1499

45°, 60°, 90° и энергии электронов пучка 25 кэВ [47] с распределением по значениям энергии для алюминиевого образца (его атомный номер 13 близок к атомному номеру кремния 14). Кривая для алюминия регистрирована при нормальном падении пучка и энергии электронов 30 кэВ [48]. Здесь dn/dQ – число обратно отраженных электронов, уходящих из образца с энергией в интервале Qi +∆Q, где Qi = Еi/Е0. Видно, что распределения по значениям энергии обратно отраженных электронов, полученные экспериментально для Al и в результате моделирования для Si, являются близкими.

На рис. 1.87 показано сравнение рассчитанных [18] и экспериментально полученных значений [19, 20] коэффициента отраженных электронов η от атомного номера Z при энергии па-

151

дающих электронов Е0 = 30 кэВ и перпендикулярном падении пучка. Большое совпадение этих значений показывает, что компьютерное моделирование адекватно описывает процессы при облучении разных мишеней ускоренными электронами. На рис. 1.88, 1.89 приведено еще два сравнения энергетических распределений, полученных моделированием для Cu и Аu, при энергии падающих электронов Е0 = 30 кэВ и нормальном (перпендикулярном) падении пучка. И здесь результаты достаточно хорошо совпадают с экспериментальными данными.

Наконец, на рис. 1.90 показаны полученные при моделировании угловые распределения обратно отраженных электронов, падающих нормально с энергией 30 кэВ на Al-, Cu- и Аu-образцы. Для сравнения показано распределение по синусоидальному закону. На рис. 1.91 показаны полученные угловые распределения обратно отраженных электронов дляSi-образца, покрытогополимеромПММА (как это было на рис. 1.84) толщиной 125 нм, при энергии падающихэлектронов 25 кэВ и углах падения пучка 30°, 45°, 60° и 90°

152

4. К вопросу об ионной фокусировке электронного пучка при глубоком проплавлении металла / Н.Д. Габович, В.П. Коваленко, O.A. Металлов, O.K. Назаренко [и др.] // Журнал техниче-

ской физики. – 1974. – Т 44, № 7. – С. 1556–1557.

5.Boersh H. Broadening of the energy distribution of electrons emitted with Maxwellian distribution, due to a space-charge region in front of the cathode // Z. Phys. – 1954. – Vol. 139. – P. 115–125.

6.Sabchevsky S., Mladenov G. Computer simulation of electron beams // J. Phys. D Appl. Phys. – 1994. – Vol. 27. – P. 690–697.

7.Reiser M. Theory and design of charged particle beams. – Willey-VCH, 2008. – 378 p.

8.Lejeune C., Aubert J. Emittance and brightness: definitions and measurements // Applied charged particle optics / ed. by A. Septier. – New York: Academic Press, 1980. – Part A. – 159 p.

9.Lawson J.D. The Physics of charged-particles beams. – Ox-

ford: Clarendon Press, 1977. – 450 p.

10.Младенов Г. Технологические методы, основанные на использовании пучков электронов // Научные приборы. – 1979. –

20.– С. 14–16.

11.Pat.5 382895 (US). System for tomographic determination of the power distribution in electron beams / J.W. Elmer [et al.]. 1995.

12.Pat.5 583427 (US). Tomographic determination of the power distribution in electron beams / A.T. Teruya [et al.]. 1996.

13.Pat.5 483036 (US). Method of automatic measurement and focus of an electron beam and apparatus therefor / H. Giedt [et al.]. 1996.

14.Wojcicki S., Mladenov G. A new method of experimental in-

vestigation of high-power electron beam // Vacuum. – 2000. – Vol. 58, №2–3. – P. 523–530.

15.Dilhey U., Masny H. Diagnosis and beam measurement in

non-vacuum electron beam welding // Electronika & Electrotechnika. – 2006. – Vol. 41, №5–6. – P. 61–65.

16.Pat. 6 300755 (US). Enhanced modified faraday cup for determination of power density distribution of electron beams / J.W. Elmer [et al.]. 2001.

