Электронная пушка — это… Что такое Электронная пушка?
Электронная пушка в составе электронно-лучевой трубкиЭлектронная пушка — устройство, с помощью которого получают пучок электронов с заданной кинетической энергией и заданной конфигурации. Чаще всего используется в кинескопах и других электронно-лучевых трубках, а также в различных приборах таких как электронные микроскопы и ускорители заряженных частиц.
Работа электронной пушки возможна только в условиях глубокого вакуума, чтобы пучок электронов не рассеивался при столкновении с молекулами атмосферных газов.
Устройство
Электронная пушка состоит из катода, управляющего электрода (модулятора), ускоряющего электрода, и одного и более анодов. При наличии двух и более анодов, за первым анодом закрепляется термин фокусирующий электрод.
Катод
Катод создает поток электронов, которые исходят с его нагретой поверхности вследствие термоэлектронной эмиссии. В электронных пушках, применяемых в современных ЭЛТ, используется оксидный катод косвенного накала.
КПУ представляет собой полую гильзу с плоским дном. На внешнюю поверхность дна гильзы нанесён оксидный слой, а внутри гильзы расположен подогреватель в виде спирали из проволоки с высоким удельным сопротивлением. Цепь подогревателя электрически изолирована от катода.
Оксидный слой представляет собой кристаллы твердого раствора окислов щёлочноземельных металлов — бария, кальция и стронция (BaO, CaO, SrO). Он окончательно формируется в процессе термовакуумной обработки ЭЛТ. В процессе откачки, при достижении необходимого уровня вакуума, катод прогревается с помощью внешнего индуктора, а затем и обычным путём, с помощью подогревателя, работающего в форсированном режиме. В результате в исходных веществах, нанесённых на поверхность катода, протекают химические реакции и выделяются газы.
Модулятор
Модулятор представляет собой цилиндрический стакан, накрывающий катод. В центре его дна имеется калиброванное отверстие, которое называется несущая диафрагма. С её помощью начинается формирование нужной толщины электронного пучка. Модулятор ближе всех остальных электродов расположен к катоду (расстояние между оксидной поверхностью катода и отверстием модулятора составляет 0,08—0,20 ± 0,01 мм), поэтому его потенциал наиболее значительно влияет на ток электронного луча, отсюда и его название.
Назначение и действие модулятора подобно назначению и действию управляющей сетки в электронной лампе. Зависимость тока электронного луча от потенциала модулятора называется модуляционной характеристикой электронной пушки. На модуляторе в каждый момент времени должен быть отрицательный потенциал относительно катода. Его постоянная составляющая задаёт постоянную составляющую тока электронной пушки и следовательно, яркость свечения экрана ЭЛТ. Если абсолютное значение отрицательного потенциала на модуляторе будет превышать величину запирающего напряжения, ток электронного луча будет равен нулю.
Модулирующее напряжение (например, напряжение видеосигнала) должно изменять разность потенциалов между катодом и модулятором. В современных телевизорах и мониторах на модуляторах присутствует потенциал, близкий к нулю (модуляторы либо непосредственно соединены с общим проводом устройства, либо на них подаются гасящие импульсы кадровой и строчной развертки отрицательной полярности), а напряжение видеосигнала положительной полярности, снимаемое с видеоусилителя, подаётся на катод.
Ускоряющий электрод
Ускоряющий электрод представляет собой полый цилиндр, расположенный на оси электронной пушки. На него подаётся положительный потенциал в несколько сотен вольт, он располагается между модулятором и фокусирующим электродом, и выполняет несколько функций:
- сообщает электронам начальную скорость в пределах электронной пушки;
- между ускоряющим электродом и анодом образуется дополнительная электростатическая линза, уменьшающая угол расхождения пучка перед входом в главную линзу, которую образуют аноды;
- экранирует прикатодное пространство от поля анода (действует подобно экранной сетке в электронной лампе), вследствие чего колебания анодного напряжения не сказываются на токе пучка и не приводят к колебаниям яркости свечения экрана ЭЛТ;
В цветных кинескопах регулировкой ускоряющего напряжения добиваются максимально возможной идентичности модуляционных характеристик трёх электронных пушек, что необходимо для обеспечения баланса белого.
Аноды
Конструкция анодов аналогична конструкции ускоряющего электрода. Цилиндр второго анода имеет выходную диафрагму. Она пропускает электроны, траектория которых имеет малое отклонение от оси электронной пушки. Высокие положительные потенциалы, приложенные к анодам, придают пролетающим сквозь них электронам необходимую скорость. В ЭЛТ с электростатической фокусировкой луча фокусирующий электрод и анод образуют главную электростатическую линзу, которая фокусирует электронный пучок на экран. Фокусное расстояние этой линзы зависит от их геометрии, расстояния между ними и соотношения их потенциалов. Оно регулируется путем изменения потенциала на фокусирующем электроде для достижения максимально резкого изображения. Потенциал фокусирующего электрода цветных кинескопов составляет примерно 6—8 кВ, черно-белых кинескопов и осциллографических трубок — около 1 кВ. Потенциал второго анода цветных кинескопов составляет 25—30 кВ, чёрно-белых — 8—16 кВ, осциллографических трубок — 1—2 кВ.
Электронные пушки с большим током луча
С ускоряющим электродом вблизи катода
В некоторых случаях, когда требуется снимать с катода большие токи, применяется другой принцип построения прикатодной части пушки. Перед катодом располагается ускоряющий электрод, имеющий положительный потенциал в несколько вольт, далее — управляющий электрод, имеющий более высокий потенциал. В результате, для формирования пучка используются электроны, испущенные со всей активной поверхности катода, а не только с центральной области напротив диафрагмы модулятора, как в обычной пушке. Управление током луча осуществляется изменением положительного потенциала на управляющем электроде, играющем роль модулятора. При этом в цепи управляющего электрода протекает ток, не превышающий 100 мкА.
С магнитной фокусировкой луча
Электронная пушка с магнитной фокусировкой луча состоит из катода, модулятора, ускоряющего электрода и анода, фокусирующий электрод отсутствует. Главная фокусирующая линза создаётся магнитным полем аксиально-симметричной катушки, одеваемой на горловину ЭЛТ.
