Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Магнитогидродинамика сварочной дуги


Технологические особенности и применение сварочных дуг

Сравнительные характеристики металлических и вольфрамовых дуг

Есть 2 вида катодов: а) холодные катоды с плавящимся электродом (металлические катоды); б) электроды с неплавящимся катодом – работают в инертных газах (вольфрамовые катоды).

Металлические дуги отличаются:

1. Сравнительно низкой (3000…4000 К) и интенсивным испарением

2. Высокой в катодном пятне

3. Блужданием и неустойчивостью катодного пятна на жидком металле электрода

4. Падение напряжения ; для паров металла (10...20 В)

5. Мало зависит от состава металла электрода ( )

6. Температура столба дуги низкая

7. Наиболее вероятный механизм эмиссии электронов в катодной зоне при - автоэлектронная (электростатическая) эмиссия.

Вольфрамовые дуги отличаются:

1. Высокой температурой

2. На катоде

3. Отсутствует катодное пятно

4. Малое падение напряжения газовой среды

5. Падение напряжения

6. Температура столба дуги и выше

7. Основной механизм эмиссии электронов – термоэлектронная эмиссия и эффект Шоттки

8. Типичная форма дуги – колокол.

Основные свойства дуги определяет катодная область.

Всякое перемежение заряженных частиц сопровождается появлением магнитных полей. Не является исключением и дуга.

На проводник длиной с током , находящийся в магнитном поле, действует пондеромоторная сила Лоренца , направление которой можно определить для поля от (+) к (–) по правилу Ампера (левой руки) , где магнитная индукция ; при для неферромагнитной среди , где - напряженность магнитного поля.

Применительно к газовому разряду вектор элементарной силы , действует на каждую частицу зарядом , движущуюся со скоростью , будет определяться векторным произведением на единицу объема , где - скорость света.

Сила перпендикулярна плоскости векторов и . Она не производит работы, но меняет направление скорости частицы. При этом в однородном магнитном поле действует постоянное центростремительное ускорение и сила .

Силы заставляют заряженную частицу двигаться по т.н. ларморовскому радиусу , который при энергии частицы , равен

 

для электрона (5.17)

для иона с атомным весом (5.18)

при (для протона)

Собственное магнитное поле дуги, и контура сварки. Магнитное поле дуги.

Т.к. в столбе дуги могут быть два тока – электронный и магнитный, то сила будет направлена по-разному для каждой частицы при одинаковом направлении их скоростей. Но дрейфовые скорости электронов и ионов противоположны, и сила для любой частицы оказывается направленной к центру дуги (рис. 5.7). Собственный магнитный поток столба дуги , силовые линии которого концентрически охватывают столб и могут быть определены по правилу буравчика, стабилизируют дугу вследствие пинч-эффекта.



Пинч-эффект.

Значение электромагнитного сжимающего давления так называемого пинч-эффекта (от англ. – to pinch - сжимать) можно определить, проинтегрировав элементарные силы, действующие на отдельные площадки кольцевого слоя проводника (плазмы) единичной длины (рис. 5.8). Распределение электромагнитного давления имеет параболическую форму с максимумом в центре (рис. 5.9)

При

(5.19)

т.к. , то (5.20)

Если ток в амперах, то выраженное в паскалях давление .

Для проводника переменного сечения, например, для сужения столба дуги около стержневого электрода разность давлений вызовет осевую силу , действующую от меньшего сечения к большему (рис. 5.10). Для ее оценки определим сначала осевую силу в проводнике постоянного сечения. Электромагнитное давление , выражаемое формулой (5.20) для жидкого или газообразного проводника, может быть в данной точке принято постоянным независимо от направления. Поэтому в осевом направлении элементарная сила , а по всей площади сечения

(5.21)

Если ток в амперах, то выраженная в ньютонах сила

 

(5.22)

 

Продольная сила не зависит от сечения проводника а зависит только от квадрата тока.

Пример.Пусть и отличаются в 4 раза, т.е. , тогда разность давлений при токе 200 А создаст силу . Эта сила достаточна, например, для удержания стальной капли диаметром 4мм.

В теории магнитного поля доказывается, что полю напряженностью Н, соответствует условное магнитное давление (5.23а). Следует учесть, что действие пинч-эффекта должно уравновешиваться изнутри термическим давлением плазмы (идеального газа) (5.23б) причем , где . Давление распределено в соответствии с изменением температуры и концентрации частиц по радиусу столба дуги, поэтому эффект сжатия столба дуги будет определяться теплофизическими свойствами вещества в столбе дуги. С другой стороны, из равенства давлений следует, что если , температура газа в столбе под влиянием пинч-эффекта будит повышаться пропорционально квадрату тока.

 

Магнитное поле сварного контура. Магнитное дутье.

Сварочная цепь электрод-дуга-изделие вместе с подводящими проводниками образует сварочный контур, магнитное поле которого может отклонять дугу в ту или иную сторону.

Большой разряд магнитных линий, сконцентрированных внутри угля, образованного э0дом и токопроводящей частью пластины, будет «выжимать» дугу наружу (рис. 5.11). Меняя место подвода тока, можно регулировать отклонение дуги. Отклонение дуги можно регулировать также изменением угла наклона электрода к поверхности изделия (рис. 5,12).

В установившемся положении отклоняющая сила собственного магнитного поля (пропорциональная квадрату тока) будет уравновешиваться противодействующими милами, вызванными «жесткостью» столба дуги.

Для объяснения «магнитного распада» в контуре, лучше всего воспользоваться понятием магнитного давления, которое согласно формуле (5,23), теми больше, чем больше напряженность . Движение эластичного проводника-дуги – будет происходить всегда только в сторону уменьшения плотности магнитных силовых линий .

 

Действие ферромагнитных масс.

 

Наличие значительных ферромагнитных масс вблизи дуги может вызвать ее отклонения, относимые также и к магнитному дутью. Можно считать, что в ферромагнитной массе благодаря высокой магнитной проницаемости «стремятся» сконцентрироваться магнитные силовые линии контура. Вследствие этого магнитное давление со стороны ферромагнитной массы снижается и дуга отклоняется (рис. 5.13). Поэтому дуга может часто отклоняться в сторону заваренного шва или от кромки в сторону основной массы изделия.

При рассмотрении магнитного дутья следует учитывать, что металл в ванне и вблизи нее нагрет выше точки Кюри и практически немагнитен.

Все сказанное выше о магнитном дутье относится в основном к дуге постоянного тока. При сварке дуге переменного тока в металле изделия создается система замкнутых вихревых токов. Вихревые токи создают собственную переменную магнитодвижущую силу, сдвинутую почти на по фазе по отношению к сварочному току. Результирующий магнитный поток контура оказывается значительно меньшим, чем при постоянном токе.