154

17. Elmer J.W., Teruya A.T. Fast method for measuring power density distribution of non-circular and irregular electron beams // Science and Technology of Welding and Joining. – 1998. – Vol. 3, №2. –

P.51–58.

18.Koleva E., Mladenov G. Signal formation analysis of the

electron beam current distribution measurements // Vacuum. – 2005. – Vol. 77, №4. – P. 457–462.

19.Comparability and replication of the electron beam welding technology using new tools of the Diabeam measurement device / U. Dilhey, S. Boehm, M. Dobner, G. Trager // Proc. of 5-th Intern. Con-

fer. on EBT, 2–5 June 1997. – Varna, Bulgaria, 1997. – P. 76–83.

20.Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: справочник / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. – М.: Машиностроение, 1985. – 496 с.

21.Use of radial distributions of the beam current density for evaluation of beam emittance and brightness / E. Koleva, K. Vutova,

S.Wojcicki, G. Mladenov // Vacuum. – 2001. – Vol. 62. – P. 105–111.

22.Koleva E.G., Mladenov G.M. Intense CW beam profile and emittance // Russian Physics Journal. – 2006. – Vol. 11. – P. 49–53.

23.Emittance calculation based on the current distribution measurements at changes of the beam focusing / E. Koleva, Ch. Menhard,

T.Loewer, G. Mladenov // Electronika & Electrotechnika. – 2006. – Vol. 41, №5–6. – P. 51–60.

24.Koleva E., Mladenov G. Intensive electron beam diagnostics //

IEEE CPMT / Annual School Lectures. – 2005. – Vol. 25, №1. – P. 3–6.

25.Menhard Ch.G. Emittance calculation based on dynamic of beam radius // Proc. 8-th Intern. Conf. EBT, 5–10 June 2006. – Varna, Bulgaria, 2006. – Vol. 2. – P. 11–18.

26.Kasper E. Electron optical systems computer modelling // Optik. – 1985. – Vol. 71. – P. 129–137.

27.Kumar L. Computer simulation of electron flow in linear beam microwave tubes // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. – 1990. – Section A, vol. 298. – P. 332–343.

155

28.Kumar L., Kasper E. On the numerical design of electron guns // Optik. – 1985. – Vol. 72. – P. 23–30.

29.Weber C. Pilips Res. Reports. – 1964. – Suppl. 6. – P. 1.

30.Ninomiya K., Urano T., Okoshi T. Digital computer analysis of electron guns for cathode-ray tubes by taking into account initial thermal velocities // J. Inst. Trans. Electron. Commun. Eng. Jpn. – 1971. – Vol. 54-B. – P. 490–497.

31.Van den Broek M. H. L. M. Electron-optical simulation of rotationally symmetric triode electron guns // Journal of Applied Phys-

ics. – 1986. – Vol. 60. – P. 3825–3835.

32.Младенов Г., Събчевски С., Попова Г. Фазовый анализ пучков заряженных частиц по результатам траекторного анализа //

ЖТФ. – 1986. – Т. 56, вып. 4. – C. 652–659.

33.Becker R. The Design of Beam-welding and beammelting optics // Electronika & Electrotechnika. – 2006. – Vol. 41,

№5–6. – P. 15–19.

34.Thomae H.R. Becker Reduction of discretisation errors in the numerical simulation of axisymmetric electrostatic problems // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. – 1990. – Section A, vol. 298. – P. 407–414.

35.Sabchevsky S., Mladenov G. Computer simulation of technological electron-optical systems // Optik. – 1992 . – Vol. 90. – P. 117–122.

36.An analysis of electron guns for welding / S.P. Sabchevsky, G.M. Mladenov, S. Wojcicki, J. Dabek // Journal of Physics D: Applied

Physics. – 1996. – Vol. 29. – P. 1446–1453.

37.Иванов A., Титов А. Алгоритм для вычисления третьего

ичетвертого порядка аберационного коэффициента в ЭОС //

Известия ЛЭТИ. – 1975. – Т. 181. – С. 60–65.

38.Pelletier J., Pomot C. Work function of sintered lanthanum hexaboride // Applied Physics Letters. – 1979. – Vol. 34. – P. 249–255.