Точная фокусировка электронного пучка осуществляется регулировкой постоянного тока фокусирующей катушки. Такая пушка обеспечивает больший ток пучка по сравнению с пушкой, имеющей электростатическую фокусировку. Это связано с тем, что её анод не имеет диафрагмы, и для формирования пучка используется весь ток катода, а не его часть, как в пушках с электростатической фокусировкой (0,1—0,5).
Другим преимуществом магнитной фокусировки является меньший размер электронного пятна на экране. Это связано с большим диаметром фокусирующей катушки по сравнению с диаметром электродов электростатической линзы. Чем больше отношение диаметра электронной линзы (катушки или электрода) к диаметру пучка, проходящего через линзу, тем выше качество фокусировки.
Литература
- Вуколов Н. И., Гербин А. И., Котовщиков Г. С. Приёмные электронно-лучевые трубки: Справочник. — М.: Радио и связь, 1993.
Ссылки
Электронно-лучевые пушки
6-33641474-001:2007, патент на изобретение №83514 от 25.07.2008г. «Газоразрядная электронная пушка»)
Основные характеристики газоразрядных пушек переставлены в таблице:
| Пушка газоразрядная электронная (ПГЭ) | ||||||
| Параметры | КВ 150 | КВ 250 | КВ 320 | КВ 450 | КВ 530 | КВ 750 |
| Максимальная мощность, кВт | 0-150 | 0-250 | 0-320 | 0-450 | 0-530 | 0-750 |
| Пределы регулирования мощности, кВт | 0-150 | 0-250 | 0-320 | 0-450 | 0-530 | 0-750 |
| Максимальное ускоряющее напряжение, кВ | 30 | |||||
| Угол отклонения электронного луча от оси пушки, не более | 30 | |||||
| Угол отклонения электронного луча от оси пушки, не более | 10. ..0,1 |
|||||
| Допустимое натекание, л·Па/сек |
1,5•10 -6 |
|||||
| Максимальный расход рабочего газа (водорода технического) при давлении 0,1 МПа, л/сек |
8•10-3 |
|||||
| Время работы катода, часов, не менее | 100 | |||||
| Расход охлаждающей воды, л/сек | 0,6 | 1,0 | 1,3 | |||
| Высота, мм | 760 | 770 | 785 | 800 | 815 | 830 |
| Масса, кг | 51 | 62 | 62 | 65 | 67 | 67 |
В газоразрядных электронных пушках эмиссия электронов происходит вследствие бомбардировки катода ионами плазмы, возникающей в высоковольтном тлеющем разряде между катодом и анодом.
Первоначальное формирование электронного пучка обеспечивается конструктивными характеристиками катода и анодного узла. Далее, с помощью фокусирующих и отклоняющих линз, луч фокусируется на нагреваемой поверхности и перемещается по ней с заданной частотой и траекторией (разверткой).
Главными отличительными особенностями газоразрядных электронных пушек являются:
-
отсутствие необходимости в дополнительной откачке вакуума в полости пушки индивидуальными высоковакуумными насосами, газоразрядные электронные пушки стабильно работают в диапазоне 10…0,1 Па;
-
слабая чувствительность к изменениям давления в технологической камере, воздействию паров и даже брызг металла во время ведения процесса плавки, что позволяет вести стабильную плавку газо-насыщенной шихты активных металлов, например губчатого титана;
-
компактные размеры, небольшой вес, простота и надежность в эксплуатации;
-
значительный срок службы катода;
-
привлекательная цена за счет использования недефицитных и недорогих материалов при изготовлении и в обслуживании.
| Конструктивная схема пушки серии КВ: | |
| 1- катод; 2 — анод; 3 — разрядная камера; 4 — подача рабочей газовой смеси; 5 – подвод тока. |
|
Установки электронно-лучевого нагрева.
1. УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО НАГРЕВА
1.1. Теоретические основы электронно-лучевого нагрева
Электронно-лучевой нагрев (ЭЛН) широко применяется при обработке тугоплавких и химически активных металлов, сварке, испарении металлов и оксидов, выращивании монокристаллов, металлизации и напылении и т. д.
К основным преимуществам электронно-лучевого нагрева можно отнести: возможность в широких пределах плавно изменять удельную энергию в зоне нагрева; большую удельную мощность в месте взаимодействия электронного луча с обрабатываемым изделием или материалом; возможность с помощью магнитной системы управлять пространственным положением луча; возможность использования вакуума как рабочей среды; возможность получения малоразмерной (прецизионной) зоны воздействия электронного луча на обрабатываемый материал.
Главными недостатками данного вида нагрева считаются наличие высокого вакуума, сложность изготовления, эксплуатации и высокая стоимость электронно-лучевого оборудования.
Электронный луч, используемый в качестве нагревательной установки, представляет собой направленный поток электронов, переносящих свою энергию от излучателя к изделию. Ускоренные электроны, получившие кинетическую энергию, пропорционально их скорости передают ее веществу обрабатываемой поверхности. Ввиду того что электроны отдают свою энергию при столкновении с молекулами и атомами вещества, в рабочей камере должен поддерживаться глубокий вакуум, который необходим и для защиты катода от бомбардировки положительными ионами.
Испускаемые катодом электроны получают ускорение в электрическом поле и формируются электромагнитными полями в электронный пучок или луч.
Сформированный пучок электронов проходит через рабочую камеру и попадает на поверхность обрабатываемого объекта.
Глубина проникновения электронов и протяженность зоны интенсивного выделения тепловой энергии составляет около 10-6 м и для твердых тел нагрев является поверхностным.
Мощность рентгеновского излучения в энергетическом балансе электронно-лучевой установки очень мала, однако его биологическое воздействие для человека является опасным. Поэтому при разработке и изготовлении ЭЛУ необходимо предусмотреть мероприятия по защите обслуживающего персонала от рентгеновского излучения.
Представляют научный интерес явления, связанные со вторичной эмиссией электронов с бомбардируемой электронным лучом поверхности металла. Так, например, перегретая (на 200-1 000 К) выше температуры плавления поверхность ванны расплавленного металла является мощным источником термоэлектронной эмиссии.
Хотя мощность термоэлектронной эмиссии мала, ее ток, поглощаемый стенками камеры, может достигать десятков и сотен ампер. Поэтому заземление электронно-лучевой установки должно быть надежным. Определенная часть электронов луча отражается от поверхности металла и поглощается стенками камеры, что приводит к существенным потерям мощности электронного луча (для легких металлов — 5-10 %, для тяжелых — 15-25 %) и значительно снижает энергетический баланс установки.
