Электронный луч

Electron Beam

Электронный луч

Пучок электронов, движущийся в одном направлении с одинаковой скоростью.

Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М. . В.В.Арсланов . 2009 .

Смотреть что такое "электронный луч" в других словарях:

электронный луч - Поток движущихся по близким траекториям электронов, размер поперечного сечения которого мал по сравнению с протяженностью в направлении потока. [ГОСТ 17791 82] электронный луч Совокупность электронов, движущихся по одной траектории. [ …

Электронный луч - 6. Электронный луч Совокупность электронов, движущихся по одной траектории Источник: ГОСТ 21006 75: Микроскопы электронные. Термины, определения и буквенные обозначения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

развёртывающий электронный луч - elektroninis skleidimo pluoštas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. scanning electron beam vok. Elektronenabtaststrahl, m rus. развёртывающий электронный луч, m pranc. faisceau électronique balayeur, m …

релятивистский электронный луч - reliatyvistinis elektronų pluoštas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. relativistic electron beam vok. relativistischer Elektronenstrahl, m rus. релятивистский электронный луч, m pranc. faisceau électronique relativiste, m … Radioelektronikos terminų žodynas

коэффициент связи через электронный луч - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN beam coupling factor … Справочник технического переводчика

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП - ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП, МИКРОСКОП, который «освещает» изучаемый объект потоком электронов. Вместо обычных линз в нем имеются магниты, фокусирующие электронный пучок. Это устройство позволяет разглядеть предметы очень малых размеров, потому что… … Научно-технический энциклопедический словарь

Луч электронный - Электронный луч группа ускоренных электронов, движущихся приблизительно в одном направлении... Источник: ГОСТ Р 50014.7 92 (МЭК 519 7 83). Государственный стандарт Российской Федерации. Безопасность электротермического оборудования. Часть 7.… … Официальная терминология

Луч - Содержание 1 Наука 2 Предприятия 3 Спортивные клубы … Википедия

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП - вакуумный электронно оптич. прибор для наблюдения и фотографирования многократно увеличенного (до 106 раз) изображения объектов, полученного с помощью пучка электронов, ускоренных до больших энергий (30 100 кэВ и более). Для фокусировки… … Большой энциклопедический политехнический словарь

электронный микроскоп - электронно оптический прибор, в котором для наблюдения и фотографирования многократно увеличенного (до 106 раз) изображения объектов используется пучок электронов, ускоренных до больших энергий в условиях глубокого вакуума. При этом используются… … Энциклопедия техники

Книги

• , Кэтрин Рипли. О чем эта книга У детей всегда есть вопросы. Много вопросов. И большинство из них начинаются с одного-единственного слова - `Почему?`. Почему мы зеваем? Почему у кошекглаза светятся в…

Электронным лучом (пучком) называют острофокусный поток ускоренных электронов. Поток электронов, эмитированный катодом, ускоряется в вакууме разностью потенциалов между катодом и анодом, а затем фокусируется в пятно малых размеров (диаметр от сотых долей до нескольких миллиметров).

При торможении ускоренных электронов вблизи поверхности металлического тела их кинетическая энергия превращается в тепловую. Чем больше плотность мощности в месте торможения пучка, тем достигается больший локальный разогрев. По концентрации мощности электронный пучок уступает лишь лучу оптического квантового генератора (табл. 2-2).

Открытие термоэлектронной эмиссии, использование магнитных и электростатических аксиально-симметричных полей для фокусировки электронных пучков, развитие вакуумной техники - основные вехи на пути развития электроннолучевой сварки. Промышленное применение электроннолучевой сварки началось в конце 50-х годов нашего столетия.

В зависимости от ускоряющего напряжения и свойств металла электроны могут проникать в вещества на глубину нескольких десятков микрометров. Электрон испытывает многократные столкновения и теряет энергию, причем меняются скорость и направление его движения. Угол вероятного отклонения электрона после соударения возрастает с уменьшением скорости электрона, в результате на конечном участке пути электрон растрачивает основную часть своей энергии. Таким образом, электронный нагрев происходит в самом веществе в отличие от обычных, широко

применяемых в сварке источников 1ейлоты, нагревающих поверхности металла. Наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на глубине пробега электрона.

Сварочная ванна испытывает реактивное воздействие испаряемого металла, теплового и рентгеновского излучения, воздействие потока электронов, а также давление отдачи вторичных и тепловых электронов. Сила давления испаряемого металла составляет основную часть общего силового воздействия на ванну, ее величина может достигать нескольких граммов.

