WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 || 13 | 14 |   ...   | 27 |

При расчете нагрева вещества электронным лучом, если при этом нет фазового перехода, т.е. плавления или испарения, необходимо решить уравнение теплопроводности T QV (x,y,z, t) - a2T =, (3.8) t cV где a, cV - соответственно температуропроводность и удельная теплоемкость вещества; QV - объемная плотность мощности источника теплоты; - плотность вещества.

Обычно рассматривается осесимметричный электронный луч с гауссовым распределением плотности тока по радиусу:

2 j(r) = j0 e-r / r0, (3.9) где j0 - плотность тока на оси луча; r0 - эффективный радиус луча.

С учетом уравнения (3.6) выражение для объемной плотности мощности будет иметь вид r Z+8 x x 1- r0 4 3 - 2 e- 4 R QV = QV0 e, (3.10) R где QV0 - объемная плотность мощности на поверхности образца по оси луча.

Если выражение (3.10) аппроксимировать функцией Гаусса, максимум которой соответствует глубине максимального энерговыделения (рис.3.3), то распределение температуры T(r, x, t) имеет вид:

2 QV0 er / r0 - x)( T(r, x, t) = exp- 2cV 4a t x erfc- 4 x2 a t1+ dt, (3.11) m 4a x2 t m где xm-полуширина гауссовой функции распределения по глубине;

(0,2-0,4)R.

Расчеты по этой формуле следует проводить только для режимов нагрева без перехода вещества в жидкую фазу. Энергия электронов Eучитывается через параметр E02.

Для материалов с хорошей теплопроводностью (медь) температура поверхности слабо зависит от энергии электронов; для материалов примерно с той же плотностью, но со значительно худшей теплопроводностью (нержавеющая сталь), температура поверхности резко падает, в то время как максимальная температура на глубине может превышать температуру кипения. Вольфрам имеет значительно большую плотность, поэтому тепловой источник локализуется вблизи поверхности, а относительно высокая теплопроводность позволяет выровнять температуру по глубине.

Q(x) Q X R Рис. 3.1. Распределение плотности поглощенной энергии электронов в веществе по глубине Q, МэВ/см 160 E1=6 кэВ E2=12 кэВ E3=15 кэВ x, мкм 0,5 1,0 1,5 2,Рис. 3.2. Экспериментальное распределение поглощенной энергии по глубине в алюминии Относительно просто решается задача о поверхностном испарении материала. В этом случае считается, что при достаточно большой плотности мощности электронного луча происходит испарение вещества без перехода в жидкое состояние (сублимация). Потерями на теплопроводность и лучистое теплоиспускание можно пренебречь. Энергетический баланс можно записать следующим образом:

LиспS h = P t, (3.12) где - плотность материала; Lисп - теплота испарения; S - площадь энерговыделения луча; h—глубина испаряемого материала за время t - тепловая мощность, выделяемая электронами.

Рис.3.3. Распределение выделенной электронами энергии по объему вещества При действии луча в течение времени t глубина лунки на образце равна h() = q t / ( Lисп ), (3.13) где q=Р/S - плотность мощности.

В данном приближении считается, что область испарения материала находится в адиабатических условиях, температура поверхности всегда равна температуре испарения. Практически такой режим встречается достаточно редко; даже при размерной обработке (сверлении, фрезеровании) существует теплоотвод благодаря теплопроводности материала, находящегося в твердой фазе. В этом случае граничные условия на поверхности (х = 0) при T=Tисп равны q=Lиспdh/dt - T / x, где T / x - скорость испарения материала;

-теплопроводность материала.

Решая уравнение теплопроводности при данном граничном условии, в первом приближении можно получить выражение скорости испарения:

-1/ dh q 1 2 t 2 t 2 t = + erfc - exp-, (3.14) dt Lисп 2 4a a 4a q где а - температуропроводность материала, = (1- ) - скорость Lисп cTисп испарения материала при отсутствии теплоотвода; = < 1 (например, Lисп для Cu, Au, Fe 0.2). При малых временах нагрева (v2/a0.1) скорость испарения резко возрастает, но всегда остается меньше v. Затем по мере роста времени нагрева она стремится к постоянному значению: h / t.

