Электронным лучом (пучком) называют острофокусный 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 достигается больший локальный разогрев. По концентрации мощности электронный пучок уступает лишь лучу оптического квантового генератора (табл. 2-2).
Открытие термоэлектронной эмиссии, использование магнитных и электростатических аксиально-симметричных полей для фокусировки электронных пучков, развитие вакуумной техники - основные вехи на пути развития электроннолучевой сварки. Промышленное применение электроннолучевой сварки началось в конце 50-х годов нашего столетия.
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 энергии. Таким образом, электронный нагрев происходит в самом веществе в отличие от обычных, широко
применяемых в сварке источников 1ейлоты, нагревающих поверхности металла. Наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на глубине пробега электрона.
Сварочная ванна испытывает реактивное воздействие испаряемого металла, теплового и рентгеновского излучения, воздействие потока электронов, а также давление отдачи вторичных и тепловых электронов. Сила давления испаряемого металла составляет основную часть общего силового воздействия на ванну, ее величина может достигать нескольких граммов.
Электронный луч с требуемыми свойствами формируется в электронной пушке. Для фокусировки электронного луча значительной мощности в пятно возможно меньшего сечения сводят к минимуму влияние погрешностей электронной оптики, взаимного отталкивания электронов в пучке, тепловых скоростей электронов, рассеивания электронов на молекулах остаточных и выделяющихся в процессе сварки газов и паров. Добиваются сохранения высокой удельной мощности пучка на большом расстоянии от пушки.
В каждой электроннолучевой пушке указанные условия формирования сварочных электронных пучков обеспечиваются в различной степени в зависимости от предъявляемых к ней требований. В первых пушках для электроннолучевой сварки пучок электронов формировался только с помощью прикатодного электрода, без применения дополнительных фокусирующих систем (рис. 2-12, а). Анодом пушки являлось само изделие. Такая одно-каскадная электростатическая система фокусировки не может обеспечить формирования интенсивного электронного пучка с высокой плотностью энергии. Поэтому с ее помощью возможно соединение металлов сравнительно небольшой толщины (1-2 мм). Близость прожектора в зоне сварки повышает опасность электрических пробоев. Технологические и электроннооптические характеристики пушки с однокаскадной электростатической фокусировкой повышаются при введении в конструкцию ускоряющего электрода, имеющего потенциал изделия (рис. 2-12, б). При этом уменьшается возможность электрических пробоев и разрядов, а для питания пушки можно использовать даже невыпрямленное ускоряющее напряжение.
Наиболее широко для формирования сварочных пучков электронов применяется комбинированная электростатическая и электромагнитная фокусировка. В пушках с комбинированной фокусировкой пучка прожектор, состоящий из катода, прикатодного электрода и ускоряющего электрода-анода, формирует сходящийся пучок электронов. Минимальное сечение пучка проектируется (обычно с уменьшением) на свариваемое изделие с помощью электромагнитной фокусирующей системы (рис. 2-12, в).
Сварочные пушки можно разделить по величине ускоряющего напряжения на три основных класса: 1 - низковольтные
2 - с промежуточным ускоряющим
И 3 - высоковольтные (UycK ~
80-^200 кВ). Мощность пучков лежит в пределах 0,3-100 кВт. Пучки электронов, эмитированные термокатодами, формируются в высоком вакууме (10~4-10~5 мм рт. ст.). В газоразрядных пушках и пушках с холодным катодом вакуум составляет 10" х- ю- мм рт. ст.
Основными требованиями к пучку электронов являются достаточно большая плотность энергии в пятне нагрева wn и малый угол сходимости ах пучка на изделии. Эти требования удовлетворяются в большей мере при высокой энергии электронов:
где 1п - ток пучка.
В то же время защита обслуживающего персонала от рентгеновского излучения, возникающего при торможении электронов на изделии, усложняется с ростом энергии электронов. Сложнее становятся сама пушка и ее источник питания.