Электронный луч с требуемыми свойствами формируется в электронной пушке. Для фокусировки электронного луча значительной мощности в пятно возможно меньшего сечения сводят к минимуму влияние погрешностей электронной оптики, взаимного отталкивания электронов в пучке, тепловых скоростей электронов, рассеивания электронов на молекулах остаточных и выделяющихся в процессе сварки газов и паров. Добиваются сохранения высокой удельной мощности пучка на большом расстоянии от пушки.

В каждой электроннолучевой пушке указанные условия формирования сварочных электронных пучков обеспечиваются в различной степени в зависимости от предъявляемых к ней требований. В первых пушках для электроннолучевой сварки пучок электронов формировался только с помощью прикатодного электрода, без применения дополнительных фокусирующих систем (рис. 2-12, а). Анодом пушки являлось само изделие. Такая одно-каскадная электростатическая система фокусировки не может обеспечить формирования интенсивного электронного пучка с высокой плотностью энергии. Поэтому с ее помощью возможно соединение металлов сравнительно небольшой толщины (1-2 мм). Близость прожектора в зоне сварки повышает опасность электрических пробоев. Технологические и электроннооптические характеристики пушки с однокаскадной электростатической фокусировкой повышаются при введении в конструкцию ускоряющего электрода, имеющего потенциал изделия (рис. 2-12, б). При этом уменьшается возможность электрических пробоев и разрядов, а для питания пушки можно использовать даже невыпрямленное ускоряющее напряжение.

Наиболее широко для формирования сварочных пучков электронов применяется комбинированная электростатическая и электромагнитная фокусировка. В пушках с комбинированной фокусировкой пучка прожектор, состоящий из катода, прикатодного электрода и ускоряющего электрода-анода, формирует сходящийся пучок электронов. Минимальное сечение пучка проектируется (обычно с уменьшением) на свариваемое изделие с помощью электромагнитной фокусирующей системы (рис. 2-12, в).

Сварочные пушки можно разделить по величине ускоряющего напряжения на три основных класса: 1 - низковольтные

2 - с промежуточным ускоряющим

И 3 - высоковольтные (UycK ~

80-^200 кВ). Мощность пучков лежит в пределах 0,3-100 кВт. Пучки электронов, эмитированные термокатодами, формируются в высоком вакууме (10~4-10~5 мм рт. ст.). В газоразрядных пушках и пушках с холодным катодом вакуум составляет 10" х- ю- мм рт. ст.

Основными требованиями к пучку электронов являются достаточно большая плотность энергии в пятне нагрева wn и малый угол сходимости ах пучка на изделии. Эти требования удовлетворяются в большей мере при высокой энергии электронов:

где 1п - ток пучка.

В то же время защита обслуживающего персонала от рентгеновского излучения, возникающего при торможении электронов на изделии, усложняется с ростом энергии электронов. Сложнее становятся сама пушка и ее источник питания.

Используемая как для передачи, так и для приема электронно-лучевая трубка снабжена устройством, испускающим электронный луч, а также устройствами, обеспечивающими управление его интенсивностью, фокусировку и отклонение. Здесь рассказывается обо всех этих операциях. В заключение профессор Радиоль заглядывает в будущее телевидения.

Итак, мой любезный Незнайкин, я должен объяснить тебе устройство и принципы работы электронно-лучевой трубки, так как она применяется в телевизионных передатчиках и приемниках.

Электронно-лучевая трубка существовала задолго до появления телевидения. Она использовалась в осциллографах - измерительных приборах, позволяющих наглядно увидеть формы электрических напряжений.

Электронная пушка

Электронно-лучевая трубка имеет катод обычно с косвенным накалом, который испускает электроны (рис. 176). Последние притягиваются анодом, имеющим положительный относительно катода потенциал. Интенсивностью потока электронов управляет потенциал другого электрода, установленного между катодом и анодом. Этот электрод носит название модулятора, имеет форму цилиндра, частично охватывающего катод, а в его дне есть отверстие, через которое проходят электроны.

Рис. 176. Пушка электронно-лучевой трубки, испускающая пучок электронов. Я - нить накала; К - катод; М - модулятор; А - анод.

Я чувствую, что ты сейчас испытываешь определенное недовольство мною. "Почему он не сказал мне, что это просто-напросто триод?!" - возможно, думаешь ты. На самом деле, модулятор играет ту же самую роль, что и сетка в триоде. А все эти три электрода вместе образуют электршпую пушку. Почему? Стреляет она чем-нибудь? Да. В аноде проделано отверстие, через которое пролетает значительная часть притягиваемых анодом электронов.

В передатчике электронный луч «просматривает» различные элементы изображения, пробегая по светочувствительной поверхности, на которую проецируется это изображение. В приемнике луч создает изображение на флуоресцирующем экране.

Чуть позже мы более подробно рассмотрим эти функции. А сейчас я должен изложить тебе две основные проблемы: как концентрируется луч электронов и как заставляют его отклоняться, чтобы обеспечить просмотр всех элементов изображения.

