1499

пучка необходимо около 106 достаточно коротких дискретных измерений и обеспечение скорости сбора данных, вдвое большей, чем максимальная частота используемого спектра. Это означает, что сигнал, собранный от множества измерительных позиций обеих пластин, должен быть зарегистрирован, обработан и сохранен устройством обработки данных. Это занимает неприемлемо длительное время для применения в промышленных условиях.

На практике оказывается рациональнее оценивать угловое распределение электронов (и рассчитывать эмиттанс пучка) мощных электронных пучков, используя многократное измерение профиля пучка в отличающихся поперечных сечениях, как это предложено в работах [21–23]. В работах [21–23] эмиттанс рассчитывают: а) применяя измерение профиля в двух сечениях при заранее определенной позиции фокуса пучка или б) из результатов трех измерений профиля пучка (распределения его плотности тока) в трех сечениях по длине оси пучка.

Эмиттанс (части р тока пучка) εp и стандартное отклонение связаны:

εp = Cσx σx′ ,

где коэффициент C может быть рассчитан следующим образом

(рис. 1.28):

C= −2ln (1− p) 1/ 2 .

Соответствие между эмиттансом εp и произведением σ x и σ x′ для осесимметричного пучка при различных частях p тока пучка данов табл. 1.2.

Изменение координат x и x′ в дрейфовом пространстве (в отсутствие внешних для пучка сил) дается матричным выражением

61

Здесь индексы «0– 1», «0– 2» и «0– 3» соответствуют разности координат z для трех поперечных сечений (при этом L0–1 +L1–2 = L0–3 ).

При измеренных дисперсиях σx1, σx2 и σx3 и при известных L1–2 и L1–3 могут быть найдены позиция L0–1 фокуса (или кроссовера) и диспер-

сии σx0 и σx′0. В случае известной позиции фокуса пучка (или талии) два уравнения (или измерение профиля пучка) необходимы для решениязадачи.

Данные, полученные при рассмотрении изображенных на рис. 1.19 профилей пучка, показаны в табл. 1.3.

Примечание: p – часть тока пучка Im, нормированного через общий ток пучка I0; ar и br – значения осей эллипса соответствующей части эмиттанса, включающей выбранную часть тока пучка; индекс р обозначает соответствующие эмиттанс и яркость.

Другой метод расчета эмиттанса использует неподвижную щель и отклоняемый пучок с изменяемой позицией фокуса. Он был предложен в работах [18, 22]. Этот метод может быть применен для оценки эмиттанса в x0x' и y0y' плоскостях. Для достижения цели пучок пересекает две взаимно перпендикулярные щели во входной водоохлаждаемой пластине, и измеряются два сигнала из проходящих через щели электронов (рис. 1.29).

При этом методе из предварительных исследований должна быть известна зависимость между током фокусирующей системы и позицией фокуса (расстоянием между магнитной

63

линзой электронной пушки и фокусом пучка). На рис. 1.30 показана электронно-оптическая схема опыта. Принимаем, что самое узкое сечение пучка (кроссовер или фокус) совпадает с плоскостью изображения zbf1, zbf2 … zbfi и оно известно. Важно не путать фокусную длину f электронной линзы с расстоянием от плоскости фокусирующей линзы до плоскости изображения.

Основное уравнение электронной линзы:

где zco – позиция кроссовера на оси пучка; zbf – позиция плоскости изображения и фокуса пучка; zfl – позиция магнитной фокусирующей системы пушки.

Для расчета стандартных отклонений нормального распределения электронов в лучевой плоскости фокуса (изображения кроссовера) при различных фокусных расстояниях σi0, …, σn0 рассчитывается коэффициент увеличения ki из выражений

64

σ0i = σ0 ki .

Тогда

(σxi )2 = (σx0i )2 + ( z0i − z0 )2 (σx′0i )2 .

Из условий ковариации между x и x′ в канонической позиции диаграммы эмиттанса можно найти σx′0i при измерен-

ном σxi.

В работе [24] предложен третий метод оценки эмиттанса через добавление второй тонкой фокусирующей линзы, которая преобразует угловое распределение пучка в радиальное. Изучаемое поперечное сечение до линзы пересекается движущейся щелью по длине x. Выходной сигнал представляет трансформацию x′ в x. Диаграмма эмиттанса наблюдается непосредственно на экране осциллографа.

Во всех коротко описанных методах с применением одной щели для отбора тока пучка такие параметры, как ширина щели W, толщина модуляционной пластины H (в ее наиболее узкой части – см. рис. 1.24), угол между стенками щели ϕ inϕ out на входном и выходном сечениях щели, расстояние между двумя соседними щелями LS, должны быть оптимизированными для измерения определенного значения эмиттанса.

В конечном счете требования сводятся к следующему. Угловой акцептанс щели должен быть значительно больше, чем максимальный угол расходимости пучка.

Расстояние L между двумя ближайшими щелями должно бытьбольше, чем ожидаемое сечение пучка. Таким образом,

ϕ in ≥ 10°; ϕ out ≥ 10°;

где σ xi – размер пучка в центре щели.

