К.В. Фролов - Технологии, оборудование и системы (1062200), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Вюкную роль в процессе преобразования энергии первичных электронов в твердом теле играет электронно-лучевой нагрев вещества. Та доля энергии, которая не уносится из образца выходящими из него элекгронамн и электромагнитным излучением, поглощается веществом и в конечном счете переходит в теплоту. Повышение температуры стимулирует протекание ряда термических процессов: структурных фазовых переходов, отжита дефектов, диффузии, рекристаллизации, плавления, десорбции и испарения с поверхности атомных частиц, термоэлекгронной эмиссии и др.
Теплота отводится от нагреваемого участка за счет теплопроводности и теплового излучения. Особенность электронно-лучевого нагрева широко используется в практике электронно-лучевой термической обработки материа- 62 Глава 21. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА лов, так как позволяет получать очень высокие концентрации тепловой энергии при сравнительно малой общей мощности пучка или в очень малых объемах (несколько кубических микрометров). Этот эффект используется в таких широко распространенных электроннолучевых технологиях, как отжиг, испарение, очистка поверхности, пяавление, сварка, зонная очистка, закалка, размерная обработка (фрезерование, резка, скрайбирование, сверление, гравировка и тл.).
Таким образом, анализ различных физических явлений, сопровождающих взаимодействие электронного пучка с твердым телом, показывает, что большинство из них мажет быль с успехом использовано при решении самьп разных технологических задач. При любом технологическом процессе южно заранее знать глубину воздействия электронного пучка на обрабатываемый материал. Зта величина зависит в основном от скорости электронов, элементного состава и структуры материала, угла падения пучка на поверхносп образца. Траектории электронов в веществе можно представить в виде ряда отрезков ломаной линии, число которых зависит от количества актов рассеяния на встреченных атомах.
Полная длина пути, пройденная электроном, является вполне определенной функцией энергии электрона. В конечном счете электрон теряет всю энерппо. С учетом многократного изменения направления движения электронов строится модель некоторого объема, в котором и происходит рассеяние электронов. На практике удобно пользоваться моделью, согласно которой электроны сначала, не рассеиваясь, проходат некоторый путь х, а затем изотропно рассеиваются во все стороны (рис.
2.1.1). Принимается допущение, что все траекторные пробеги электронов одинаковы и могут быть рассчитаны по формуле 1!Š— 2кЬГАе~Ер ЬЕ Ж АЕ Х вЂ” 7,85.10 Ер ЬЕ АЕ Х' зхеатроааыв сучок Ряс. 2.1.1. Сфера рассеаавя в вегааяемм еаегтревеа еегаасве двффузвеааей иевелв: й - траекторный пробег ш 1Б 1 П.ер 14 1В 10 0 10 ЗО Бе УО ВО 2 Рве.
2.1.2. Заввсвиесть У/ Лет пеывеге вхаера япрвхевзя хвшп — тееретическав зависимость (закон Блоха); аплоюнтя - зависимость Делхеыба - Да Каза где Е - энерпи электрона в пучке, кэВ; И!- отрезок пути, на котором электрон теряет долю кинепгческой энергии, см; Ьгл - число Авогадро; е - заряд электрона; Е и А - соответспюнно шомный номер и атомный вес элемента; р - шютность вещества, г/смз; Х- средняя поглощенная атомом энергия электрона, кэВ; Ь 1,166 - множитель, Для легких элементов (Е < 40) зависимость Хот Е- нелинейная (рис. 2.1.2). В диффузионной модели проникновения электрона в твердое тело поглощение электронного лучка, диаметр которого много меньше Я, происходит внутри сферы радиусом (Š— х) с центром на глубине х.
Часть этой сферы, выступающая над поверхностью образца, соответствует доле обратно рассеяниьп электронов, которые вьпвли в мкуум. Относительная площадь поверхности этого сегмента характеризует коэффициент неупругого отражения тс 2к(Š— х)(Š— 2х) 1 1 — 2х / Е 4я(Š— х)2 2 1 х/ Следовательно, если известна величина у для данного образца, то можно оценить х по формуле х / Е = (1 - 2У) / (2 - н). Фундаментальным понатием в электронно-лучевой технологии является зависимость плотности попющенной кинепгиской энергии электронного пучка от ее распределения по глубине и ширине обрабатываемого материала или изделия. Распределение это неравномерно, что связано с возрастанием энергетических потерь электрона по мере его продвижения в твердом теле.
Кроме того, вклад в поглощенную энергию вносят также электро- мьтоды о) слов е е о,ое о,оз е. «и -о,оа -о,ое о Рис. 2.1.3. Схеме расчете иеглешешмй энергии з миегеелеймие ейъеате ны, рассеиваемые в обратном направлении. Если обрабатьпюемое изделие нли материал предсгаюшет собой многослойную конструкншо, то каждый из слоев вносит свой, характерный только для него вклад (рис. 2.1.3). Соптасно схеме поглощенная знерпш состоит из потерь энергии электронов первичного пучка Е двигающихся в прямом направлении, н потерь энергии электронов, претерпевших обратное рассеяние Е и Е„и может быть представлена таким уравнением: Е(г, гд) = Ег(г, гд) - (Ег(г, гд) + Е,(г, гд) + + ... + Ел(г, гд)), где Ег и Е - энергетические потери электронов, испытавших обратное рассеяние в различных по физическим свойствам слоях.