В рабочей камере электронно-лучевой установки протекают сложные процессы взаимообмена электронов луча с атомами остаточных и выделяющихся во время плавки и нагрева газов, с атомами металлических паров, находящихся над расплавленным металлом, и т. п.
1.2. Конструктивные особенности электронно-лучевых установок
Все конструкции электронно-лучевых установок имеют набор систем, которые сходны по своему назначению и принципу действия. Их можно разделить на два комплекса — энергетический и электромеханический.
Энергетический комплекс состоит из электронной пушки с блоками питания и управления лучом. Электронной пушкой является устройство, котором пучок электронов под воздействием электрического и магнитного полей в луч, ускоряемый электрическим полем, выводится через анод и направляется на нагреваемое изделие или поверхность.
Одним из главных узлов электронной пушки является катод. Его изготовляют из тугоплавких металлов (W, Та, Мо), оксидов редкоземельных металлов (Zr, La).
Катоды прямого нагрева применяются при небольших токах эмиссии (до 20 мА), катоды косвенного нагрева — при больших (до 200 мА). Заданная плотность электронного луча находится путем подбора конфигурации катодного электрода и анода, так как после прохождения анода электроны движутся в пространстве вне электрического поля. Ввиду того что электронный луч обладает объемным пространственным зарядом, в результате столкновения электронов нарушается фокусировка луча.
Поэтому после электростатической фокусировки луч дополнительно фокусируется электромагнитной линзой, которая представляет собой катушку в магнитопроводе, запитанную от выпрямителя, обеспечивающего устойчивое напряжение и небольшую пульсацию.
Электромеханический комплекс включает вакуумную рабочую камеру, систему позиционирования и перемещения заготовки, систему наблюдения за ходом процесса, систему защиты от рентгеновского излучения.
Вакуумная камера является базовым элементом электронно-лучевой установки, наиболее важным и сложным узлом электромеханического комплекса.
Конструкция определяется видом технологического процесса. Камера должна быть герметичной и механически прочной. Материал, из которого она изготовлена, должен надежно поглощать рентгеновское излучение.
Главная функция вакуумной камеры — создание и поддержание в рабочем объеме и в электронной пушке необходимого вакуума.
Система позиционирования и перемещения заготовок определяется видом операции. Самым простым устройством, применяемым при электронно-лучевой плавке, можно считать устройство вытягивания слитка. Самые сложные системы бывают задействованы при размерной обработке: они обеспечивают 5—6 видов различных перемещений с очень высокой точностью — в 1—5 мкм.
Электронные плавильные установки.
Многочисленным семейством электронно-лучевых установок являются плавильные установки, предназначенные в основном для переплавки стали, молибдена, ниобия и других тугоплавких и химически активных металлов. Их мощность варьирует от 50 до 2 000 кВт.
Одна из простых схем электронной плавильной установки с кольцевым катодом и автоэлектронным нагревом, в которой анодом является сам расплавляемый металл, представлена на рис. 1.1. Катодом К служит нагретая до 2 500 К током вольфрамовая спираль. Анодом А является расплавляемый электрод и жидкометаллический слой в верхней части слитка, образующегося в кристаллизаторе. Катод окружает молибденовый экран Э, находящийся под тем же потенциалом. Покидающие катод электроны отталкиваются экраном и в виде кольцевого пучка направляются на электрод и в жидкометаллическую поверхность слитка. Нижняя часть электрода расплавляется под ударами бомбардирующих его электронов. Расплавленный металл каплями стекает в ванну.
Рис. 1.1. Схема электронно-лучевой установки с кольцевым катодом
Рис. 1.2. Схема электронно-лучевой установки с радиальными пушками
При изменении положения электрода будет изменяться и количество попадающих на него электронов.
Если электрод приподнять так, что прекратится его плавление, тогда металл в ванне будет перегреваться или держаться при неизменной температуре.
Установки с кольцевым катодом работают на ускоряющем напряжении от 5 до 15 кВ. Главными их преимуществами являются простота конструкции и высокая проводимость: это позволяет получать в них большие токи пучка при малом напряжении. Их недостатком является нахождение катода в зоне камеры, поэтому при газовыделении с поверхности ванны он оказывается в зоне повышенного давления. Покинувшие катод электроны сталкиваются с атомами газов и ионизируют их. Образующиеся при этом положительные ионы направляются к катоду и адсорбируются на нем, что сильно снижает его эмиссионную способность и сокращает срок службы. По этой причине плавильные электронно-лучевые установки с кольцевым катодом имеют ограниченное применение для переплава металлов с незначительным выделением газа.
Электронно-лучевые установки с радиальными пушками (рис.
1.2) в большей мере лишены этого недостатка. В них вокруг электрода по радиусу установлено несколько катодов и анодов с отверстиями, через которые движущиеся электроны проходят к концу электрода и к ванне. В данной конструкции анод отделен от жидкого металла, хотя и тот и другой находятся под одинаковым потенциалом. Анод служит направляющим и формирующим устройством. В этом случае система «анод — катод» соответствует понятию электронной пушки.
Блок электронно-лучевой установки, в котором находятся электронные пушки, отделен от плавильной зоны перегородкой с отверстиями для электрода и пучка электронов. Верхняя и нижняя части камеры имеют обособленные системы откачки газов. При чрезмерном выделении газов из ванны некоторая часть паров металла попадает через отверстия в верхнюю камеру и удаляется из нее насосом. Радиальные пушки электронно-лучевой установки работают при низком ускоряющем напряжении (около 15 кВ), поэтому они имеют малую мощность. Один из путей повышения мощности всей электронно-лучевой установки — увеличение количества радиальных пушек.