Способы фокусировки

Фокусировка необходима для того, чтобы сечение луча в месте его соприкосновения с экраном не превышало размеров элемента изображения. Луч в этой точке соприкосновения обычно называют пятном.

Для того чтобы пятно было достаточно малым, луч нужно пропустить через электронную линзу. Так называют устройство, использующее электрические или магнитные поля и воздействующее на электронный луч так же, как двояковыпуклая стеклянная линза на световые лучи.

Рис. 177. Благодаря воздействию нескольких анодов электронный луч фокусируется в одну точку на экране.

Рис. 178. Фокусировка электронного луча обеспечивается магнитным полем, создаваемым катушкой, к которой приложено постоянное напряжение.

Рис. 179. Отклонение электронного луча переменным полем.

Рис. 180. Две пары пластин позволяют отклонять электронный луч в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Рис. 181. Синусоида на экране электронного осциллографа, в котором на горизонтальные отклоняющие пластины приложено переменное напряжение, а на вертикальные пластины - линейное напряжение такой же частоты.

Фокусировка осуществляется электрическими силовыми линиями, для чего за первым анодом устанавливают второй (также снабженный отверстием), на который подают более высокий потенциал. Можно также установить за вторым анодом третий и подать на него еще более высокий потенциал, чем на второй. Разность потенциалов между анодами, через которые проходит электронный луч, воздействует на электроны наподобие электрических силовых линий, идущих от одного анода к другому. И это воздействие имеет тенденцию направить к оси луча все электроны, траектория которых отклонилась (рис. 177).

Потенциалы анодов в используемых в телевидении электронно-лучевых трубках часто достигают нескольких десятков тысяч вольт. Величина же анодных токов, наоборот, очень небольшая.

Из сказанного ты должен понять, что мощность, какую нужно отдать в трубке, не представляет собой ничего сверхъестественного.

Сфокусировать луч можно также воздействием на поток электронов магнитным полем, создаваемым протекающим по катушке током (рис. 178).

Отклонение электрическими полями

Итак, нам удалось настолько сфокусировать луч, что его пятно на экране имеет крохотные размеры. Однако неподвижное пятно в центре экрана не дает никакой практической пользы. Нужно заставить пятно пробегать по чередующимся строкам обоих полукадров, как это объяснил тебе Любознайкин во время вашей последней беседы.

Как обеспечить отклонение пятна, во-первых, по горизонтали, чтобы оно быстро пробегало по строкам, и, во-вторых, по вертикали, чтобы пятно переходило с одной нечетной строки на следующую нечетную или же с одной четной на следующую четную? Кроме того, нужно обеспечить очень быстрый возврат с конца одной строки к началу той, которую пятну предстоит пробежать. Когда же пятно закончит последнюю строку одного полукадра, оно должно очень быстро подняться кверху и занять исходное положение в начале первой строки следующего полукадра.

В этом случае отклонение электронного луча может также осуществляться изменением электрических или магнитных полей. Позднее ты узнаешь, какую форму должны иметь управляющие разверткой напряжения или токи и как их получить. А сейчас посмотрим, как устроены трубки, отклонение в которых осуществляется электрическими полями.

Эти поля создают путем приложения разности потенциалов между двумя металлическими пластинами, расположенными по одну и другую сторону от луча. Можно сказать, что пластины представляют собой обкладки конденсатора. Ставшая положительной обкладка притягивает электроны, а ставшая отрицательной - их отталкивает (рис. 179).

Ты легко поймешь, что две расположенные горизонтально пластины определяют отклонение электронного луча но вертикали. Для перемещения луча по горизонтали нужно использовать две пластины, расположенные вертикально (рис. 180).

В осциллографах как раз и используют этот способ отклонения; там устанавливают как горизонтальные, так и вертикальные пластины. На первые подают периодические напряжения, форму которых мужно определить, - эти напряжения отклоняют пятно по вертикали. На вертикальные пластины подают напряжение, отклоняющее пятно по горизонтали с постоянной скоростью и почти мгновенно возвращающее его к началу строки.

При этом появляющаяся на экране кривая отображает форму изменения изучаемого напряжения. По мере перемещения пятна слева направо рассматриваемое напряжение заставляет его подниматься или опускаться в зависимости от своих мгновенных значений. Если ты будешь таким образом рассматривать напряжение сети переменного тока, то на экране электронно-лучевой трубки увидишь красивую синусоидальную кривую (рис. 181).

Флуоресценция экрана

А теперь пора тебе объяснить, что экран электронно-лучевой трубки изнутри покрыт слоем флуоресцентного вещества. Так называют вещество, которое под воздействием ударов электронов светится. Чем мощнее эти удары, тем выше вызываемая ими яркость.

