 |
Высокоинтенсивные источники энергии
|
|
|
|
Физико-технические основы электронно-лучевого нагрева
Электронным лучом (пучком) называют остросфокусированный поток ускоренных электронов. Поток электронов, эмитированный катодом, ускоряется в вакууме разностью потенциалов между катодом и анодом, а затем фокусируется в пятно малых размеров (диаметр от сотых долей до нескольких миллиметров).
При торможении ускоренных электронов вблизи поверхности металлического тела их кинетическая энергия превращается в тепловую. Чем больше плотность мощности в месте торможения пучка, тем больше локальный разогрев.
В зависимости от ускоряющего напряжения и свойств металла электроны могут проникать в вещества на глубину нескольких десятков микрометров. Электрон испытывает многократные столкновения и теряет энергию, причем меняются скорость и направление его движения. Угол вероятного отклонения электрона после соударения возрастает с уменьшением скорости электрона, в результате на конечном участке пути электрон растрачивает основную часть своей энергия. Таким образом, электронный нагрев происходит в самом веществе; в отличие от обычных, широко применяемых в производстве источников теплоты, нагревающих поверхности металла. Наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на глубине пробега электрона.
Электронно-лучевой нагрев применяется для обработки тугоплавких и активных химических металлов, сварка, испарения металлов и оксидов, выращивания монокристаллов, металлизации, напыления и т. д.
С технологической точки зрения основными преимуществами электронно-лучевого нагрева является:
§ возможность в широких пределах плавно изменять удельную энергию в зове нагрева;
|
|
|
§ большую удельную мощность (от десятков ватт до нескольких мегаватт) в месте взаимодействия электронного луча с обрабатываемым изделием;
§ возможность управления пространственным положением луча с помощью магнитной системы;
§ возможность использования вакуума как рабочей среды;
§ возможность получения малоразмерной (прецизионной) зоны воздействия электронного луча на обрабатываемый материал.
К недостаткам этого вида нагрева следует отнести, прежде всего, необходимость обеспечения высокого вакуума, а также сложность изготовления, эксплуатации и высокую стоимость электронно-лучевого оборудования.
В электронном луче ускоренные электроны приобретают кинетическую энергию пропорциональную их скорости, которую они передают веществу при бомбардировке обрабатываемого объекта. Электроны теряют свою энергию при столкновении с молекулами и атомами вещества, поэтому в пространстве рабочей камеры должен поддерживаться глубокий вакуум, который необходим также для защиты катода от бомбардировки положительными ионами.
Вышедший из катода электронной пушки электрон ускоряется в электрическом поле и приобретает энергию Wе (эВ)
, (3.1)
где mе и ео – масса и заряд электрона; U – пройденная электроном разность потенциалов, В.
Излучаемые катодом электроны ускоряются в электрическом поле и формируются электрическими и магнитными полями в электронный луч. Мощность электронного луча
(3.2)
где Iл – ток луча. A; Uy – ускоряющее напряжение, В.
Удельная мощность в луче
(3.3)
где Sл и rл – поперечное сечение и радиус луча на обрабатываемой поверхности.
Сформированный пучок проходит через рабочую камеру и попадает на поверхность обрабатываемого объекта. Скорость электронов при попадании на поверхность детали
Глубина проникновения электронов (м) с энергией 5-100 эВ, что имеет место в электронно-лучевых установках (ЭЛУ), может быть определена по формуле Шонланда;
|
|
|
где γ – плотность вещества, мишени, 
.
Следовательно, в ЭЛУ глубина проникновения электронов и протяженность зоны интенсивного выделения тепловой энергии составляет около 10-6м, и для твердых тел нагрев является чисто поверхностным. Мощность рентгеновского излучения в энергетическом балансе ЭЛУ составляет доли процента и его можно не учитывать. Однако его биологическое воздействие представляет опасность для обслуживающего персонала. Поэтому при конструировании и изготовлении ЭЛУ должны быть предусмотрены специальные меры по защите обслуживающего персонала от воздействия рентгеновского излучения.
Рассмотрим явления, связанные с вторичной эмиссией электронов с бомбардируемой электронным лучом поверхности металла. Значительно перегретая (на 200-1000 К) выше температуры плавления поверхность ванны расплавленного металла представляет собой мощный источник термоэлектронной эмиссии. Мощность (Вт) термоэлектронной эмиссии, уносимая потоком электронов
(3.4)
Проверить размерность
где Iтэ – ток термоэлектронной эмиссии, А;
е0 – заряд электрона;
φ – работа выхода электрона, эВ;
k – постоянная Больцмана;
Т – температура в К.
Несмотря на малую мощность термоэлектронной эмиссии, ее ток, поглощаемый стенками камеры, может достичь десятков и сотен ампер, поэтому ЭЛУ должна быть надежно заземлена. Часть электронов луча отражается от поверхности металл и поглощается стенками камеры. Это приводит к большим потерям мощности электронного луча (для легких металлов 5-10 %; для тяжелых – 15-20 %) и значительно влияет на энергетический баланс ЭЛУ.
В камерах ЭЛУ происходят сложные процессы взаимодействия электронов луча с атомами остаточных и выделяющихся в процессе плавки и нагрева газов, с атомами металлических паров, находящихся над поверхностью расплавленного металла и т. п. Во всех ЭЛУ имеются общие системы, сходные по своему функциональному назначению и принципу действия. Среди них можно выделить два комплекса - энергетический и электромеханический.
