Электронно-лучевой нагрев

Сущность электронно-лучевого нагрева заключается в том, что кинетическая энергия потока электронов при бомбарди­ровке ими поверхности нагреваемого материала превращается в тепловую, нагревая последний.

На основании закона сохранения энергии кинетическая энер­гия электрона равна величине работы сил энергетического поля, совершенной при перенесении заряда:

W = mv²/2 = efU,

где е — заряд электрона, равный 1,602•10^-19 Кл; U — ускоряю­щее напряжение,. В; W — кинетическая энергия электрона, Дж; т — масса покоя электрона, равна 9,11•10^{-31 кг;} v— скорость электрона, м/с, откуда м/с; при U= 10 кВ v=6•10⁴ км/с, а при U=40 кВ v=I,2•10⁵ км/с.

Устройство для получения потока электрона, ускорения их, концентрирования в пучок, направляемый в рабочее пространст­во, где электрическое поле отсутствует, называют электронной пушкой. Схема электронной пушки показана на рис ниже.

Схема расположения электродов электрон­ной пушки

Электронная пушка представляет собой трехэлектронную си­стему, состоящую из вольфрамового катода 1, кольцевого анода 4 и управляющего электрода 2. Электроны, эммитируемые с нагреваемого катода, формируются в луч 3, который ускоряется за счет разности по­тенциалов между катодом и анодом (10— 50 кВ). Регулирование потока электронов (электронного луча) производится управ­ляющим электродом изменением отрицательного потенциала по отношению к катоду. В объеме, где размещается электронная пушка, создается вакуум 10^-3—10^-s Па. Эмиссия электронов с катода ограничивает­ся объемным зарядом электронов.

Для управления электронным лучом, выходящим из электрон­ной пушки, используют фокусирующую и отклоняющую системы, с помощью которых соответственно изменяют сечение потока (пуч­ка) электронов и направляют его под заданным углом на обраба­тываемое изделие.

Можно отметить следующие положительные свойства элек­тронно-лучевого нагрева: высокую удельную мощность, безынерционность, отсутствие загрязнения обрабатываемого изделия.

Параметры электронного луча: К ним относятся ток электрон­ного луча i_e, ускоряющее напряжение U_y, удельная мощность q и мощность электронного луча W_e.

Мощность электронного луча

W_e = i_eU_у

Если электронный луч фокусируется в пятно с диаметром d, то его удельная мощность

q = 4i _eU_Y / (πd²).

Удельная мощность является одним из главных параметров электронного пучка и может составлять от 10⁷ до 10¹² Вт/м². При испарении вещества электронным пучком в непрерывном режиме используется удельная мощность около 10⁷—10⁹ Вт/м². Распре­деление плотности тока в сечении электронного луча, подчиняет­ся закону Гаусса:

где.r_л — текущий радиус электронного луча; r_н — нормальный радиус электронного луча (соответствующий плотности тока j_mах/е, здесь e=2,7l; j_max — максимальная плотность тока электронного луча).

Максимальная плотность анодного тока

где m_e —масса электрона; e_о — диэлектрическая проницаемость; L — расстояние между электродами.

Ток в электронном пучке I зависит от ускоряющего напря­жения U: I=PU^3/2, где Р — полная проводимость системы ка­тод — анод, которая зависит от формы электродов, геометрии пушки. Эта величина носит название первианса. Для пушки с кольцевым катодом первианс обычно равен 10^-5 А/В^3/2.

Для получения заданного отклонения и фокусировки электрон­ного луча изменяют геометрию полюсных наконечников магнита и подбирают необходимое соотношение между напряженностью магнитного поля и ускоряющим напряжением электронной пушки. Если напряженность магнитного поля в некоторой точке из­вестна, то радиус электронов

где В — магнитная индукция.

Удельные мощности свыше 10⁹ Вт/м² используют главным об­разом при импульсном режиме работы или со сканированием пуч­ка электронов по нагреваемой поверхности материала.

Для выбора параметров электронного луча необходимо оце­нить тепловой баланс и глубину проникания электронов вглубь обрабатываемого изделия. Уравнение теплового баланса электронного луча можно записать в виде

W_e=W_TM+W_ПЛ+W_ИСП+W_ВЭ+W_P

где W_e —- энергия, подводимая электронным лучом к испаряемо­му материалу; W_TM — потери энергии за счет теплопроводности материала; W_ПЛ — расход энергии на плавление материала; W_ИСП — расход энергии на испарение материала; W_ВЭ — энергия, уносимая вторичными электронами; W_p — энергия на рентгенов­ское излучение.

При удельной мощности энергии электронного луча W≈(10⁷—10») Вт/м²; W_ИСП ≤(2— 10) %; W_ПЛ ≤(30—35)%; осталь­ная мощность расходуется за счет теплопроводности и уноса энергии электронами, эммитируемыми из зоны нагрева. Величину ускоряющего напряжения выбирают, исходя из значений удель­ной мощности q и мощности электронного луча W.

Соударения электронов со связанными электронами обраба­тываемого металла могут привести к их переходу на более уда­ленную орбиту с последующим возвращением на прежнее место и излучением при этом кванта электромагнитной энергии, частота которой лежит в области рентгеновского излучения.

Электроны пучка при прохождении в твердом теле могут стал­киваться со свободными электронами вещества. При этом элек­тронам сообщается энергия, часто достаточная для выхода в ва­куум. Происходит вторичная эмиссия электронов, на что затра­чивается часть энергии электронов.

При взаимодействии пучка электронов с обрабатываемым из­делием у его поверхности может образоваться слой с повышен­ным давлением паров материала. Электроны, проходя через этот слой, соударяются с молекулами пара и ионизируют их, затра­чивая часть энергии.

Расчеты показывают, что потери, обусловленные лучеиспуска­нием, рентгеновским излучением, вторичными электронами и тер­моэлектронами, составляют менее 3%,.а основная доля теряемой энергииуносится отраженными электронами, количество которых определяется коэффициентомотражения Ү, зависящим от атомно­го номера элемента z.

При бомбардировке поверхности часть электронов проникает внутрь вещества, вступая с ним во взаимодействие. В результа­те происходит их торможение На глубине нескольких микромет­ров. Глубину проникновения электронов можно рассчитать по формуле

где а — постоянная величина; А — атомная масса; z — атомный номер; р — плотность, г/см³, U — напряжение, кВ.

При величине ускоряющего напряжения 100 кВ глубины про­никновения электронов в алюминий и вольфрам соответственно составляют 87 и 12 мкм.

Расчеты показывают, что температура поверхности нагревае­мого вещества уменьшается с увеличением энергии электронов вследствие большого выделения тепла в глубине тела.

В табл. приведены значения температур центральной зоны поверхности некоторых металлов, нагреваемых электронным лу­чом с различной энергией электронов при q=10^!0 Вт/м².