Основным средством вакуумной электроники СВЧ, служащим для преобразования энергии источника постоянного тока в энергию электромагнитного поля СВЧ колебаний, являются электронные пучки – протяженные электронные потоки, ограниченные в поперечном сечении.
Электронные пучки создаются с помощью специальных электронно-оптических устройств – так называемых электронных пушек, выбрасывающих ускоренные электроны, траектории которых приблизительно параллельны оси пушки.
Рассмотрим такие основные характеристики электронных пучков, как мощность, первеанс и интенсивность электронного потока, а также взаимозависимость между конфигурацией электронного потока и ЗС прибора.
Мощность пучка (произведение переносимого им тока I на напряжениеU , которым были ускорены электроны) определяет мощность прибора СВЧ:P =U I .
Важной характеристикой электронного потока является первеанс, определяемый как . Первеанс является мерой интенсивности потока. В приборах СВЧ, как правило, применяются интенсивные электронные потоки, в которых сила взаимного расталкивания электронов существенно влияет на движение электронов, так что их действием пренебрегать нельзя. Интенсивными, как показывают расчеты, следует считать потоки, у которых первеанс принимает значения, большие 10 -8 –10 -7 A/В 3/2 . Ввиду малости численного значения первеанса часто пользуются более удобной величиной – микропервеансом m , определяемым равенством
= m 10 -6 . (1.34)
Мощность электронного потока через первеанс можно выразить формулой
P =U I =U 5/2 .
Как видно из формулы, при неизменном первеансе мощность очень быстро растет по мере роста U (так, при увеличении напряжения на порядок мощность возрастает более чем в 300 раз).
Однако во всех приборах мощность выгоднее увеличивать не столько за счет роста напряжения, сколько за счет роста тока пучка, так как чем больше рабочее напряжение, тем сложнее конструкция изоляторов в приборе и тем сложнее источники питания и, как следствие, громоздкость и сложность высоковольтного оборудования. Снижение рабочего напряжения при заданной мощности пучка не только уменьшает сложность аппаратуры, но и приводит к уменьшению габаритов прибора за счет сокращения длины активных участков электродинамической системы (ЭДС). В ЛБВ с возрастанием первеанса может увеличиваться коэффициент усиления и КПД.
Для того чтобы сформированный пучок можно было успешно использовать в электронных приборах СВЧ, необходимо, сохраняя хорошую форму, провести его через все пространство взаимодействия с высокочастотными полями. Поскольку в сильноточных электронных пучках действуют значительные кулоновские силы взаимного отталкивания зарядов, приводящие к «разбуханию» пучков, эта задача оказывается зачастую не менее сложной, чем формирование самого пучка.
Для борьбы с «разбуханием» пучков чаще всего применяют постоянное магнитное поле, параллельное оси пучка. Из-за относительно большой длины приборов достаточно сильное магнитное поле требуется создать на большом участке. Поэтому масса магнитной фокусирующей системы (МФС) получается весьма большой. Меньшие затраты на мощность и массу магнитных систем реализуются при использовании периодической магнитной фокусировки, при которой электронный пучок пропускается вдоль знакопеременного магнитного поля. Подобную систему собирают из отдельных коротких магнитных колец, разделенных втулками из материала, обладающего высокой магнитной проницаемостью. Аналогичного результата добиваются и с помощью периодической электростатической фокусировки, которая осуществляется рядом периодически расположенных электростатических линз. Такая система обладает еще меньшей массой и потребляемой мощностью.
Помимо магнитного удержания существует еще один способ борьбы с «разбуханием» пучков, заключающийся в том, что в объем электронного пучка вводится некоторое количество положительно заряженных ионов, которые своим пространственным зарядом компенсируют отрицательный пространственный заряд электронов. В простейшем случае ионы можно создать, оставив в объеме прибора некоторое количество «неоткачанного» газа. Электроны пучка на своем пути будут ионизировать молекулы этого газа. Образовавшиеся в результате ионизации вторичные электроны выбрасываются за пределы пучка кулоновскими силами, тогда как положительные ионы будут удерживаться этими силами в его объеме. В результате даже при очень малых давлениях остаточного газа может образоваться такое количество положительных ионов, что их концентрация сравнивается с концентрацией электронов в пучке. На этом накопление ионов прекратится и установится стационарное состояние, при котором в объеме пучка образуется квазинейтральная среда, напоминающая плазму. Пространственный заряд электронов оказывается скомпенсированным, и пучок не «разбухает». Описанное явление, называемое ионной фокусировкой, наблюдается при давлениях остаточных газов, превышающих 10 -6 мм рт. ст.
В зависимости от формы поперечного сечения электронные пучки разделяются на три основных типа: ленточный, аксиально-симметричный и трубчатый.
