3.6 Електронно-променеві установки
Електронні промені формуються в вакуумних установках. Необхідність у відносно високому вакуумі (тиск порядку 10-2-10-3 Па) викликана тим, що наявність газу буде сприяти при зіткненні електронів з атомами виникненню іонізації і збудження розряду в установці, що призведе до втрати управління потоком електронів. Таким чином, при вказаному тиску нейтральні частинки практично відсутні, і електричний струм буде виключно електронним.
Основними елементами всякої установки, в якій формуються електронні промені, є: катод – джерело електронів; анод, під дією потенціалу якого електронам надається необхідна енергія; пристрій для регулювання густини електронів у промені; система фокусування електронів і система відхилення електронного променя.
Система, що складається з катоду фокусувального електроду і прискорювального аноду, називається електронною гарматою. Ця система служить для отримання первісного сфокусованого потоку електронів, тобто для попереднього формування електронного променя. Система катод – фокусувальний електрод (циліндр Венельта) діє як збиральна електростатична лінза. Зміною напруги між циліндром Венельта і катодом можна стягувати промінь на виході циліндру аж до повного запирання. Але електронна гармата сама по собі не забезпечує достатньої гостроти променя. Тому для стягування пучка електронів, що виходять з електронної гармати, використовується ще додаткові фокусувальні системі і обмежуючі діафрагми.
Принцип електронного нагріву полягає в обробці речовини потоком електронів. Необхідна енергія надається електронам під дією високої напруги, що створюється катодом і анодом. Кінетична енергія електронів визначається виразом
,
де е – заряд електрона, е = 1,602ּ10-19 Кл;
U – прискорювальна напруга, В;
me – маса електрона, me = 9,1083ּ10-31 кг;
V – швидкість електрона, м/с.
Електронний промінь можна відхиляти у потрібному напрямі за допомогою електростатичних або електромагнітних систем, при цьому можна змінювати швидкість переміщення променя.
Принципова схема електронно-променевої установки наведено на рис. 38. Основними елементами такої установки є: пристрій для попереднього формування електронного променя (електрона гармата), система наступного фокусування променя, система відхилення променя, система переміщення виробу в двох взаємно перпендикулярних напрямах.
Рис. 38. Принципова схема електронно-променевої установки
1 – живлення катоду і напруга зміщення; 2 – дільник високої напруги;
3 – високовольтне джерело живлення; 4 – імпульсний генератор для
модуляції променя; 5 – електромагнітне регулювання променя;
6 – стигматор; 7 – електромагнітна фокусувальна лінза;
8 – управління відхиленням променя;
9 – управління переміщенням деталі;10 – двигун переміщення столу
Електрична частина установки складається, як правило, з наступних основних елементів: високовольтного джерела живлення, розрахованого на напругу до 150 кВ, величину струму в межах 10-50 мА з можливістю його ступінчатого (або плавного) регулювання; джерела живлення катоду (зазвичай використовується акумулятор, ізольований від корпусу установки, або спеціальний високочастотний генератор); джерело напруги зміщення на циліндрі Венельта (при необхідності отримання імпульсної подачі електронного променя в якості джерела використовується спеціальний генератор імпульсів з регулювальними параметрами); джерело живлення одно- або багатоступеневої системи електромагнітного (або електростатичного) регулювання і центрування променя, попередньо сформованого електронною гарматою; джерела живлення магнітної фокусувальної лінзи; джерела живлення системи електромагнітного відхилення променя; джерела живлення електродвигунів (або електромагнітів) для переміщення предметного столу.
При прискорювальній напрузі 10-20 кВ і вище з аноду випромінюються рентгенівські промені, що треба враховувати при користуванні установками. Обмежувальними факторами напруги є можливість електричного пробою проміжку та інтенсивність рентгенівського випромінювання.
Установки електронно-променевого нагрівання застосовуються для обробки тугоплавких і хімічно активних матеріалів, зварювання, випаровування металів і оксидів, металізації, напилювання тощо. Якщо сфокусувати промінь на виріб, що нагрівають, можна отримати високі значення питомої потужності (більше 1000 МВт/м2) та температуру порядку 6000 К і вище.
Схему електронно-променевої плавильної установки з використанням аксіальної гармати наведено на рис. 39. Установка обладнана механізмом подачі стержня металу, який переплавляється, механізмом витягування злитка, системою відкачування повітря, системою водоохолодження кристалізатора.
До переваг електронно-променевого нагрівання можна віднести значну питому потужність обробки металів, можливість повільної зміни енергії у зоні нагріву, можливість зонного впливу на оброблювальний матеріал, використання вакууму як робочого середовища. До недоліків – труднощі в забезпеченні високого вакууму, складність виготовлення і використання обладнання установки.
Найбільшу потужність (до 10 МВт) мають металургійні електронно-променеві установки для отримання злитків фасонного литва, зварювальні установки мають потужність в десятки і сотні кіловат. Для деяких технологічних процесів використовуються багато гарматні системи, які здійснюють нагрівання металу на різних стадіях процесу.
Рис. 39. Схема електронно-променевої плавильної установки
1– джерело прискорювальної напруги; 2 – високовольтний ізолятор;
3– катод;4 – допоміжний анод; 5 – анод;
6 – блок живлення кола розжарювання;7 – система фокусування;
8 – система відхилення променя; 9 – система розвертання променя;
10 – кристалізатор; 11 – механізм витягування злитка;
12– метал, який переплавляється;
13 – механізм подачі стержня металу, який переплавляється
За надійністю живлення більшість електронно-променевих установок належать до споживачів першої категорії. Особлива увага приділяється надійності електропостачання систем водопостачання і вакуумних систем.
Контрольні питання до підрозділу 3.6
Який принцип дії електронно-променевої установки ?
Які елементи конструкції електронно-променевої установки ?
Яка галузь застосування електронно-променевих установок ?