книги / Электронно-лучевая сварка

ток пучка уменьшается. Дополнительно изменяется катодный ток благодаря изменению эмитирующей области катодной поверхности. Это показано на рис. 1.60, где приведены результаты расчета значений плотности тока пучка при разных потенциалах управляющего электрода. Можно увидеть, что при потенциале венельта U w ≤ − 1, 2 кВ периферийные области поверхности катода на-

ходятся за глубоким потенциальным минимумом и ток пучка отбирается только из центральной поверхности катода. При U w = −200 В ток пучка генерируется всей поверхностью катода.

На следующем графике (рис. 1.61) показаны экспериментально измеренные и полученные компьютерными расчетами модуляционные характеристики анализируемой пушки. Можно отметить большое совпадение между результатами компьютерного моделирования и экспериментальными данными.

111

Управляющий электрод (венельт) кроме управления тока пучка принимает участие в формировании его геометрии. Можно заметить, что катод, венельт и анод представляют иммерсионную электронную линзу, которая фокусирует пучок. В произвольном триодном ускоряющем промежутке из-за этой фокусировки пучка (кроссовер меняет свое расположение) возможна ситуация, когда не все электроны проходят через анодное отверстие.

В последнем случае ток пучка является лишь частью катодного тока. Попадание электронов на анод является бесполезной потерей энергий и может привести к разрушению анода изза его перегрева. Хотя анод и делается водоохлаждаемым, эти потери крайне нежелательны. Анализируемая электронная пушка отвечает этому требованию, и перенос электронов пучка в пределах узла управления током является свободным от потерь. Этот вывод компьютерного моделирования подтверждается экспериментом, ток пучка практически равен катодному току пушки. Профили распределения значений плотности тока на выходной плоскости пушки z = 3,2 cм для разных потенциалов управляющего электрода показаны на рис. 1.62.

Качество генерируемого пучка на основании концепции эмиттанса можно оценить, используя фазовый анализ. Фазовые контуры (диаграммы эмиттанса), соответствующие выходу анализируемой электронной пушки, для некоторых значений потенциала на венельте показаны на рис. 1.63. Проекции этих диаграмм эмиттанса на осях 0r и 0r' характеризуют максимальный радиальный размер (радиальное распределение пучка) и максимальный угол расходимости (распределение траекторий пучка по углам). Фазовый анализ пучка заключается в возможности получения таких диаграмм в различных сечениях пучка (в том числе и в кроссовере) по оси пучка. При ускорении электронов их аксиальный момент растет, и поэтому рассчитывается нормированный эмиттанс. Таким образом, появляется возможность сравнивать качество пучков, полученных при разных ускоряющих напряжениях.

112

(другие параметры одинаковые) пучок транспортируется легче и может быть сфокусирован в меньшем фокусном пятне. Показанный на рис. 1.64 (кривая 2) среднеквадратический r.m.s эмиттанс рассчитан в соответствии с уравнением (1.44) с использованием координаты фазового пространства всех траекторий, вклад которых в распределение пространственного заряда учитывается.

На рис. 1.64 (кривая 3) показана зависимость измеренного среднеквадратического r.m.s. эмиттанса. Эта оценка выполнена с компьютерно-управляемого анализатора с четырьмя щелями, образующими два малых отверстия, описанного ранее. Можно заметить качественное соответствие между рассчитанными и экспериментально измеренными среднеквадратическими значениями r.m.s. эмиттансов. Большего соответствия и нельзя было ожидать из-за различия методик оценки этих величин (независимо от совпадения в названии).

Зависимость среднеквадратических r.m.s. эмиттансов, рассчитанных и измеренных, от потенциала управляющего электрода можно объяснить следующим образом. Сначала ток пучка максимален, как и его сечение и эффекты пространственного заряда и аберраций. С ростом отрицательного потенциала венельта величина r.m.s. эмиттанса падает до достижения минимума, наблюдаемого при U w = −575 В. Эта (правая) ветвь кривых является

результатом формирования все более и более узкого и упорядоченного, с меньшими аберрациями пучка. При дальнейшем росте отрицательного потенциала на венельте углы сходимости и расходимости растут и пучок претерпевает большие аберрации.

На базе сделанного анализа электронной пушки можно заключить, что ее электронно-оптические характеристики отвечают требованиям и она подходит для сварочных приложений. Следующим этапом является тестирование пушки в режиме сварки. Поперечные сечения швов, полученных при использовании рассматриваемой пушки, приведены на рис. 1.65. Сварка осуществлялась с частичным проплавлением нержавеющей стали 12Х18Н10Т при ускоряющем напряжении Ua = 25 кВ, скорости

115

Эти подходы и получаемые с помощью них данные могут быть использованы для создания нового и улучшения существующего оборудования, улучшения качества и повторяемости свариваемых соединении, при стандартизации электронно-луче- вых установок, переносе технологий от одной сварочной установки на другую и в случае ответственных заказов, при периодических тестах после замены катода или других эксплуатационных настроек оборудования.