Системой формирования электронного потока называется совокупность электрических и магнитных полей, а также образующих их электродов и магнитных цепей, необходимых для создания электронных потоков нужной конфигурации. Она содержит четыре области:
1) область электронной пушки, в которой имеется источник электронов – катод и анод, между которыми приложено ускоряющее напряжение U 0 ;
2) переходную область – область между пушкой и областью регулярной части МФС, в которой сила электростатического поля, созданного электродами, резко уменьшается, продолжается действие сил пространственного заряда, которые в конце области становятся главной расфокусирующей силой, стремящейся расширить поток, начинают действовать фокусирующие силы магнитного поля, направленные к оси пучка; в переходной области заканчивается формирование электронного потока и происходит «согласование» параметров потока, созданного пушкой, с параметрами регулярной части системы формирования;
3) область регулярной части системы формирования, в которой расположена ЭДС прибора и происходит взаимодействие потока с СВЧ полем;
4) область коллектора, в которой электроны «отработанного» потока воспринимаемые специальной металлической поверхностью, заканчивают свое движение в системе; чем больше КПД прибора, тем меньше мощность, рассеивающаяся на коллекторе; форма поверхности коллектора выбирается таким образом, чтобы тепловые нагрузки на эту поверхность не превышали допустимой удельной величины.
Электронным лучом (пучком) называют острофокусный поток ускоренных электронов. Поток электронов, эмитированный катодом, ускоряется в вакууме разностью потенциалов между катодом и анодом, а затем фокусируется в пятно малых размеров (диаметр от сотых долей до нескольких миллиметров).
При торможении ускоренных электронов вблизи поверхности металлического тела их кинетическая энергия превращается в тепловую. Чем больше плотность мощности в месте торможения пучка, тем достигается больший локальный разогрев. По концентрации мощности электронный пучок уступает лишь лучу оптического квантового генератора (табл. 2-2).
Открытие термоэлектронной эмиссии, использование магнитных и электростатических аксиально-симметричных полей для фокусировки электронных пучков, развитие вакуумной техники - основные вехи на пути развития электроннолучевой сварки. Промышленное применение электроннолучевой сварки началось в конце 50-х годов нашего столетия.
В зависимости от ускоряющего напряжения и свойств металла электроны могут проникать в вещества на глубину нескольких десятков микрометров. Электрон испытывает многократные столкновения и теряет энергию, причем меняются скорость и направление его движения. Угол вероятного отклонения электрона после соударения возрастает с уменьшением скорости электрона, в результате на конечном участке пути электрон растрачивает основную часть своей энергии. Таким образом, электронный нагрев происходит в самом веществе в отличие от обычных, широко
применяемых в сварке источников 1ейлоты, нагревающих поверхности металла. Наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на глубине пробега электрона.
Сварочная ванна испытывает реактивное воздействие испаряемого металла, теплового и рентгеновского излучения, воздействие потока электронов, а также давление отдачи вторичных и тепловых электронов. Сила давления испаряемого металла составляет основную часть общего силового воздействия на ванну, ее величина может достигать нескольких граммов.
Электронный луч с требуемыми свойствами формируется в электронной пушке. Для фокусировки электронного луча значительной мощности в пятно возможно меньшего сечения сводят к минимуму влияние погрешностей электронной оптики, взаимного отталкивания электронов в пучке, тепловых скоростей электронов, рассеивания электронов на молекулах остаточных и выделяющихся в процессе сварки газов и паров. Добиваются сохранения высокой удельной мощности пучка на большом расстоянии от пушки.
В каждой электроннолучевой пушке указанные условия формирования сварочных электронных пучков обеспечиваются в различной степени в зависимости от предъявляемых к ней требований. В первых пушках для электроннолучевой сварки пучок электронов формировался только с помощью прикатодного электрода, без применения дополнительных фокусирующих систем (рис. 2-12, а). Анодом пушки являлось само изделие. Такая одно-каскадная электростатическая система фокусировки не может обеспечить формирования интенсивного электронного пучка с высокой плотностью энергии. Поэтому с ее помощью возможно соединение металлов сравнительно небольшой толщины (1-2 мм). Близость прожектора в зоне сварки повышает опасность электрических пробоев. Технологические и электроннооптические характеристики пушки с однокаскадной электростатической фокусировкой повышаются при введении в конструкцию ускоряющего электрода, имеющего потенциал изделия (рис. 2-12, б). При этом уменьшается возможность электрических пробоев и разрядов, а для питания пушки можно использовать даже невыпрямленное ускоряющее напряжение.
Наиболее широко для формирования сварочных пучков электронов применяется комбинированная электростатическая и электромагнитная фокусировка. В пушках с комбинированной фокусировкой пучка прожектор, состоящий из катода, прикатодного электрода и ускоряющего электрода-анода, формирует сходящийся пучок электронов. Минимальное сечение пучка проектируется (обычно с уменьшением) на свариваемое изделие с помощью электромагнитной фокусирующей системы (рис. 2-12, в).
