Фізико-технічні основи електронно-променевого нагрівання

Конструктивні особливості електронно-променевих установок.

УСТАНОВКИ ВИСОКОІНТЕНСИВНОГО НАГРІВАННЯ

Електронно-променеве нагрівання застосовується для обробки тугоплавких і хімічно активних металів, зварювання, випару металів й оксидів, вирощування монокристалів, металізації й напилювання й т.д.

З технологічної точки зору основними перевагами електронно-променевого нагрівання варто вважати:

а) можливість у широких межах плавно змінювати питому енергію в зоні нагрівання;

б) більшу питому потужність (від десятків ватів до декількох мегаватів) у місці взаємодії електронного променя з оброблюваним виробом);

в) можливість керування просторовим положенням променя за допомогою магнітної системи;

г) можливість використання вакууму як робітничого середовища;

д) можливість одержання малих розмірів (прецизійної) зони впливу електронного променя на оброблюваний матеріал.

До тимчасових недоліків цього виду нагрівання варто віднести насамперед необхідність забезпечення високого вакууму, а також складність виготовлення, експлуатації й високу вартість електронно-променевого встаткування.

У нагрівальних установках з використанням електронного променя останній являє собою спрямований потік електронів, що переносить енергію від випромінювача електронів до виробу. Прискорені електрони здобувають кінетичну енергію, пропорційну їхньої швидкості, яку вони передають речовині оброблюваного об'єкта.

Так як електрони гублять свою енергію при зіткненні з молекулами й атомами речовини, то в просторі робочої камери повинен підтримуватися глибокий вакуум, що необхідно також для захисту катода від бомбардування позитронами.

Електрон, що вийшов з катода електронної трубки, прискорюється в електричному полі й здобуває енергію We (ев)

W_e=m_ev²/2 = e_oU

де т._е й е₀— маса й заряд електрона; U— пройдена електроном різниця потенціалів, В.

Випромінювані катодом електрони прискорюються в електричному полі й формуються електричними й магнітними полями в електронний промінь. Потужність електронного променя

P_п = I_пU_пр

тут І_п -струм променя, А; U_пр - напруга прискорення, В. Питома потужність у промені

р_п = Р_п /S_п = I_пU_пр /(πr²_п),

де S_п й r_п -поперечний перетин і радіус променя на оброблюваній поверхні.

Сформований пучок проходить через робочу камеру й попадає на поверхню оброблюваного об'єкта. Швидкість електронів при влученні на поверхню деталі

Глибина проникнення електронів (м) з енергією 5—100 ев, що має місце в електронно-променевих установках (ЕПУ), може бути визначена по формулі Шонланда:

b = 2.1•10^-17U_прγ,

де γ -щільність речовини, мішені, кг/м³.

Отже, в ЕПУ глибина проникнення електронів і довжина зони інтенсивного виділення теплової енергії становить близько 10 ^-6 м, і для твердих тіл нагрівання є чисто поверхневим. Потужність рентгенівського випромінювання в енергетичному балансі ЕПУ становить частки відсотка і його можна не враховувати. Однак його біологічний вплив становить небезпеку для обслуговуючого персоналу. Тому при конструюванні й виготовленні ЕПУ повинні бути передбачені спеціальні заходи щодо захисту обслуговуючого персоналу від впливу рентгенівського випромінювання.

Розглянемо явища, зв'язані із вторинною емісією електронів з бомбардованої електронним променем поверхні металу. Значно перегріта (на 200-1000 К^о) вище температури плавлення поверхня ванни розплавленого металу являє собою потужне джерело термоелектронної емісії. Потужність (Вт) термоелектронної емісії, яка уноситься потоком електронів,

Р _те = І_те /е_о(φ +2kT),

тут I _тэ—струм термоелектронної емісії, А; e _о— заряд електрона; (φ —робота виходу електрона, ев; k -постійна Больцмана; Т— температура, К.

Незважаючи на малу потужність термоелектронної емісії, її струм, що поглинає стінками камери, може досягати десятків сотень амперів, тому заземлення ЕПУ повинне бути надійним і розрахованим на цей струм. Частина електронів променя відбивається від поверхні металу й поглинається стінками камери. Це приводить до досить більших втрат потужності електронного променя (для легких металів 5-10%, для важких 15-25%) і значно впливає на енергетичний баланс ЕПУ.

У камері ЕПУ відбуваються складні процеси взаємодії електронів лучачи з атомами залишкових та виділених в процесі плавки і нагрівання газів, з атомами металевих парів, що перебувають над поверхнею розплавленого металу і т.п.

Дата добавления: 2014-01-07