К.В. Фролов - Технологии, оборудование и системы (1062200), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Вюкно определить, необходимо ли прерывание пучка во время работы, с какой частотой, сююжностью и т.д., а также, удовлетворяютсв лн требования к точности позиционирования пучка или координатного стола, стабильности питающих устройств, быстродействию всех исполнительных органов, быстродействию, обьему памяти н другими параметрами системы автоматизированного управления.
После этого определяют 2цзугие параметры оборудовипш, например, размер технологической камеры, тип внутрикамерной оснастки, параметры средств вакуумной откачки и контроля за давлением и составом остаточных газов, системм загрузки и вьпрузки и т.п. Этн данные необходимы для того, чтобы выбрать элементы электронно-лучевой установки, способные выполнить все требования техполоУстановки с малой мощностью пучка (1О Вт — 1 кВт) и диаметром лучка 104 - 10 2 мм по конструкции сходны ме2кду собой и применяются дял термической и нетермической обработки материалов и микросварки.
При нетермической обработке удельная мощность достншет 104 Вт/смз при очень малом диаметре пучка н сравнительно небольшой общей мощности. При термообработке и микроаварке удельная мощность составляет 104 10з Вт/смз при соответственно больших диаметрах пучков.
Ускоряющие напряжения, применяемые в этих установках, состаюиют 20 - 150 кВ. Установки с моШностью 1 100 кВт, удельной мощностью 102 — 102 Вт/смт и диаметром пучка от нескольких десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров применяются преимущественно для сварки и нетермической обработки материалов с целью изменения их свойств. В последнем случае используются сверхвысоковольтные установки с энергией электронов до 1 - 8 МэВ. Это различного типа ускорители электронов как прямого действия, так и с ускорением электронов методом бегущей волны (СВЧ-ускорители). Удельная мощность, приносимая электронным пучком на поверхность мишени, выражается через основные характеристики лучка в виде 4И Р = — =Щ, Ув.в —,2— где (/- ускоряющее напряжение, В; 1- сила тока пучка, А; / - плотность тока пучка, А/смз; Д - диаметр пучка на поверхности мишени, см.
Баланс мошности при определенной технологической операции позволяет оценить, какая доля пучка, дошедшая до мишени, затрачивается на лро2раммируемый технологический процесс. Зная эту дошо, можно выбрать из имеющегося оборудования или конструировать новое оборудование для выполнения нужного процесса. При ниреве стальной ленты электронным пучком 45 - 55 % потребляемой электрической мощности, т.е.
80 % мощности электронного пучка, выдииется в ленте в виде теплоты. Мощность пучка соатавляет 75 — 85 % общей потребляемой мощности, которая затрачивается на следующие процеааы: потери во вторичных источниках литания (10 - 15 %); разогрев катода (1 - 5 %); потери части пучка в пушке (менее 1 %); поглощение энергии пучка остаточными газами (1 %); отражение электронов от ленты (15 - 30 %); возбуждение рентгеновского излучения в ленте (1 %); отююнепие пучка за пределы ширины липы (5 %). После определения требований к параметрам элекцюнного пучка выбирают конатрукпевные элементы оборудования, способные удовлетворить этим требоьзниям.
Кинетическая энерпи злекгронов зависит от ускоряющего напряжения. Для нерелятнвистскнх электронов кинетическая знерпи (не более 100 кзВ) прямо пропорциональна ускоряющему напряжению (В). Для риитнвиатаких электронов с энергией более 100 кэВ ускоряюшее напряжение определяют по формугю (/= (/з(1 + 0,98.10 ь (/) где (/з - напряжение на ускоряющем электроде, В. Выбранное ускорюошее напряжение определяет требования к высоковольтному кабелю и изолятору электронной пушки, ширине вакуумного промежутка микду катодом и анодом (в диодной системе в качестве анода нслользуетая сама мишень, например в плавильных печах), допустимому значению давления остаточных газов и паров в электронно- оптической системе и технолопнеской камере.
В современных злекгро нных пушках электроны змлтглруютоя катодами разных размеров и формы из разных материалов. Это связано с тем, что для эмиссии больших потоков электронов (большой силы тока - до сотен килоампер) используют плоские дисковые илл близкие к этой форме катоды а большой поверхностью (диаметром до 30 мм). МЕТОДЫ ВЫБОРА И РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ ЕДЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ У5 В слаботочных электронных пушках используют катоды с малой рабочей поверхностью (радиусом 1 - 100 мкм). Для формирования пучков малого диаметра (до 0,1 мкм) используют шпилькообразлые и осцшйные юцоды, в качестве мзюрнаоаполукрисгаллы или монокристзллы гексаборида лингама (1АВ4) или сплав вольфрама с добавками рения для устранения хрупкости.
Все катоды с большой поверхностью, а таске шпилькообразные и острийные катоды из гексаборида лантана комплектуются подогреигтелямн. Зависимость направления и скорости электронов, эмиттируемых катодом, от его температуры подчиняетоя закону Максвапа. Средняя начальная энергия электронов 4> = е(/0 = (сТ, где (/0 - разность потенциалов, В; е - заряд электрона, Кл; я- - постоянная Больцмана, Дж/К; Т вЂ” температура катода, К.
При типичной для эмиссии электронов температуре 2850 К начальная энергия электронов Е0 и 0,25 эВ (4 10-ю Д:к), а начальная апертура пучка электронов составляет л / 2. Электроды электронной пушки, лредспаляювгие собой катод и анод, а в трехэлектродных пушках еще и уцраюшющий электрод (цилиндр Венельта), образуют иммерсионную электростатическую линзу, которая создает не только уокоряющее, но и фокусирующее псле. Электроны, поющая в фокусируюшее поле, создают в некоторой точке заанодного пространства изображение катода, чаще всего увеличенных размеров.