В качестве плавильных установок наибольшее распространение получили электронно-лучевые установки с аксиальными пушками (рис. 1.3). В отличие от радиальной аксиальная пушка дает возможность получить сильно сфокусированный электронный луч. В ней заложено два катода. Основной катод К, изготовленный в вид
Пушка электронно-лучевая — Энциклопедия по машиностроению XXL
Электронные пушки. Электронно-лучевая пушка предназначена для создания электронного луча, который и служит источником сварочной теплоты. Параметры электронного луча, соответствующие технологическому процессу сварки, определяют основные требования к конструкции электронной пушки. [c.195]Пушка электронно-лучевая 409, 410 [c.490]
Этот аппарат, который главным образом используется для исследований по коррозии, смазке, катализу и т.д., не отличается в принципе от электронного микроскопа и имеет те же существенные элементы (электронная пушка, электронно-лучевая трубка, электромагнитные катушки, держатель образца и т.
д.). Более того, следует отметить, что некоторые электронные микроскопы могут быть оснащены дифракционной камерой, и, следовательно, выполнять двойную функцию (визуальное наблюдение и получение дифракционной картины).
[c.106]
Таким образом, исходя из конструктивных особенностей установок, нижней допустимой границей давления (вакуума) для электронно-лучевых установок следует считать 1-10 Па. В реальных условиях давление стараются довести до 10 … 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 пушки. [c.111]
В отличие от черно белого телевизора экран кинескопа цветного телевизора покрыт кристаллами люминофоров трех сортов. Одни кристаллы при попадании на них электронного луча светятся красным светом, другие — синим, третьи — зеленым.
Эти кристаллы расположены па экране в строгом порядке. Сигналы поступают от телевизионного передатчика к трем электронно-лучевым пушкам.
[c.258]
Электронно-лучевые печи применяются для получения особо чистых сталей, тугоплавких металлов и сплавов. В электронно-лучевых печах (рис. 3.31) происходит превращение кинетической энергии разогнанных до больших скоростей электронов в теплоту при их ударе о поверхность нагреваемого металла. Электроны генерируются электронной пушкой при глубоком вакууме (около 0,1 Па). КПД электронно-лучевой печи составляет 8 —10 %. [c.175]
Электронно-лучевые установки. При электронно-лучевом нагреве поток электронов, сформированный в электронной пушке и направленный на паяемые поверхности, имеет мощность, [c.180]
В установках для электронно-лучевой сварки электроны, испускаемые катодом I электронной пушки, формируются в пучок электродом 2, расположенным непосредственно за катодом, ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3, составляющей 20.
.. 150 кВ и выше, затем фокусируются в виде луча и направляются специальной отклоняющей магнитной системой 5 на обрабатываемое изделие б. На формирующий электрод 2 подается отрицательный или нулевой по отношению к катоду потенциал. Фокусировкой достигается высокая удельная мощность луча (5 10 кВт/м и выше). Ток электронного луча невелик — от нескольких миллиампер до единиц ампер.
[c.243]
В сварочных установках (рис. 131) электронно-лучевая пушка 1, соединенная с источником питания 2, встраивается в вакуумную камеру [c.252]
Как получают свободные электроны в электронно-лучевых пушках и от чего зависит плотность тока эмиссии [c.253]
Между какими деталями электронно-лучевой пушки прикладывают ускоряющее напряжение [c.254]
Какова роль фокусирующей системы электронно-лучевой пушки [c.254]
Формируемые в результате электронно-лучевой обработки поверхности определяются траекторией взаимного перемещения луча и детали.
Устанавливаемый в рабочей камере манипулятор позволяет придавать заготовке поступательное и вращательное движение, а установленная в электронной пушке электромагнитная система развертки позволяет сканировать (перемещать) электронный пучок по заданному контуру.
[c.614]
Установки для электронно-лучевой сварки состоят из следующих узлов вакуумной камеры с откачной системой сварочной электронной пушки, создающей электронный луч сварочного стола в системе перемещения деталей источника силового питания электронной пушки системы управления установкой. В зависимости от размеров свариваемого изделия в электронно-лучевых установках используют камеры соответствующих размеров, позволяющие перемещать изделие для получения сварных швов заданной конфигурации. [c.194]
Рабочие камеры. Ввиду необходимости создания вакуума в камере, где образуется и формируется поток электронов, в большинстве случаев при электронно-лучевой сварке и само изделие размещают внутри вакуумной камеры, чтобы устранить рассеяние электронов.
Это также обеспечивает хорошую защиту металла щва. Но, с другой стороны, при этом существенно ограничиваются возможности применения такого способа сварки главным образом вследствие ограничения размеров свариваемых изделий и малой производительности процесса, так как много времени уходит на подготовку деталей к сварке. Поэтому наряду с высоковакуумными установками разрабатывают и такие, где электронный луч выводится из камеры пушки, в которой поддерживается высокий вакуум, и сварка производится в низком вакууме (10 . .. 10″ мм рт. ст.).
[c.198]
Технические параметры электронно-лучевых плавильных установок с одной электронной пушкой [c.297]
Параметрами процесса электронно-лучевой сварки являются ускоряющее напряжение сила тока пучка / расстояние от пушки до изделия d и до плоскости фокусировки пучка й скорость сварки глубина вакуума р. Изменяя перечисленные параметры процесса сварки, удается в широких пределах изменять форму проплавления.
[c.426]
Электронно-лучевой переплав (ЭЛП). Применяется для изготовления деталей ракетной, космической техники, для получения тугоплавких металлов — тантала, молибдена, ниобия и других металлов, отличающихся очень высокой чистотой. Плавление металлов (рис. 3.9) происходит в глубоком вакууме под действием потока электронов, излучаемых высоковольтной катодной пушкой, создающей напряжение в 20-30 тыс. В. Излучаемые электроны направляются на металл, при столкновении с которым их кинетическая энергия переходит в тепловую. Металл плавится, капли его стекают в водоохлаждаемый кристаллизатор и застывают, образуя слиток особо чистого металла в отношении газов и неметаллических включений. [c.93]
Электронно-лучевой переплав (ЭЛП). Источник нагрева металла в ЭЛП — кинетическая энергия направленного от электронной пушки потока электронов, или электронного луча, превращающаяся в тепловую энергию при столкновении электронов с поверхностью плавящегося электрода.