Не путай флуоресценцию с фосфоресценцией. Последняя присуща веществу, которое под воздействием дневного света или света электрических ламп само становится светящимся. Именно так светятся ночью стрелки твоего будильника.

Телевизоры оснащают электронно-лучевыми трубками, экран которых сделан из полупрозрачного флуоресцентного слоя. Под воздействием электронных лучей этот слой становится светящимся. В черно-белых телевизорах производимый таким образом свет - белый. Что же касается цветных телевизоров, то в них флуоресцентный слой состоит из 1500000 элементов, одна треть которых излучает красный свет, другая треть светится синим светом, а последняя треть - зеленым.

Рис. 182. Под воздействием магнитного поля магнита (тонкие стрелки) электроны отклоняются в перпендикулярном ему направлении (толстые стрелки).

Рис. 183. Катушки, создающие магнитные поля, обеспечивают отклонение электронного луча.

Рис. 184. По мере увеличения угла отклонения трубку делают короче.

Рис. 185. Размещение проводящего слоя, необходимого для отвода с экрана во внешнюю цепь первичных и вторичных электронов.

Позднее тебе объяснят, как комбинации этих трех цветов позволяют получить всю гамму самых разнообразных цветов, в том числе и белый свет.

Магнитное отклонение

Вернемся к проблеме отклонения электронного луча. Я описал тебе способ, основанный на изменении электрических полей. В настоящее время в телевизионных электронно-лучевых трубках используется отклонение луча магнитными полями. Эти поля создают электромагниты, расположенные вне трубки.

Напомню, что магнитные силовые линии стремятся отклонить электроны в направлении, которое образует с ними прямой угол. Следовательно, если полюсы намагничивания расположены слева и справа от электронного луча, то силовые линии идут в горизонтальном направлении и отклоняют электроны сверху вниз.

А полюсы, расположенные сверху и снизу от трубки, смещают электронный луч по горизонтали (рис. 182). Пропуская по таким магнитам переменные токи соответствующей формы, заставляют луч совершать требующийся путь полной развертки изображений.

Итак, как ты видишь, электронно-лучевая трубка окружена немалым количеством катушек. Вокруг нее находится соленоид, обеспечивающий фокусировку электронного луча. А отклонением этого луча управляют две пары катушек: в одной витки расположены в горизонтальной плоскости, а в другой - в вертикальной, Первая пара катушек отклоняет электроны справа налево, вторая -г вверх и вниз (рис. 183).

Угол отклонения луча от оси трубки раньше не превышал , полное же отклонение луча составляло 90°. В наши дни изготовляют трубки с полным отклонением луча до 110°. Благодаря этому длина трубки уменьшилась, что позволило изготовить телевизоры меньшего объема, так как глубина их футляра уменьшилась (рис. 184).

Возвращение электронов

Ты, может быть, спрашиваешь себя, каков конечный путь электронов, ударившихся о флуоресцентный слой экрана. Так знай, что этот путь заканчивается ударом, вызывающим испускание вторичных электронов. Совершенно недопустимо, чтобы экран накапливал первичные и вторичные электроны, так как их масса создала бы отрицательный заряд, когорый стал бы отталкивать другие излучаемые электронной пушкой электроны.

Для предотвращения такого накопления электронов внешние стенки колбы от экрана до анода покрывают проводящим слоем. Таким образом, приходящие на флуоресцентный слой электроны притягиваются анодом, имеющим очень высокий положительный потенциал, и поглощаются (рис. 185).

Контакт анода выводят на боковую стенку трубки, тогда как все другие электроды соединяют со штырьками цоколя, расположенного на противоположном относительно экрана конце трубки.

Существует ли опасность взрыва?

Еще один вопрос, несомненно, рождается в твоем мозгу. Ты, должно быть, спрашиваешь себя, с какой силой атмосфера давит на эти большие вакуумные трубки, устанавливаемые в телевизорах. Ты знаешь, что на уровне земной поверхности атмосферное давление составляет около . Площадь же экрана, диагональ которого равна 61 см, составляет . Это означает, что воздух давит на этот экран с силой . Если учесть остальную часть поверхности колбы в ее конической и цилиндрической частях, то можно сказать, что трубка выдерживает общее давление, превышающее 39-103 Н.

Выпуклые участки трубки легче, чем плоские, выдерживают высокое давление. Поэтому раньше трубки изготовляли с весьма выпуклым экраном. В наши дни научились делать экраны достаточно прочными, чтобы даже при плоской форме они успешно выдерживали давление воздуха. Поэтому риск взрыва, направленного внутрь, исключен. Я умышленно сказал взрыва, направленного внутрь, а не просто взрыва, так как если разрывается электронно-лучевая трубка, то ее осколки устремляются внутрь.

