Физические основы взаимодействия ускоренных электронов с веществом

В основе электронно-лучевой обработки материалов лежит процесс преобразования кинетической энергии потока быстрых электронов в тепловую.

Потери энергии электронов в твердом теле связаны с неупругими столкновениями электронов с атомами, молекулами вещества, а также со свободными электронами (электронами проводимости). В результате электрон-электронных столкновений происходит выравнивание энергии свободных электронов; электронный газ нагревается за время τ ~ 10^-13с до температу­ры Т_е, которая много выше температуры решетки Т_i. В течение ряда неупругих столкновений электронов с ионами решетки (электрон-фононное взаимодействие) за время τ ~ 10^-11с элек­троны передадут избыточную энергию решетке, в результате чего температуры электронного газа и решетки выравниваются (). Вещество при этом нагревается, так как.

На следующей стадии произойдет развозбуждение атомов ве­щества, при котором избыточная энергия частично перейдет в тепловую, другая ее часть будет израсходована на генерацию электромагнитного излучения. Так как время жизни атомов в возбужденном состоянии τ > 10^-9 с, то по истечении этого времени после попадания электронов луча в вещество можно гово­рить о единой физической температуре Т системы «электроны — решетка» и пользоваться для расчета нагрева вещества феноме­нологическими уравнениями теплопроводности. При малых вре­менах наблюдения (τ < 10^-10 с) разность может дости­гать при больших плотностях выделяемой мощности несколько тысяч градусов.

При расчете нагрева вещества электронным лучом, если при этом нет фазового перехода, т. е. плавления или испарения, не­обходимо решить уравнение теплопроводности:

, (12.20)

где a, c_v — соответственно температуропроводность и удельная теплоемкость вещества; q_v — объемная плотность мощности ис­точника теплоты; ρ — плотность вещества.

С учетом гауссового распределения плотности тока в электронном луче распределение для объемной плотности поглощенной энергии в материале подчиняется следующему закону (рис. 12.3):

, (12.21)

где r₀ – эффективный радиус луча;j₀– плотность тока на оси луча;R– глубина проникновения электрона;z– порядковый номер химического элемента;q_v0– плотность мощности на поверхности материала по оси луча.

Для материалов с хорошей теплопроводностью (медь) температура поверхности слабо зависит от энергии электронов; для материалов примерно с той же плотностью, но со значительно худшей теплопроводностью (нержавеющая сталь), температура поверхности резко падает, в то время как максимальная температура на глубине δможет превышать температуру кипения.

Наиболее сложен для анализа случай плавления материала при скорости выделения тепловой энергии, превышающей скорость ее отвода за счет теплопроводности, теплового излучения и испарения с поверхности. В этом случае осуществляется глубокое проплавление материала в специфическом режиме «кинжального» проплавления, когда отношение глубины проплавления к диаметру электронного луча может достигать величины 40 – 50.

Рис.12.3. Распределение выделенной электронами энергии по объему вещества

Характерной особенностью такого режима является то, что глубина проплавления значительно превышает глубину проникновения электронов в твердую фазу. Максимальная глубина проникновения зависит от удельной мощности электронного луча и от времени обработки и на несколько порядков превышает траекторный пробег электронов в твердой фазе.

На поверхности расплавленного металла действуют силы, которые стремятся прогнуть поверхность расплава и вытеснить расплавленный металл из зоны воздействия луча, образуя кратер. Они обусловлены давлением электронного луча и реактивным давлением испаряющихся частиц. Силы уравновешиваются гидростатическим давлением столба жидкости и силами поверхностного натяжения жидкого металла.

Параллельно развивается процесс взрывного вскипания вещества, в образовавшемся канале возникает ударная волна, которая выносит жидкую фазу из полости канала наружу. При наличии парообразного состояния в канале происходит увеличение длины пробега электронов и, следовательно, дополнительный разогрев дна канала от электронной бомбардировки. Возможно также усиление нагрева из-за дополнительной фокусировки электронного пучка положительными ионами паров металла в канале.

Процесс образования канала при действии столь большого числа сил неустойчив. Экспериментально установлено, что паровой канал в зоне воздействия пучка периодически открывается за время порядка 1 мс. Весь процесс образования глубокого канала носит пульсирующий характер. Большое число действующих факторов не позволяет построить модель формирования «кинжального» канала, поэтому пользуются в основном эмпирическими соотношениями.