При сварке под флюсом магнитное дутье обычно мало. Однако, при сварке продольных швов труб из-за значительной ферромагнитной массы и замкнутого контура трубы возникает поперечное магнитное поле, сдувающее дугу вдоль трубы. Изменяя теплоподвод или наклон электрода, можно ликвидировать отрицательное влияние дутья.

Внешнее магнитное поле и дуга

Внешнее магнитное поле по отношению к оси столба дуги может быть либо продольным, либо поперечным. Все промежуточные случаи могут быть сведены к этим двум.

Продольное поле. При наложении продольного поля направления магнитного и электрического полей совпадают, поэтому на дрейфовое движение заряженных частиц магнитное поле влиять не будет. Однако, электроны и ионы обладают еще тепловой скоростью хаотического движения и скоростью амбиполярной диффузии.

Магнитное поле напряженностью Н направляет путь частицы и заставляет двигаться ее по ларморовскому радиусу с так называемой циклотронной или ларморовской угловой частотой

(2.24)

Для электрона (?) при (?)он вращается по часовой стрелке, создавая с вектором Н магнитного поля правовинтовую систему. Положительный ион вращается в обратном направлении с частотой согласно уравнению (2.24).

При движении по окружности путь частиц между двумя соударениями в среднем такой же, как и при отсутствии магнитного поля. Но свободный пробег измеряется по прямой, т.е. по хорде, стягивающей дугу окружности радиусом . Значит, пробег уменьшается, что равносильно увеличению давления газа . Отношение пропорционально квадрату напряженности поля , но для обычных сварочных режимов невелико.

В обычных сварочных дугах при наибольшее влияние продольное магнитное поле оказывает на диффузионную составляющую скорости ионов и электронов. Скорость диффузии их направлена по радиусу от центра дуги к периферии, где температура и концентрации наибольшие (рис. 5). В связи с тем, что скорости диффузии в квазилинейном столбе дуги равны , а масса , импульсы, передаваемые нейтральным частицам от ионов, будут в тысячи раз больше, чем от электронов. Поэтому плазма столба дуги придет во вращательное движение, соответствующее движению в магнитном поле ионов. Столб дуги будет вращаться против часовой стрелки, если смотреть по направлению поля. Угловая скорость вращения максимальна в тех участках столба дуги, где скорости диффузии наибольшие. Действие электрического поля, которым мы пренебрегаем в рассуждениях, вводит осевую составляющую. Поэтому заряженные частицы двигаются по спиральным линиям.

Продольное поле получают с помощью соленоида (рис. 5.14 б) и используют для придания дуге большей гибкости и устойчивости. несколько повышает температуру в центре столба дуги в связи с магнитным давлением , которое согласно формуле (5.23б) уравновешено давлением .

Поперечное поле

В этом случае целесообразно рассматривать дугу как гибкий проводник с током. Поперечное магнитное поле, накладываясь на собственное поле дуги в контуре, может вызвать отклонение ее в ту или другую сторону (рис 5.15). В той части сварочного контура, где силовые линии и совпадают, создается избыточное магнитное давление и дуга отклоняется в сторону более слабого поля.

Воздействия поперечным магнитным полем на дугу и ванну расплавленного металла, при автоматической сварке под флюсом можно, например, изменить формирование шва (рис 5.16). На металл ванны действуют объемные силы F, пропорциональные векторному произведению плотности тока j и напряженности магнитного поля H, т.е. . Под действием этих сил металл стремится подтечь под дугу (рис. 5.16б), чему также способствует отклонение дуги, и проплавление уменьшается. Переключив поле, можно увеличить провар шва.

Если использовать управление поперечным переменным магнитным полем, то дуга постоянного тока будет колебаться в обе стороны от положения равновесия с частотой поля. Этот технологический прием получил название «метелка» и используется, например, для заварки трубных досок(?).

Вращающаяся дуга

Эффект перемещения дуги в поперечном магнитном поле используется для ее вращения по конусной или по цилиндрической поверхности.

Вращающаяся (конусная) дуга применима только для сварки кольцевых швов малого диаметра (рис. 5.17). По оси труб располагается неплавящийся электрод. С помощью соленоида создается магнитное поле вдоль оси электрода. При горении дуги «электрод-кромка» столб ее оказывается направленным поперек поля Н, что и вызывает вращение дуги. Скорость вращения пропорциональна напряженности поля и току(?) дуги. Практически составляет обычно несколько тысяч об/мин. Сварка изделия происходит за несколько секунд, что соответствует 100-1000 оборотам дуги. Использование вращающейся дуги весьма упрощает аппаратуру. Применяется также не стержневой, а фигурный неплавящийся электрод, соответствующий по форме линии кромок детали. Сдвиг электрода относительно кромок изделия должен обеспечить взаимодействие столба дуги с поперечным магнитным полем. Фигурным медным электродом удается сваривать детали произвольной формы, что весьма перспективно при массовом производстве таких изделий, как конденсаторы, герметизированные изделия автоматика и т.д.

Бегущая дуга

Способ сварки кольцевых швов труб заключается в том, что на концы труб одеваются две катушки, включенные встречно (рис 5.18). Благодаря этому в зазоре между трубами создается радиальное магнитном поле Н. Если между торцами труб зажечь дугу, то на нее будет действовать тангенциальная сила. Движение бегущей дуги вначале ограничивается той скоростью, с которой может перемещаться по поверхности холодной трубы катодное пятно.

По мере разогрева торцов скорость движения возрастает, достигая весьма больших значений. Процесс сварки завершается осадкой.

Воздействие магнитогидродинамических явлений на ванну расплавленного металла, можно использовать не только для регулирования глубины провара (рис. 5.), но и для поддержания ванны в зазоре стыка. Для этого необходимо создать в металле вертикальные объемные силы, что вполне осуществимо. Поперечное поле позволяет также управлять формированием шва в разных пространственных положениях.

При многодуговой сварке в одну ванну и трехфазной сварке даже при отсутствии внешнего поля, магнитогидродинамические эффекты могут существенно расширить технологические возможности процесса. Магнитное воздействие на ванну эффективно также при электрошлаковой и других методах сварки.

 

 

Рис. 5.1. К теории анодной области дуги. F­T - площадь анодного пятна, la – прианодная область дуги = 1 мкм.

