Электронный пучок должен отдавать полю определенный минимум энергии, выше уровня собственных потерь данной системы. Отсюда в любой конкретной системе возникает необходимость обеспечить определенную, как говорят, пусковую величину электронного тока.
| Схематическое изображение многолучевой электронной пушки с цилиндрической системой электродов..| Схематическое изображение многолучевой электронной - пушки с малой эмиттирую-щей площадью катода. |
Электронный пучок после прохождения точки фокусировки расходится под большим углом. Электронная линза с большой апертурой отклоняет электронные пучки так, чтобы они падали на плоскость растровой линзы перпендикулярно. Каждая микролинза в растровой линзе формирует свой электронный луч. Если считать, что плотность тока в основном электронном луче распределена по закону Гаусса, то.
Электронный пучок, разряжая по очереди все элементарные емкости, создает в цепи сигнальной пластинки импульсы тока - видеосигнал.
Электронный пучок, состоящий по длине из отдельных групп электронов - электронных сгустков, можно рассматривать как ток, содержащий высшие гармонические составляющие. Такой электронный пучок называется сгруппированным или промодулированным.
Электронный пучок характеризуется геометрической формой сечения. В подавляющем большинстве случаев пучки имеют сечение в виде круга и называются цилиндрическими. Для значительного увеличения тока пучка могут применяться трубчатые пучки с сечением в виде кольца, а также ленточные пучки, у которых сечение представляет собой прямоугольник.
Электронный пучок применяется для сварки металлов, сварки металла с керамикой и др. Отличительной особенностью сварного шва при сварке двух металлов является большая глубина шва при малой его ширине (так называемый кинжальный шов) и высокая однородность шва. Требующиеся диаметры пучка разнообразны и лежат в пределах от 0 01 до 5 - 10 мм. Так как резко очерченный по диаметру пучок обычно не нужен, то допуски на ширину спектра менее жесткие, чем для процессов обработки пучком.
Электронный пучок фокусируется положительным объемным зарядом прямого ионного пучка с круглым сечением.
Электронный пучок, ускоряемый от анода к катоду, не будет распространяться в область за анодом, если его ток больше, предельного; накопление пространств, заряда электронов за анодом, запирающее пучок (виртуальный катод), создает потенц. Глубина ямы достигает значений, больших 1 MB. Ионы могут создаваться за счет ионизации электронами атомов остаточного газа или вводиться специально сформированными струями газа. При образовании ионов происходит частичная нейтрализация электронного заряда, запирающее действие накопленного электронного заряда ослабляется и электронный пучок распространяется дальше за анод.
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.
При торможении быстрых электронов, попадающих на вещество, возникает рентгеновское излучение. Некоторые вещества (стекло, суль фиды цинка и кадмия), бомбардируемые* электронами, светятся. В настоящее. время среди материалов этого типа (люминофоров") применяются такие, у которых в световую энергию превращается до 25% энергии электронного пучка. Виагра купить перевод виагра doctor-stvol.com/viagra-100/4615-viagra-100-dnepr .
Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Например, проходя между пластинами конденсатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной (рис. 177).
Электронный пучок отклоняется также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным, отклоняются вправо (рис. 178). Отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоев атмосферы (полярные сияния) наблюдается только у полюсов.
Возможность управления электронным пучком с помощью электрического или магнитного полей и свечение покрытого люминофором экрана под действием пучка применяют в электронно-лучевой трубке.
Электронно-лучевая трубка - основной элемент телевизора и осциллографа*- прибора для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях (рис. 179).
Устройство электронно-лучевой трубки показано на рисунке 180 Трубка представляет собой вакуумный баллон, одна из стенок которого служит экраном. В узком конце трубки помещен источник быстрых электронов - электронная пушка (рис. 181). Она состоит из катода, управляющего электрода и анода (чаще несколько анодов располагаются друг за» другом). Электроны испускаются нагретым оксидным слоем с торца цилиндрического катода С, окруженного теплозащитным экраном //. Далее они проходят через отверстие в цилиндрическом управляющем электроде В (он регулирует число электронов в пучке). Каждый анод ai и Л 2 состоит из дисков с небольшими отверстиями. Эти диски вставлены в металлические цилиндры. Между первым анодом и катодом создается разность потенциалов в сотни и даже тысячи вольт. Сильное электрическое поле ускоряет электроны, и они приобретают большую скорость. Форма, расположение и потенциалы анодов выбраны так, чтобы наряду с ускорением электронов осуществлялась и фокусировка электронного пучка, т. е. уменьшение площади поперечного сечения пучка на экране почти до точки.
На пути к экрану пучок последовательно проходит между двумя парами управляющих пластин, подобных пластинам плоского конденсатора (см. рис. 180). Если электрического поля между пластинами нет, то пучок не отклоняется и светящаяся точка располагается в центре экрана. При сообщении разности потенциалов вертикально расположенным пластинам пучок смещается в горизонтальном направлении, а при сообщении разности потенциалов горизонтальным пластинам он смещается в вертикальном направлении.
Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении. Так как масса электронов очень мала, то они почти мгновенно реагируют на изменение разности потенциалов управляющих пластин.
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.