Сварочные пушки можно разделить по величине ускоряющего напряжения на три основных класса: 1 - низковольтные
2 - с промежуточным ускоряющим
И 3 - высоковольтные (UycK ~
80-^200 кВ). Мощность пучков лежит в пределах 0,3-100 кВт. Пучки электронов, эмитированные термокатодами, формируются в высоком вакууме (10~4-10~5 мм рт. ст.). В газоразрядных пушках и пушках с холодным катодом вакуум составляет 10" х- ю- мм рт. ст.
Основными требованиями к пучку электронов являются достаточно большая плотность энергии в пятне нагрева wn и малый угол сходимости ах пучка на изделии. Эти требования удовлетворяются в большей мере при высокой энергии электронов:
где 1п - ток пучка.
В то же время защита обслуживающего персонала от рентгеновского излучения, возникающего при торможении электронов на изделии, усложняется с ростом энергии электронов. Сложнее становятся сама пушка и ее источник питания.
Изобретение относится к электронике и может быть использовано при создании электронных приборов, лазеров, а также в плазмохимии, спектроскопии, при обработке материалов, электронно-лучевой сварке и в диагностических измерениях. Способ получения электронного пучка заключается в проведении в непрерывном или импульсном режиме высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорении и извлечении электронного пучка через отверстия в аноде, осуществлении подачи на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, причем в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, а в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, причем в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями. Величину подаваемого в непрерывном режиме напряжения варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 6 до 12 Торр. Величину подаваемого в импульсном режиме напряжения варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление от 8 до 16 Торр. Применение заявляемого способа для получения электронных пучков дает возможность получать их с высокой эффективностью и продлевать срок службы катода. 2 с. и 2 з.п. ф-лы., 2 ил.
Изобретение относится к электронике и может быть использовано при создании электронных приборов, лазеров, а также в плазмохимии, спектроскопии, при обработке материалов, электронно-лучевой сварке и в диагностических измерениях. Известен способ получения электронного пучка (патент США 4641316, МПК 4 Н 01 S 3/09), включающий осуществление высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорение и извлечение электронного пучка через отверстие в аноде. При этом высоковольтный разряд осуществляют в непрерывном режиме, используя аномальный тлеющий разряд. Причем если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере. Ускоряют электроны в области катодного падения потенциала. Анод используют кольцевой. На катоде, выполненном из алюминия или магния, применяют окисное покрытие Аl 2 О 3 или Mg 2 O 3 , либо высоковольтный разряд осуществляют в смеси газов с небольшой примесью кислорода. Недостатками данного способа являются низкая эффективность формирования электронного пучка и сильное распыление катода, сокращающее срок его службы. Причины недостатков заключаются в следующем. Для получения электронов используют их эмиссию из катода под действием ионов, ускоренных в области катодного падения потенциала и бомбардирующих катод, ионы, ускоряясь в области катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию и замыкают часть тока на катод, снижая тем самым эффективность формирования электронного пучка. Кроме того, режим большого тока ионов на катод, необходимый для получения электронов, и высокая величина энергии ионов, необходимая для повышения эффективности формирования электронного пучка, разрушают окисное покрытие, которое используют для повышения коэффициента ионно-электронной эмиссии, в результате имеет место быстрый выход катода из строя. Другой известный способ получения электронного пучка (а.с. СССР 820511, МПК 3 Н 01 J 39/35) включает осуществление высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорение и извлечение электронного пучка через отверстия в аноде, подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при осуществлении высоковольтного разряда. При этом высоковольтный разряд осуществляют в импульсном режиме, при более, чем двукратном его перенапряжении, величина давления газа в разрядной камере составляет свыше 0,1 Торр, причем если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, электроны ускоряют в области катодного падения потенциала, а анод используют сетчатый. Недостатком данного способа является низкая эффективность формирования электронного пучка вследствие необходимости использования сетчатого анода и вследствие того, что в своем движении внутри ускорительного промежутка от катода к аноду электроны производят ионизацию рабочего газа. Ионы, ускоряясь в области катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию и замыкают часть тока на катод, снижая тем самым эффективность формирования электронного пучка. Другим существенным недостатком является распыление катода, что приводит к ограничению срока его эксплуатации. Причина этого недостатка - существование значительного ионного тока на катод, формируемого ионами, ускоренными в области катодного падения потенциала. Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ получения электронного пучка (А.Р.Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201), включающий осуществление высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорение и извлечение электронного пучка через отверстия в аноде, подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при осуществлении высоковольтного разряда. Причем высоковольтный разряд осуществляют в непрерывном режиме, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, величину подаваемого напряжения варьируют от 1 до 6 кВ, величина давления газа в разрядной камере составляет от 1 до 10 Торр, в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, электроны ускоряют в области катодного падения потенциала, а анод используют сетчатый. Недостатком данного технического решения является сравнительно низкая эффективность формирования электронного пучка вследствие необходимости использования сетчатого анода и вследствие того, что в своем движении внутри ускорительного промежутка от катода к аноду электроны производят ионизацию рабочего газа. Ионы, ускоряясь в области катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию и замыкают часть тока на катод, снижая тем самым эффективность формирования электронного пучка. Другим существенным недостатком является распыление катода, происходящее из-за значительного ионного тока на катод, формируемого ионами, ускоренными в области катодного падения потенциала. Техническим результатом изобретения является: - повышение эффективности формирования электронного пучка; - уменьшение распыления катода. Технический результат достигается тем, что в способе получения электронного пучка проводят в непрерывном режиме высоковольтный разряд в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускоряют и извлекают электронный пучок через отверстия в аноде, осуществляют подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере. В качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями. В способе получения электронного пучка величину напряжения, подаваемого в непрерывном режиме, варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 6 до 12 Торр. Технический результат достигается тем, что в способе получения электронного пучка проводят высоковольтный разряд в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускоряют и извлекают электронный пучок через отверстия в аноде, осуществляют подачу на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, высоковольтный разряд осуществляют в импульсном режиме, вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями. В способе получения электронного пучка величину подаваемого в импульсном режиме напряжения варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 8 до 16 Торр. Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами. На фиг. 1 схематично изображена разрядная камера, содержащая катод 1, плоский анод 2 в виде пластины с просверленными отверстиями, вставку с диэлектрическими каналами 3, выполненную из кварца, причем диэлектрические каналы располагают соосно отверстиям в аноде, и коллектор электронов 4. На фиг.2 показана вольт-амперная характеристика, например, непрерывного разряда в гелии (аналогичные вольт-амперные характеристики получены для импульсного разряда), демонстрирующая высокую эффективность формирования электронного пучка, где 5 - зависимость тока анода, компенсирующего ток ионов на катод, от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 6 - зависимость тока анода, компенсирующего ток ионов на катод, от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 9,5 Торр, 7 - зависимость тока электронов пучка на коллекторе от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 8 - зависимость величины суммарного тока с катода от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 9 - зависимость величины суммарного тока с катода от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 9,5 Торр, 10 - зависимость эффективности формирования электронного пучка от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 8,1 Торр, 11 - зависимость эффективности формирования электронного пучка от величины напряжения между катодом и анодом при давлении гелия, равном 9,5 Торр. Осуществление заявляемого способа в разрядной камере (фиг.1) происходит следующим образом. Повышением напряжения между катодом и анодом переводят электроны, эмитированные катодом, в режим ускорения и выносят в дрейфовое пространство за анодом. Часть ускоренных электронов, рожденных на катоде под выполненной из кварца вставки с диэлектрическими каналами, попадает на ее поверхность и заряжает ее до потенциала U=E/e, где Е и е - соответственно энергия и заряд электрона. Тем самым формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, так как поле в промежутке вставка с диэлектрическими каналами - катод практически полностью исчезает. Взаимодействием поля, создаваемого заряженной вставкой с диэлектрическими каналами, с приложенным полем создают эквипотенциальные поверхности типа поверхности АВ, показанной на фиг.1, величина потенциала на которой близка к приложенному напряжению, U АВ ~U к. Электроны, эмитированные катодом, в начале своего пути направляют через протяженную область с низким градиентом потенциала и только затем ускоряют до энергии E=eU к и производят ими ионизацию газа. Поскольку вставку с диэлектрическими каналами заряжают до потенциала примерно соответствующего потенциалу катода, то ускоряющее поле существенно только в диэлектрических каналах. Поэтому образование ионов и вторичных электронов происходит преимущественно в этих каналах и в дрейфовом пространстве за анодом. Вследствие эффективного протекания процессов амбиполярной диффузии они рекомбинируют на стенках каналов и на катоде, не вызывая переноса тока между катодом и анодом. Быстрые ионы, рожденные в области высокого градиента потенциала, расположенной за эквипотенциальной поверхностью АВ, рассеивают свою энергию в упругих соударениях с атомами рабочего газа и также теряют свою способность векторно переносить ток на катод. В итоге подавляющую часть тока в камере переносят электроны пучка. Для оптимального выбора интервала