.

На Фиг. 6(а) показан электрический ток электромагнита развертки пучка согласно второму варианту настоящего изобретения, и на Фиг.6(б) показан электрический ток фокусирующего электромагнита согласно второму варианту настоящего изобретения. В этом варианте постоянная составляющая I₀ электрического тока электромагнита развертки пучка является регулирующим током для уменьшения диаметра пучка. Следовательно, синусоидальный переменный электрический ток, частота которого вдвое превышает частоту электрического тока I_S, налагается на постоянный ток I₀ таким образом, чтобы он был синхронизирован с положительными и отрицательными пиковыми значениями А и В синусоидальной волны электрического тока I_S электромагнита развертки пучка с тем, чтобы минимизировать электрический ток I_F фокусирующего электромагнита. За счет описанной выше конструкции диаметр пучка становится максимальным в положительных и отрицательных максимальных точках синусоидальной волны электрического тока I_S, т. е. при максимальных значениях развертки А и В. Следовательно, когда магнитное поле электромагнита развертки пучка 17 становится максимальным и диаметр пучка уже может сходиться, диаметр пучка увеличивается, и видимое фокусное расстояние также увеличивается, вследствие чего исключается проблема сходимости электронного пучка на выходном окне 15. Замечено, что, поскольку угол отклонения становится нулевым в положении вблизи нулевой точки электрического тока I_S электромагнита развертки, электрический ток I_F фокусирующего электромагнита становится равным I₀ и возвращается к исходному диаметру пучка.

На Фиг. 7(а) показан электрический ток электромагнита развертки пучка третьего варианта настоящего изобретения, и на Фиг.7(б) показан электрический ток фокусирующего электромагнита третьего варианта настоящего изобретения. В этом варианте для развертывания в направлении Х посредством электромагнита развертки пучка 17 используют триангулярную форму волны (волны в форме зуба пилы), как показано на Фиг.7(а). То есть, магнитное поле электромагнита развертки пучка 17, в котором диаметр (сечения) пучка регулируется фокусирующим электромагнитом 16, проникает и линейно изменяется со временем от отрицательного до положительного направления. Следовательно, электронный пучок также отклоняется и развертывается приблизительно линейно по оси времени от точки А до точки В на Фиг.7(а). По этой причине триангулярная волна, которая синхронизирована с электрическим током электромагнита развертки пучка, также используется в качестве электрического тока I_F фокусирующего электромагнита 16, как показано на Фиг.7(б). То есть, в этом варианте составляющая I₀ постоянного электрического тока является регулирующим электрическим током для стягивания диаметра пучка, и электрический ток для фокусирующего электромагнита 16 синхронизирован с электрическим током I_S электромагнита развертки пучка 17 для формирования триангулярной волны таким образом, чтобы триангулярная волна становилась минимальной в точках А и В. Следовательно, диаметр пучка регулируется посредством фокусирующего электромагнита 16 таким образом, чтобы он достигал максимального значения в точках А и В. С помощью вышеописанной конструкции можно исключить проблему сходимости диаметра пучка в точках максимальной развертки А и В, исключить повреждение выходного окна для выпуска излучения и подавать электронный пучок с постоянной плотностью энергии на всю облучаемую поверхность, как и в описанных выше вариантах.

В описанных выше вариантах настоящее изобретение описано как устройство для излучения пучка электронов в системе технологической обработки отходящего газа, но сутью настоящего изобретения является исключение явления фокусирования электронного пучка, сопровождаемого углом отклонения в процессе развертки пучка, осуществляемой электронным пучком. Поэтому идея настоящего изобретения широко применима во множестве устройств, использующих электронные пучки, как, например, устройствах для электронно-лучевой сварки, сканирующих электронных микроскопах и т.д.

Как упоминалось выше, согласно настоящему изобретению проблема сходимости пучка может быть исключена, и может быть получено излучение электронного пучка с равномерной плотностью энергии, даже если высокоэнергетический электронный пучок развертывается с относительно широким углом отклонения.

Несмотря на то, что изобретение подробно описано и проиллюстрировано, совершенно ясно, что и описание, и иллюстрации приведены только в качестве примера.