Физические основы генерации электронных пучков и конструктивные особенности технологических электронных пушек

Принципы формирования электронных пучков

Основным элементом технологической электронно-лучевой установки является электронная пушка (ЭП), электронно-оптическая система которой формирует поток электронов с заданными параметрами в технологическом вакууме. Многообразие конструкций электронных пушек объясняется существованием различных механизмов получения свободных электронов, формирования протяженных пучков и управления их параметрами. Требования к конструкции пушек, применяемых в ЭЛУ, в основном продиктованы технологическими особенностями реализуемых процессов.

По конструкции электронно-оптической системы сварочные пушки делятся на два типа: пушки с однокаскадной электростатической фокусировкой и пушки с комбинированной системой фокусировки.

В пушках с однокаскадной электростатической фокусировкой поток электронов формируется только электростатическим генератором без применения дополнительных фокусирующих систем (рис. 2.1, а). Анодом пушки является само изделие. Такие пушки могут питаться от нестабилизированных источников, так как фокусное расстояние электростатического генератора мало меняется при пропорциональном изменении потенциалов на его электродах. Простота конструкции не обеспечивает формирование интенсивного электронного потока с высокой плотностью энергии. Кроме того, у ЭП данного типа время работы катода ограниченно, а вероятность пробоев межэлектродного промежутка велика.

Для расширения технологических возможностей пушек с однокаскадной электростатической фокусировкой в их конструкцию вводят ускоряющий электрод — анод, который находится под потенциалом изделия (рис. 2.1, 6). Это позволяет увеличить расстояние между свариваемым изделием и электростатическим генератором пушки, улучшить наблюдаемость процесса сварки, уменьшить вероятность пробоев, осуществлять перемещение электронного луча с помощью отклоняющей системы.

Интенсивные электронные потоки с высокой плотностью энергии формируют в пушках с комбинированной системой фокусировки (рис. 2.1, в). Электростатический генератор такой пушки, включающий в себя катод, прикатодный электрод и анод, формирует сходящийся поток электронов.

Режим работы современных пушек (рис. 2.1, г), регулируется подачей отрицательного потенциала на дополнительный управляющий (запирающий) электрод электростатического генератора. С помощью этого электрода обеспечивается импульсный режим работы сварочной пушки, а также режим запирания пучка при технологической настройке перед сваркой. Минимальное сечение луча проектируется на свариваемое изделие с помощью электромагнитной фокусирующей системы. Конструкция электронно-лучевой пушки такого типа показана на рис. 2.2. Основными ее элементами являюгея: катодный узел с высоковольтным проходным изолятором, ускоряющего электрода (анода), системы механической юстировки, электромагнитной фокусирующей и электромагнитной отклоняющей систем. Для формирования электронного луча в пушке используется трехэлектродный электростатический генератор с плоскими электродами. Катодом служит таблетка из гексаборида лантана (LaB₆), подогреваемая вольфрамовой спиралью. Окончательная фокусировка пучка осуществляется электромагнитной системой, размещаемой совместно с отклоняющей системой в специальном стакане, который располагается в нижней части корпуса пушки.

На рис. 2.3 приведена схема формирования электронного пучка в трехэлектродной пушке. Это основной тип пушек, применяемых на сегодняшний день в установках для сварки, термообработки, резки, плавки и ряда других. Эмиттером свободных электронов является катод К. Для формирования пучка, фокусировки и ускорения электронов, а также для регулирования электронного тока, используются электрические поля, создаваемые системой электродов «катод — управляющий электрод — анод». Примерный вид траекторий электронов пучка и эквипотенциальных поверхностей Э в сварочной электронной пушке показан на рис. 2.3. Конфигурация полей, создаваемых анодом, А и управляющим электродом УЭ, обеспечивает фокусировку электронного пучка за счет действия электростатических сил Лоренца F, направленных по нормали к эквипотенциальным поверхностям.

Рис. 2.1. Электронно-оптические схемы электронно-лучевых пушек:

а — с однокаскадной электростатической фокусировкой; б — то же и с ускоряющим электродом (анодом); в — схема б с комбинированной фокусировкой; г — схема в с дополнительным управляющим (запирающим) электродом: 1 — подогреватель; 2 — катод; 3 — прикатодный электрод;

• 4 — электронный луч; 5 — свариваемое издечие; 6 —ускоряющий электрод (анод); 7 — фокусирующая система; 8 — отклоняющая система;
• 9 — управляющий электрод

Поперечные размеры электронного пучка в плоскости кроссовера, как правило, бывают намного меньше размеров катода. Поэтому для проведения процесса сварки в «кинжальном» режиме с помощью магнитной линзы (МЛ) проецируют на изделие И изображение кроссовера, а не катода. Условный диаметр пучка на изделии на рис. 2.3 обозначен как D_и. В некоторых конструкциях пушек кроссовер отсутствует, или является мнимым, т. е. расположенным выше катода.

Рис. 2.2. Общий вид и компоновка основных узлов сварочной электронно-лучевой пушки:

I — корпус; 2 — катодный узел; 3 — изолятор; 4 — фокусирующая система;

5 — отклоняющая система; 6 — анод; 7 — высоковольтный кабель

Управляющий электрод также используется для регулирования тока электронного пучка. Анод имеет потенциал корпуса установки, катод — высокий отрицательный потенциал (обычно минус 30—100 кВ) относительно корпуса. Разность между потенциалами анода и катода называется ускоряющим напряжением U_y. Потенциал управляющего электрода изменяется от потенциала катода в сторону уменьшения потенциала. В случае, если потенциал управляющего электрода оказывается меньше потенциала катода, вблизи катода существует так называемое «запирающее поле», препятствующее ускорению свободных электронов полем анода и ограничивающее ток электронного пучка. Разность между потенциалом катода и управляющего электрода получила название «напряжения смещения» U_c.

Рис. 2.3. Схема формирования электронного пучка в трехэлектродной электронной пушке.

Система, включающая в себя катод К, управляющий электрод УЭ и анод А называется электростатическим генератором или оптической схемой генератора (иногда ее называют также иммерсионным объективом). Катод испускает свободные электроны, имеющие небольшие начальные скорости.