Основным средством вакуумной электроники СВЧ, служащим для преобразования энергии источника постоянного тока в энергию электромагнитного поля СВЧ колебаний, являются электронные пучки – протяженные электронные потоки, ограниченные в поперечном сечении.
Электронные пучки создаются с помощью специальных электронно-оптических устройств – так называемых электронных пушек, выбрасывающих ускоренные электроны, траектории которых приблизительно параллельны оси пушки.
Рассмотрим такие основные характеристики электронных пучков, как мощность, первеанс и интенсивность электронного потока, а также взаимозависимость между конфигурацией электронного потока и ЗС прибора.
Мощность пучка (произведение переносимого им тока I на напряжениеU , которым были ускорены электроны) определяет мощность прибора СВЧ:P =U I .
Важной характеристикой электронного потока является первеанс, определяемый как . Первеанс является мерой интенсивности потока. В приборах СВЧ, как правило, применяются интенсивные электронные потоки, в которых сила взаимного расталкивания электронов существенно влияет на движение электронов, так что их действием пренебрегать нельзя. Интенсивными, как показывают расчеты, следует считать потоки, у которых первеанс принимает значения, большие 10 -8 –10 -7 A/В 3/2 . Ввиду малости численного значения первеанса часто пользуются более удобной величиной – микропервеансом m , определяемым равенством
= m 10 -6 . (1.34)
Мощность электронного потока через первеанс можно выразить формулой
P =U I =U 5/2 .
Как видно из формулы, при неизменном первеансе мощность очень быстро растет по мере роста U (так, при увеличении напряжения на порядок мощность возрастает более чем в 300 раз).
Однако во всех приборах мощность выгоднее увеличивать не столько за счет роста напряжения, сколько за счет роста тока пучка, так как чем больше рабочее напряжение, тем сложнее конструкция изоляторов в приборе и тем сложнее источники питания и, как следствие, громоздкость и сложность высоковольтного оборудования. Снижение рабочего напряжения при заданной мощности пучка не только уменьшает сложность аппаратуры, но и приводит к уменьшению габаритов прибора за счет сокращения длины активных участков электродинамической системы (ЭДС). В ЛБВ с возрастанием первеанса может увеличиваться коэффициент усиления и КПД.
Для того чтобы сформированный пучок можно было успешно использовать в электронных приборах СВЧ, необходимо, сохраняя хорошую форму, провести его через все пространство взаимодействия с высокочастотными полями. Поскольку в сильноточных электронных пучках действуют значительные кулоновские силы взаимного отталкивания зарядов, приводящие к «разбуханию» пучков, эта задача оказывается зачастую не менее сложной, чем формирование самого пучка.
Для борьбы с «разбуханием» пучков чаще всего применяют постоянное магнитное поле, параллельное оси пучка. Из-за относительно большой длины приборов достаточно сильное магнитное поле требуется создать на большом участке. Поэтому масса магнитной фокусирующей системы (МФС) получается весьма большой. Меньшие затраты на мощность и массу магнитных систем реализуются при использовании периодической магнитной фокусировки, при которой электронный пучок пропускается вдоль знакопеременного магнитного поля. Подобную систему собирают из отдельных коротких магнитных колец, разделенных втулками из материала, обладающего высокой магнитной проницаемостью. Аналогичного результата добиваются и с помощью периодической электростатической фокусировки, которая осуществляется рядом периодически расположенных электростатических линз. Такая система обладает еще меньшей массой и потребляемой мощностью.