 

Рис. 5.2. Электронная и ионная компонента суммарного тока і в разных частях дуги (на аноде i=ie)

 

Рис. 5.4. Гидродинамика течения в сильнопоточной дуге

 

Рис. 5.5. Форма столба дуги W-Me в аргоне (I=150А, lд=6мм)

 

 

Рис. 5.6. Возникновение плазменных струй в местах сужения дуги, проходящей через отверстие в водоохлаждаемой медной пластине S

 

Рис. 5.7. Действие электромагнитных сил на элементарные заряженные частицы плазмы – ион и электрон

 

Рис. 5.8. К расчету давлений в столбе дуги:

а – сжимающие силы пинч-эффекта;

б – противодействующее термическое давление плазмы pT=nkT

 

Рис. 5.10. Осевая сила пинч-эффекта в проводнике переменного сечения

 

Рис. 5.11. Влияние места подвода тока на отклонение дуги (магнитное дутьё). Точками и крестиками обозначены магнитные силовые линии и их направление (точка – на нас, крестик – от нас)

 

Рис. 5.12. Влияние угла наклона электрода на отклонение дуги

 

Рис. 5.13. Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги

 

Рис. 5.14. Действие продольного магнитного поля на дугу (а), устройство направляющего соленоида (б)

 

 

Рис. 5.15. Поперечное магнитное поле и дуга

 

Рис. 5.16. Дуга под флюсом. Зона сварки: а – без магнитного поля, б – с поперечным магнитным полем Н

 

Рис. 5.17. Схема сварки вращающейся (импульсной) дугой

 

Рис. 5.18. Стыковая сварка труб вращающейся (бегущей дугой) дугой

 

 

Лекция 7

Плазменно-дуговые процессы

Виды особенности плазменных дуг

Плазменно-дуговым принято называть сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразованием. В зависимости от вида электрода-анода плазменная дуга может быть прямого и косвенного (непрямого) действия. В первом случае анодом служит само изделие (рис.7-1а) и столб плазмы совпадает со столбом дуги, которую в этих случаях часто называют «проникающей дугой». Если анодом служит сопло, которое конструктивно может совпадать с началом плазменной головки, то получаемый источник теплоты является независимым (от изделия) со струей плазмы, выделяемой из столба дуги в виде факела (рис.7-1б). Такая дуга называется дугой косвенного действия или просто плазменной струей.

Плазменная дуга благодаря ее обжатию в начале сопла газовым металлом на длине ℓ в отличии от обычной дуги характеризуется высокими температурами столба (рис.7-2) - до 15000-25000К и более и высокими скоростями потока плазмы. Это значительно расширяет его технологические возможности при резке, сварки и напылении материалов.

Для получения дуговой плазменной струи используется специальные плазменные головки или т.н. плазмотроны, в которых обычно имеется неплавящийся вольфрамовый или медный катод, изолированный от начала и сопла головки, а анодом может являться сопло или изделие.

В начале процесса для образования достаточного количества заряженных частиц дежурная слаботочная дуга возбуждается непосредственном между катодом и медным охлаждаемым соплом, например с помощью осциллятора.

Плазменная струя образуется вначале головки и стабилизируется стенками канала и холодным газом с температурой ~ T=1000К, отделяющим столб дуги от этих стенок. Сравнительно малый диаметр и достаточная длина канала обеспечивают требуемую для стабилизации плазменного столба скорость газового потока. В наличии стабилизирующего канала и заключается основное отличие плазмотрона от обычной горелки для сварки в защитных газах.

Низкотемпературная плазма многокомпонентная по своему составу – в ней имеются одно, двух, трех и много зарядные пары различной зарядности, имеются и атомы, которые хотя и имеют нейтральный заряд , но является сильно возбужденными и при изменении некоторых параметров процесса (Т,Р,U) могут достаточно легко ионизироваться. Магнитное свойства компонентов изменяются с изменением ее свойств, тем не менее, практически на все виды используемых в промышленности технологических плазм сильное влияние оказывает внешнее магнитное поле, т.е. в целом плазма ведет себя в таком поле как диамагнитная и проявляет себя как своеобразная упругая среда. Если энергия взаимодействия между компонентами плазмы мала по сравнению с ее тепловой энергией, то плазма ведет себя как идеальный газ. Течение в плазменном магнитном поле подобно течению жидкости или газа. Характер течения может быть как ламинарным так и турбулентным и во многом определяется схемой под вода в горелку (плазмотрон) плазмообразующего парааксиально, нормально к оси горелки или тангексально (по касательной). Магнитное поле направленно вдоль течения плазмы и препятствует изменению турбулентности, стабилизирующее ламинарное течение. Это свойство часто используется в плазмотронах для управления потоком плазмы и сжатия ее плазменного шнура.

Итак, плазмотрон – это устройство для получения низкотемпературной плазмы путем электрической ионизации плазмообразующего газа.

О конструктивном оформлении плазмотронов

По назначению плазмотроны разделяют на такие типы: для сварки, резки, напылению и переплава металлов.

По принципу действия выделяют плазмотроны:

o дуговые

o индукционные

Вольт–амперная характеристика свободно горящих дуг – ниспадающая. Если такую дугу обжать и пропустить через холодное сопло, то она сожмется, о чем уже шла речь выше, т.е. в плазмотронах имеют дело только с обжатой дугой. Это позволяет повысить концентрацию тепловой энергии, передаваемой в металл и существенно расширит технологические возможности использования такой низкотемпературной плазмы в промышленности.

Сжатие дуги в стабилизирующем канале повышает концентрацию тепловой энергии, передаваемый на металл, и позволяет в широких пределах варьировать длиной дуги – от 10-14мм (обычная дуга) до 1-2м (в печах плазменного переплава).

Конструктивные особенности плазмотронов

Плазмотрон состоит из 3-х узлов – катодный, ствол, рукоятка (рис. ). Детали узла катода изготавливаются из латуни. Катод охлаждают водой. Ствол изготавливают из медных или алюминиевых трубок. По ним подается вода для охлаждения и постоянный электрический ток. Узел рукоятки выполняется из изоляционного метала.

В качестве плазмообразующего газа чаще всего используют воздух, реже – аргон, азот, гелий, водород.

Величина тока - 15÷750÷1000А

Плотность тока – 75А/мм2

Наибольшую известность получили плазмотроны марки -4, -6.

На прошлой лекции мы говорили о том, что при горении дуги, ив том числе и плазменной, распределение плотности тока по электроду (катоду) является не равноценным и сосредоточено в основном в т.н. катодных пятнах, где сосредоточенны переносчики тока. Самая длинная часть дугового разряда – столб дуги. Ее длина зависит от целого ряда факторов, большая часть которых уже рассматривались в предыдущих лекциях. Обжатие дуги и применение стабилизирующих каналов плазмотронах позволяет в широких пределах варьировать длиной дуги, изменяя ее от нескольких миллиметров (классическая дуга) до нескольких метров (в печах плазменно-дугового переплава).

Плазмотроны по роду используемого тока подразделяются работающем на:

o постоянном токе

o переменном токе

o высокочастотные

по роду плазмообразующего газа:

o с очистительно-восстановительной средой

o с нейтральной атмосферой

o с очистительной средой

по способу охлаждения:

o воздушное (газовое) охлаждение

o водяное

Вакуумные плазмотроны используются для переплава стали.

Для переплава сплавов титана, ниобия, циркония и других высокореакционных химически активных материалов чаще всего используют инертные газы, наиболее аргон.

Ar
Ar
W
Таково общая характеристика плазмотронов. Рассмотрим теперь один из главных компонент этих устройств – плазмообразующие газы и те их особенности, благодаря которым они используются в этих технических устройствах.

