Электронные пучки называются обрабатывающими, а резко сфокусированные пучки электронов, движущихся с высокой скоростью, используются в технических целях.
Методы обработки электронным пучком (ELO) основаны на использовании тепла, выделяющегося при внезапном торможении потока электронов на поверхности заготовки.
Во время обработки электронным пучком компоненты помещаются в закрытую камеру, что обеспечивает высокую степень разбавления (до 10-7 Па) благодаря непрерывной работе вакуумного насоса. Обработка электронами в вакууме является существенным преимуществом этого метода, поскольку электроны не изменяют химический состав твердого тела, поэтому химическое загрязнение материала заготовки не происходит во время обработки.
Необходимым для использования в электронно-лучевой технологии для обработки материалов является способность легко генерировать большое количество свободных электронов.
Когда металлическая проволока, такая как танталовая или вольфрамовая проволока, нагревается в вакууме, электроны (термоэлектронная эмиссия) испускаются с поверхности. Количество и скорость зависят от температуры нагрева.
- Кинетическая энергия этих электронов, которые движутся случайным образом в пространстве вокруг излучателя, относительно мала. Это может быть значительно увеличено за счет ускорения движения электронов в определенном направлении из-за действия электрического поля, создаваемого большой разностью потенциалов между излучателями (в данном случае катодом и анодом).
Для этого они используют специальное устройство — электронная пушка, совместно с электронно-оптической системой, создающая резко сфокусированный пучок электронов, испускаемых катодом и электрическим полем с разностью потенциалов до 150 кВ. Ускоряется с вакуумом. В этом случае электронная скорость может достигать 100 000 км / с или более.
Удаление металлов с поверхностей испарением и взрывным кипением является физической основой размерного ELO. Когда пары материала покидают зону обработки, создается давление, которое вызывает отдачу и углубление зоны плавления. В связи с этим ELO можно использовать для получения глубоких («кинжальных») проходов или сварных швов в соединениях и глубоких отверстиях с использованием размерных ELO.
Электронный пучок, необходимый для реализации технического процесса, создается с помощью специального устройства — электронно-лучевой пушки.
- Пушка имеет катод 1, который нагревается до высокой температуры путем пропускания тока или электронной бомбардировки вспомогательного катода.
- Горячий катод испускает (высвобождает) свободные электроны.
- Катод изготовлен из тугоплавкого металла или специальной керамики.
Катод размещен внутри катодного электрода 2 из нержавеющей стали. Имеется ускоряющий электрод (анод) 3 с отверстием на расстоянии от катода. Между катодом и анодом создается электрическое поле высокого напряжения, которое ускоряет электроны, испускаемые катодом.
Катодный и ускоряющий электроды обеспечивают структуру электрического поля, которая захватывает электроны в пучке с диаметром, равным диаметру анодного отверстия.
Поскольку положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать десятков тысяч вольт, электроны, испускаемые катодом, приобретают значительную скорость и энергию на пути к аноду. После ускоряющего электрода электроны движутся равномерно.
Пистолет приводится в действие электрической энергией от источника высокого напряжения 7 постоянного тока.
Поскольку электроны имеют одинаковый заряд, они отталкивают друг друга, что приводит к увеличению диаметра электронного пучка и уменьшению плотности энергии пучка.
Чтобы увеличить плотность энергии пучка после того, как он выходит из первого анода, электрон фокусируется магнитным полем специальной магнитной линзы 4, которая является катушкой, снабжаемой током.
Фокусировка электронов в пучок наименьшего размера происходит на определенном расстоянии от магнитной линзы, и обработка пучка электронов выполняется в этой области. Сфокусированные электроны сталкиваются с небольшой ограниченной областью продукта 6 на высокой скорости, и их кинетическая энергия преобразуется в тепло, нагревая металл до очень высокой температуры.
Магнитная отклоняющая система 5 размещена на пути прохождения электронов для перемещения луча по поверхности обрабатываемого объекта, и с его помощью луч можно отклонять на любой частоте вдоль любого пути. Эти системы используются для точного установления луча на стыке (во время сварки), интенсивного движения металла (во время сварки и плавления металла) и отклонения луча на значительное расстояние (во время распыления).
Смотрите также:
Примеры решения задач по материаловедению
