Установки для термических процессов электронной технологии

Разработки устройств электронно-лучевого нагрева начались в 30-е годы ХХ века, в конце 50-х – начат их серийный выпуск. В настоящее время в мире выпускаются установки с мощностью пучка до 1200 кВт для плавки металлов и с мощностью до 1 кВт и поперечным размером луча от 1 мкм для размерной прецизионной обработки. Плотность мощности на обрабатываемой поверхности может находиться в большом диапазоне: от 1 Вт/мм² (для нагрева поверхности) до 10⁵ Вт/мм² (при испарении) и даже до 5*10⁶ Вт/мм² (при размерной обработке с взрывообразным испарением). Плотность мощности легко регулируется путем изменения силы тока луча и времени его протекания, ускоряющего напряжения и поперечных размеров потока на поверхности объекта обработки.

Источником потока электронов служит электронная пушка. Формирование потока электронов и его транспортировка к объекту обработки происходит в вакууме, поэтому основу конструкции установки образует вакуумная камера, обычно имеющая шлюзовую камеру (камеры). Для создания и поддержания вакуума в состав установки входит система откачки вакуумной камеры. Для управления пространственным положением потока электронов служат электростатические и магнитные системы фокусировки и отклонения этого потока. В состав установки входят также система электропитания и система управления.

Электронная пушка является одним из основных узлов электронно-лучевой установки. В зависимости от ее типа и конструкции поток электронов может быть сформирован в виде луча круглого сечения, ленты, клина, кольца, иметь различную мощность в выбранном диапазоне, быть непрерывным или импульсным. Эмиттерами электронов в пушках с небольшими токами луча служат металлические (вольфрамовые или танталовые) термокатоды прямого действия. Срок их службы небольшой (20…50 ч). Широко применяются катоды косвенного накала на основе гексаборида лантана LaB₆ благодаря своей большой удельной эмиссии при невысоких температурах (до 2 А/мм² при 1400^оС) и устойчивой работе в неглубоком вакууме и при периодическом напуске в камеру атмосферного воздуха. Для их разогрева используют вольфрамовые подогреватели или электронный подогрев от дополнительного термокатода.

У металлических термокатодов в виде острия радиусом порядка 1 мкм на разогреваемом основании термоэмиссионный ток дополняется автоэлектронным током из-за высокой напряженности электрического поля вблизи острия.

Для сильных электронных потоков целесообразно использовать плазменные эмиттеры на основе тлеющих или дуговых разрядов в разреженном газе. Максимальная плотность тока с границы плазмы

J = 0,25n_e e,

где n_e – концентрация электронов в плазме, м^-3; е – заряд электрона, Кл; Т_е – температура электронного газа, К; m – масса электрона, г, k – постоянная Больцмана. Например, при Т_е = 10⁴ К, n_e = 10¹⁸ м^-3 плотность тока J = 10 А/мм², что в 1000 раз больше, чем у вольфрамового катода.

Для плазменного эмиттера используют чаще всего разряд в аргоне при давлении 10^-2…10^-3 Па, напряжении между электродами 1,5…2 кВ и потребляемой мощности до 1 кВт. Вместо аргона иногда применяют водород или даже воздух. Для устойчивости разряда на него накладывают постоянное магнитное поле индукцией до 0,05 Тл. Разряд происходит в отдельной камере с малым отверстием, через которое можно электрическим полем вытягивать электроны. В разрядную камеру подают рабочий газ.

Рабочая камера. В универсальных установках объем вакуумной рабочей камеры от 0,001 до 4 м³. Корпус должен быть достаточно прочным механически и защищать персонал от рентгеновского излучения. Пушка может быть закреплена либо иметь возможность перемещаться. Отвод избыточного тепла осуществляется системой охлаждения с проточной водой. Для повышения производительности камера снабжается шлюзами для загрузки и выгрузки обрабатываемых изделий без потери вакуума, при этом в шлюзах непрерывно создается промежуточный уровень вакуума. Перемещения изделий, а также пушек и другого технологического оснащения камер осуществляется сервоприводами под управлением компъютера, как и управление собственно процессом обработки.

Для обработки крупногабаритных изделий выпускают большие камеры с объемом, например, 180 м³,в таких камерах устанавливают и одновременно включают несколько пушек, причем, пушки имеют собственные системы откачки с отсечным вакуумным клапаном, тогда в камере вакуум может быть невысоким (1…10 Па).

Высоковольтные пушки с выводом луча в атмосферу применяют для обработки (преимущественно, сварки) крупногабаритных изделий совместно со складной гофрированной камерой, которую прикладывают к поверхности изделия в зоне обработки и вакуумируют до 100…1000 Па.

Вакуумные системы. Их основными узлами являются форвакуумные, бустерные и высоковакуумные диффузионные насосы.

Система электропитания. Электронно-лучевая установка нуждается в разнообразных по мощности и требованиям к качеству источниках питающих напряжений. Среди них - постоянные высокие напряжения для питания катодов электронно-лучевых пушек, фокусирующих и отклоняющих систем. Эти напряжения должны быть стабильными и иметь малые пульсации, в ряде случаев – плавно регулируемые в пределах от 0 до максимального значения. Например, для размерной обработки требуется ускоряющее напряжение регулируемое от 0 до 100 кВ при токе до 10 мА, нестабильность его не более 0,01 %.

Дата добавления: 2014-01-07