В качестве плазмообразующего вещества обычно применяют газы (аргон, азот, гелий, водород, воздух, и их смеси и др.), а также воду (в плазмотронах с водяной стабилизацией), что обеспечивают температуру плазмы до 50000К (дуга Гердиена)

 

Газовые среды

Газовая среда в горелке для плазменной обработка материалов должна выполнять следующие функции:

o защищать от окисления и охлаждать вольфрамовый электрод и сопло;

o обеспечивать получений стабилизированной плазменной струи с необходимыми температурой и скоростью;

o обеспечивать наилучшею теплопередачу к изделию;

o обеспечивать транспортировку материала при напылении;

Иногда газы разделяют на плазмообразующие и защитные (транспортирующие), при раздельной подаче плазмообразующий газ подается в зону катода, а защитное или транспортирующие газы – в зону столба или факела плазмы.

Газ может поступать в горелку как вдоль оси катода, так и по касательной (вихревая стабилизация).

Для защиты катода и сопла от разрушения и перегрева наилучшим газом считается Ar, так как он химически инертен и имеет малую теплопроводность (рис.7-3). Однако Ar мало эффективен для преобразования электрической энергии в тепловую. Во первых напряженность поля дугового столба в Ar меньше, чем в H2, N2, He: EAr≈ 0.8B/мм; E ≈ 2B/мм; E ≈ 10.0B/мм (при I=10A).

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Сл-но, при одинаковом токе в аргоновой дуге выделяется на 1мм ее длины меньше энергии IE, чем в других. Во-вторых, энтальпия (объемная теплосодержание) аргоновой плазмы при температуре этой плазмы тоже значительно меньше (рис.7-4), чем плазы азота и водорода (для N2-16; Ar-3; H2-12кВт/м3 при Т=10000К).

Однако температура плазмы существенно зависит от свойств плазмообразующего газа: для Ar и He Тпл=15000…25000К, что в 3…4 раза выше, чем для N2 и H2пл=15000…25000К). Подходящим газом для стабилизации дуги может быть азот (или воздух, содержащий до 78% азота), так как его энтальпия при Т=10000К в 5 раз больше энтальпии аргона и кроме того, аргон значительно дешевле. Однако, в воздухе и азоте вольфрамовый электрод разрушается интенсивнее, в то время как в среде Ar и He W достаточно стоек.

Гелий и водород при Т=10000К обладает большей теплопроводностью (см. рис.7.3), всего в 2 раза меньшей, чем у меди, и лучше чем у других газов преобразует энергию дуги в теплоту. В случае применении их в чистом виде происходит быстрый нагрев и разрушение сопла, поэтому указанные газы применяют в смеси с аргоном. Например, добавки к аргону водорода в пропорции по объему 2:1 позволяет повысить тепловую мощность струи почти в 2 раза по сравнению со смесью Ar- N2 в той же пропорции. Напряжение плазменной водородной дуги 100…120В, что в 2-3 раза выше, чем в дуге аргоне (рис. 7.4)

Диссоциация
Ионизация
Ug, В
Ig, A
Имеется отличие в процессе образования плазмы двух- и одноатомного газов. Ионизация двухатомного газа происходит после диссоциации его молекул, например, водород диссоциирует на 90% при 4200К, а азот – при 9000К (см. рис. 7.5). Их энтальпия при указанных температурах примерно соответствует теплосодержанию аргона при 14000К, а гелия – при 20000К. Таким образом, крутой подъем кривой ∆Н=f(t) в области диссоциации позволяет плазме содержать большое количество теплоты при сравнительно низких температурах.

 

 

Следует отметить, что часто приводимое в литературе сравнение удельного массового теплосодержания плазмы разного состава не позволяет делать количественные выводы. Сравнение нужно проводить по мольному и объемному теплосодержанию, так как расход плазмообразующих газов измеряется, как правило, в единицах объема. Следует также учитывать изменение молекулярной массы при диссоциации двухатомных газов и ионизации.

При охлаждении, когда газ вновь проходит через область температур диссоциации, большое количество теплоты может выделиться на изделии и повышать эффективность процесса теплопередачи. Следовательно, теплопередача газа зависит от его температуры и от теплосодержания, с увеличением температуры достигается некоторое состояние «насыщения», при котором скорость возрастания теплопередачи значительно уменьшается. Это объясняется тем, что с ростом температуры в энтальпии газа наряду с энергией поступательного движения все большее значение приобретает энергия колебательного и вращательного движения частиц, которая легко расходуется на излучение.

Конвективная теплопередача, имеющая наибольшее значение при плазменной обработке материалов, определяется в основном энергией поступательного движения частиц газа, поэтому высокотемпературные формы энтальпии здесь менее эффективны. Из рис.7.4 видно, водородная плазма наилучший преобразователь энергии дуги в теплоту.

Применение плазменной дуги

Плазменные дуги применяются для резки, сварки и напыления.

Плазменная резка.

В отличии от кислородной газовой резки при плазменной резке не происходит выгорание метала в кислороде, а его выплавление и «выдувание» струей плазмы. Качество газовой и плазменной резки примерно одинаковы и при выборе метода определяющим является фактор экономичности. В настоящее время считается рациональной плазменная резка метала толщиной до 40мм.

 

 

A2  
A2  
Проникающей плазменной дугой можно резать без каких-либо флюсов практически любые материалы, в том числе чугун и нержавеющую сталь, W и Mo, Cu и Al. Плазменной струей-факелом можно резать и металлы.

Прецизионная плазменно-лучевая резка и сварка

Большой интерес представляет так называемой микроплазмы, например, для прецизионной резки и сварки высокотемпературной тонкой струей – лучом плазмы. При резке плазма вытекает из сопла со сверх звуковой скоростью (3-4 маха). Это достигается малым объемом и высоким давлением в камере (до 50 атм.), а также расширяющейся формой сопла (рис. 7-6).

Микроплазма отличается весьма высокой концентрацией энергии и малым пятном нагрева, что соответствует лучевым источникам энергии.

Весьма интересное решение в этом направлении было найдено в ИЭС им. Патона, где предложили в качестве плазмообразующего газа использовать продукты электролиза воды. Была создана и миниатюрная водородно-плазменная горелка с длинным острым факелом в несколько миллиметров у основания, позволяющая производить соединение , выводных концов диода, деталей микросхем и т.д. с площадью нагрева 1мм и менее.

Cu
Интересным технологическим решением является также предложенная в ИЭС схема плазменно-воздушной резки листовых металлов. Согласно этой схеме заготовку металла помещают в ванну, заполненную водой. Лист погружают в воду до половины его толщины, после чего начинают процесс резки (рис.7.7).

Продукты резки – расплавленный метал и газы – поглощаются водой. Поскольку в процессе резки металл фактически подстуживается, то размер зоны термического влияния у реза, где происходит структурные изменении в металле (что не всегда желательно) резко уменьшается – от 3 до 8 раз (в зависимости от толщины листа). При этом одновременно существенно уменьшается поглощение металлом различных примесных элементов, особенно газовых.