Выражение для глубины проплавления h, которое получено при тех же граничных условиях, что и формула (3.14), имеет вид:

q 2с Tпл 2a h =, (3.15) 1+ Lпл 1+ 2(c Tпл + Lпл ) d где - время облучения; Lпл - теплота плавления материала.

Из этого выражения видно, что в начале воздействия электронного луча (малые ) глубина проплавления линейно зависит от времени облучения ; при больших временах облучения скорость проплавления замедляется, и при >2d2Lпл/(асTпл) глубина h не увеличивается.

Наиболее сложен для анализа случай плавления материала при скорости выделения тепловой энергии, превышающей скорость ее отвода за счет теплопроводности, теплового излучения и испарения с поверхности. В этом случае осуществляются глубокое проплавление материала в специфическом режиме «кинжального» проплавления, когда отношение глубины проплавления h к диаметру электронного луча d может достигать величины 40-50. Характерной особенностью такого режима является то, что глубина проплавления значительно превышает глубину проникновения электронов в твердую фазу. Максимальная глубина проникновения зависит от удельной мощности электронного луча и от времени обработки и на несколько порядков превышает траекторный пробег электронов в твердой фазе.

При глубоком («кинжальном») проплавлении глубина h зависит от большого числа факторов. На поверхности расплавленного металла действуют силы, которые стремятся прогнуть поверхность расплава и вытеснить расплавленный металл из зоны воздействия луча, образуя кратер.



Они обусловлены давлением электронного луча и реактивным давлением испаряющихся частиц. Эти силы уравновешиваются гидростатическим давлением столба жидкости и силами поверхностного натяжения жидкого металла. Из условия баланса всех сил можно определить радиус канала Rк (рис. 3.4) по уравнению:

Rк =, (3.16) и 2k T / M - hк где - коэффициент поверхностного натяжения; vи - скорость испарения материала при температуре T; - плотность жидкого металла;

M - молекулярная масса материала расплава; hк - глубина кратера; k - постоянная Больцмана.

При увеличении мощности луча увеличивается скорость vи, следовательно, радиус кривизны будет уменьшаться, но для сохранения баланса сил глубина кратера hк должна увеличиться.

Параллельно развивается процесс взрывного вскипания вещества, в образовавшемся канале возникает ударная волна, которая выносит жидкую фазу из полости канала наружу. При наличии парообразного состояния в канале происходит увеличение длины пробега электронов и, следовательно, дополнительный разогрев дна канала от электронной бомбардировки.

Возможно также усиление нагрева из-за дополнительной фокусировки электронного пучка положительными ионами паров металла в канале.

Процесс образования канала при действии столь большого числа сил неустойчив. Экспериментально установлено, что паровой канал в зоне воздействия пучка периодически открывается за время порядка 1 мс. Весь процесс образования глубокого канала носит пульсирующий характер.

Действие столь большого числа факторов не позволяет построить удовлетворительную модель формирования «кинжального» канала, поэтому приходится пользоваться в основном эмпирическими соотношениями.

Рис. 3.4. Образование паро-плазменного канала при глубоком проплавлении Контрольные вопросы Что такое глубина проникновения электронов в твердое тело, чем она отличается от траекторного пробега От каких факторов зависит длина пробега электронов в твердом теле Почему при рассмотрении движения быстрых электронов в твердом теле можно использовать модель непрерывного торможения Как зависит траекторный пробег от плотности твердого тела Как зависит траекторный пробег от энергии первичных электронов Почему при движении в твердом теле диаметр электронного пучка увеличивается Сформулируйте феноменологическую диффузионную модель рассеяния электронов в твердом теле.