39.2-D low energy electron beam profile measurement based on computer tomography algorithm with multi-wire scanner / N. Yu, Ch. Tang, Sh. Zheng, Q. Li, K. Gong // Proceedings of the Particle Accelerator Conference. – USA: Knoxville, Te nnessee, 2005. – P. 4323–4325.

156

40. Numerical simulations of the thermionic electron gun for electron-beam welding and micromachining / P. Jansky, J. Zlamal, B. Lencova, M. Zobac, I. Vlcek, T. Rdlicka // Vacuum. – 2009. – Vol. 84, № 2. – P. 357–362.

41.Младенов Г. Електронни и йонни технологии. – София: Проф. Марин Дринов, 2009. – 388 с.

42.Lenz F. Zur Streuung mittelschneller Elektronen in kleinste

Winkel // Zeitschrift für Naturforschung. – 1954. – Vol. 9. – P. 185–193.

43.Росси Б. Частицы больших энергий / ГИТТЛ. – М., 1955.

44.Cosslett V.E., Thomas R.N. Multiple scattering of 5–30 keV electrons in evaporated metal films III: Backscattering and absorption //

British Journal of Applied Physics. – 1965. – Vol. 16, №6. – P. 779–788.

45.Вятскин А.Я. Теория неупругого рассеяния электронов

вметаллах. – М.: ИЛ, 1963. – 93 с.

46.Spencer L.V. Theory of electron penetration // Physical Re-

view. – 1955. – Vol. 98, № 6. – Р. 1597–1615.

47. Kyser D.F., Viswanathan N.S. Monte Carlo simulation of spatially distributed beams in electron beam lithography // Journal of Vacuum Science and Technology. – 1975. – Vol. 12, №6. – Р. 1305–1312.

48.Monte Carlo calculation on electron scattering in thin polymer film / G. Mladenov, R. Dimitrova, O. Stojanova, K. Jeleva-Vutova //

Proc. of the 1st Intern. Conf. on Electron Beam Technologies. – Varna, 1985. – Р. 32–39.

49.Vutova K., Mladenov G. Methodology for determining the radiation efficiency and contrast characteristic values in the case of electron and ion lithography using positive polymer resists // Thin Solid

Films. – 1991. – Vol. 200. – Р. 353–362.

50. Mladenov G., Vutova K. Computer simulation of exposure and development in electron and ion lithography // Proceedings of St.- Petersburg Electrotechnical University. Solid State Physics and Electronics. – St.-Petersburg, 2002. – Р. 133–173.

51. Mladenov G., Dimitrova R., Vutova K. Numerical modeling of penetration of accelerated electrons in materials // Bulgarian Journal of Physics. – 1987. – №14 (5). – Р. 446–458.

157

52. Vutova K., Mladenov G. Absorbed energy distribution in electron lithography of simple patterns // Journal of Information Recording Materials. – 1991. – № 4. – Р. 261–269.

53. Vutova K., Mladenov G. Mathematical modeling of the development process in electron lithography // Journal of Information Recording Materials. – 1991. – № 4. – Р. 271–282.

54. Gueorguiev Y., Vutova K., Mladenov G. Analysis of the proximity function in electron-beam lithography on high-Tc superconducting thin-films // Superconductor Science and Technology. – 1996. – Vol 9, № 7. – Р. 565–569.

55. Gueorguiev Y.M., Vutova K.G., Mladenov G.M. A Monte Carlo study of proximity effects in electron-beam patterning of high-Tc superconducting thin films // Physica C: Superconductivity. – 1995. – Vol. 249, № 1–2. – Р. 187–195.

56.Gueorguiev Y.M., Mladenov G.M., Ivanov D.I. Monte Carlo simulation of inclined incidence of fast electrons to solids //

Journal of Vacuum Science and Technology B. – 1996. – Vol. 14 (4). – Р. 2462–2466.

57.Kulenkampff N., Spyra W. Energieverteilung rückdiffundierter Elektronen // Zeitschrift für Physik A. – 1954. – Vol. 137,

№4. – Р. 416–425.