[c.278]
На рис. 51 представлена рабочая камера установки для электронно-лучевой сварки. В камере размещен магазин на 15 изделий. Для ускорения процесса сварки изделий, имеющих два сварных соединения, в камере установлены две сварочные пушки, одна из которых сваривает шов в нижнем положении, а другая — кольцевой шов на вертикальной плоскости. [c.70]
В электронно-лучевой пушке источником электронов служит катод 1, нагрев которого осуществляется прямым пропусканием тока или же с использованием косвенного нагрева. Полученные свободные электроны фокусируются и ускоряются в электрическом поле в промежутке между катодом и первым анодом. Сфокусированные и получившие значительную скорость электроны после выхода из первого анода двигаются по инерции к изделию. По пути они дополнительно фокусируются и проходят отклоняющую систему. [c.76]Для получения большей плотности энергии луча и для более равномерного распределения энергии по сечению луча в некоторых системах между первым анодом и фокусирующей линзой устанавливается апертурная диафрагма, отсекающая периферийную область электронного луча с минимальной плотностью энергии.
% Отклоняющие системы, используемые в электронно-лучевых пушках, предназначены для отклонения луча на заданное расстояние и для точной установ
Электронно-лучевая сварка — сущность, типы, преимущества
Электронно-лучевая сварка
Электронно-лучевая сварка (она же электроннолучевая, электронно лучевая сварка, ЭЛС) — это довольно быстро развивающийся вид сварки. С его помощью можно сварить практически все: и сплавы высокой прочности, и химически активные металлы, и тугоплавкие материалы. Словом, сфера применения очень большая.
В этой статье мы подробно расскажем, что такое ЭЛС сварка, какие есть достоинства и недостатки у такой технологии, и какие особенности нужно учитывать.
Общая информация
Электронно-лучевая сварка — метод сварки, в основе которого лежит применение луча. Луч выделяет тепло, которое формируется в результате столкновения пучка заряженных частиц. Технология непростая, но в ней все же лучше разобраться. Поскольку ЭЛС сварка получила широкое распространение во многих сферах, начиная от микроэлектроники заканчивая оптикой.
Данная технология просто не могла ни появиться. Существовала потребность сварки тугоплавких металлов, а добиться хорошего качества швов просто не получалось.
Классические сварочные технологии просто не могли обеспечить должный уровень качества.
Для решения этой проблемы была изобретена электронно-лучевая сварка, которая концентрирует тепло в одной точке, при этом сварочная зона остается защищенной.
Технология
Перейдем к описанию технологии ЭЛС сварки. Итак, ключевой элемент — это луч, который генерирует электронная пушка. Плотность энергии в таком луче высока, но ее недостаточно для качественной сварки.
Чтобы исправить эту проблему электроны нужно сконцентрировать в магнитной линзе. На рисунке ниже линза обозначена цифрой 6.
Далее электроны, находясь в подвижном состоянии, фокусируются в плотный световой пучок и ударяются о деталь (на картинке обозначена цифрой 1). За счет столкновения электроны тормозятся, и их энергия превращается в тепло.
Тепло, в свою очередь, настолько мощное, что быстро нагревает металл до высокой температуры.
В конструкции предусмотрена магнитная отклоняющая система (обозначена цифрой 7). С ее помощью удается контролировать перемещение электронного луча по детали. Таким образом удается добиться точного положения луча, а значит сформировать шов в том месте, где это необходимо.
Когда электроны сталкиваются с молекулами кислорода, теряется огромное количество кинетической энергии. К тому же катод нуждается в дополнительной тепловой защите. Чтобы решить эти задачи в пушке создают вакуум.
В результате энергия луча концентрируется строго в одной точке, а площадь нагрева минимальная. Из-за этого металл не деформируется при сварке.
Это очень важно при сварке тонких металлов, особенно если деталь маленького размера.
Технология электронно лучевой сварки не простая, но важно понимать ее сущность. Чтобы четко осознавать, какой результат вы хотите получить.
Ведь вам придется самому настраивать оборудование, фокусировку и мощность луча.
Особенности
Поскольку технология не самая простая, ее сопровождают некоторые нюансы, которые нужно учесть для полного понимания сути. Первый нюанс заключается в том, что вся сварка происходит в среде вакуума.
От этого поверхность деталей идеально чистая. И второй нюанс — детали нагреваются до крайне высоких температур. В итоге мы получаем шов минимальной толщины, который при этом еще и быстро формируется.
Это очень хорошо.
Благодаря этим особенностям ЭЛС сварку можно применять при сварке самых разнообразных металлов. У двух деталей может быть разная толщина, состав и даже температура плавления.
Шов все равно получится качественным. Минимальная толщина для сварки составляет 0,02 миллиметра. А максимальная — 100 миллиметров. Диапазон очень большой, можно варить большинство деталей.
Это все, что вам нужно учесть.
Достоинства и недостатки
Сварка электронная с применением луча имеет несколько весомых плюсов, благодаря которым она и получила свое широкое распространение.
Прежде всего, детали при сварке не коробятся, поскольку на деталь воздействует малое количество тепла. В среднем оно в 5 раз меньше, чем при других технологиях сварки.
Второе достоинство — это большие возможности. Вы можете сварить любые металлы и даже не металлы. Сварка керамики с вольфрамом? Пожалуйста! К тому же, можно настроить фокусировку луча и нагреть зону диаметром менее 1 миллиметра. Это впечатляет. Можно сварить детали практически любого размера.
Еще один плюс — это высокое качество шва. И не важно, что вы варите: обычную сталь или химически активные металлы вроде титана. В любом случае, качество соединения вас приятно удивит. А порой благодаря ЭЛС сварке удается достичь и улучшения характеристик металла. Вы также можете сварить любые сплавы, в том числе стойкие к коррозии. Возможности безграничны!
ЭЛС очень экономичная, поскольку потребляется мало электроэнергии. К тому же, технология универсальна и позволяет варить любые металлы.
Вы также можете не разделывать кромки, если у вас нет такой возможности.
Что ж, достоинства весомые. Но что насчет недостатков? И без них не обошлось. Например, при сварке металлов с высокими теплопроводными свойствами велика вероятность образования отверстий в корне шва. Это влияет на прочность сварного соединения. И влияет негативно.
Также применение электро-лучевой сварки не всегда оправдано. Она незаменима при работе в труднодоступных местах, но если говорить о сварке в заводских условиях, то достоиснтва не всегда оправдывают себя.
Оборудование
На сегодняшний день электронно-лучевое оборудование производится как у нас, так и за рубежом. Практически все модели оснащены пушками с косвенным или прямым каналом катодов. В целом, отечественная продукция мало в чем уступает зарубежной, при этом стоит дешевле.