напряжения были построены зависимости изменения эффективности формирования электронного пучка от подаваемого напряжения (как при подаче напряжения в непрерывном режиме, так и в импульсном), например, при вариации его от 450 В до 4 кВ (фиг.2, кривые 10 и 11, непрерывный режим подачи напряжения). Оптимальный интервал значений подаваемого напряжения как в непрерывном, так и в импульсном режиме составил 1,510 кВ. При изменении напряжения горения от зажигания U~450 В до U~650 В генерация электронного пучка происходит как в способе получения электронного пучка (патент США 4641316, МПК 4 H 01 S 3/09), где использован аномальный тлеющий разряд. Эффективность формирования электронного пучка выражается соотношением =j e /(j e +j i), (1) гдe j i - плотность тока ионов, бомбардирующих катод; j e - плотность тока эмиссии электронов. Так как j e = i j i (2), где i - коэффициент ионно-электронной эмиссии, то = i /( i +1) (3). Данный интервал значений напряжения характеризуется невысокими соответствующими значениями эффективности формирования электронного пучка, так как i меньше 0,5. Высокую эффективность формирования электронного пучка можно получить только при более высоком напряжении. В интервале значений напряжения от U~650 В до U~1200 В значения эффективности формирования электронного пучка постепенно повышаются до ~95%, так как, помимо электрон-ионной эмиссии, значительно возрастает фотоэмиссия. Одновременно с этим набираемая электронами энергия становится настолько значительной, что они заряжают поверхность вставки с диэлектрическими каналами до потенциала, близкого к значению приложенного напряжения. В результате поле в промежутке катод - вставка с диэлектрическими каналами резко ослабляется, принимая вид, показанный на фиг.1 (эквипотенциальная поверхность АВ). Совместно с действием амбиполярного механизма гибели ионов и вторичных электронов это вызывает глубокое падение ионного тока на катод и электронного тока на анод. Падение значения анодного тока настолько велико, что приводит к возникновению участка с падающей вольт-амперной характеристикой и для суммарного тока, фиг.2 кривая 8. Однако при этом рост тока электронного пучка сохраняется (фиг.2 кривая 7). В интервале от U~2 кВ до U~5 кВ значения напряжения настолько велики, что электроны переходят в режим ускорения во всем разрядном промежутке между катодом и анодом, а не только в области вблизи эквипотенциальной поверхности АВ. Поэтому в основном они производят ионизацию внутри диэлектрических каналов кварцевой вставки и в области дрейфового пространства. Вследствие развитости боковой структуры диэлектрических каналов вставки, ионы и вторичные электроны, рожденные там, гибнут на стенках в результате процессов амбиполярной диффузии, что уменьшает приток ионов в прикатодную область и вызывает ослабление ионного тока на катод, а также компенсирующего его электронного тока на анод. Все это приводит к увеличению эффективности формирования электронного пучка до величины ~99,5% при значении тока электронов I е ~1520 мА. В этом интервале варьирования значения напряжения реализуются оптимальные условия формирования электронного пучка по заявляемому способу. Превышение электронного тока над ионным достигает фактора I е /I i =200, что значительно выше, чем в известном способе. В таком же соотношении уменьшается и скорость распыления катода. При миллисекундных импульсах возбуждения, когда разогрев газа и его вытеснение из камеры меньше, значение еще выше и достигает значения равного 99,8% или более, значение фактора I e /I i =500. При более высоких напряжениях, чем значения рассмотренного интервала, ионы, ускоренные в зоне за эквипотенциальной поверхностью АВ, приобретают настолько большую энергию, что уже могут "пробить" протяженную область с низким градиентом потенциала и достигнуть катода, что приводит в данном случае к постепенному снижению эффективности формирования электронного пучка при I е ~20 мА и более и в зависимости от давления газа в разрядной камере при подаваемом напряжении U от 4 до 5 кВ. При давлении газа в разрядной камере, равном Р=4 Торр, падение эффективности формирования электронного пучка имеет место при подаваемом напряжении 10 кВ. "Пробой" происходит из-за быстрого снижения сечения столкновения иона с атомами газа при увеличении энергии иона. В результате происходит перенос потенциала вглубь протяженной области с низким градиентом потенциала, что уменьшает ее толщину, и, наконец, при U более 5 кВ (I e ~100 мА и более) имеет место зажигание аномального разряда и резкое (до ~ 80% и ниже) снижение эффективности формирования электронного пучка. Для выбора интервала давления газа в разрядной камере, в котором имеет место повышение эффективности формирования электронного пучка, были проведены эксперименты при изменении давления газа в камере от 4 до 20 Торр. Оптимальный интервал значений газа в разрядной камере составил 612 Торр при подаче напряжения в непрерывном режиме. При подаче напряжения в импульсном режиме данный интервал составил - 816 Торр. Направление на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда повышает выход электронов с катода, что эквивалентно повышению i (соотношение 2), и тем самым повышает (соотношение 3) и приводит к относительному уменьшению распыления катода. Использование дрейфового пространства за анодом в качестве источника излучения, вызывающего фотоэффект, позволяет получить как непрерывный, так и импульсный режим формирования электронного пучка. В заявляемом способе в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями, и расположенную позади вставки с диэлектрическими каналами (3) (фиг.1). Это является фактором способствующим повышению эффективности формирования электронного пучка, так как анод в этом случае не перехватывает ток быстрых электронов, как в известном способе пучка (А.Р. Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201), а формирование вблизи катода протяженной области с низким градиентом потенциала приводит к дополнительному росту эффективности формирования электронного пучка. Действительно, как показано (П.А.Бохан. Механизм формирования и генерация интенсивных электронных пучков в открытом разряде. Журнал технической физики, т.61, в.6, 1991, с. 61-68), эффективность формирования электронного пучка без учета потерь в анодной сетке равна