58.Gueorguiev Y.M., Ivanov D.I., Mladenov G.M. A program for Monte Carlo simulation of penetration and scattering of accelerated

electrons in multicomponent multilayer targets // Vacuum. – 1996. – Vol. 47, №10. – Р. 1227–1230.

59.Bishop H.E. Electron scattering in thick targets // 4th International Congress on X-ray Optics and Microanalysis / Ed. R. Castaing,

P. Descamps, J. Philibert. – Paris, Hermann, 1966. – Р. 159–167.

60. Wittry D.B. Secondary Electron Emission in the Electron Probe // 4th International Congress on X-ray Optics and Microanalysis / Ed. R. Castaing, P. Descamps, J. Philibert. – Paris, Hermann, 1966. – Р. 168–180.

158

2. ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВУЮ СВАРКУ

2.1. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИНЦИП ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

Соединенные сваркой детали являются неотъемлемой частью промышленного производства. Транспортные средства, станки, электрогенераторы и прецизионные инструменты изготовлены с использованием сварки. В зависимости от требований к продукции разработаны и широко применяются разнообразные методы сварки. Среди методов сварки, основанных на плавлении материалов соединяемых деталей, электронно-лучевая сварка (ЭЛС) отличается возможностью решить большинство проблем конструирования и производства широкого класса изделий из конструкционных металлических материалов [1–5].

Принцип ЭЛС является относительно простым: электронный пучок, генерируемый электронной пушкой, в вакууме направляется к стыку двух соединяемых деталей, где кинетическая энергия электронов пучка почти полностью трансформируется в тепловую энергию. Таким образом, пучок ускоренных электронов действует как тепловой источник, приводящий к локальному плавлению кромок соединяемых деталей и созданию сварного шва. При правильном выборе величины плотности энергии в пучке, определяемой фокусировкой и током пучка, плавление металла в зоне нагрева соединяемых деталей существенно локализуется, и шов становится узким и глубоким, что отличается от традиционного поперечного сечения шва (для газопламенной и электродуговой методов сварки), близкого к полусферическому.

Так же, как и лазерный луч, электронный пучок является высокоинтенсивным технологическим инструментом. Технологии, использующие мощный электронный пучок или лазерный

159

луч, известны как технологии с концентрированными источниками энергии и являются сравнительно новыми производственными технологиями. Важнейший признак, который отличает эти источники энергии от традиционных источников тепла, используемых при сварке, – это средняя плотность мощности, измеряемая обычно в ГВт/м2 или MВт/cм2 (это векторная величина, которую усредняют по сечению пучка). Плотность мощности определяет характер взаимодействия электронного пучка с обрабатываемым материалом. Ниже приведены значения плотности мощности тепловых источников, используемых при сварке,

ихарактер протекающих при сварке тепловых процессов. Плотность мощности до 105 Вт/м2 достигается при использовании пламени горючего газа, сгорающего в воздушной среде, но она недостаточна для сварки металлов. Сварка электрической дугой, ацетилено-кислородным пламенем и сварка трением происходят при плотности мощности источника тепла 106–10 8 Вт/м2. Плотность мощности источника тепла 108–10 9 Вт/м2 достигается при кислородной резке.

Наиболее высокие значения плотности мощности имеют место при воздействии лазерного луча, но для сварки плавлением вполне достаточны значения плотности мощности, достигаемые в электронных пучках. Высокая плотность энергии в электронном пучке достигается в результате способности электронных пучков фокусироваться. Высокие значения плотности мощности в лазерном луче достигаются в результате того, что фотоны не отталкиваются друг от друга. В то же время количество электронов, двигающихся с оченьбольшой скоростью, мало даже в электронных пучках со значениями энергии 30–150 кэВ

ивысокой удельной мощностью. При этом, несмотря на наличие сил отталкивания между электронами из-за их электрического заряда, при фокусировке пучка в электронно-оптических системах удается достигнуть достаточно высоких значений плотности мощности (1010–10 13 Вт/м2), необходимых для ЭЛС и даже для размерной обработки изделий. Сварочная плазменная струя

160