Энергетический комплекс. ЭЛУ включает в себя электронную пушку с блоками питания и управления лучом. Электронная пушка – устройство, в котором эмитируемый катодом пучок электронов формируется в электрическом и магнитном полях в луч, который ускоряется в электрическом поле, выводится через отверстие в аноде и направляется на нагреваемый объект.
|
|
|
Промышленность выпускает ЭЛУ различного типа, предназначенные для плавления металла. В качестве плавильных устройств широкое применение получили ЭЛУ с аксиальной пушкой (рис.3.1).
Рис.3.1. Схема ЭЛУ с аксиальной пушкой: 1 – катод вспомогательный,
2 – катод основной, 3 – анод, 4 – магнитная система, 5 – лучепровод,
6 – электрод-заготовка, 7 – кристаллизатор с охлаждающей жидкостью,
8 – переплавленный металл, 9 – электронный луч, 10 – катодная камера,
11 – плавильная камера
Аксиальная пушка образует сильно сфокусированный электронный луч. В ней имеется два катода. Основной катод 2 выполненный в виде массивной вогнутой снизу вольфрамовой пластины. Он разогревается до 2300-2500 К электронной бомбардировкой от вспомогательного катода 1, который выполнен в виде нагретой током вольфрамовой спирали.
Между катодами 1 и 2 прикладывается напряжение 3,5-5,0 кВ. Вспомогательный катод 1 имеет отрицательный потенциал относительно основного катода 2, так что основной катод является анодом для вспомогательного катода. Анод 3 имеет специальную форму для создания в пространстве между ним и катодом 2 такого электрического поля, которое сфокусировало бы электронный пучок 9 так, чтобы он практически весь проходил через отверстие анода 3.
Пройдя через анод 3, электронный луч 9 попадает в лучепровод 5, соединяющий катодную камеру 10 с плавильной камерой 11 установки, в которой находится переплавляемый электрод 6. Он может перемещаться горизонтально: его можно вводить под пучок электронов или выводить из-под него. Часть электронного луча 9 проходит мимо электрода заготовки 6 и попадает на поверхность ванны жидкого металла 8, расположенной в кристаллизаторе 7 в нижней части плаваильной камеры 11.
Лучепровод должен защищать катодный узел от прорыва в него газов из плавильной камеры. С этой целью лучепровод снабжен откачивающим насосом, кроме того, имеются насосы, откачивающие газы и пары из катодного узла и плавильной камеры. В лучепроводе производится дополнительная магнитная фокусировка с помощью магнитных линз 4, поскольку, на своем пути через лучепровод электронный пучок расширяется. ЭЛУ с аксиальными пушками работают при ускоряющем напряжении 30-40 кВ.
|
|
|
Плавильные ЭЛУ применяются, главным образом, для переплавки стали, молибдена, ниобия и других тугоплавких и химически активных металлов. Их мощность составляет от 50 до 2000 кВт. ЭЛУ для сварки выпускаются с остросфокусированным лучом и работают при ускоряющем напряжении 70-100 кВ.
Для питания ЭЛУ используются высоковольтные источники питания постоянного тока. Они состоят из повышающих трансформаторов и высоковольтных выпрямителей, собираемых на полупроводниковых элементах (диоды, тиристоры). На крупных установках для стабилизации тока пучка применяются параметрические источники тока.
Катод является одним из основных узлов электронной пушки. Для них катоды изготавливают из тугоплавких металлов (вольфрама, тантала, молибдена), оксидов редкоземельных металлов (циркония, лантана), а также интерметаллических соединений. Металлические катоды прямого нагрева применяются при небольших токах эмиссии (до20мА), а косвенного нагрева - при больших токах (100-200 мА). Заданная сходимость электронного луча обеспечивается подбором конфигурации катодного электрода и анода. После прохождения анода электроны движутся в пространстве, в котором отсутствует электрическое поле. Поскольку электронный луч обладает объемным пространственным зарядом, вследствие столкновения электронов происходит расфокусировка луча. Поэтому после электростатической фокусировки луч фокусируется также электромагнитной линзой, которая представляет собой катушку в магнитопроводе, питающуюся от выпрямителя, обеспечивающего стабильное напряжение и минимальную пульсацию.
Из всех видов электрических печей ЭЛУ являются наиболее сложным комплексом электротехнического оборудования. В системах электроснабжения ЭЛУ выделяются основные и вспомогательные цепи. К основным цепям относятся: цепь накала катода питания преобразователя постоянного тока, а также питания, получения, измерения и контроля вакуума. К вспомогательным цепям относятся цепь фокусировки, отклонения и развертки электронного луча.
Электромеханический комплекс состоит из рабочей камеры, вакуумной системы, системы позиционирования и перемещения заготовки, системы наблюдения за ходом процесса, системы защиты оператора от рентгеновского излучения и ряда вспомогательных устройств и механизмов. Конструкция систем позиционирования и перемещения заготовок определяется видом операций. Наиболее простые устройства применяются при электронно-лучевой плавке для вытягивания слитка. Самые сложные системы используются при размерной обработке: они обеспечивают пять или шесть видов различных перемещений с погрешностью позиционирования 1-5 мкм.
|
|
|
|
|
|