вн = 1/(1+(dw/dx)/w 0) (4),
где - доля энергетических затрат электронного пучка, идущая на ионизацию, которая составляет от 60 до 70% для благородных газов;
- длина ускорительного зазора;
dw/dx - энергетические потери пучка при движении в газе;
w 0 - средняя энергия, затрачиваемая на образование одного иона. Например, в гелии при давлении Р He =10 Торр, U=2 кВ и =0,7 мм потери dw/dx=185 эВ/см. Так как для гелия w 0 ~50 эВ, то, в соответствии с соотношением (4), в этом режиме вн = 86,5%. Если геометрическая прозрачность анодной сетки = 85%, то в итоге эффективность формирования электронного пучка в известном способе (А. Р. Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201) составляет всего ~ 74%. В заявляемом способе эффективность формирования электронного пучка намного выше см. фиг.2 (кривая 10, 11). При ионной бомбардировке катода скорость распыления его пропорциональна плотности тока ионов на катод, и составляет, в зависимости от материала катода и энергии ионов, 0,2-1,5 атома/ион (М.А.Завьялов, Ю.Б.Крейдель, А.А. Новиков, Л. П. Шантурин. Плазменные процессы в технологических электронных пучках. М. : Энергоиздат, 1989, 256 с.). Так как в заявляемом способе величина плотности тока ионов на катод в десятки раз меньше, чем в известных способах (А.Р.Сорокин. Непрерывный электронный пучок в открытом разряде. Журнал технической физики, т.65, в.5, 1995, с.198-201; а.с. СССР 820511, МПК 3 Н 01 J 39/35; патент США 4641316, МПК 4 Н 01 S 3/09), то соответственно и распыление катода - в десятки раз меньше. Пример 1
При давлении газа в разрядной камере, равном 10,1 Торр, напряжении в непрерывном режиме U= 2,5 кВ, при I e =20 мА эффективность формирования электронного пучка составляет 99,2%. Пример 2
При давлении газа в разрядной камере, равном 9,1 Торр, напряжении в непрерывном режиме U=3,6 кВ, при I е =25 мА эффективность формирования электронного пучка составляет около 99,4%. Пример 3
При давлении газа в разрядной камере, равном 7,6 Торр, напряжении в непрерывном режиме U=5,1 кВ, при I е =20 мА эффективность формирования электронного пучка составляет около 99,3%. Пример 4
При давлении газа в разрядной камере, равном 8,1 Торр, напряжении в импульсном режиме U=8 кВ, при I е =70 мА, длительности импульса =1mS эффективность формирования электронного пучка составляет около 99,6%. Пример 5
При давлении газа в разрядной камере, равном 12 Торр, напряжении в импульсном режиме U=6 кВ, при I e =100 мА, длительности импульса = 100S эффективность формирования электронного пучка составляет около 99%. Пример 6
При давлении газа в разрядной камере, равном 16 Торр, напряжении в импульсном режиме U=4 кВ, при I e =200 мА, длительности импульса = 50S эффективность формирования электронного пучка составляет около 98%. Таким образом, применение заявляемого способа для получения электронных пучков дает возможность получать их с высокой эффективностью и продлевать срок службы катода.
Формула изобретения
1. Способ получения электронного пучка, заключающийся в проведении в непрерывном режиме высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорении и извлечении электронного пучка через отверстия в аноде, осуществлении подачи на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, причем в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, отличающийся тем, что вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, а в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, причем диэлектрические каналы располагают соосно в аноде, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями.2. Способ получения электронного пучка по п.1, отличающийся тем, что величину подаваемого в непрерывном режиме напряжения варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 6 до 12 Торр.3. Способ получения электронного пучка, заключающийся в проведении высоковольтного разряда в разрядном промежутке между катодом и анодом в объеме разрядной камеры, заполненной газом, ускорении и извлечении электронного пучка через отверстия в аноде, осуществлении подачи на катод светового потока, вызывающего фотоэффект, от внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения при проведении высоковольтного разряда, при этом, если увеличивают напряжение, то понижают давление газа в разрядной камере, причем в качестве внешнего по отношению к разрядному промежутку источника излучения используют дрейфовое пространство за анодом, отличающийся тем, что высоковольтный разряд осуществляют в импульсном режиме, вблизи катода формируют протяженную область с низким градиентом потенциала, а в объеме разрядной камеры между протяженной областью с низким градиентом потенциала и анодом используют вставку с диэлектрическими каналами, в которых осуществляют ускорение электронов, причем диэлектрические каналы располагают соосно отверстиям в аноде, а в качестве анода используют плоскую пластину с просверленными отверстиями.4. Способ получения электронного пучка по п.3, отличающийся тем, что величину подаваемого в импульсном напряжении варьируют от 1,5 до 10 кВ, а соответствующее давление - от 8 до 16 Торр.
