3.1.1. Формирование электронного пучка

Формирование электронного пучка для технологических целей можно представить как процесс, состоящий из следующих основ­ных стадий:

1)получение свободных электронов;

2)ускорение электронов электростатическим или электромаг­нитным полем и формирование направленного потока электронов;

3) изменение поперечного сечения направленного потока электронов для формирования электронного пучка (чаще всего для его фокусировки на обрабатываемой поверхности);

4) отклонение электронного пучка и обеспечение требуемой траектории перемещения его сечения, попадающего на обрабатываемую поверхность (фокального пятна);

5) собственно взаимодействие электронного пучка с обрабатывае-мой поверхностью для осуществле­ния требуемого технологического процесса.

Для формирования электронного пучка и управления им применяется ряд специальных устройств, назы­ваемых электронными пушками. Функциональная схема такого уст­ройства приведена на рис. 3.1.

Источником электронов в элек­тронных пушках обычно служит термоэмиссионный катод 1, который вы­полняется из вольфрама, тантала или гексаборида лантана LаВ₆, об­ладающих высокими эмиссионными характеристиками. В зависимо­сти от материала катода его рабочая температура может достигать 2400...2800 К. Подогрев катода чаще всего осуществляется при по­мощи накаливаемого электрическим током элемента, причем в неко­торых случаях сам этот элемент может выполнять функции катода (катод прямого накала). Катод размещается внутри прикатодного электрода 2. На некотором расстоянии от катода находится анод 3, выполненный в виде массивной детали с отверстием по оси. Между катодом и анодом от специального высоковольтного источника пи­тания прикладывается ускоряющее напряжение U_yc = 30... 150 кВ, причем анод обычно соединяется с корпусом установки, а катодный узел крепится на высоковольтном изоляторе. Вследствие разности потенциалов между катодом и анодом электроны ускоряются до значительных скоростей, большая часть их проходит через отверстие в аноде и затем продолжает в заанодном пространстве движение по инерции. Мощность потока электронов регулируется изменением его тока (при постоянном ускоряющем напряжении) путем подачи отрицательного (по отношению к катоду) напряжения U_ф на управ­ляющий (прикатодный) электрод 2 в электронно-оптической системе сварочной электронной пушки.

Этот поток электронов обладает еще сравнительно невысоки­ми удельными энергетическими показателями, и для формирова­ния из него электронного пучка 4 с необходимыми характеристи­ками обычно требуется дополнительная операция - фокусировка. Для полной реализации возможности фокусировки и формирова­ния электронного пучка минимальных размеров (0,2...2,0 мм) при значительной мощности до 100 кВт нужно выполнить такие усло­вия формирования, чтобы погрешность электронной оптики, рас­талкивание электронов в пучке, их тепловое движение и рассеяние в газах и парах металлов не препятствовали собиранию электронов пучка в малом объеме.

В рабочем пространстве электронной пушки необходим ваку­ум, так как при большом числе молекул остаточных газов они препятствуют свободному прохождению электронов взаимными столкновениями. Кроме того, условия работы термоэмиссионного катода также требуют защиты его от взаимодействия с атмосфер­ными газами. Рабочий вакуум в электронной пушке должен быть не хуже 10^-3 ...10^-4 Па. При увеличении давления происходит пробой между катодом и анодом электронной пушки, что может привести к выходу из строя высоковольтного выпрямителя.

Для фокусировки электронного пучка в электронной пушке обычно используется система диафрагм и магнитных линз. Магнитная линза 5 представляет собой соленоид с магнитопроводом, создающий специальное магнитное поле, которое при взаимодей­ствии с электроном изменяет его траекторию и искривляет ее в направлении к оси системы. При этом можно добиться «сходимо­сти» электронного пучка на достаточно малой площади поверхно­сти и в фокусе 7 электронный пучок может обладать весьма высокой плотностью мощности (до 5 •10⁸ Вт/см²). По достигаемой плотности мощности электронный пучок уступает только лазер­ному лучу. Такой плотности мощности достаточно для осуществ­ления целого ряда технологических процессов, причем в результа­те изменения фокусировки плотность мощности может быть плав­но изменена до минимальных значений.

В конструкцию электронной пушки обычно входит также от­клоняющая система 6, служащая для перемещения электронного пучка по обрабатываемой поверхности вследствие его взаимодейст­вия с поперечным магнитным полем, создаваемым отклоняющей системой. Обычно для этой цели электронная пушка имеет две пары отклоняющих катушек, обеспечивающих перемещение пучка по двум взаимно перпендикулярным направлениям. При питании от­клоняющих катушек током определенной частоты и амплитуды можно получить практически любую траекторию перемещения электронного пучка 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 (9 - сварной шов). 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.