Такие изобрюкения из-за малой плотности тока не испсльзувпся для формирования рабочих пучков. Для дальнейшего формирования пучка обычно выбирают минимальное сечение с максимальной плотностью тока. Оно называется фикпшным источником элегпронов, или кроосовером, Положение кроссовера на оптической оси и его размер зависят от конструкции электронной пушки. После ускорения электронов апертура пучка а = Х / 2 ((/0 / (/Э) 1Гз.
Ускоряющее напряжение 10 - 100 кВ уменьшает апергуру пучка до 1,5 10 зср. Плотность тока на оси ,/ =/0((/з/ (/О+ 1)шп а, ще /0 - плотносп тока эмиссии на катоде; а- апертура, равная половине угла расхождения пучка электронов. Пучки электронов характеризуются электронной яркостью (плотносп ю тока в единице телесного угла), А / (смзсрз), или направленностью: 1, =// (яа2), которая яюшется фундаментальной характериспщой электронного лучка, зависящей только от эмиссионной способности катода, ускоряющего напряжения и конструхции электронной пушки, влишощих на апертуру пучка, Зта величина инвариантна во всем пространстве электронно-огпической системы. В оборудовании, предназначенном для термической обработки образца и, в частности, для иопареиия, рюмерной обработхи лли свархи, необходимо добиваться создания пучков с высокой электронной яркостью.
Для этого следует, повышать ускоряющее напряжение в пушке с линейным ускорением электронов и увеличивать плотность тока эмисоии. Например, при иопользовании катода из ТАВь вместо вольфрамового при той же температуре электронная яркосп увеличивается на несколько порядков. При нагревании материал катода испаряется. Зто испарение зависит от температуры, следовательно от той плотности тока эмиссии, которую должен обеспечить катод.
Ныревают катоды пропусканием через них тоха накала или с помощью дополнительного ныревательного элемента, теплота от которого передается за счет теплопроводности, лучеиспусиания или электронной бомбардировки. Остроконечные катоды чаще используют для холодной полевой эмиссии (авзоэлектронная эмиссия). Автоэлекгронная змлссия обладает характерной особенностьль Автоэлектронные пушки имеют большую электронную яркость, но не могут обеспечить: большие токи эмиссии, поэтому в технологическом оборудовании не применяются. В трехэлехтродных электронных пушках диаметр пучка Н в фокусе нммероионной линзы можно выразить через диаметр с(„рабочей части катода: =~(Ы' где а' — начальная апертура пучка.
Учитывая, что а' = ггх / (2/"), получим г( 2/., где /' — фокусное расстояние иммерсионной линзы элекгронной пушки. Положение фокусного пятна зависит от фокусирующих свойств иммерсионной линзы, а, значит, от напряжения на среднем - управшпощем - электроде этой линзы. Если оно близко к напряжению запираиия, то фокусное пятно располагается вблизи катода.
С ростом 76 Гааза 21. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА полохитепьно го управляющего потенциала сфокусированное пятно смещается в сторону анода и затем, проходи через отверстие в последнем в заанодное пространство, удаляется в бесконечность. При дальнейшей расфокусировке фокусное пятно снова приближается к катоду, но теперь ухе ках мнимое фокусное пятно. При изменении потенциала ареднегоуправляюшего — электрода изменяются диаметр фокусного титна и апертура пучка одновременно.
При увеличении упра апшо щего потенциала апертура возрастает, досппая максимума в тот момент, когда эмиссия происходит со всей поверхности катода. Дальнейшее ослабление фокусировки, смещая фокусное пятно к аноду и в зааиодное пространство, снова уменьшает апертуру. Принято принимать за диаметр пучка такой диаметр, при котором плотность тока в радиальном направлении снижается примерно в 2,7 раза по отношению к максимальной. Через сечение пучка с таким диаметром проходит до 68,3 % электронов. В реальных конструкциях может наблюдаться отклонение распределения пучка электронов от гауссова.
При конструировании электронной пушки с заданными параметрами пользуются методом численного моделирования. Цель расчета электронной пушки заюпочается в том, чтобы найти форму электродов, межэлектродйые расстояния и потенциалы, удовлетворяющие требованиям к характеристикам пучка в фокусном пятне на мишени. Для изменения диаметра электронного пучка и плотности тока, а также распределения заданной плотности тока ло сечению используют электронные линзы - магнитные и электростатические.
Это конструктивизм элементы электронно-лучевого оборудования, создающие магнитные или электрические поля такой формы и напра:кенности, при которых электроны, проходя через ннх, меняют направнение своего первоначального движения и могут фокусироваться подобно световым лучам, проходящим через стеклянные линзы. Существенным преимушеством электронных линз является лептость управления их параметрами путем изменения силы тока, протекающего по катушкам возбуждения магнитного потока в них или изменения электрических потенциалов на электродах электростатических линз. Электронная пушка, объединенная в один конструктивный функциональный узел с одной ипи несколькими ююхтроннътми линзами, называется электронно-оптической (иногда ее называют злекронно-лучевой) системой.
Согласно законам геометрической оптики диметр электронного пучка на выходе (д ) из электронно-оптической системы пропорционален диаметру пучка на входе (тУ ): = МтУвх, где М - электронно-оптическое увеличение сисгемм электронных линз. Так как увеличение одной линзы не может быль очень большим ю-за наничия абер- Раций, приходится использовать несколько сопряженных электронных лию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