В старых телевизорах из предосторожности перед экраном устанавливали толстое защитное стекло. В настоящее время обходятся без него.

Плоский экран будущего

Ты молод, Незнайкин. Перед тобой открывается будущее; ты увидишь эволюцию и прогресс электроники во всех областях. В телевидении, несомненно, наступит такой день, когда электронно-лучевая трубка в телевизоре будет заменена плоским экраном. Такой экран будут вешать на стену как простую картину. А все схемы электрической части телевизора благодаря микроминиатюризации будут размещены в раме этой картины.

Использование интегральных схем даст возможность до минимума сократить размер многочисленных схем, составляющих электрическую часть телевизора. Применение интегральных схем уже получило широкое распространение.

И наконец, если все ручки и кнопки управления телевизором придется размещать на окружающей экран раме, то наиболее вероятно, что для регулировки телевизора будут применяться дистанционные устройства управления. Не поднимаясь со своего кресла, телезритель сможет переключать телевизор с одной программы на другую, изменять яркость и контрастность изображения и громкость звукового сопровождения. Для этой цели у него под рукой будет маленькая коробочка, излучающая электромагнитные волны или ультразвуки, которые заставят телевизор произвести все заданные переключения и регулировки. Впрочем, такие устройства уже существуют, но пока не получили широкого распространения...

А теперь вернемся из будущего в настоящее. Я предоставляю Любознайкину возможность объяснить тебе, как электронно-лучевые трубки в настоящее время используются для передачи и приема телевизионных изображений.

Развитие электронной техники позволило получать мощные электронные пучки, энергия которых достаточна для осуществле­ния различных технологических процессов. Это послужило осно­ванием для создания целой технологической отрасли, получив­шей название «электронно-лучевая технология».

В настоящее время электронно-лучевая технология сформиро­валась как самостоятельное направление в области обработки
материалов, обладающее широкими технологическими возмож­ностями в самых различных областях науки и техники.

Электронный луч как технологический инструмент позволяет осуществлять нагрев, плавку и испарение практически всех материалов, сварку и размерную обработку, нанесение покрытий и запись информации. Такая универсальность электронного луча дает возможность использовать одно и то же оборудование для различных технологических целей и совмещать в одном цикле обработки различные технологические процессы.

ФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА

Формирование электронного луча для технологических целей можно представить состоящим из следующих основных стадий:

1. Получение свободных электронов.

2. Ускорение электронов электростатическим или электромаг­нитным полем и формирование электронного пучка.

3. Изменение поперечного сечения электронного пучка (чаще всего для его «фокусировки» на обрабатываемой поверхности).

4. Отклонение электронного луча и обеспечение требуемой траектории перемещения точки его встречи с обрабатываемой поверхностью (фокального пятна).

5. Собственно взаимодействие электронного луча с обраба­тываемой поверхностью для осуществления требуемого техноло­гического процесса.

Для формирования электронного луча и управления им при­меняется ряд специальных устройств, называемых «электрон­ными пушками». Функциональная схема такого устройства при­ведена на рис. 3.1.

Источником электронов в электронных пушках обычно служит термоэмиссионный ка­тод 1, который выполняется из вольфрама, тантала или гекса - борида лантана, обладающих высокими эмиссионными ха­рактеристиками. В зависимости от материала катода его рабо­чая температура может дости­гать 2400...2800 К - Подогрев катода чаще всего осуществ­ляется при помощи накаливае­мого электрическим током эле­мента, причем в некоторых случаях сам этот элемент мо­жет выполнять функции катода (катод прямого накала).

На некотором расстоянии от катода находится анод 2,
выполненный в виде массивной детали с отверстием по оси. Меж­ду катодом и анодом от специального высоковольтного источника питания 3 прикладывается ускоряющее напряжение (30... 150 кВ), причем анод обычно соединяется с корпусом установки, а катод­ный узел крепится на высоковольтном изоляторе. Вследствие разности потенциалов между катодом и анодом электроны уско­ряются до значительных скоростей, большая часть их проходит через отверстие в аноде и затем продолжает в заанодном прост­ранстве движение по инерции. Этот движущийся электронный поток обладает еще сравнительно невысокими удельными энер­гетическими показателями и для формирования из него электрон­ного луча с необходимыми характеристиками обычно требуется дополнительная операция - фокусирование луча.

Следует отметить, что в рабочем пространстве электронной пушки необходим вакуум, так как при большом количестве моле­кул остаточных газов они препятствуют свободному прохожде­нию электронов из-за их взаимных столкновений. Кроме того, условия работы подогревного катода также требуют защиты его от взаимодействия с атмосферными газами. Рабочий вакуум в электронной пушке должен быть не хуже 1 10_3...1 10~4 Па. При уменьшении вакуума происходит пробой между катодом и анодом электронной пушки, что может привести к выходу из строя высоковольтного выпрямителя.