Различные слои вещества дают различные вклады в потери энергии отрюкенными электронами. При облучении первичными электронами элементарногд обьема в точке "т" обычным пучком с гауссовым распределением плотности тока по сечению в течение времени 1 лот объем получит некоторую дозу облучения (Кл / см'). Полная доза энергии, выделенная в результате воздействия элекгронного пучка в течение времени б равна сумме энергии, выделенной элеюронами, претерпевшими мзлоугловое рассеяние при прямом прохождении верхних слоев, а также рассеяние под бсшьшими упшми, и энергии, выделенной электронами, вернувшимися в верхние слои в результше обратного рассеяши дшг многослойных мишеней. зл.з.
ыктоды Описанные в подразд. 2.1.2 физические явления используются в различных технологических процессах электронно-лучевой обработки материалов и изделий электронной техБольшая часть энергии электронного пучка переходит в теплоту.
На рис. 2.1.4 пред- Рис. 2.1А. Проезревстемвме рампаылмем оеиееитезеией иеглееееемей мееюеети вучвз е Ро - мошвошь на повеРхности мишени ставлено семейство значений пространственного распределения относительной поглощаемой мощности пучка Р/Рд = согнь Максимум поглощаемой мощности находится на оси лучка, несколько ниже поверхности образца. Его опюснтельное положение х/ Я мело меняется при увеличении энерпен от 20 до 100 кэВ. Распределение температуры Т в материале образца в любой момент времени 1 подчиняется закону т = ед(рс(4лаг) мЦ-1ехр(-гт / (4аЩ. Здесь г - рахтоиние от центра электронного пучка до рассматриваемой точки, м; Ед энергия, выделяемая в точке с координатами х = О, г = 0 в момент времени 1 =0; р - плотность материала, кг/мз; с - удельная теплоемкость материала, Дж / (кгК); а = Л / (рс)— темлературопроводность материала, где теплопроводность материала, Вт/(м.К).
На рнс. 2.1.5 показано распределение температуры в бесконечно протяженном однородном образце из железа после мгновенного воздействия точечного электронного пучка с энергией Ед = 10 3 Дж в разные моменты времени. По истечении времени 1 профиль температурного полк принимает заданную форму. Рве. 2.1.5. Илммимие темвературмме веля зе времеви аа мвшевв из железа через 1 мис (7), 1О мвс (2), 15 мие (3), 20 мис (4), 50 мие (5) в 100 мке (6) Глава 2.1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА Если диаметр электронного пучка отличен от нуля, то выделяющуюся при облучении мощность Р(х, г, 2) можно представить в виде совокупности мощностей точечных источников, распределенных по плоскости мишени в пределах диаметра пучка. Если на поверхность образца падает электронный пучок с постоянной во времени удельной мощностью, то в начальный момент времени теплота не успевает отводиться от места выделения энергии пучка и ныревание образца происходит почти адиабатически.
В таких условиях распределение температуры приблизительно соответствует распределению выделяемой мощности (см. рис. 2.1Л), причем в каждой точке образца температура линейно возрастает со временем Т = То + Рт /(рс), где Тд — начальная температура; 2; т, р= (21/(Т))Т н с = () ~Т)ГТ То Т1 — Те усредненные по диапазону температуры значения плотности и удельной теплоемкости. Если при воздействии электронного пучка на материал происходят фазовме превращения, не приводящие к потере части подводимой энергии и вещества, то до окончания фазового перехода температура не меняется, а после его окончания Т= Тэ+ РГ/(рс) — Д Д1)/с, где ) 01 - сумма скрытых теплот всех фазовых переходов, происходящих в интервале температуры от Те до Т. С ростом продолжительности облучения температурное поле начинает изменяться за счет теплопроводности и рост вьщеляемой мощности замед|шется Т = Рс~ /(Рс) + ТГе где л < 1.
Когда температура достигает конечното, установившегося значения, то ее распределение на достаточном удалении от зоны воздействия пучка следующее Т ~г2/'(2г) )(Р / 2.). Теперь температурное поле занимает гораздо большее пространство, чем при квазиадиабатнческом ншреве. В теле, имеющем конечные размерм, установившееся распределение температуры зависит от размеров образца и условий теплообмена его с окружающей средой. Начиная с некотором значения удельной мощности лучка (Р. х и 104 Вт / смз), скорость превращения кинетической энергии пучка в тепловую все больше превышает скоросп, отвода теплоты от места облучения за счет теплопроводности, лучеиспускания и испарения частиц материала с поверхности, что приводит к возрастанию температуры материала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