В ИЭС разработаны и выпускаются специальные аппараты для пазменно-дуговой, воздушно-плазменной сварки и резки металлов. Наибольшую известность получили аппараты для воздушно-плазменной сварки типа Киев·4, Киев·6.

воздух
смесь×0,01
Абляция сопла плазмотрона

воздух
смесь
Как уже отмечалось выше, на практике чаще всего используют не чистые газы, а их смеси в качестве плазмообразующих. Например, добавка пропан-бутана к воздуху при работе плазматрона Киев·4 до 5-8% приводит к тому, что скорость потока из сопла плазменной горелки возрастает на 30% - с 900м/с до 1200м/с, температура плазмы на выходе из сопла уменьшается с 9000К до 7000К, хотя объем расходуемого газа изменяется мало с 6м3/час до 6,25м3/час но несколько возрастает в дуге напряжение со 180В до 220В при том же токе сварки (Iсв=300А). Из рис.7.8 следует, что во втором случае медными стенками камеры сгорание

сопла горелки кислорода поглощается в 40-50 раз, чем из чисто воздушной плазмы. Из воздушной плазмы кислород проникает на большую глубину (в 2-2,5 раза), чем из смеси, хотя на самой поверхности метала содержание этой примеси ниже, чем при контакте с плазмой из смеси воздуха и пропан-бутана.

Следовательно, при использовании смеси в качестве плазмообразующего газа вероятность образования в приповерхностном слое металла сопла скоплений кислорода , а с ними и оксидов, очень высокая. А это ведет к эрозии стенок сопла, т.е. снижают его стойкость. С другой стороны, снижение температуры плазменной струи с 9000К до 7000К в значительной мере тормозит протекание этого процесса. Поэтому вопрос о возможности использования смеси или чистого газа необходимо решать в каждом конкретном случае.

 

Дуготроны и плазмотроны

В середине 70-х годов прошлого века появились новые технические устройства для сварки и переплава металлов, получившие название дуготроны. В принципе эти устройства фактически являются электродуговыми горелками. Они весьма сходны с плазмотронами косвенного действия, но отличаются от них следующими параметрами:

o вместо вольфрамового катода применяется самослепающий термохимический катод или оксидные катоды в виде таблеток, стержней т.д. Это позволяет экономить дорогой вольфрам и – самое главное – резко увеличить токи и одновременно уменьшить тепловые потери, т.к. катодный узел выполняется, как правило, водоохлаждаемым.

o горящая электрическая дуга у плазмотронов не сжимается, является дугой прямого действия и позволяет осуществлять нагрев на большой площади.

В качестве плазмообразующего газа обычно используется воздух в т.ч. и для выдувания вспомогательной дуги в момент запуска. Дуготрон хорошо работает в окислительной среде (что не допустимо при W-катоде, который в этих условиях быстро сгорает). Использование воздуха в качестве плазмообразующего газа вместо аргона, экономически выгодно. Однако, при производстве ремонтных работ по сварке, зачистке и т.п.

, когда возникает опасность существенного изменения состава этих материалов в месте сварки за счет выгорания C, Cr, Mn и т.д. применяется только аргон.

В ИЭС разработана целая серия дуготронов с оксидными катодами, работающими на аргоне – от Д1до Д4М с токами от 75А (Д1) до 500-1000А и весом от 250г (Д1) до 1кг.

Принципиальная схема дуготрона весьма проста. Дуготрно состоит всего из двух узлов – катода с рукояткой и ствола (см. рис.7-9). Узел катода предназначен для концентрично подвода электрического тока к оксидному катоду и его эффективного охлаждение водой. Основной деталью узла является сменный оксидный катод. С ним сопряжена деталь 4 (см. схему катода), которая служит центратором при его смене. Кроме того, она совместно с катододержатилем 2, в ктором запресованна активная вставка, создает поток охлаждающей воды. Расход воды сравеительно мал – 400-600л/час, линейная скорость в каналах охлаждения катододержателя – не менее 3,8 м/с.

т.А
При этом обеспечивается эффективный отвод тепла от катода, средняя плотность потока которго составляет при различных значениях тока дуги от 0,2 до 0,9квт/см2. В этом случае коэффициент теплоотдачи от медной трубки к катоду воды составляет более 60вт/см2·К.

Процесс охлаждения протекает без вскипания воды на границе вода-медь и конденсации пара в потоке воды. Наилучшим решением считается обеспечение дуготрона индивидуальным теплообменником с замкнутой системой охлаждения. Все детали узла катода за исключением катододержателя и самого катода (порошковый оксидный) изготавливается из латуни.

Узел рукоятки. Корпус рукояти изготавливают из электроизоляцинного материала, отражательный - из полированной нержавеющей стали. Главное требование к этому узлу – герметичность переходов «шланги-металические трубки».

Ствол дуготрона выполняется из медных или алюминиевых трубок, по которым подается и отводится от катода охлаждающая вода, а такжеподводится к узлу катода постоянный электрический ток, т.е. эти металичиские трубки находятся под напряжением при включонном источнике. Поэтому их изолирурют, внутри трубки пропускают еще две токонесущие трубки изолированные от наружной трубки . при использовании дуготрона для сварки нержав. стали, Al, Cu, катодный узел снабжается соплом, а внутри сопла прикладывается третья трубка, по каторой подается аргон для защиты сварочной ванны от воздействия внешней среды (воздуха). Так в плазмотронах различных конструкций и назначений подается от 15А до 250-1000А, плотность тока – 75А/мм2.

Дуготроны использую не только для сварки, но и для электродуговой металлов (оплавленеи поверхности) и т.д.

 

Взаимодействие плазмы с поверхностью металла, и получение газов из плазмы

Эти вопросы с точки зрения термодинамики процесса и металургических процессов детально рассматриваются в курсе, который читает Ю.М. Памарин. Поэтому здесь будут рассмотрены те вопросы, которые в его курсе не затрагиваются – взаимодействие среды с металлом в процессе его кристализации. В первой лекции мы рассматривали процессы нагрева и плавление металла с точки зрения межатомного взаимодействия и изменение характера порядка – от дальнего (в твердом теле) к ближнему (в жидком металле) и к полной его потере (в плазме и идеальном газе). При кристаллизации все идет в обратном порядке – сначало формируется ближний, а потом дальний порядок. Взаимодействие среды с металлом начинается еще на стадии оплавление электрода. Установлено, что при плазменно-дуговом переплаве в инертном газе происходит металла электрода, т.е. очистка металла от примесей. Эффективность этого процесса на разных этапах взаимодействия дуги с металлом различная, а именно:

o в на торце электрода – степень очистки 42-45%

o в капле на электроде - степень очистки 1,5%

o в падающей капле - степень очистки 2%

o в ванне - степень очистки ~ 48-52%

В процессе кристаллизации металла восстанавливаются дальнодействующие межатомные связи и формируются сначала криссталические решетки, а затем и зерна металла. Именно на этом этапе и формируется микрохимическая однородност и неодродность металла, большинство его дефектов, микроструктура и локальные механические свойства материала.

