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

(3.1)

где е = 1,6 •10^-19Кл - заряд электрона; Е - напряженность элек­трического поля, В/м.

При движении электрона в электрическом поле между точками с разностью потенциалов U он приобретает энергию

(3.2)

Это приращение энергии электрона происходит вследствие его ускорения полем - увеличения его кинетической энергии, т. е.

(3.3)

где m_е - масса электрона, кг; v_, v₀ - конечная и начальная скоро­сти электрона, м/с. Принимая v₀ = 0, получим

(3.4)

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 для скорости движения электрона при прохождении между точками с разностью потенциалов U:

(3.5)

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

(3.6)

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

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

Выбор ускоряющего напряжения при электронно-лучевой об­работке материала 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 пучка 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 оборудования по значению ускоряющего напряжения.

1.Низковольтные системы с ускоряющим напряжением от 15 до 30 кВ и небольшой мощностью (до 15 кВт). Эти системы, наиболее простые по конструкции и в эксплуатации, применяются в основном для сварки различных материалов толщиной до 30 мм.

2.Высоковольтные системы с ускоряющим напряжением 120... 180 кВ и мощностью 1...120 кВт наиболее сложны в изго-­ товлении 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.

3.Системы с промежуточными значениями ускоряющего на­пряжения (50...80 кВ) и мощности (15...60 кВт) применяются в тех случаях, когда необходимо увеличить глубину проплавления до 60 мм и более в зависимости от обрабатываемого материала.

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

(3.7)

где В - магнитная индукция; а - 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, перепендикулярной 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 ≠ 90° представляет собой пространственную спираль - винто­вую линию, ось которой параллельна В¯, радиус зависит от скоро­сти электрона и напряженности магнитного поляшаг равен

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 выражением

(3.8)

где п - 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 давления р приведены ниже:

р, Па 1,01 • 10⁵ 133 1,33 1,3 • 10 ^-2

Λ, мм 3,5• 10^-4 2,6 • 10^-1 26,6 2660

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 или 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 электронной пушки. При повышении давления в камере до 1... 10 Па рассеяние электронного пучка становится существен­ным в пространстве его дрейфа и это 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 электронно­го пучка 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).