УП ФОИЭС (841336), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Обычно для этой цели электроннаяпушка имеет две пары отклоняющих катушек, обеспечивающих перемещение луча подвум взаимно перпендикулярным направлениям. При питании отклоняющих катушек то-98ком определенной частоты и амплитуды можно получить практически любую траекториюперемещения электронного луча по обрабатываемой поверхности, что широко используется в электронно-лучевой технологии.Электронная пушка обычно выполняется в виде одного функционального блока,который или неподвижно крепится к вакуумной камере, или перемещается внутри камеры при помощи специальных механизмов.Обрабатываемое изделие 8 помещают в вакуумную камеру, снабженную загрузочными крышками и иллюминаторами для наблюдения за процессами обработки.
Прибольшой протяженности зоны обработки изделие обычно перемещается или вращаетсяв вакуумной камере при помощи специальных механизмов. Для малой обрабатываемойплощади (обычно менее 50 Х 50 мм) обычно достаточно перемещения луча, а изделиеможет оставаться неподвижным.3.1.2. Основные физические характеристики электронного пучкаЭлектрон как устойчивая материальная частица может быть сравнительно простовыделен различными физическими способами, что и обусловило его широкое использование в различных областях науки и техники.Наиболее простой способ получения электронов — нагрев твердых тел (чаще всего металлов), которые при этом начинают испускать термоэлектроны. Для сообщенияэлектронам необходимой энергии и формирования из них потока частиц, несущих определенную энергию, могут использоваться различные методы.
Самый простой из них инаиболее распространенный— ускорение электронов с помощью электрического поля,создаваемого в электронной пушке между катодом и анодом, в котором на электрондействует силаF = eE ,(3.1)где е = 1,6·10-19 Кл —заряд электрона; Е — напряженность электрического поля, В/м.При движении электрона в электрическом поле между точками с разностью потенциалов U он приобретает энергию, равнуюA = eU(3.2)Это приращение энергии электрона происходит вследствие его ускорения полем - увеличения его кинетической энергии, т.е.2eU = me (v 2 − v0 ) / 2 ,(3.3)где me — масса электрона, кг; v , v 0 — конечная и начальная скорости электрона, м/с.Принимая v0 = 0 , получимeU = me v 2 / 2 ,(3.4)т. е.
энергия электрона зависит от его массы и скорости. В реальных условиях, когдамасса электрона постоянна, единственный путь увеличения его энергии — повышение скорости его движения, что и реализуется в электронной пушке.Из формулы (3.4) можно получить выражение скорости движения электрона припрохождении между точками с разностью потенциалов U:v = 2eU / me(3.5)99Подставляя в это выражение значения заряда и массы электрона, можно получить расчетное соотношение между ускоряющим напряжением и скоростью электрона:v = 5,93 ⋅ 10 5 U .(3.6)Однако если по формуле (3.6) определить скорость электрона, ускоренного разностью потенциалов порядка 106 В, то получим значение скорости превышающеескорость света с = 3·108 м/с, что противоречит основному положению теории относительности.
Поэтому для быстрых (релятивистких) электронов скорость электроновнужно использовать выражениеv = c ⋅ 1 − 1 /(1 +eU),m0 c 2где m0 – масса покоя электрона, равная 9,1·10-31 кг. В реальных условиях ускоряющее напряжение U составляет 15…200 кВ, что позволяет разгонять электроны дозначительных скоростей.Выбор ускоряющего напряжения при электронно-лучевой обработке материалов в существенной мере зависит от ее назначения. С одной стороны, чем выше этонапряжение, тем большую энергию можно сообщить электронам и тем эффективнеебудет воздействие электронного луча на обрабатываемый материал. С другой стороны, увеличение напряжения приводит к резкому повышению уровня рентгеновскогоизлучения, сопутствующего электронно-лучевой обработке, усложнению и удорожанию оборудования и необходимости выполнения специальных требований техникибезопасности.