Первоначальных моментов этого процесса – формирование кристаличекой решетки металла в процессе кристаллизации. Возьмем ОЦК решетку (как ). При ее формировании в реальной среде кроме атомов метричного металла могут присутствовать и атомы легирующих и примесныхэлементов, а также атомиы и молекулы газообразных элементов. Как будет происходить процесс формирование кристаллической решетки не в этих условиях.

Известно, что большынство металлов имеет простую кристаллическую структуру. Их решетка обычно или гексагональная плотно упакованная (г.п.у.) или гранецентрированная (гцк) или обьемноцентрированная (оцк). Можно примерно представить себе размеры промежутков между атомами, если рассматривать атомы как жесткие шары, а кристалы как пространство, заполненное этими шарами. Если одинаковые шары наиболее плотно занимают пространство, то это означает, что они занимают 74% этого, пространства. Оставшиеся 26% приходятся на два вида междоузлей

центр октон.  
а) каждый шар второго слоя касается 3 шаров первого слоя, вместе эти 4 шара образуют тетраэдическое междоузлие, т.к. центры шаров являются углами правильного тетраэдра.

Пустоты первого слоя, не закрытые шарами, вместе с пустотами второг слоя образуют октаэдрические междоузлия. Каждое из них окружено 6 шарами, центры которых являются узлааи правильного октаэдра.

На рис. больший из шаров заполняет октаэдрическое междоузлие, меньший - тетраэдрическое. В ГИК решетки центры находятся в центре ячейки и в середине ребер.

Центры совпадают с центрами 8 кубов, на которые можно разделить элементарную ячейку путем деление ее ребер пополам. 4 атома металла, окружающие междоузлие, рассположены в узлах элементарной ячейки и в центрах 3-х граней, образующие этот узел. В ОЦК решетке центры рассположены в серединах ребер и в центрах граней куба, представляющего элементарную ячейку (см.рис.)

 

 

Табл.1 Размеры тетра- и в ГИК, ГПУ и ОЦК решетках

Тип решетки Октаэдрические пары Тетраэдрические пары
формула   значение кол-во пор на 1атом металла формула значение кол-во пор на 1атом металла
ГЦК и ГПУ r6=0,414R 74% r4=0,225R  
ОЦК r6=0,115R 68% r4=0,291R  

 

здесь r6, r4 – 6 и 4 – это координационные числа; R – атомный радиус большого (матричного) шара, r – радиус малого (примесного) шара

 

Табл.2 Ззначение атомных радиусов и размеров междоузлий в некоторых металлах

Решетка Металл, элемент R r6 r4
ГЦК Cu Ag Au Fe 1,28 1,44 1,44 1,27 0,53 0,60 0,60 0,53 0,29 0,32 0,32 0,29
ГПУ Ti Zr Hf 1,45 1,60 1.58 0,60 0,66 0,65 0,33 0,36 0,36
ОЦК Ti Zr Hf V Nb Ta Fe 1,42 1,57 1,55 1,33 1,44 1,43 1,24 0,22 0,24 0,24 0,21 0,22 0,22 0,19 0,41 0,46 0,45 0,39 0,42 0,42 0,36
Примеси H O N C Ar V_r Ca 0,26 0,60 0,21 0,77 1,92 1,97 1,97    

 

Атомы газообразующих с малым атомным и ионным радиусом – водород (ra=0,26А), кислород (ra=0,6А), углерод (ra=0,27А) размер атома железа ra=1,24А – 1,28А. Атомы водорода, как пологают, занимают в основном более мелкие тетра – пары (в ОЦК решетке), кислорода и углерода более крупные ,образуя при этом твердые растворы внедрения. Для них характерно, что размер примесных атомов составляет не более ~ 60%, от размера матричного атома. Сама кристаллическая решетка полностью состоит из атомов матричного металла. Напряжений в решетке либо нет совсем, либо они не значительны при нормальной растворимости. В процессе кристаллизации часть атомов матричного металла может быть замещена атомами легирующих элементов с образованием общей кристаллической решетки. Такое возможно, если размер легирующих или примесных атомов отличается от размера матричного атома не более, чем на 15%. При этом образуется общая кристаллическая решетка с частично искаженными параметрами и твердый раствор замещения (или вычитания).

До недавнего времени считалось, что этими двумя случаями и ограничивается взаимодействие атомов среды с жидким металлом при кристаллизации, поскольку атомы, размеры которых превышает более, чем на 15% размера матричных атомов уже не могут образовывать никаких твердых растворов – ни внедрения, ни замещения, и они были правы но как выяснилось лишь частично.

Действительно, в таких случаях широко известные виды твердых растворов внедрения и замещения не образуются. В ИЭС нами было обнаружен третий совершенно новый тип твердых растворов, который был назван или твердый раствор захвата, это твердый раствор типа. Характерная его особенность – он образуется только в процессе образования кристаллической решетки в присутствии и участии примесных атомов, размеры которых намного превышают размеры матричных элементов (например у Ar ra=1,38А, у ra=2,18А, у Fe ra=1,26А). Это значит, что такие твердые растворы могут образовываться либо в процессе кристаллизации из жидкой или твердой фаз (например, при кристаллизации аморфных веществ). Либо в процессе рекристаллизации. Особенностью является то что происходит совместная кристаллизация атомов Fe в присутствии и участием атомов Ar, которые в кристалической решетке железа занимают только место центрального атома, тогда как легирующие или примесные элементы могут занять любое место в этой же решетке, заменив любой из атомов. Следующей особенностью является то, что атом аргона деформирует т.е. искажает форму и размеры основной решетки, но не вызывает ни каких напряжений в ней (по данням ренгенноструктурного анализа). При этом координационное число у Ar равно 8, связь ковалентная, у металла одновременно увеличивается прочность (в 2-5 раз) и пластичность (удлинение) – на 40-200%, резко возрастает (на порядок) коррозионная стойкость металла. Образовавшийся твердый раствор довольно стоек: после нагрева металла с аргоном до 910С и выдержанный при этой же температуре ~ 2 часа в нем сохранилось ~ 70-75% исходного содержания аргона. Такое состояние сохраняется длительное время – через 30 лет после подготовки образцов в них все еще содержалось довольно много аргона (>50%). Выявлено наличие двух типов твердых растворов (или твердых растворов типа, или твердых растворов захвата – название пока еще не устоялось). О первом из них уже сказано. Такие твердые растворы образуют с металлом инертные газы. Ко второму типу относятся твердые растворы которые образуют с металлом крупные атомы например Сa (ra=1,98A). Межатомная связь в этом случае относятся к типу ионной. Металл прочный, но его пластичность становится минимальной, метал – хрупким.

