Электроннолучевая обработка.

Электроннолучевая обработка (ЭЛО) выполняется сфокусированным пучком электронов. Электровакуумное устройство, в котором происходит получение, ускорение и фокусировка электронного луча называется электронной пушкой рис.2.

Рис. 1, где: 1 - катод, 2 – управляющий электрод, 3 – анод, 4 – электромагнитная фокусирующая система, 5 – заготовка (мишень), 6 – источник напряжения накала, 7 – источник ускоряющего напряжения, 8 – примерный ход потока электронов, 9 – вакуумная камера.

Основным элементом электроннолучевой установки является система электродов (проводящих поверхностей) состоящая из катода и кольцевого анода, размещённых в вакуумной камере.

[Вакуум – состояние газа, имеющего плотность, меньше его плотности при нормальных физических условиях]. Характеристикой вакуума является отношение средней длины свободного пробега молекул газа - λ к эффективному диаметру вакуумной камеры, которое называется критерием Кнудсена - . Эффективный диаметр вакуумной камеры определяется как:

Где: объём вакуумной камеры, площадь поверхности вакуумной камеры. Например, для сферы .

Таким образом:

Различают низкий, средний и высокий вакуум. Низкий вакуум – разреженность газа, при которой λ << (Р - 100-1Па), средний вакуум – (Р - 1-10²Па), высокий и сверхвысокий вакуум – λ >> , (10^-2-10^-7Па). В качестве в электронной пушке можно принять расстояние между электродами , где движутся молекулы и ускоряются или тормозятся заряженные частицы. В вакуумной камере обычно поддерживается давление 10^-6 – 10^-4Па. Давление:

При число молекул газа в единице объёма при Т=300К:

К электродам прикладываемся разность потенциалов, - ускоряющее напряжение (анод «+», мишень находится под потенциалом анода, анод и мишень под потенциалом земли). В результате в межэлектродном пространстве существует неоднородное электростатическое поле, которое можно представить в виде набора эквипотенциальных поверхностей и силовых линий.

Необходимые понятия:

- напряжённость электрического поля - векторная величина E, применяемая для описания силового действие электрического поля на электрически заряженные частицы и тела, равная отношению силы, действующей со стороны поля на точечный электрический заряд (пробный), помещенный в данную точку поля к величине этого заряда:

расстояние до пробного заряда.

Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд.

Единица в СИ - вольт на метр (В/м).

- потенциал электрический - скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии заряда, помещенного в данную точку поля, к величине этого заряда. Электростатическое поле является центральным. Работа по перемещению пробного заряда из точки А в точку В в таком поле не зависит от пути и выражается, как

Разность потенциалов:

Применяется для энергетического описания электростатического поля. Единица в СИ - вольт (В) На бесконечности потенциал полагают равным нулю, и можно сказать, что потенциал равен работе, которую совершают силы поля над единичным положительным зарядом при удалении его из данной точки на бесконечность.

Электрический потенциал является функцией пространственных координат и связан с напряжённостью поля: , где: А, В точки пространства. Обратная зависимость: Электростатический потенциал точечного заряда в вакууме:

Электрическое поле может быть изображено графически с помощью набора силовых линий электрического поля и эквипотенциальных поверхностей – поверхностей равного потенциала.

- эквипотенциальная поверхность, поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковое значение. На плоскости эти поверхности представляют собой эквипотенциальные линии поля. Используются для графического изображения распределения потенциала.
Эквипотенциальные поверхности замкнуты и не пересекаются. Изображение эквипотенциальных поверхностей осуществляют таким образом, чтобы разности потенциалов между соседними эквипотенциальными поверхностями были одинаковы. В этом случае в тех участках, где линии эквипотенциальных поверхностей расположены гуще, больше напряженность поля.
Между двумя любыми точками на эквипотенциальной поверхности разность потенциалов равна нулю. Это означает, что вектор силы в любой точке траектории движения заряда по эквипотенциальной поверхности перпендикулярен вектору скорости. Следовательно, линии напряженности (см. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ) электростатического поля перпендикулярны эквипотенциальной поверхности.

- линии напряжённости электрического поля, силовые линии электрического поля – воображаемые линии, с помощью которых можно графически изобразить распределение электрического поля в пространстве. Проводятся так, что вектор напряженности электрического поля в данной точке пространства направлен по касательной к линии напряжённости в этой точке. Пример:

Рис. 2 Поле двух разноимённых зарядов: линии напряжённости синие, красные – эквипотенциали.

Поверхность проводника в электростатическом поле всегда эквипотенциальна

Рис. 3 Проводники в электрическом поле

Проводник электричества - это тело, в котором много "свободных" электронов. Электроны могут двигаться в веществе свободно, но не могут покидать поверхности. В условиях электростатики электроны движутся только до тех пор, пока за малые доли секунды не расположатся так, что повсюду внутри проводника создастся нулевое электрическое поле. Такое «поведение» электронов объясняется тем, что пока поле не нулевое, на электроны действует сила, приводящая к их перемещению. Электрическое поле, создаваемое заряженными проводящими поверхностями, определяется формой, взаимным расположением и электрическим зарядом этих поверхностей. Напряженность поля в некоторой точке вблизи поверхности вне проводника выражается через

поверхностную плотность заряда вблизи этой точки:

Рис. 4 Заряженный проводник

Вектор напряжённости вблизи проводящей поверхности всегда ей перпендикулярен.