В связи с этим в электронно-лучевой технологии в настоящее времяприменяется следующее разделение электронно-лучевого оборудования по значению ускоряющего напряжения:1. Низковольтные системы с ускоряющим напряжением 15…30 кВ и небольшоймощностью (до 15 кВт). Эти системы наиболее просты по конструкции и в эксплуатации и применяются в основном для сварки различных материалов толщиной до 30мм.2. Системы с промежуточными значениями ускоряющего напряжения (50…80кВ) и мощности (15…60 кВт) применяются в тех случаях, когда необходимо увеличитьглубину проплавления обрабатываемого материала.3. Высоковольтные системы с ускоряющим напряжением 100…180 кВ и мощностью (1…120 кВт) наиболее сложны в изготовлении и эксплуатации, Такие системымощностью до 3 кВт применяются для проведения прецизионной размерной обработки и микросварки, а мощностью свыше 60 кВт – как правило, для сварки крупногабаритных изделий.Важная особенность использования электронного пучка — возможность управления им при помощи электростатических и магнитных полей.
Наибольшее распространение на практике получили магнитные системы фокусировки и управления перемещением электронного пучка.На движущийся в магнитном поле электрон действует сила ЛоренцаF = Bv sin α ,(3.7)100где В — магнитная индукция; α — угол между направлением движения электрона имагнитной силовой линией поля. Сила Лоренца не изменяет составляющую скоростиэлектрона вдоль направления поля (F =0), если α =0, но изменяет направление составляющей скорости электрона, перпендикулярно силовым линиям поля, заставляя электрондвигаться в магнитном поле по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной силовым линиям поля. Суммарная траектория движения электрона при α ≠ 0 и α ≠ 90 0представляет собой спираль, ось которой параллельна B , радиус спирали зависитот скорости электрона и напряженности магнитного поля (r = mev/(eB)), шаг винтовойлинии равен 2πme v cos α /( Be) .Создавая при помощи специальной магнитной системы (магнитной линзы) пооси электронного пучка магнитное поле с силовыми линиями определенной формы,можно обеспечить сходимость траекторий электронов в одной точке (фокусировку) иизменять ее в широких пределах.
При этом изменяется концентрация энергии на обрабатываемом изделии, что представляет значительный интерес с технологическойточки зрения.Для перемещения электронного пучка по обрабатываемой поверхности обычноиспользуют его взаимодействие со скрещенными поперечными магнитными полями,создаваемыми отклоняющей системой. Малая инерционность электронов позволяетобеспечить широкий диапазон скоростей перемещения электронного пучка по обрабатываемой поверхности при практически любой форме траектории.Необходимое условие существования электронного пучка — создание вакуумана пути движения электронов, так как в противном случае в результате соударения смолекулами атмосферных газов электроны отдают им свою энергию и пучок рассеивается. Средняя длина свободного пробега электрона в газе определяется выражениемλe ≈ 1 /(π ⋅ n ⋅ r 2 ) ,(3.8)где n — концентрация газа на пути движения электронов; r — газокинетический радиус взаимодействия молекул газа.Значения средней длины свободного пробега электрона в воздухе (при 300 К)для разных значений давлений приведены ниже:р, ПаΛ, мм1,01·1053,5·10-41332,6·10-11,3326,61,33·10-22660Таким образом, исходя из конструктивных особенностей установок, максимально допустимым давлением в камере для электронно-лучевых установок следует считать 5·10-2 Па.
В реальных условиях давление стараются довести до 5·10-3 - 5·10-4 Па,так как при ухудшении вакуума в электронной пушке резко увеличивается число ионизированных электронами ионов остаточных газов и это может привести к пробоюпромежутка между анодом и катодом пушки. При повышении давления в камере до1…10 Па рассеяние электронного пучка становится существенным в пространствеего дрейфа, что ограничивает возможную длину пучка.Очевидно, что выводить электронный пучок из вакуума в область с более высоким давлением имеет смысл только в том случае, если длина свободного пробегаэлектронов в этой области предельно мала. Такие электронные пушки с выводом лу-101ча в атмосферу иногда применяют для сварки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