Исследование нового вида твердых растворов еще только начались и пока не известно, какие еще он готовит нам сюрпризы.

 

Лекция 9

Физические основы электронно-лучевой технологии

 

Процессы, происходящие при бомбардировке вещества электронами

 

Развитие электронной техники позволило получать мощные электронные пучки, энергия которых достаточна для осуществления различных технологических процессов. Это послужило основание для создания целой технологической отрасли, получившей название «электронно-лучевая технология», которая в настоящее время сформировалась как самостоятельное направление в области обработки материалов, обладающее широкими технологическими возможности.

Электронный луч как технологический инструмент позволяет осуществлять десорбцию (очистку поверхностного слоя от газов и легколетучих примесей), нагрев, плавление и испарение практически всех материалов, сварку, различную обработку, напыление, термическую обработку, нанесение покрытий, запись информации и т.д. Такая универсальность электронного луча дает возможность использование одного и того же оборудования для различных технологических целей и совмещать в одном цикле обработки различные технологические процессы.

Рассмотрим, какие события происходят в металле в процессе и в результате его облучения потоком электронов с энергией от нескольких эВ до нескольких сотен и тысяч кэВ.

При взаимодействии ускоренных электронов с твердым телом происходит много взаимосвязанных процессов, в результате которых наблюдается эмиссия с облучаемой поверхности электронов, фотонов, ионов, атомных частиц, а свойства самого твердого тела могут существенно изменяться. Проанализируем эти процессы с точки зрения физических явлений.

Начало электронно-лучевой технологии можно отнести к 1879г., когда У. Крукс сфокусировал катодные лучи на платиновом аноде разрядной трубки и расплавил его, показав, что эти лучи несут значительную энергию. Это наблюдение У. Крукса было обнародовано задолго до открытия существования самого электрона Дж. Дж. Томпсоном (1909 (?) г.)

На рис. 9.1. схематически показано, что происходит при попадании электронов в вещество. Закономерности протекания всех представленных на схеме процессов определяется параметрами электронного пучка, энергией электронов, направлением их движения, интенсивностью потока.

Для управления потоками электронов (фокусировка, перемещение) используют Электронно-оптические системы (ЭОС), позволяющие получить микрозону распростр. по площади, сканирование по выбранному направлению или по заданной траектории.

Для того, чтобы электронных поток мог попасть на поверхность твердого тела, по пути от источника электронов до твердого тела должно быть минимальное число столкновений с атомами и молекулами среды, т.к. при этом происходит большое число столкновений, энергия электронов теряется. Поэтому необходимым условием технологического использования электронного луча является создание вакуума по пути движения электронов. Средняя длина свободного пробега электрона в газе определяется по формуле

 

λe = ,

 

где n – концентрация газа на пути движения электронов

r – газокинетический радиус взаимодействия молекул газа

 

Табл. 9.1. Длина пробега электронов в воздухе и в вакууме (t = 20˚ С)

 

Па P,(мм рт. ст.) 1,01∙105 (760) (1) 1,33 (10-2) 1,33∙10-2 (10-4) 1,33∙10-3 (10-5)
λe, мм 3,5∙10-4 2,6∙10-1 26,6

 

 

Следовательно, нижней допустимой границей давления (вакуум) может быть p ≤ 10-5 тор

(1,33∙10-2 Па). Реально необходимо иметь давление ниже, чем p ≤ 10-4 Па. При энергии электронов (102÷ 104) эВ и давлении остаточных газов ~ 1 Па на каждый 1 м пути электрон будет испытывать 1 ÷ 100 соударений, т.е. до твердого тела может дойти только ~1% потока электронов.
Основным элементом электронно-лучевой установки является электронно-лучевая пушка.

Электронно-лучевая пушка − устройство для генерирования и фокусировки электронных пучков высоких энергий.

Основной узел такой пушки − катод, которых эмитирует электроны при нагревании благодаря термоэлектронной эмиссии. Величина тока эмиссии зависит от материала катода (обычно это W-нить), его температуры, работы выхода электронов, свойствами поверхности катода и т.д. И описывается уравнением Ричардсона − Дэшмана

 

 

 

Здесь jэ − плотность тока эмиссии (А/см2);

A − эмиссионная постоянная, зависит от свойств излучающей поверхности (для большинства чистых металлов А = (40 ÷ 70) А/см2∙К);

Т − абс. температура катода, К;

e − основание натурального логарифма;

0 − работа выхода электрона из металла, Дж.

 

Для получения максимального тока эмиссии нужны высокая температура нагрева катода и малая работа выхода электрона.

Электрон − наименьшая устойчивая заряженная частица материи. Под действием электрических и (или) магнитных полей он может перемещаться, а т.к. его масса мала (me = 9,109∙10-31 кг), то ему можно сообщить очень высокую энергию, придав ему соответствующее ускорение.

Рассмотрим, как действует на одиночный электрон электрическое и магнитное поле.

 

9.1. Движение электронов в электрическом поле

 

Если электрон поместить в однородное электрическое поле напряженностью E, созданное между двумя параллельными пластинами достаточно большой протяженности, то на электрон будет действовать сила, равная произведению величины заряда на напряженность поля в месте заряда

 

F = −eE

 

Знак (−) показывает, что из-за отрицательного значения заряда электрона сила направлена противоположно направлению вектора напряженности электрического поля (рис. 9.1.) Работа, затраченная электрическим полем на перемещение из одной точки в другую равно разности потенциалов U1-2 между этими двумя точками 1 и 2.

 

А = eU = e(U4 – U1); U4>U3>U2>U1

Эта работа расходуется на сообщение электрону кинетической энергии W = me(v12-v22), где v1 и v2 − скорости движения электрона в точках 1 и 2. Сумма кинетической и потенциальной энергий электронов при их движении в электрических полях остается постоянной поэтому

 

 

 

Если начальная скорость электрона равно нулю, то можно определить скорость электрона в км/с:

; Отсюда v =

 

С учетом значений e, me получим v ≈ 600

 

Например, при U = 10000 В имеет v = 60 000 км/c, а при U = 50 000 В получим v = 125 000 км/c.

Последнее уже сопоставимо со скоростью света (v = 3∙105 км/с).

 

Таким образом, в электрическом поле электрону можно придать очень высокую кинетическую энергию.

Регулируя величину и направление начальной скорости электронов, величину и направление напряженности электрического поля, можно заставить электроны двигаться по заранее рассчитанной траектории, т.е. управлять их движением, получать требуемые энергии в пучке, плотность пучка и т.д.

 

9.2. Движение электрона в магнитном поле

 

На электрон, перемещающийся в магнитном поле, действует сила .

Влияние магнитного поля на электрон аналогично действию поля на проводник с током. Силу, действующую на электрон, в этом случае определяем из выражения ,

где B − магнитная индукция;

α − угол между направлением тока и магнитной силовой линией поля.