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.
Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кристалла или жидкости атом неуравновешен вследствие того, что со стороны окружающей среды связь отсутствует или заметно ослаблена. Это вызывает повышение энергии поверхностного слоя кристалла wn. Если необходимая атому энергия, для перемещения внутри тела равна wq (см. Рис. 1.2. Потенциальный барь - рис. 1.2), то для выхода в окружаю - ер для системы атомов у по - щую среду она равна wn, причем
Wq. Поэтому для соединения
границе твердой и жидкой фаз ДВуХ монокристаллов в один требу - (iб) в начальный период их ется введение извне деформацион-
контакта «
ной или тепловой энергии, превышающей граничную энергию wT.
Внешняя деформационная энергия будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомному расстоянию в кристаллической решетке, возникнут квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла, и появится «выигрыш» энергии, равный избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до их соединения - энергии активации.
Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, увеличивает вероятность развития квантовых процессов электронного взаимодействия в соединении.
Стадийность процесса сварки. Результаты исследований и теоретический анализ показывают, что сварку и пайку можно отнести к классу так называемых топохимических* реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 1.3), характерной только для микроучастков соединяемых поверхностей.
Топохимические реакции - это химические реакции с участием твердых
На первой стадии (А) развивается физический контакт, т. е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия. При этом энергетические уровни связи соответствуют уровням, характерным для физической адсорбции = 0,04...0,4 кДж/моль). На второй стадии (Б) - стадии химического взаимодействия (схватывания) - заканчивается процесс образования прочного соединения. Схватывание - бездиффузи - онный процесс и в принципе может происходить при любых температурах, если возможна микропластическая деформация.
На практике получение монолитных соединений осложняется тем, что свариваемые поверхности имеют:
Микронеровности - 10 м даже при тщательной обработке (поэтому при совмещении поверхностей контакт возможен лишь в отдельных точках);
Загрязнения, так как на любой поверхности твердого тела адсорбируются атомы внешней среды.
Для монолитного соединения материалов при сварке необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемых поверхностей и их активацию.
Энергия активации. Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая:
Для разрыва старых связей между атомами тела и атомами внешней среды, обусловленных физико-химическим состоянием поверхности;
Для повышения энергии поверхностных атомов до уровня потенциального барьера, при котором возможно образование новых химических связей, т. е. схватывание.
В общем случае энергия активации может быть сообщена в форме теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и Других видов облучения (радиационная активация).
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 Кл - заряд электрона; Е - напряженность электрического поля, В/м.
При движении электрона в электрическом поле между точками с разностью потенциалов U он приобретает энергию
Это приращение энергии электрона происходит вследствие его ускорения полем - увеличения его кинетической энергии, т. е.
где те - масса электрона, кг; v, г0 - конечная и начальная скорости электрона, м/с. Принимая Vq = 0, получим
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:
где п - концентрация газа на пути движения электронов; г - газокинетический радиус взаимодействия молекул газа.
Значения средней длины свободного пробега электрона в воздухе (при 300 К) для разных значений давленияр приведены ниже:
р, Па................................ 1,01 105 133 1,33 1,3 ■ 10-2
Л, мм................................ 3,5 10^ 2,6- 10~‘ 26,6 2660
Таким образом, исходя из конструктивных особенностей установок, максимально допустимым давлением в камере для элек-
условиях давление стараются довести до 5 10 или 5-Ю 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).
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 qim электронного пучка в зоне его воздействия на вещество может достигать 7 8 2
10 ...10 Вт/см, что позволяет проводить размерную обработку материалов путем их локального испарения в месте воздействия пучка на изделие. По мере уменьшения qim (это сравнительно просто можно осуществить расфокусировкой пучка) возможно проведение термических процессов (плавки, сварки, нагрева в вакууме), а также 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 пути, изученная Шонландом, определяется по формуле
где 8 - глубина проникания электрона в вещество, см; U - ускоряющее напряжение, В; р - плотность вещества, г/см.
Реальная глубина проникания 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 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, достигающий 80...95 % полной мощности источника и является одним из самых эффективных источников энергии для сварки.
Нагрев обрабатываемого материала электронным пучком осуществляется в результате выделения тепловой энергии в поверхностных слоях вещества и дальнейшей передачи теплоты в его внутренние слои. Высокая интенсивность ввода энергии в вещество при электронно-лучевой обработке приводит к развитию значительных поверхностных температур, уровень которых может превышать точку кипения даже самых тугоплавких материалов.
