Електроннопроменева обробка матеріалів. Фізична сущність.

Электроннолучевая обработка основана на использова­нии кинетической энергии электронов, летящих с большой скоростью для направленного удаления материала путем нагрева, плавления и испарения его в зоне обработки.

Начало использования электронного луча для размерной обработки материалов следует отнести к 1959—1960 гг. В это время созданы первые установки для изготовления диафрагм, используемых в электронных микроскопах, и для фрезерования электронным лучом, хотя аналогичные установки для сварки начали изготавливать несколько ранее.

Большие успехи, достигнутые за последние годы в об­ласти электроники, телевидения, радиолокации, в разра­ботке электронно-оптической аппаратуры, привели к зна­чительному развитию электроннолучевой обработки ма­териалов.

Общие сведения. При нагревании в вакууме металла (вольфрама или тантала) пропусканием через него электри­ческого тока с поверхности металла эмитируются элек­троны (термоэлектронная эмиссия). Кинетическая энер­гия этих электронов сравнительно невелика. Ho если на электроны воздействовать электрическим полем, создавая высокую разность потенциалов между эмитирующей по­верхностью — катодом и анодом,— скорость движения электронов можно значительно повысить.

Законы движения электронов имеют много общего с за­конами световой (геометрической) оптики и их рассматрива­ют в специальном разделе физики — электронной оптике. Сформированные электрические и магнитные поля при воздействии их на поток электронов имеют такое же значе­ние в электронной оптике, как стеклянные линзы или приз­мы в световой оптике (фокусируют, отклоняют луч).

При переходе из одной области пространства в другую через границу раздела, где потенциал изменяется скачком, электронный луч изменяет свое направление, т. е. прелом­ляется подобно световому лучу при переходе из одной среды в другую. Если потенциал от точки к точке по пути дви­жения электронов изменяется непрерывно (т. е. не сущест­вует точной границы раздела), то непрерывно будет изме­няться и направление движения электрона.

В электроннолучевых установках продольное электри­ческое поле, созданное разностью потенциалов между ка­тодом и анодом, обычно фиксировано. Поэтому в этих уста­новках управление движением электронов осуществляется изменением поперечного поля. Создавая изменяющееся по определенному закону неоднородное поле, можно управлять движением потоков электронов.

Если электрическое поле сформировано так, что равно­удаленные поверхности его подобны поверхностям стеклян­ных линз, то такое электрическое поле будет действовать на электронный луч подобно действию стеклянной линзы на световые лучи. Подбором формы и взаимного расположе­ния электродов, создающих электрическое поле, можно по­лучить различные системы электростатических линз (пер­вый тип фокусирующих устройств).

Изменением этих параметров можно сравнительно легко изменять фокусное расстояние электростатической линзы. Второй тип фокусирующих устройств для электронных лучей — это электромагнитные линзы. Применение таких линз основано на законах взаимодействия магнитного поля с электронным лучом (подобных законам воздействия маг­нитного поля на проводники с током). Если движущийся электрон попадет в однородное магнитное поле перпенди­кулярно к силовым линиям, то он будет описывать окруж­ность, если под углом — то винтовые линии. Период обра­щения электрона по кругу зависит только от напряженности магнитного поля. Все электроны, вылетающие из какой- то точки в разных направле­ниях, описав винтовые линии различных радиусов с различ­ными скоростями обращения, будут вновь сходиться в какой- то другой точке. Расстояние этой точки от точки вылета электронов зависит от скорости движения электронов вдоль магнитного поля, которая определяется только значени­ем ускоряющего электричес­кого поля. В этом в основном и заключается принцип фо­кусирования электронного пучка с помощью однородного магнитного поля.

Фокусное расстояние электромагнитной линзы при за­данном ускоряющем электрическом поле можно легко ре­гулировать выбором величины тока, который протекает через катушку, создающую магнитное поле. Типичные формы электромагнитных линз представлены на рис. 88.

С помощью электростатического или магнитного поля диаметр электронного луча можно сузить до 0,01 мм и ме­нее, т. е. можно получить очень высокую концентрацию электронов в потоке.

При воздействии электронного луча на материал элект­роны пучка проникают на некоторую глубину δ в материал. Глубина δ (пробег электрона) сравнительно невелика и за­висит в первую очередь от ускоряющего напряжения U и плотности материала

При проникновении электронов в материал их движение постепенно тормозится вследствие взаимодействия с электро­нами и ядрами атомов вещества. При этом большая часть энергии электронов переходит в тепловую.

Часть кинетической энергии электронов преобразуется в световое и рентгеновское излучение.

При падении электронного луча достаточной мощности на поверхности материала образуется лунка-кратер опре­деленной глубины. Следует учитывать, что глубина лунки и глубина проникновения электронов — понятия не тож­дественные. Как показано выше, глубина проникновения электронов (свободный пробег электрона) очень мала, в то время как глубина лунки может достигать нескольких миллиметров.