Для фокусирования электронного луча в электронной пушке обычно используется система диафрагм и магнитных линз. Маг­нитная линза 4 представляет собой соленоид с магнитопроводом, создающий специальной формы магнитное поле, которое при взаимодействии с электроном изменяет его траекторию и искрив­ляет ее в направлении к оси системы. При этом можно добиться «сходимости» электронов на достаточно малой площади поверх­ности и в фокусе электронный луч может обладать весьма высокой плотностью энергии, достигающей 5-Ю6 Вт/мм2. Такая плотность энергии достаточна для осуществления целого ряда технологических процессов, причем в результате изменения фоку­сировки она может быть плавно изменена до минимальных значений.

В конструкцию электронной пушки обычно входит также «отклоняющая система» 5, служащая для перемещения электрон­ного луча по обрабатываемой поверхности. Перемещение луча осуществляется вследствие его взаимодействия с поперечным магнитным полем, создаваемым отклоняющей системой. Обычно для этой цели электронная пушка имеет две пары отклоняющих катушек, обеспечивающих перемещение луча по двум взаимно перпендикулярным направлениям. При питании отклоняющих катушек током определенной частоты и амплитуды можно полу­чить практически любую траекторию перемещения 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 6, или перемещается внутри камеры при помощи специальных механизмов.

Обрабатываемое изделие 7 помещают в вакуумную камеру, снабженную загрузочными крышками и иллюминаторами для наблюдения за процессами обработки. При большой протяжен­ности зоны обработки изделие обычно перемещается или вра­щается в вакуумной камере при помощи специальных механиз­мов. Для малой обрабатываемой площади (обычно менее 10Х ХЮ мм) обычно достаточно перемещения луча, а изделие может оставаться неподвижным.

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА

Электрон как устойчивая материальная частица может быть сравнительно просто выделен различными физическими спосо­бами, что и обусловило его широкое использование в различных областях науки и техники.

Наиболее простой путь - нагрев твердых тел (чаще всего металлов), которые при этом начинают испускать термоэлек­троны.

Для сообщения электронам необходимой энергии и формиро­вания из них потока частиц, несущих определенную энергию, могут использоваться различные методы. Самый простой из них и наиболее распространенный в настоящее время - ускорение электронов электрическим полем, основанный на том, что на электрон в этом поле действует сила

TOC o "1-5" h z F = eE, (3.1)

где е - заряд электрона; Е - напряженность поля.

Если поместить электрон в поле, то при прохождении разнос­ти потенциалов U он приобретает энергию

Это приращение энергии электрона происходит вследствие увеличения кинетической энергии (скорости) его движения, в связи с чем

eU = mj^v2 - v%)/2, (3.3)

где те - масса электрона; v - конечная скорость электрона; Оо - начальная скорость электрона.

Принимая vo ~ 0, получим

eU - mev2/2, (3.4)

т. е. энергия электрона зависит от его массы и скорости его движения. В реальных условиях, когда масса 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 прн прохождении разности потенциалов U:

и = л/(2е/те)и. (3.5)

Подставляя в это выражение значения заряда и массы элек­трона, можно получить расчетное соотношение напряжения и скорости электрона в виде

v = 5,93-105т/^ м/с. (3.6)

В реальных условиях значение U колеблется в пределах 15 ООО...200 ООО В, что позволяет разгонять электроны до значи­тельных скоростей.

Выбор ускоряющего напряжения при электронно-лучевой обработке в существенной мере зависит от назначения процесса. С одной стороны, чем выше это напряжение, тем большую энер­гию можно сообщить электронам и тем эффективнее будет воз­действие электронного луча на обрабатываемый материал. С другой стороны, повышение напряжения приводит к резкому повышению уровня рентгеновского излучения, сопутствующего электронно-лучевой обработке, усложнению и удорожанию обо­рудования и необходимости выполнения специальных требований техники безопасности. В связи с этим в электронно-лучевой

технологии в настоящее время применяется следующее разделе­ние электронно-лучевого оборудования по значению ускоряющего напряжения:

1. Низковольтные системы с ускоряющим напряжением

15 ООО...30 ООО В. Эти системы наиболее просты по конструкции и в эксплуатации и применяются в основном для операций, связанных с плавлением и сваркой различных материалов.

2. Системы с промежуточным ускоряющим напряжением (50 ООО...80 000 В) применяются в тех случаях, когда необходимо увеличить глубину проплавления обрабатываемого материала.