Узкий поток электронов называется электронным пучком. Электронный пучок, которым можно управлять, получают в электронно-лучевой трубке (рис. 93). Одной из ее составных частей является вакуумный стеклянный баллон (разрежение порядка 0,000001 мм рт. ст. ). Он с одного конца цилиндрический, а с другого - конусообразный и заканчивается выпуклым дном. На внутреннюю сторону дна баллона нанесен слой люминофора, у цоколя трубки расположен катод, при нагревании испускающий электроны. Катод находится в управляющем цилиндре, в торце которого имеется отверствие. Через него выходит электронный пучок. Действие управляющего цилиндра подобно действию сетки в триоде: изменением отрицательного потенциала управляющего цилиндра регулируют количество электронов в луче и тем самым меняют яркость свечения тех мест экрана, в которые попадает пучок электронов. За управляющим цилиндром расположены фокусирующий и ускоряющий аноды.
Между управляющим цилиндром и фокусирующим анодом находится неоднородное электрическое поле, эквипотенциальные поверхности которого имеют форму линзы А, называемую электростатической линзой (рис. 94). Эта линза фокусирует электронный пучок и сообщает электронам ускорение, после чего электронный пучок попадает в электростатическую линзу В между фокусирующим и ускоряющим анодами.
Возьмем электроны в точках 1 и 2. В них, как и в любых других точках, напряженность электрического поля перпендикулярна к эквипотенциальным поверхностям, а на заряд действуют силы F 1 и F 2 , противоположно направленные напряженности поля в данных точках. Составляющие этих сил F 1 " и F 2 " сообщают электронам ускорения вдоль оси цилиндров. Составляющая F" 1 отклоняет пучок вниз, а составляющая F" 2 - вверх.
Линза В сообщает дополнительное ускорение электронам и, кроме того, вызывает дополнительную фокусировку электронного пучка. Первую половину линзы электроны в пучке пролетают с меньшей средней скоростью, чем вторую (где она доходит до 10 4 км / сек ), поэтому отклонение пучка вниз больше, чем вверх. При отклонении к оси в верхней половине линзы пучок сужается. То же происходит и в ее нижней половине. Изменяя потенциал фокусирующего анода, меняют сходимость пучка и добиваются его фокусировки на экране. На пути к экрану электронный пучок проходит поочередно между двумя парами пластин, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющих выводы наружу.
Катод, управляющий цилиндр, фокусирующий анод, ускоряющий анод образуют устройство, называемое электронной пушкой. Выясним, какие свойства электронного пучка использованы в электронно-лучевой трубке. Включив ее (рис. 95, а) и сфокусировав пучок на экран, увидим на нем светящуюся точку. Электронный пучок, падая на люминофор, вызывает его свечение. Это свойство и использовано для изготовления экранов в электронно-лучевых трубках, применяющихся в осциллографе, телевизоре, радиолокаторе.
Подключим выводы вертикальных пластин к источнику постоянного тока. По перемещению луча (светлой точки) по экрану видим, что луч отклонился в сторону пластинки с положительным потенциалом. При изменении полярности пластин изменяется и направление смещения луча в горизонтальной плоскости. При подключении к источнику тока горизонтальных пластин и при изменении полярности луч будет перемещаться в вертикальной плоскости. Если к вертикально расположенным пластинам приложить переменное напряжение, то пучок (а на экране светлая точка) под действием образовавшегося электрического поля начнет колебаться между пластинами в горизонтальном направлении (по оси X или оси времени t), а при подаче переменного напряжения на горизонтальные пластины будет колебаться в вертикальном направлении (по оси Y). Вследствие быстрого колебания светлой точки на экране получается светлая прямая линия.
Поднесем сбоку трубки дугообразный магнит. Видим, что точка электронного пучка сместилась к краю экрана. Поменяем местами полюсы магнита, светлая точка отклонилась по экрану в противоположную сторону. (Учитывая, что пучок - поток электронов, определите правилом левой руки направление отклонения пятна на экране.) Электронный пучок отклоняется электрическим и магнитным полями. Вследствие малой массы электрона электронный пучок практически безынерциален. Это дает возможность мгновенно его смещать.
В осциллографе на горизонтально расположенные пластины подается исследуемое напряжение (см. рис. 93), а на вертикальные - пилообразное напряжение развертки U paз от специального устройства (см. рис. 95, б). Увеличиваясь прямо пропорционально времени, пилообразное напряжение вызывает равномерное движение светлой точки на экране в горизонтальном направлении в течение времени t 1 , например слева направо. Затем оно за время t 2 очень быстро спадает до нуля. За время t 2 электронный луч возвращается в исходное положение, и процесс повторяется. На время обратного хода луча на управляющий цилиндр подается отрицательное запирающее напряжение, преграждающее доступ электронов к экрану осциллографа. Это дает возможность наблюдать на нем графическое изображение быстро протекающих периодических электрических процессов.
Имеются электронно-лучевые трубки с магнитными фокусировкой и отклоняющим устройством. Они применяются в качестве приемных телевизионных трубок (кинескопов). Их устройство проще электростатических.