Да, у нее не такой футуристичный дизайн, но она справляется со всеми задачами. А это самое главное.
Существуют модели, у которых лучевые пушки располагаются в камере. С помощью таких установок можно выполнять сварку лучом со сложной траекторией движения. Во всех современных моделях используются компьютерные технологии, так что вероятность человеческого фактора крайне мала. Многие процессы вообще проходят в автоматическом режиме, оператор может не присутствовать на рабочем месте.
Несмотря на всю технологичность, сварочное оборудование для ЭЛС сварки довольно просто обслуживается и не требует долгого обучения сотрудников. Нужно один раз запрограммировать установку и проследить, чтобы луч фокусировался в нужном месте. Единственное, что затем придется делать каждый раз — это регулировать фокусировку или изменять мощность самого луча. Больше не нужно никаких настроек.
Вместо заключения
Установка электронно лучевой сварки хоть и стоит недешево, но с ее помощью можно сварить даже металл с
Электронно-лучевая сварка — ОАО «НИТИ «Прогресс»
«НИТИ «Прогресс» разрабатывает технологии электронно-лучевой сварки и применяет в промышленности на предприятиях серийного производства более 40 лет.
С начала 80-х годов разрабатывает новое оборудование и проводит коренную модернизацию имеющихся на предприятиях установок электронно-лучевой сварки различного объема вакуумных камер – от малых (0,04 м3) до больших (более 1300 м3).
За последние 5 лет специалистами института созданы и модернизированы 27 электронно-лучевых установок для ведущих предприятий различных областей промышленности: ОАО «Калужский турбинный завод», ОАО «ПО «Севмаш», «НАЗ им. В.П. Чкалова», ФГУП «Комбинат «Электрохимприбор», АО «Воткинский завод», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», АО «ОКБМ «Африкантов», ОАО «НПО «Энергомаш», АО «НИКИЭТ», ФГУП «ВИАМ», ОАО «Красмаш», ПАО «Туполев», и другие. Институт обеспечивает полный технологический цикл создания оборудования для электронно-лучевой сварки и разрабатывает:
— вакуумные затворы большого проходного сечения ДУ 400 – 1000 мм;
— антропоморфные манипуляторы;
— системы управления;
— электронно-лучевую аппаратуру.
Как правило, разработка и модернизация выполняется под конкретные задачи технологии, что требует соответствующих решений конструкции и системы управления — оснащения устройствами подачи присадочной проволоки, многоместными вращателями, устройствами сварки продольных швов обечаек и т.
п. При необходимости проводится корректировка технологии сварки.
Применяется электронно-лучевая аппаратура с пушками прямого или косвенного накала катодов как своего изготовления, так и различных отечественных и зарубежных производителей.
Сочетание точной механики с компьютерными системами управления устраняет зависимость качества сварных соединений от влияния «человеческого фактора» (оператора-сварщика) и обеспечивает программными средствами точное ведение луча по стыку, изменение мощности луча и фокусировки на требуемом отрезке траектории стыка.
Что такое электронная пушка? — Определение, работа и конструкция
Определение: Электронная пушка определяется как источник сфокусированного и ускоренного электронного пучка. Это устройство, используемое в электронно-лучевой трубке для отображения изображения на фосфорном экране ЭЛТ. Электронная пушка излучает электроны и формирует их в пучок с помощью нагревателя, катода, сетки, предварительного ускорения, ускорения и фокусирующего анода.
Эмиссия электронов
Электроны испускаются через катод с косвенным нагревом.Катод с косвенным нагревом означает, что катодный электрод окружен нитью накала, и электроды испускают электроны, когда к нему подается питание.
Для получения высокой эмиссии электронов при умеренной температуре на конец катода нанесен слой оксида бария и стронция. Ток и напряжение, необходимые для косвенного нагрева катода, примерно равны 600 мА и 6,3 В.
Работа электронной пушки
После выхода из катода электрон проходит через управляющую сетку.Сетка управления изготовлена из никелевого материала. Это центральное отверстие и коаксиально с осью ЭЛТ. Интенсивность управляющих лучей зависит от количества электронов, эмитируемых катодом. Сетка имеет отрицательное смещение, которое контролирует поток электронов.
Электрон, который проходит от управляющей сетки, ускоряется высоким положительным потенциалом, который прикладывается к предварительно ускоряющей и ускоряющей сеткам.
Электронный пучок фокусируется фокусирующим анодом.Луч, пройдя фокусирующий анод, проходит через отклоняющие пластины и попадает на люминесцентный экран.
Конструкция электронной пушки
Основная функция электронной пушки — создание и ускорение пучка электронов внутри вакуумной трубки ЭЛТ. Для создания и ускорения пушки требуются нагреватель, катодные электроды, сетка и разные типы анодов. Подробное описание их частей показано ниже.
1.Нагреватель — Нагреватель преобразует электрическую энергию в форму тепла. В нем есть резистор, который препятствует прохождению тока и преобразует его в тепловую энергию. Нагреватель нагревает катодные электроды и испускает электроны.
2. Сетка управления — Сетка управления представляет собой никелевый цилиндр. Это металлическая чашка, которая имеет сталь с более низкой проницаемостью. Он имеет длину около 15 мм и диаметр 15 мм. В колпачке сетки просверливается отверстие примерно 0,25 мм для потока электронов.
Интенсивность электронного луча, проходящего через сетку, зависит от эмиссии электронов. Управляющая сетка имеет отрицательное смещение, благодаря чему контролируется поток электронов.
3 . Предварительно ускоряющий и ускоряющий анод — Предварительно ускоряющий и ускоряющий анод ускорял лучи, проходящие через пистолет. Эти аноды подключены к высокому потенциалу для ускорения электронов.
4. Фокусирующий анод — После прохождения через предварительно ускоряющий и ускоряющий электроды электроны проходят через фокусирующий луч.Фокусирующий анод генерирует пучки острофокусных электронов.
Электронная пушка размещена внутри стеклянной трубки таким образом, чтобы электронный луч не взаимодействовал с молекулами воздуха.
Электронные пучки (катодные лучи) | IOPSpark
Большинство отклоняющих трубок работают аналогичным образом.
