ком 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, или перемещается внутри камеры при помощи специальных механизмов.

Обрабатываемое изделие 8 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 50 Х 50 мм) обычно достаточно перемещения луча, а изделие может оставаться неподвижным.

3.1.2. Основные физические характеристики электронного пучка

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 способ получения электронов — 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— ускорение электронов с помощью электрического поля, создаваемого в электронной пушке между катодом и анодом, в котором на электрон действует сила

где е = 1,6·10-19 Кл —заряд электрона; Е — напряженность электрического поля, В/м. При движении электрона в электрическом поле между точками с разностью по-

тенциалов U он приобретает энергию, равную

т. е. энергия электрона зависит от его массы и скорости. 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 при прохождении между точками с разностью потенциалов U:

99

Подставляя в это выражение значения заряда и массы электрона, можно получить расчетное соотношение между ускоряющим напряжением и скоростью электрона:

Однако если по формуле (3.6) определить скорость электрона, ускоренного разностью потенциалов порядка 106 В, то получим значение скорости превышающее скорость света с = 3·108 м/с, что противоречит основному положению теории относительности. Поэтому для быстрых (релятивистких) электронов скорость электронов нужно использовать выражение

v = c 1 −1/(1 + eU ) , m0 c2

где m0 – масса покоя электрона, равная 9,1·10-31 кг. В реальных условиях ускоряющее напряжение U составляет 15…200 кВ, что позволяет разгонять электроны до значительных скоростей.

Выбор ускоряющего напряжения при электронно-лучевой обработке материалов в существенной мере зависит от ее назначения. 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, увеличение 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…30 кВ и небольшой мощностью (до 15 кВт). Эти системы наиболее просты по конструкции и в эксплуатации и применяются в основном для сварки различных материалов толщиной до 30 мм.

2.Системы с промежуточными значениями ускоряющего напряжения (50…80 кВ) и мощности (15…60 кВт) применяются в тех случаях, когда необходимо увеличить глубину проплавления обрабатываемого материала.

3.Высоковольтные системы с ускоряющим напряжением 100…180 кВ и мощностью (1…120 кВт) наиболее сложны в изготовлении и эксплуатации, Такие системы мощностью до 3 кВт применяются для проведения прецизионной размерной обработки и микросварки, а мощностью свыше 60 кВт – как правило, для сварки крупногабаритных изделий.

Важная особенность использования электронного пучка — возможность управления им при помощи электростатических и магнитных полей. Наибольшее распространение на практике получили магнитные системы фокусировки и управления перемещением электронного пучка.

На движущийся в магнитном поле электрон действует сила Лоренца

100

где В — магнитная индукция; α — угол между направлением движения электрона и магнитной силовой линией поля. Сила Лоренца не изменяет составляющую скорости электрона вдоль направления поля (F =0), если α =0, но изменяет направление составляющей скорости электрона, перпендикулярно силовым линиям поля, заставляя электрон двигаться в магнитном поле по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной силовым линиям поля. Суммарная траектория движения электрона при α ≠ 0 и α ≠ 900 представляет собой спираль, ось которой параллельна B , радиус спирали зависит от скорости электрона и напряженности магнитного поля (r = mev/(eB)), шаг винтовой линии равен 2πme v cosα /(Be) .

Создавая при помощи специальной магнитной системы (магнитной линзы) по оси электронного пучка магнитное поле с силовыми линиями 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 пучка 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 пучка по обрабатываемой поверхности при практически любой форме траектории.

Необходимое условие существования электронного пучка — создание вакуума на пути движения электронов, так как в противном случае в результате соударения с молекулами атмосферных газов электроны отдают им свою энергию и пучок рассеивается. Средняя длина свободного пробега электрона в газе определяется выраже-

где n — концентрация газа на пути движения электронов; r — газокинетический радиус взаимодействия молекул газа.

Значения средней длины свободного пробега электрона в воздухе (при 300 К) для разных значений давлений приведены ниже:

Таким образом, исходя из конструктивных особенностей установок, максимально допустимым давлением в камере для электронно-лучевых установок следует считать 5·10-2 Па. В реальных условиях давление стараются довести до 5·10-3 - 5·10-4 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. При повышении давления в камере до 1…10 Па рассеяние электронного пучка становится существенным в пространстве его дрейфа, что ограничивает возможную длину пучка.

Очевидно, что выводить электронный пучок из вакуума в область с более высоким давлением имеет смысл только в том случае, если длина свободного пробега электронов в этой области предельно мала. Такие электронные пушки с выводом лу-

101

ча в атмосферу иногда применяют для сварки. При этом электронная пушка перемещается непосредственно по свариваемому изделию, ход пучка в атмосфере составляет не более 10 мм. Применяемое ускоряющее напряжение составляет 150…200 кВ, а в зону между пушкой и свариваемой поверхностью подают защитный газ (гелий или аргон).

3.1.3. Взаимодействие электронного пучка с веществом

При падении электронного пучка на обрабатываемую поверхность кинетическая энергия электронов в результате их взаимодействия с атомами вещества обрабатываемой поверхности превращается в другие виды энергии.

Максимальное значение плотности мощности q2m луча в зоне его воздействия на вещество может достигать 107…108 Вт/cм2, что позволяет проводить размерную обработку материалов путем их локального испарения в месте воздействия пучка на изделие. По мере уменьшения q2m (это сравнительно просто можно осуществить расфокусировкой пучка) возможно проведение термических процессов (плавки, сварки, нагрева в вакууме), а так же нетермических процессов - стерилизации, полимеризации и т. п.

Достигая обрабатываемой поверхности, электроны пучка внедряются в вещество, испытывая торможение и проходя при этом некоторый путь. Длина этого

где ρ — плотность вещества, г/см3; δ – глубина проникания электрона в вещество, см; U – ускоряющее напряжение, В.

Реальная глубина проникновения электрона в вещество в соответствии с формулой (3.9) обычно не превышает нескольких десятков микрометров, но ею нельзя пренебрегать при учете взаимодействия электронов с веществом, особенно при больших значениях плотности мощности в электронном 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 параметры его кристаллической решетки, повышается температура вещества. Достаточно большая энергия, сообщенная электронами атомам, может привести даже к разрыву связей между отдельными атомами.

При торможении электрона в веществе кроме выделения тепловой энергии рядом происходит еще ряд различных явлений. Суммарное выделение энергии при 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 поверхности;

4)побочные явления, сопровождающиеся потерями энергии.

Следует отметить, что электронный пучок имеет максимальный коэффициент

поглощения энергии в обрабатываемом веществе, достигающей 80…95 % от пол-

102