Если электрон движется вдоль магнитных силовых линий, то α = 0; F = Bev sin0 = 0, и электрон продолжает движение с заданной скоростью. Если вектор начальной скорости электрона перпендикулярен вектору магнитной индукции, т.е. α = , то (см. рис.)

 

 

Направление этой силы определяется по правилу правой руки.

Электрон движется по спирали, радиус которой зависит от скорости электрона. Изменяя форму магнитного поля, можно добиться сходимости электронного пучка, т.е. его фокусировки.

Магнитное поле не изменяет кинетическую энергию электрона, но оно сильно влияет на изменение направления его движения − закручивает в спираль с ларморовским радиусом и ларморовской (циклотронной) частотой , w = 1,2∙102 при Н = λe.

 

 

 

 

 

Обратимся теперь к процессам, происходящим непосредственно в твердом теле и на его поверхности во время его облучения потоком электронов. Ранее мы уже говорили, что при прохождении границы раздела вакуум - твердое тело первичные электроны ускоряются в поле сил поверхностного потенциального барьера и продолжают движение в веществе с возросшей кинетической энергией. Величину этой энергетической добавки (10 ÷ 20 эВ) при E > 1 кэВ можно не учитывать.

При взаимодействии первичных электронов с атомами твердого тела возможны как упругие, так и неупругие взаимодействия. При этом под упругими понимают такое взаимодействие, при котором участвующие в нем частицы обмениваются кинетической энергией, а их внутренняя энергия не изменяется. При столкновении электрона с неподвижным атомом максимальное значение переданной энергии определяется соотношением масс взаимодействующих частиц и обычно не превышает сотых долей процента от начальной энергии первичного электрона Е. Тем не менее при больших значениях Е1 (100 кэВ ÷ 10 МэВ) и скоростях электрона релятивистского диапазона переданной энергии становится достаточной для выбивания атомов из узлов кристаллической решетки. Это приводит к появлению дополнительных, не находящихся в тепловом равновесии с решеткой дефектов кристаллической структуры − одной из разновидности радиационных дефектов. Облучение мегавольтными электронами используют для упрочнения некоторых сплавов, уменьшения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниках и т.д.

При E1 < 100 кэВ электрон, упруго рассеиваясь на атоме твердого тела, уже не может разорвать его связь с соседями, но вызывает смещение атома и соседних с ним − по цепочке распространяется упругая волна. В твердом теле образуется тепловой пик смещения. Такие волны в кристалле возникают на определенных дискретных частотах, каждой из которых соответствует свой квант энергии – фотон. Поэтому в каждом акте упругого рассеяния первичный электрон теряет энергию дискретными порциями – по 10 эВ, - соответствующими возбуждению одного или нескольких фотонов. Строго говоря, этот процесс не является чисто упругим, т.к. он сопровождается возрастанием внутренней энергии твердого тела – энергии тепловых колебаний. Однако, т.к. энергия фотонов значительно меньше, чем энергия первичных электронов, то такое рассеяние считают обычно квазиупругим.

Если при упругом соударении электрон не может передать атому энергию, достаточную для возбуждения фотона, то после рассеяния изменится только направление его движения, а энергия остается неизменной (аналогично удару упругого шарика о массивную стенку). При больших углах отклонения после одного или нескольких актов упругого столкновения и рассеяния на приповерхностных атомах часть электронов возвращается в вакуум. Это упруго отраженные электроны (УОЭ). Их энергия практически не отличается от энергии первичного пучка электронов.

Это явление (упругого рассеяния) используется и в электронографии, электронной микроскопии для анализа состава и структуры материала.

Часть электронов в результате столкновений с атомами решетки теряют свою энергию. Причины этого – а) взаимодействие движущейся заряженной частицы с полем атома вещества по законам электродинамики сопровождается появлением квантов электромагнитного излучения. Т.к. движение первичного электрона в твердом теле не является периодическим, то энергетический спектр такого тормозного излучения имеет непрерывный спектр который пробирается вплоть до энергии квантов, равной Е1; Поэтому в процессе эксплуатации ЭЛУ, ЭЛН и.д. всегда выделяется некоторое количество рентгеновского излучения, от которого надо защищаться.

Когда электрон пересекает границу раздела двух сред с различными свойствами, возможно появления переходного излучения. При очень больших значениях энергии первичных электронов Е1, наблюдается излучение Черенкова, которое возникает в том случае, когда скорость электронов превышает фазовую скорость распространения электромагнитных вол в данном веществе. При движении релятивистских электронов по каналам в монокристаллических телах, кроме того, наблюдается когерентное испускания рентгеновских квантов.

Потери на все виды упомянутых излучений не велики, но становятся заметными при энергии электронов в десятки МэВ.

При торможении первичного электрона в твердом теле, его электронная система возбуждается. Во взаимодействие с пролетающей (электрон, ион, атом) вовлекается одновременно много атомов. Различают 2 типа такого взаимодействия электро-электрон: коллективные и одночастичные.

При коллективных возбуждениях первичный электрон взаимодействует с системой валентных электронов твердого тела, которую рассматривают как вырожденный газ или плазму свободных электронов в поле однородно распределенного (+) заряда. При внешнем возбуждении такой плазмы возникают колебания электронной плотности на дискретных квантовых частотах,

зависящих от концентрации электронов и свойств материала. Квант энергии плазменных колебаний – плазмон – рассматривают как квазичастицу твердого тела, обладающую определенными значениями энергии и импульса. Различают два вида плазменных колебанийобъёмную и поверхностную. Поверхностный плазмон имеет импульс, направленный вдоль границы раздела двух сред, а вероятность его возбуждения экспоненциально спадает при удалении от этой границы. Его энергия меньше, чем энергия объемного плазмона. Время жизни плазмонов не превышает 10-16 с., а энергия находится в диапазоне 3 ÷ 30 эВ и является характерной для каждого вещества.

Спектр плазменных колебаний дает информацию об электронной структуре различных Ме, диэлектриков, полупроводников, о состоянии их поверхности и т.п.

Длина волны плазмона обратно пропорциональна его импульсу и соответствует рассеянию первичного электрона на малые углы.

При рассеянии на большие углы импульс, передаваемый электронам твердого тела велик, возбужден. и-я становятся коротковолновыми, а электронная плазма ведет себя по отношению к ним как система отдельных свободных частиц, т.е. наблюдается неупругое электрон-электронное рассеяние 2-го типа – одночастичное взаимодействие, при котором энергия первичноых электронов расходуется на ионизацию и возбуждение атомов твердого тела. Для такого радо взаимодействия нами была предложена формула:

 

 

[Вт]

 

Начальная стадия плавления металла электронным пучком.

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Плазменные струи в дуге | Лекция 5 Техника составления бухгалтерского баланса

Дата добавления: 2014-01-03; Просмотров: 1190; Нарушение авторских прав?


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:


Рекомендуемые страницы:

Читайте также:
studopedia.su - Студопедия (2013 - 2020) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление
Генерация страницы за: 0.069 сек.