Электроны испаряются с горячего катода (отрицательного).Они ускоряются по направлению к аноду (положительному) с помощью высокого напряжения. Они выходят из отверстия в аноде с довольно равномерной скоростью, которая остается постоянной, когда они пересекают трубку, из которой откачивается воздух. См. Инструкцию:
Электронные пушки
При отсутствии напряжения между отклоняющими пластинами электронный луч следует за световым лучом (свет, создаваемый горячей нитью накала) по прямой. Под напряжением, подключенным к пластинам, электроны испытывают вертикальную силу. Постоянная вертикальная сила заставляет луч двигаться по параболическому пути.Он будет все больше изгибаться по мере увеличения отклоняющего напряжения.
Показывает параболический путь
После того, как электроны прошли через анод, на них не действует ускоряющая сила, поэтому в горизонтальном направлении пройденное расстояние, x , составляет
x = v t (1)
, где v — скорость электронов, а t — время, за которое они проходят расстояние x .
В вертикальном направлении электроны изначально не имеют скорости, но испытывают силу, F .
F = e E
, где E — напряженность электрического поля.
У них масса м, , поэтому они ускоряются с ускорением a .
a = F м = e E м
При равномерном ускорении вы можете найти расстояние по вертикали y , которое проходят электроны, используя
y = ½ a т 2 = ½ × e E м x т 2 (2)
Из уравнений (1) и (2), затем
y = e E x 2 2 м v 2 (3)
Для фиксированного ускоряющего напряжения В и постоянно.Таким образом, все в уравнении постоянно, кроме x и y .
Таким образом, y изменяется в зависимости от квадрата x . Это уравнение параболы.
Если пойти дальше, энергия, передаваемая электронам, равна e V a , где V a — ускоряющее напряжение. В результате этого электроны приобретают кинетическую энергию, которая равна ½ m v 2 .Итак, мы можем сказать, что:
½ м v 2 = e V a
v 2 = 2 e V a м
Подставляя в уравнение (3) ,
y = E x 2 4 V a (4)
Напряженность электрического поля между отклоняющими пластинами составляет E = В d d , где В d — отклоняющее напряжение, а d — расстояние между пластинами.
Подставляем в уравнение (4) .
y = V d x 2 4d V a
Из этого уравнения следует обратить внимание на два момента:
- Отклонение не зависит от массы и заряда, поэтому этот эксперимент нельзя использовать для измерения e / m . Причина, по которой он не зависит от этих значений, заключается в том, что при увеличении заряда ускоряющая сила увеличивается на такую же величину в электронных пушках
и
между отклоняющими пластинами.Аналогичный аргумент применим к любым изменениям массы. - Если В d и В a одинаковы (т.е. ускоряющее напряжение также используется для отклоняющих пластин), то форма кривой не зависит от этого напряжения. Это будет постоянная форма, которая зависит только от расстояния между пластинами.
Слияние многослойных углеродных нанотрубок, индуцированное облучением электронным пучком, внутри SEM
В этой статье описан метод слияния многослойных углеродных нанотрубок (MWCNT) внутри сканирующего электронного микроскопа (SEM).
УНТ была захвачена системой манипуляторов нанороботов, которая была сконструирована в SEM с 21 степенью свободы и разрешением 1 нм. УНТ подняли и поместили на два манипулятора. При растяжении УНТ на две части растягивающая сила составляла 140 нН. Затем две части УНТ были соединены между собой двумя манипуляторами. Сила сцепления между двумя частями составила около 20 нН. Когда две части УНТ были снова соединены, контактная площадка была сплавлена путем облучения сфокусированным электронным пучком в течение 3 минут.Измеренное растягивающее усилие соединения составило около 100 нН. Однако после сплавления растягивающая сила была в пять раз больше, чем растягивающая сила, связанная только силой Ван-дер-Ваальса. Эта сила составляла 70 процентов от силы натяжения перед вытягиванием УНТ. Результаты показали, что облучение электронным пучком является перспективным методом плавления УНТ. Надеемся, что в ближайшем будущем эта технология будет применена в наноэлектронике.
1. Введение
Масштаб затвора транзистора интегральной схемы (ИС) уменьшен до 10 нм.
С введением транзисторов размером менее 10 нм, тенденция масштабирования транзисторов с кремнием в конечном итоге достигает своего физического ограничения [1]. Эффекты квантового расслоения становятся более заметными, когда длина канала между истоком и стоком была уменьшена до нескольких нанометров. Благодаря фотолитографии и передовой технологии обработки ультрафиолетового травления центральный процессор (CPU) и графический процессор (GPU) были интегрированы в сотни миллиардов транзисторов. Они снизили энергопотребление процессора и значительно повысили частоту процессора [2].В последние годы углеродная нанотрубка, которая была открыта Рагхаваном в 1991 году [3], вызвала большой интерес не только исследователей, но и инженеров-технологов по вопросу о проводящем канале для транзистора менее 10 нм. Многослойная углеродная нанотрубка представляет собой вращение отдельных листов графена относительно осей иглы [4]. Углеродные нанотрубки были широко известны из-за их исключительных электрических, механических свойств и уникальных характеристик электронного переноса [5, 6].
Ожидается, что эти свойства будут использованы при использовании углеродных нанотрубок в качестве структурных или электрических компонентов.Некоторые крупные компании в мире, такие как IBM Corporation [7] и Intel Corporation [8], предложили новый процесс углеродных нанотрубок. УНТ имели молекулярную структуру, аналогичную графену, который состоял из гексагональной решетки атомов углерода [9]. Носители в УНТ могут свободно перемещаться в каждом листе графена из-за баллистического транспорта [10]. Оно составляет порядка 10 9 А / см 2 , что на три порядка больше, чем у Cu [11]. Плотность тока полевого транзистора (FET) УНТ была в четыре раза больше, чем у лучших кремниевых устройств.Кроме того, это было выполнено при низком рабочем напряжении. С уменьшением масштаба транзисторов скорость переключения будет значительно улучшена [12]. Медь, как традиционный проводящий материал, была более уязвима к повреждениям от электромиграции [13]. Удельное сопротивление меди увеличивается из-за рассеяния электронов на поверхности.
Благодаря этой транспортной форме электронов плотность тока углеродной нанотрубки была на два или три порядка выше, чем у Cu [14], что делало УНТ идеальным материалом для наноустройств и электронных схем.