Почему максимум энерговыделения при электронной бомбардировке наблюдается не на поверхности, а на некоторой глубине Как влияет теплопроводность материала на распределение температуры по глубине проникновения электронного луча Как зависит глубина лунки при испарении от плотности материала Как зависит глубина лунки при испарении от теплоты сублимации материала При каких условиях возникает режим кинжального проплавления Какие процессы протекают в канале при кинжальном проплавлении 3.3. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫ Е УСТАНОВКИ 3.3.1. Общие принципы построения электронно-лучевых установок Достаточно многочисленные электронно-лучевые установки имеют ряд одинаковых функциональных узлов. Укрупненная фунциональная структурная схема технологической установки может быть представлена в следующем виде:

источник система фор- система рабочая камера электронов мирования управления или потока потоком зона обработки электронов электронов система обеспечения вакуума При большом разнообразии конструктивных исполнений общая компоновочная схема современной технологической установки для электронно-лучевой обработки содержит следующие функциональные узлы:

генератор пучка (электронная пушка), систему транспортировки и управления пучка, устройство контроля и регулирования параметров потока электронов, вакуумную систему и технологическую камеру. В зависимости от требований реализуемого процесса в установках могут отсутствовать те или иные элементы, но в любом из них имеются источники электронов.

3.3.2. Источники электронов Общий диапазон электронных потоков, используемых в технологии и аналитической технике, очень широк и составляет от сотен до 10-10 А.

Для генерации пучка электронов в вакууме используются различные физические явления: термоэмиссия, эмиссия под воздействием электрического поля высокой напряженности, вторичная электронная и фотоэмиссия, эмиссия из плазмы и т.д. Часто в одном типе электронного источника одновременно действуют несколько физических механизмов.

Условно все типы эмиттеров можно подразделить на два больших класса: с геометрически фиксированной и подвижной эмиссионными границами.

К эмиттерам электронов с фиксированной границей относятся все термокатоды, ненакаливаемые "холодные" катоды: металлические автоэмиссионные, фотоэмиссионные, туннельные структуры МДМ, полупроводниковые структуры МДП. Плазменные источники электронов имеют подвижную эмиссионную границу.

Основные требования, предъявляемые к катодам электронно-лучевых установок, следующие:

1 - обеспечение требуемого электронного тока;

2 - устойчивость к ионной бомбардировке, долговечность работы;

3 - устойчивость и сохранение эмиссионной способности после многократных воздействий воздуха.

Из термокатодов наиболее полно удовлетворяют всем представленным требованиям только гексаборидлантановые катоды. В ряде случаев используются простые металлические термокатоды, в основном, вольфрамовые. Оксидные катоды и многочисленные эффективные термокатоды на основе системы вольфрам - барий неудобны для использования, так как барий на их поверхности быстро окисляется при взаимодействии с кислородом даже при комнатной температуре.





Общий электронный ток от выбранного типа катода определяется, в первую очередь, допустимой плотностью тока j и его эмиссионной поверхностью. При рабочих температурных режимах гексаборидлантанового катода, когда над эмитирующей поверхностью образуется пространственный заряд электронов, эмиссионный ток в вакуумном диоде оценивается по закону Ленгмюра:

IЛ = GUa3/2, (3.17) где G - первеанс источника электронов; Ua - напряжение на аноде.

Металлические катоды промышленных установок чаще всего изготовляются в виде V-образных проволочных или ленточных конструкций.

Основным источником для получения электронных потоков с большим значением плотности тока являются плазменные эмиттеры на основе тлеющего или дуговых разрядов. Плазменные эмиттеры находят применение в технологических установках с сильными электронными потоками. В этих эмиттерах площадь и форма эмиссионной границы определяется свойствами плазмы и условиями токоотбора. Плотность тока от плазменного источника рассчитывается по формуле:

1 8kTe je = e ne, (3.18) 4 m где Te - температура электронного газа в К.