65

1.2. КОНСТРУИРОВАНИЕ СВАРОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУШЕК С ТЕРМОКАТОДОМ

Электронные пучки используются широко: как в различных областях физического эксперимента, так и в важных областях современных технологий – в электронике, машиностроении, приборостроении и производстве новых материалов. Можно отметить, что требования к электронным пучкам, применяемым как источники тепла для сварки металлов плавлением, являются довольно специфическими. Ниже будут обсуждаться существенные особенности источников сварочных пучков, их характеристики и особенности их оптимизации.

Устройство, в котором формируется электронный пучок,

называется электронной пушкой или электронно-оптической системой (ЭОС). Часто ЭОС дополнительно разделяют на электростатическую часть, в которой электроны эмитируются, ускоряются и формируются в сходящийся электронный пучок, и на электромагнитные фокусирующие и отклоняющие системы, которые переносят и направляют пучок к свариваемому стыку. В случае электронной пушки для сварки в неглубоком вакууме в ее составе находятся дополнительные диафрагмы, промежуточные камеры и вакуумные насосы для уменьшения потока воздуха и паров металла в пространство, где происходит ускорение электронов. При выводе пучка в атмосферу необходимо предусмотреть и подачу защитного газа. Для улучшения симметрии пучка и обеспечения прохождения пучка через малые отверстия используют дополнительные магнитные элементы и электромагнитные линзы.

Качество пучка связано с плотностью термоэмиссии электронов пучка и самосогласованным формированием траекторий электронов в существующих электрических и магнитных полях электронной пушки. Обычно при технологическом применении электронные пучки действуют непрерывно, но иногда применяются импульсные пучки. Электроды электростатической части

66

электронной пушки находятся в вакууме, что позволяет избежать (или сильно уменьшить) удары электронов с молекулами газов в ускоряющем пространстве пушки. Термоэлектронный эмиттер обеспечивает большой ток в вакууме (p ≤ 10–2 Пa) и приемлемое время жизни (десятки, а часто и сотни часов). Обычно специфические требования к электронным пушкам для сварки металлов следующие: малый эмиттанс, высокая яркость, малые аберрации, высокая концентрация энергии пучка в зоне взаимодействия пучка со свариваемым материалом и устойчивая и надежная работа. Дополнительные требования: легкая замена катода, малые потери пучка (т.е. пренебрежимо малое количество электронов пучка, достигающих электродов пушки), простая конфигурация электродов, плавная регулировка тока в широком диапазоне; быстродействующий вакуумный затвор, изолирующий пространство ускоряющего промежутка ЭОС от пространства сварочной камеры (что позволяет, открывая камеру при смене свариваемого изделия, оставить горячие части катодного узла в вакууме).

1.2.1.Термоэмиссия в электронной пушке с термокатодом

Электроны в сварочной электронной пушке эмитируются с термоэмиссионного катода, который обеспечивает поступление необходимого количества свободных электронов. Плотность тока je термоэлектронной эмиссии с катода, нагретого до температуры Tк, дается уравнением Ричардсона – Дэшмана (Richard-

son – Dushman):

циальной ямы, в которой находятся электроны металла катода);

67

e – элементарный заряд одного электрона; k – константа Больцмана, равная 1,38·10–23 Дж·К–2 ; A – константа, зависящая от материала катода и конструкции электродов. Теоретическое значение A равно 120 A/(cм2·К2).

В диодной системе (простейшая двухэлектродная конструкция генерации термоэмиссионного тока) заметная величина плотности тока je будет наблюдаться только в случае достаточно большой разности потенциалов (напряжения U), приложенной на промежутке между катодом и анодом. Насыщение эмитированного тока при заданной Tк может быть получено только при больших значениях напряжения (рис. 1.31); при низких значениях напряжения вольт-амперная характеристика управляется законом Чайлда – Ленгмюра (Child – Langmuir, закон 3/2), как это показано на рис. 1.31.

Рис. 1.31. Вольт-амперная характеристика идеализированного вакуумного диода: а – идеализированный случай, температуры T3 > T2 > T1; б – реально наблюдаемые вольт-амперные характеристики

Для обеспечения высокой плотности тока (или плотности потока энергии) в качестве материалов катода выбирают, например, вольфрам, тантал или LaB6. Выбор этих материалов является

68

компромиссом между плотностью эмитированного тока и скоростью испарения при рабочей температуре в совокупности с низкой скоростью ионного распыления (рис. 1.32–1.34). Эти факторы ограничивают срок службы эмиттера. Свойства материала эмиттера после нагрева (изменение кристаллической структуры, селективное испарение и т.п.) тоже важны при этом выборе. Сравнение упомянутых материалов катода представлено в табл. 1.4. Другие металлы, которые также могут быть использованы в качестве эмиттеров, – это рений и ниобий. Рений обладает похожими на тантал свойствами при высоких температурах.

Рис. 1.32. Плотность тока в зависимости от температуры катода

Рис. 1.33. Относительная скорость ионного травления для W и LaB6

69