Технология соединения углеродных нанотрубок является важной частью изготовления структур, подготовки и сборки функциональных устройств. Качество связи напрямую определяет надежность исправного устройства. Существующие методы соединения включают химическое осаждение из паровой фазы (CVD), технологию излучения пучка высокой энергии, дуговый разряд и технологию соединения ультразвуковой вибрации [15]. Во время традиционной обработки было невозможно реализовать достоверный захват и выравнивание углеродной нанотрубки в трехмерном пространстве.Кроме того, углеродные нанотрубки не были соединены между собой соответствующими методами. Чтобы решить эти проблемы, некоторые ученые спроектировали и разработали операционную систему nano. Fukuda et al. сконструировал систему манипулирования нанороботами, состоящую из 4-х операционных блоков с 16 степенями свободы [16].
Эта система может использоваться для наноманипуляций и нано-сборки. Ru et al. продемонстрировал 4-зондовую автоматизированную систему наноманипуляции внутри SEM для задачи наноманипуляции [17]. В производстве ИС УНТ могут быть размещены с помощью подъемной технологии [18].Это может эффективно решить проблему, с которой сталкивается обработка производства сверху вниз.
За эти годы было доказано, что CNT имеет потенциальное применение в крупномасштабных интеграционных межсетевых соединениях. Электронные устройства нанометрового масштаба были реализованы и широко применяются в компьютерных микросхемах, крошечных проводах и т. Д. С помощью многих методов соединения углеродных нанотрубок [19]. За десятилетия наноустройства [20–22] сделали большой прорыв благодаря технологии межсоединений. Технология соединения стала ключевым компонентом в производстве наноустройств.Wu’s Group успешно сварила двустенные УНТ внутри вакуумной трубки с помощью вакуумной пайки УНТ с эвтектическим сплавом (AgxCuy), легированным Ti.
Процесс соединения требовал низкой стоимости, а сопротивление контакта было низким [23]. Крашенинников и др. выполнили МД моделирование сварки УНТ под действием ионного облучения [24] и показали, как этот подход может быть использован для пайки УНТ. Однако со временем энергия расходуется. Чен и Жанг показали, что сфокусированный электронный пучок в сканирующем электронном микроскопе (SEM) можно использовать для осаждения небольшого количества углеводородного загрязнения, чтобы прикрепить трубки к наконечнику AFM [25].Адгезия была достаточно большой, чтобы УНТ прочно прикреплялась к наконечнику АСМ. Однако экспериментальные устройства были загрязнены во время процесса соединения. Peng et al. синтезированы разветвленные структуры H-переходов и множественных Y-переходов УНТ с использованием метода термического химического осаждения из газовой фазы [26]. Пространственное разрешение, гибкость и управляемость сварных швов между отдельными нанопроводами и нанообъектами были радикально улучшены этим методом.
Федоров и др. применили возможности, индуцированные сфокусированным электронным пучком, для сплавления УНТ с электродом [27].Это окажет прямое положительное влияние на расширение функциональности, улучшение качества и снижение затрат на изготовление электронных устройств. Эти методы в некоторой степени разрушили свойства УНТ. Предполагается, что нанотрубки соединены связями слияния C-C, и это соединение было сильнее, чем у предыдущих УНТ, соединенных без слияния. Более того, этот метод имеет ряд преимуществ перед другими методами [28]. Технология соединения углеродных нанотрубок не имеет никаких загрязнений.Наноустройства могут быть в массовом производстве с соединенными между собой углеродными нанотрубками [29]. В процессе сплавления связи C-C с электронным пучком нет необходимости в других материалах [30]. Исследования показали, что углеродные нанотрубки можно соединять под любым углом и интегрировать в сложные конструкции с помощью наноманипуляций [31]. Эта технология соединения углеродных нанотрубок может способствовать развитию малогабаритных устройств.
Однако углеродные нанотрубки не были точно связаны между собой. Эти методы изменили поверхностное сопротивление связанных углеродных нанотрубок.Эти сложные проблемы не были эффективно решены с помощью вышеупомянутых методов присоединения.
В этой статье представлен метод соединения углеродных нанотрубок с помощью электронного луча для сплавления связи C-C. Углеродные нанотрубки эффективно собирались и выравнивались с помощью наноманипуляторов. С развитием полупроводниковой технологии размеры наноустройств становятся все меньше и меньше. Эффективное соединение полупроводников стало серьезной проблемой. В будущем промышленном применении большие количества углеродных нанотрубок могут быть сплавлены с помощью облучения электронным пучком.Таким способом будет достигнуто серийное производство. Все операции были завершены в сканирующем электронном микроскопе (SEM). Мы разработали три экспериментальные категории для сравнения эффекта слияния. Чтобы изучить влияние времени облучения и увеличения наблюдения на термоядерный синтез, во время эксперимента следует серьезно наблюдать и регистрировать отклонение АСМ.
Влияние этих факторов просчитывалось соответственно по кривым, полученным в эксперименте.На рис. 1 представлена принципиальная схема метода сплавления при облучении МУНТ электронным пучком.
2. Экспериментальная установка
Экспериментальная система была разработана для изучения этих проблем с помощью SEM. На рис. 2 показана конфигурация системы для манипулирования наноробототехникой с 21 степенью свободы. SEM (Zeiss, MERLIN Compact, разрешение: 1,5 нм) был введен для наблюдения за всем процессом наноманипуляции, который проводился в вакуумной камере SEM (Таблица 1).В этой системе для работы с наноманипуляциями использовались Блок 1, Блок 2 и Блок 3. Блок 1 и Блок 2 (SmarAct, SLC-1720-s) с разрешением 1 нм, показанные на рисунке 2, были четырехосевыми микроманипуляторами. Блок 3 состоял из пикомотора (New Focus, 8301-UHV) и трехмерного микродвигателя (Sigma, TSDS-255C) с разрешением 30 нм для перемещения объема УНТ. Захваты предназначены для фиксации кантилевера АСМ (Olympus, OMCL-TR400PB-1).
АСМ применялся для захвата углеродных нанотрубок из объема УНТ.Углеродные нанотрубки, закрепленные на острие кантилевера АСМ, приводились в движение с помощью манипулятора. Шаг перемещения АСМ был установлен на уровне 5 нм.
| |||||||||||||||||||||||||