Помимо магнитного удержания существует еще один способ борьбы с «разбуханием» пучков, заключающийся в том, что в объем электронного пучка вводится некоторое количество положительно заряженных ионов, которые своим пространственным зарядом компенсируют отрицательный пространственный заряд электронов. В простейшем случае ионы можно создать, оставив в объеме прибора некоторое количество «неоткачанного» газа. Электроны пучка на своем пути будут ионизировать молекулы этого газа. Образовавшиеся в результате ионизации вторичные электроны выбрасываются за пределы пучка кулоновскими силами, тогда как положительные ионы будут удерживаться этими силами в его объеме. В результате даже при очень малых давлениях остаточного газа может образоваться такое количество положительных ионов, что их концентрация сравнивается с концентрацией электронов в пучке. На этом накопление ионов прекратится и установится стационарное состояние, при котором в объеме пучка образуется квазинейтральная среда, напоминающая плазму. Пространственный заряд электронов оказывается скомпенсированным, и пучок не «разбухает». Описанное явление, называемое ионной фокусировкой, наблюдается при давлениях остаточных газов, превышающих 10 -6 мм рт. ст.
В зависимости от формы поперечного сечения электронные пучки разделяются на три основных типа: ленточный, аксиально-симметричный и трубчатый.
Системой формирования электронного потока называется совокупность электрических и магнитных полей, а также образующих их электродов и магнитных цепей, необходимых для создания электронных потоков нужной конфигурации. Она содержит четыре области:
1) область электронной пушки, в которой имеется источник электронов – катод и анод, между которыми приложено ускоряющее напряжение U 0 ;
2) переходную область – область между пушкой и областью регулярной части МФС, в которой сила электростатического поля, созданного электродами, резко уменьшается, продолжается действие сил пространственного заряда, которые в конце области становятся главной расфокусирующей силой, стремящейся расширить поток, начинают действовать фокусирующие силы магнитного поля, направленные к оси пучка; в переходной области заканчивается формирование электронного потока и происходит «согласование» параметров потока, созданного пушкой, с параметрами регулярной части системы формирования;
3) область регулярной части системы формирования, в которой расположена ЭДС прибора и происходит взаимодействие потока с СВЧ полем;
4) область коллектора, в которой электроны «отработанного» потока воспринимаемые специальной металлической поверхностью, заканчивают свое движение в системе; чем больше КПД прибора, тем меньше мощность, рассеивающаяся на коллекторе; форма поверхности коллектора выбирается таким образом, чтобы тепловые нагрузки на эту поверхность не превышали допустимой удельной величины.
Электронный пучок –это направленный поток электронов. Можно, например, получить электронный пучок из электронной лампы. Для этого необходимо сделать в аноде отверстие. Часть электронов ускоренных электрическим полем будут попадать в это отверстие и создавать за анодом электронный пучок. Причем мы сожжем даже управлять количеством электронов в этом пучке. Для этого надо будет поставить между катодом и анодом дополнительный электрод, потенциал которого мы будем изменять.
Основные свойства электронного пучка
- При попадании пучка электронов на поверхность какого-либо тела, он будет вызывать нагревание этого тела.Это свойство электронных пучков широко используется для электронной плавки сверхчистых металлов.
- Получение рентгеновского излучения, которое будет возникать приторможении быстрых электронов. Это свойство широко используется в рентгеновских трубах и аппаратах, сделанных на их основе.
- При попадании пучка электронов на некоторые вещества, например, стекло, они начинают светиться. Этиматериалы получили название люминофоров.
- Электронные пучки будут отклоняться электрическим полем. Если, например, мы пустим пучок электронов между пластинами конденсатора, электроны будут отклоняться от отрицательно заряженной пластины.
- Электронный пучок отклоняется под действием магнитного поля. Если пустить пучок электронов над северным полюсом магнита, то он отклонится в левую сторону, а если над южным – в правую сторону. Именно поэтому полярное сияние можно наблюдать толькоу полюсов Земли.
Последние три свойства электронного пучка нашли применение в электронно-лучевой трубке.
Электронно-лучевая трубка
Общий вид и устройство электронно-лучевой трубки представлены на следующем рисунке:
картинка
В узком краю ЭЛТ расположена электронная пушка. Она состоит из катода и анода и является источником пучка электронов. В электронной пушке пучок электронов разгоняется до нужной скорости. Помимо этого, в электронной трубке пучок электронов фокусируется таким образом, чтобы площадь его поперечного сечения была почти точечных размеров.