1.3. ПРОНИКНОВЕНИЕ УСКОРЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В МАТЕРИАЛ

1.3.1. Общие сведения и теория проникновения

Знание физических процессов, протекающих при бомбардировке твердых образцов ускоренными электронами, необходимо в научных исследованиях ряда областей технических наук и медицины, при работе множества электронных элементов и приборов, в ряде электронно-лучевых технологических процессов. Условия в большинстве экспериментов с электронными пучками или в электронных приборах подбираются таким образом, чтобы преобладал один из протекающих процессов. В условиях технологического применения интенсивных электронных пучков обычно протекают одновременно и имеют заметный вклад сразу несколько процессов. Проникновение ускоренных электронов сопровождается их рассеянием и обратным отражением части падающих электронов при одновременном уменьшении кинетической энергии проникающих частиц. Создаются и вторичные быстрые электроны, фотоны или кванты рентгеновского излучения, как и колебания валентных электронов бомбардируемого материала.

Повышенная кинетическая энергия электронной подсистемы твердого образца достаточно быстро приходит в равновесие

117

с атомной подсистемой, в течение времени порядка 10–10 –10 –15 с, т.е. получается локальный перегрев материала. Далее выделенное тепло распространяется в облучаемом образце посредством механизма теплопроводности. В зависимости от роли этой части энергии электронного пучка в происходящих физико-химических изменениях материала мишени электронно-лучевые технологические методы подразделяют на термические и нетермические.

В термических электронно-лучевых процессах тепловая роль является основной. Методы анализа вещества, использующие ускоренные электроны, – нетермические методы. Они используют рассеивание и энергетические потери проникающих электронов, обратно отраженные и вторичные электроны или эмитированные в процессе взаимодействия кванты электромагнитного излучения, чтобы получить информацию о структуре или составе облучаемой области материала. Падающий электронный пучок имеет малое поперечное сечение, чтобы получались данные, относимые к микрообъему или маленькой поверхности мишени. Процессы внедрения и рассеяния электронов имеют решающее значение для разрешающей способности этих методов. Электронные микроскопы – сканирующие и просвечивающие электронографы и микроанализаторы с электронным микрозондом – играют важную роль в современном производстве и науке материалов.

Другой типичный нетермический электронно-лучевой процесс – электронная литография. Это важное направление в микроэлектронной технологии и технологии наноразмерных устройств использует физико-химические изменения в полимерных тонких пленках при их облучении электронами. Возможность радиационного модифицирования материалов, как и множество радиационно-химических технологий, определяется знанием и использованием процессов и закономерностей внедрения быстрых электронов в твердых образцах.

И при электронно-лучевых термических процессах важно знать глубину проникновения и процессы трансформации кине-

118

тической энергии проникающих частиц. С одной стороны, эти характеристики определяют вид тепловых источников (объемные или поверхностные) при соответствующих условиях. С другой стороны, прохождение и рассеяние электронных пучков в парах обрабатываемого материала имеют существенные последствия.

Попадая на обрабатываемый материал, ускоренный электрон не останавливается на поверхности, а продолжает свое движение до достижения некоторой глубины в нем. При этом

врезультате ударов с атомами мишени энергия проникающего электрона уменьшается и направление его движения изменяется. Процессы рассеяния и потери энергии взаимно связаны и существенно зависят от энергии электрона. Основные пространственное, угловое и энергетическое распределения проникающих

втвердом образце электронов могут быть получены, если мишень рассматривается как ансамбль отдельных, не взаимодействующих один с другим атомов. При этом принимается, что электрон в определенный момент взаимодействует только с одним из них (задача для соударения трех частиц трудна и практически до сих пор не решена).

При взаимодействии электрона с атомом в зависимости от суммарной кинетической энергии взаимодействующих частиц соударения могут быть упругими и неупругими. После упругого соударения электрона с атомом изменяется направление движения бомбардирующего электрона, а потеря энергии при этом

врезультате большой разницы в массах взаимодействующих частиц незначительна. При упругом ударе падающий электрон взаимодействует прежде всего с ядром рассеивающего атома. После неупругого удара изменяется не только импульс электрона (направление импульса), но и его энергия. Обычно одновременно с этим бомбардированный нейтральный атом возбуждается или ионизируется. В этом случае происходит неупругое соударение I рода. Если в ударе кроме электрона участвуют возбужденные атомы или ионы и происходит отдача энергии бомбардирующему электрону, говорят о неупругом взаимодействии II рода. Неупру-

119

гие удары II рода имеют малую вероятность при внедрении электронов в твердые образцы, и поэтому ими пренебрегают. Потерю энергии падающего электрона при неупругих ударах часто называют потерей на возбуждение и ионизацию. Из результатов моделирования процесса проникновения (см. в конце подраздела) можно сделать вывод, что в результате упругих ударов с атомами мишени траектория проникающего электрона перестает быть прямой (получает форму зигзагообразной линии) – рис. 1.66. В углах этой линии отклонение направления движения проникающего электрона определяется соударением с одним из атомов мишени. Длина свободного пробега проникающего электрона между двумя ударами зависит от плотности материала и вероятности рассеяния (сечение рассеяния).

Существуют особенности проникновения ускоренных электронов в случае, если мишень является монокристаллической и направление движения проникающего электрона совпадает с кристаллографическими осями. Тогда наблюдается каналирование движения проникающей частицы (движение в направлении оси между плотно упакованными поверхностями кристалла).

Рис. 1.66. Внедрение электрона втвердомобразце. Эластичные удары реализуются вточках 1, 2, 3, … , n.

Отсечка 0R – глубина на проникновение (проектированный пробег), алиния 0, 1, 2, 3, … , n – траекторный пробег

120