3. Высоковольтные системы с ускоряющим напряжением

100 000...200 000 В наиболее сложны в изготовлении и эксплуата­ции и применяются в тех случаях, когда необходимо проведение прецизионной размерной обработки и микросварки.

Важная положительная особенность электронного луча - возможность управления им при помощи электростатических и магнитных полей. Наибольшее распространение на практике

получили магнитные системы фокусировки и управления пере­мещением луча.

На движущийся электрон в магнитном поле действует сила

F = Bv sina, (3.7)

где В - магнитная индукция; v - скорость движения электрона; a-угол между направлением движения электрона и магнитной силовой линией поля.

Под действием этой силы электрон будет двигаться в магнит­ном поле по окружности, лежащей в плоскости, перпендикуляр­ной силовым линиям поля. Суммарная траектория движения электрона под действием магнитного поля и инерционных сил перемещения его с начальной скоростью представляет собой спираль, радиус которой зависит от начальной скорости элек­трона и напряженности магнитного поля.

Создавая при помощи специальной магнитной системы (маг­нитной лннзы) по оси электронного луча магнитное поле опреде­ленной формы, можно обеспечить сходимость траекторий элек­тронов в одной точке (фокусировку) и изменять ее в широких пределах. При этом изменяется концентрация энергии на обра­батываемом изделии, что представляет значительный интерес с технологической точки зрения.

Для перемещения электронного луча по обрабатываемой по­верхности обычно используют его взаимодействие со скрещен­ными поперечными магнитными полями, создаваемыми откло­няющей системой. Малая инерционность электронов позволяет обеспечить широкий диапазон скоростей перемещения электрон­ного луча по обрабатываемой поверхности при практически лю­бой форме траектории.

Необходимое условие существования электронного луча - создание вакуума на пути движения электронов, так как в про­тивном случае нз-за соударения с молекулами атмосферных га­зов электроны отдают им свою энергию и луч «рассеивается».

Средняя длина свободного пробега электрона в газе опреде­ляется выражением

К=/{лпг2), (3.8)

где п - концентрация газа на пути движения электронов; г - газокннетический радиус взаимодействия молекул газа.

Значення средней длины свободного пробега электрона в воз­духе (при 20°С) и в вакууме приведены ниже:

р, Па (мм рт. ст.) . . 1,01 -10*(760) 133(1) 1,33 (КГ2) 133-КГ2(1(Г4)

А, мм.......................... 3,5-КГ4 2,6-10-" 26,6 2660

Таким образом, исходя из конструктивных особенностей уста­новок, нижней допустимой границей давления (вакуума) для электронно-лучевых установок следует считать 1-Ю - Па. В реальных условиях давление стараются довести до 10_3... Ю-4 Па, так как при ухудшении вакуума в электронной пушке резко увеличивается число ионизированных электронами ионов остаточных газов и это может привести к пробою промежутка между анодом и катодом пушки.

Очевидно, что выводить электронный луч из вакуума в об­ласть с более высоким давлением имеет смысл только в том слу­чае, когда путь электронов в этой области предельно мал.

Такие электронные пушки с выводом луча в атмосферу иногда применяют для . Пушка при этом перемещается непосред­ственно по свариваемому изделию, причем ход луча в атмосфере составляет 0,1...0,3 мм. Применяемое при этом ускоряющее на­пряжение составляет 150...200 кВ, а в зону между пушкой и сва­риваемой поверхностью подают защитный газ (гелий или аргон).

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА

С ВЕЩЕСТВОМ

В результате встречи потока электронов с обрабатываемым веществом кинетическая энергия движущихся электронов при взаимодействии с атомами вещества превращается в другие виды энергии.

Мощность электронного пучка в месте встречи с обрабаты­ваемыми материалами

Р = ив1лц, (3.9)

где UB - ускоряющее напряжение; /л - ток луча; т] - эффектив­ный к. п. д. нагрева.

Удельная поверхностная мощность луча в зоне его воздей­ствия на вещество

где F - площадь сечения луча на поверхности вещества - одна из важнейших энергетических характеристик электронно-лучевых процессов и в значительной мере определяет возможности

электронно-лучевой технологии.

Максимальное значение р0 может достигать 106...108 Вт/мм2, что позволяет проводить размерную обработку материалов путем их локального испарения в месте воздействия луча на изделие. По мере уменьшения р0 (это сравнительно просто можно осу­ществить путем расфокусировки луча) возможно проведение

термических процессов плавки, сварки, нагрева в вакууме, а так­же нетермических процессов типа стерилизации, полимеризации и т. п.

Достигая обрабатываемой поверхности, электроны пучка внедряются в вещество, испытывая торможение и проходя при этом некоторый путь. Длина этого пути была изучена Шенландом и определяется по формуле

б = 2,1.10-“и7р> (3.11)

где р - плотность вещества.