После того, как пучок вылетает из электронной пушки он последовательно проходит через две пары управляющих пластин. Они способствуют изменению направления пучка. Если на них нет разности потенциалов, то пучок будет направлен в середину экрана. Если мы подадим напряжение на вертикально расположенные пластины, пучок сместится в горизонтальном направлении на некоторый угол. Если мы подадим напряжение на горизонтально расположенные пластины, соответственно, пучок сместится в вертикальном направлении. Таким образом, используя две пары пластин, мы можем добиться смещение луча в любую точку экрана.
Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в отверстие, образуя за анодом электронный пучок. Количеством электронов в пучке можно управлять, поместив между катодом и анодом дополнительный электрод и изменяя его потенциал. При взаимодействии с веществом быстрые частицы электронного пучка вызывают разнообразные явления, используемые на практике.
Свойства электронных пучков и их применения. Электронный пучок, попадая на тела, вызывает их нагревание. В современной технике это свойство используют для электронной плавки сверхчистых металлов в вакууме.
При торможении быстрых электронов, попадающих на вещество, возникает рентгеновское излучение. Это свойство используют в рентгеновских трубках, о чем вы узнаете в X классе.
Некоторые вещества (стекло, сульфиды цинка и кадмия), бомбардируемые электронами, светятся. В настоящее время среди материалов этого типа (люминофоров) применяются такие, у которых в световую энергию превращается до 25% энергии электронного пучка.
Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Например, проходя между пластинами конденсатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной (рис. 182).
Электронный пучок отклоняется также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным, - отклоняются вправо (рис. 183). Отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоев атмосферы (полярные сияния) наблюдается только у полюсов.
Возможность управления электронным пучком с помощью электрического или магнитного поля и свечение покрытого люминофором экрана под действием пучка применяют в электроннолучевой трубке.
Электроннолучевая трубка. Электроннолучевая трубка - основной элемент телевизора и осциллографа - прибора для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях (рис. 184).
Устройство электроннолучевой трубки показано на рисунке 185. Трубка представляет собой вакуумный баллон, одна из стенок которого служит экраном. В узком конце трубки помещен источник быстрых электронов - электронная пушка (рис. 186). Она состоит из катода, управляющего электрода и анода (чаще несколько анодов располагаются друг за другом). Электроны испускаются нагретым оксидным слоем с торца цилиндрического
катода и проходят через отверстие в цилиндрическом управ ляющем электроде (он регулирует число электронов в пучке) Каждый анод состоит из дисков с небольшими отверстиями, вставленных в металлический цилиндр. Между первым анодом и катодом создается разность потенциалов в сотни и даже тусячи вольт. Сильное электрическое поле ускоряет электроны, и они приобретают большую скорость. Форма, расположение и потенциалы анодов выбраны так, чтобы наряду с ускорением электронов происходила и фокусировка электронного пучка, т. е. уменьшение площади поперечного сечения пучка на экране почти до точки.
На пути к экрану пучок последовательно проходит между двумя парами управляющих пластин, подобных пластинам плоского конденсатора. Если электрического поля между пластинами нет, то пучок не отклоняется и светящаяся точка располагается в центре экрана. При сообщении разности потенциалов вертикально расположенным пластинам пучок смещается в гори зонтальном направлении, а при сообщении разности потенциалов горизонтальным пластинам он смещается в вертикальном направлении.
Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении. Так как масса электронов очень мала, то они почти мгновенно реагируют на изменение разности потенциалов управляющих пластин.
В электроннолучевой трубке, применяемой в телевизоре (так называемом кинескопе), управление пучком, созданным электронной пушкой, осуществляется с помощью магнитного поля. Это поле создают катушки, надетые на горловину трубки (рис. 187).