Однородное электрическое поле. Электрическое поле, в котором напряженность одинакова по модулю и направлению в любой точке пространства, называется однородным электрическим полем. Приблизительно однородным является электрическое поле между двумя разноименно заряженными плоскими металлическими пластинами. Такая система электродов называется электрическим конденсатором. [ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР – элемент электрической цепи из двух электродов (обкладок), разделенных диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок]. Электрический конденсатор обладает значительной электрической емкостью. [ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ - скалярная физическая величина, применяемая для описания способности проводника удерживать электрический заряд]. Для конденсатора электрическая ёмкость равна отношению его заряда к разности потенциалов между обкладками:

Где: заряд конденсатора, разность потенциалов (напряжение) между обкладками А и В.

Единица измерения электрической ёмкости в СИ - Фарада (Ф). Потенциал между обкладками распределён линейно. Если принять потенциал отрицательно заряженной обкладки – А за ноль, ось направить по нормали к обкладки А по направлению к В, а расстояние между ними равно – то:

Напряжённость электрического поля внутри конденсатора всюду одинакова и равна:

Линии напряженности в однородном электрическом поле параллельны друг другу.

Рис. 5 Электрическое поле конденсатора

При равномерном распределении электрического заряда q по поверхности площади S поверхностная плотность заряда постоянна и равна

Напряженность электрического поля бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда одинакова в любой точке пространства и равна

Формула применяется для расчетов напряженности электрического поля около заряженных тел в том случае, когда форма равномерно заряженной поверхности близка к плоскости и расстояние от точки, в которой определяется напряженность поля, до поверхности тела значительно меньше размеров тела и расстояния до края заряженной поверхности. Электрическое поле в общем случае может быть найдено путём решения уравнений Лапласа (в вакууме), или Пуансона (при наличии электрического заряда распределённого в пространстве). Для нахождения поля необходимо задать распределение потенциала на поверхностях ограничивающих пространство и создающих поле:

Где распределение потенциала на границе.

Электрическое поле между анодом и катодом не однородно.

Катод электронной пушки является источником электронов. Катод изготавливается обычно из вольфрама и представляет собой спираль или диск и нагревается путём пропускания через него электрического тока (Джоулево тепло) до очень высокой температуры (2000-2500 ⁰С). Катод испускает электроны вследствие термоэлектронной эмиссии.

[термоэлектронная эмиссия (ТЭ) - испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую среду]. Выйти из тела могут только те электроны, энергия которых больше энергии покоящегося вне эмиттера электрона. Число таких электронов в условиях термодинамического равновесия в соответствии с распределением Ферми-Дирака ничтожно мало при температурах и экспоненциально растёт с T. Поэтому ток ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ заметен только для нагретых тел. Вылет электронов приводит к охлаждению эмиттера. При отсутствии «отсасывающего» электрического поля (или при малой его величине) вылетевшие электроны образуют вблизи поверхности эмиттера отрицательный пространственный заряд, ограничивающий ток термоэлектронной эмиссии. Исследование явления ТЭ может быть проведено с помощью вакуумного диода – специальной «лампы» условно показанной на рисунке

Вакуумный диод для исследования термоэлектронной эмиссии

Рис. 6

При малых напряжениях U между эмиттером и анодом плотность тока электронов описывается известной формулой Ленгмюра: (закон трёх вторых); В сильных (E > 10⁶ В/см) электрических полях к TЭ добавляется автоэлектронная эмиссия (термоавтоэлектронная эмиссия). Зависимость тока от напряжения показана на рисунке:

Рис. 7.

До напряжения плотность тока нарастает по закону Ленгмюра, после чего наступает насыщение. Ток насыщения зависит от температуры катода (формула Дешмана - Стюарта):

Где: работа выходах [эВ], постоянная Больцмана, абсолютная температура, А – константа 100. Таким образом, ток термоэлектронной эмиссии экспоненциально растёт с температурой.

Электроны затем ускоряются электрическим полем в области действия высокого – ускоряющего напряжения прикладываемого между анодом и катодом. Интенсивность потока регулируется с помощью управляющего электрода, расположенного близко к катоду. На управляющий электрод подаётся небольшой, отрицательный по отношению к катоду запирающий потенциал. Ускоряющее напряжение составляет в технологических установках 10-150 кВ. Электроны между катодом и анодом двигаются с ускорением и разгоняются до высоких скоростей. Вакуум в области движения электронов необходим потому, что электроны не должны сталкиваться с молекулами газа, так как в этом случае происходит рассеяние электронов и ионизация молекул газа, что препятствует формированию электронного потока и разрушает катод вследствие бомбардировки его положительными ионами.