Реальная глубина проникновения электрона в вещество в соответствии с формулой (3.11) обычно не превышает нескольких десятков микрометров, но учет ее весьма существен при учете взаимодействия электронов с веществом, особенно при больших значениях удельной мощности в пучке.

Проходя сквозь вещество, электроны взаимодействуют с крис­таллической структурой или отдельными частицами вещества. При этом вследствие обмена энергией увеличивается амплитуда колебаний составляющих вещество частиц, изменяются парамет­
ры его кристаллической решетки, повышается температура ве­щества. Достаточно большая энергия, сообщенная электронами атомам, может привести даже к разрыву связей между отдель­ными атомами.

Торможение электрона в веществе сопровождается кроме вы­деления тепловой энергии рядом различных побочных явлений и суммарное выделение энергии прн электронной бомбардировке поверхности расходуется на следующие основные процессы;

1. Собственно нагрев поверхности, используемый в технологи­ческих целях.

2. Тормозное рентгеновское излучение, возникающее при электронной бомбардировке материалов.

3. Вторичная электронная эмиссия, отражение электронов и термоэлектронная эмиссия с обрабатываемой проверхности.

4. Различные потери.

Нагрев обрабатываемого материала электронным лучом осу­ществляется в результате выделения энергии в поверхностных слоях вещества и дальнейшей теплопередачи ее во внутренние слои. Высокая интенсивность ввода энергии в вещество при электронно-лучевой обработке приводит к развитию значитель­ных поверхностных температур, уровень которых может превы­шать точку кипения даже самых тугоплавких материалов.

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ

ПРОЦЕССОВ ДЛЯ СВАРКИ

Электронно-лучевая сварка - одно из самых распространен­ных технологических применений электронного луча. Поскольку сварка - процесс, связанный с локальным плавлением и после­дующей кристаллизацией расплавленного металла, ширина зоны расплавленного металла имеет при сварке важное значение. Кристаллизация металла в сварочной ванне в значительной мере определяет свойства металла шва и изменение ширины зоны про­плавления при сварке становится важным фактором воздействия на свойства сварного соединения. Кроме того, от объема расплав­ленного металла зависят деформ ции и напряжения, возникающие после сварки в сварных конструкциях, что также требует регулирования объ­ема сварочной ванны.

Сварка электронным лучом позво­ляет путем фокусировки в широких пределах изменять ширину сварочной ванны. Как видно из рис. 3.2, а, б, прн относительно небольших удельных мощ­ностях электронного луча форма про­плавления имеет такой же характер, как для традиционных процессов газо­вой и дуговой сварки.

По мере увеличения удельной мощности электронного луча наряду с процессами плавления начинается интенсивное испаре­ние металла с поверхности сварочной ванны. Это приводит к деформации жидкого металла под действием реакции паров, углублению сварочной ванны и получению швов с глубоким про­плавлением (рис. 3.2, в). По чисто внешним признакам такое проплавление часто называют «кинжальным»; швы с кинжаль­ным проплавлением дают ряд преимуществ по сравнению со сварными швами традиционной формы.

Кинжальное проплавление дает возможность за один проход сварить без разделки кромок детали толщиной до І00 мм, в то время как при дуговой сварке для этой цели необходима раздел­ка кромок и несколько десятков проходов. Глубокое проплавле­ние позволяет получать сварные соединения принципиально но­вой формы, не доступные для других способов сварки плавле­нием.

Возможность получения при электронно-лучевой сварке ван­ны расплавленного металла малого объема резко снижает дефор­мации свариваемых изделий, что позволяет сваривать конструк­ции из уже окончательно обработанных деталей и узлов с мини­мальной последующей размерной обработкой или вовсе без нее. При этом возможна также сварка изделий в термообработанном состоянии (например, после закалки), так как зона разупрочне­ния получается достаточно малой, что не сказывается на общей работоспособности изделия в целом. По такому принципу свари­вают блоки шестерен коробок передач автомобилей и станков, шевронные шестерни силовых передач, что значительно снижает трудоемкость их изготовления.

При электронно-лучевой сварке возможно получение швов малых размеров и эти «прецизионные» швы широко используют­ся в конструкциях раличных радиоэлектронных схем и устройств, где часто процесс сварки приходится вести с применением микро­скопа.

Наконец, вакуум как защитная среда при сварке для целого ряда химически активных и тугоплавких металлов и сплавов обеспечивает значительно более высокие показатели свойств сварного шва, чем сварка в инертных газах (Аг и Не). Поэтому целый ряд сварных конструкций - из этих материалов (вольфрам, молибден, тантал, цирконий, титан и др.) изготовляют исклю­чительно при помощи электронно-лучевой сварки.