Если принять Te = 104 K, ne = 1018 m-3 - концентрация электронов в плазме, то из плазменного источника можно получить токи с плотностью А/см2, что в 103 раз больше, чем для рассмотренных твердотельных эмиттеров.

3.3.3. Электронные пушки Преимуществом электронно-лучевой технологии является сравнительная легкость управления параметрами электронного луча с помощью специальных электронно - оптических систем (ЭОС). Как правило, эти системы формируют моноэнергетический пучок электронов, сфокусированный до достаточно малых поперечных размеров и направленный на выбранный участок объекта. Если необходимо увеличить площадь облучаемой поверхности, то такой пучок обычно разворачивают в растр или последовательно перемещают от участка к участку по заданной программе. Возможно и другое решение - использование ЭОС проекционного типа, создающих достаточно широкие электронные пучки с требуемым распределением плотности тока по сечению. Тип ЭОС, диапазон ускоряющих напряжений, допустимый разброс по энергиям и углам вылета электронов, минимальный поперечный размер пучка и плотность электронного тока в каждом конкретном случае определяют с учетом целевого назначения электронно-лучевой установки.

Электронно-оптические системы содержат катод, фокусирующий электрод и анод с отверстием для вывода пучка. Чаще всего применяют генераторы пучков аксиального типа, в которых поток, а также электростатические и магнитные поля имеют осевую симметрию. Основное назначение электронной пушки - обеспечение на объекте обработки необходимой концентрации мощности электронного потока при заданном его размере. При движении электронного потока под действием собственного объемного заряда может происходить увеличение его поперечных размеров вследствие расталкивания электронов. Для оценки влияния объемного заряда используют первеанс электронной пушки, который представляет собой коэффициент пропорциональности в уравнении трех вторых:

G = Iл/Uа3/2, (3.19) где Iл - ток луча; Uа - напряжение на аноде.

Считается, что если G<10-8 А/В3/2, то влиянием объемного пространственного заряда можно пренебречь. В установках электроннолучевой технологии применяются пучки с первеансом от 10-5 до 10-8 А/В3/2.

При этом в источниках с большим первеансом часто используют ионную самофокусировку луча, когда собственный отрицательный пространственный заряд потока компенсируется ионами остаточных газов.

Фокусировку электронных потоков обычно осуществляют с помощью магнитных, реже - электростатических линз. Короткофокусные магнитные линзы применяют для пучков с высокими плотностями тока при относительно небольших ускоряющих напряжениях. Фокусировку потоков с малой плотностью при ускоряющих напряжениях 100 - 200 кВ проводят длиннофокусными электростатическими линзами.

Для нетермической электронно-лучевой обработки применяют пушки с ускоряющими напряжениями 5 - 25 кВ, а иногда до 60 кВ и мощностью в пучке до нескольких десятков ватт. Система генерации пучков работает с игольчатыми катодами из вольфрама или гексаборида лантана. Диаметр пятна лежит в пределах от нескольких микрометров до 0,01 мм; плотность тока в пятне достигает 100 А/см2 и выше. Электронно-оптические устройства оснащены двумя или тремя магнитными линзами. Вследствие необходимости сильного диафрагмирования ток пучка, попадающий на объект, в зависимости от диаметра пучка уменьшается до 1 мкА - 1 нА и даже меньше.

Управление электронным пучком во времени производят с помощью электростатических запирающих пластин, имеющих время включения 0,10,01 мкс. Для отклонения электронных пучков используются преимущественно магнитные устройства.

3.3.4. Система обеспечения вакуума Следует иметь в виду, что на пути к поверхности объекта первичные электроны могут терять энергию и изменять направление движения из-за рассеяния на частицах окружающей среды. Число актов рассеяния на частицах определенного сорта пропорционально концентрации этих частиц, сечению соответствующего процесса и протяженности электронного потока.

Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 || 13 | 14 |   ...   | 27 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.