Катоди електронно-променевої гармати

 

Залежно від конкретного виду технологічного процесу, який виконується (оплавлення, зварювання, зміцнення тощо), на поверхні об'єкта потрібно забезпечити і підтримувати певну густину потужності електронного променя.

Як показано вище, найпростіша електронно-променева система складається занода, катода та фокусуючи електродів.

Катод емітує електрони, і на поверхні катода проходять процеси електронної емісії. Щоб здійснилась емісія, потрібно затратити енергію, яка називається роботою виходу φ. В таблиці 1 подані кількісні значення, роботи виходу деяких матеріалів.

Робота виходу електронів з однокомпонентного W - катоду різко зменшується, якщо на його поверхні в декілька атомних шарів нанести плівку або дифундувати у поверхневий шар Ва, Са, Lа, Тh. Широке використання на практиці знайшли катоди з покриттям ТhО₂ на LаВ₆.

 

Таблиця 1 - Робота виходу електронів із деяких металів

Матеріал катода	Fe	W	W-Th	W-La	W-Ba	W-Cs	Mo	Ta
φ, еВ	4,36	4,5	2,7	2,7	1,6	1,5	4,27	4,12

 

При розрахунку електронно-променевих систем враховують такі види емісії: термоелектронну та автоелектронну.

Термоелектронна емісія проходить під дією високої температури, автоелектронна – під дією електричного поля. Внаслідок перебігу різних видів емісій у системі виникає емісійний струм. Густина струму термоелектронної емісії визначають з рівнянням Річардсона-Дешмана:

 

, [А/м²] (22)

 

де А - константа, теоретичне значення якої дорівнює А = 120 А/(см · К)²

(наприклад, для металів: Fе - А = 60; W - А = 70; Тh - А = 70);

Ф = e · φ; де e =1,6 · 10^-19 Кл - заряд електрона;

φ - робота виходу, еВ;

k = 1,38 · 10^-23- стала Больцмана, Дж/К.

Густину струму автоелектронної емісії визначають за формулою Фаулера-Нордгейма:

, [А/м²]

де Е - напруженість електричного поля, В/м.

На практиці одночасно проходять процеси термоелектронної й автоелектронної емісії, тому густина авто-термоелектронної емісії визначають за формулою:

 

[А/м²] (23)

 

Для конкретної електронно-променевої гармати питому потужність Р_пит у плямі нагріву (фокальній плямі) можна приблизно визначити так:

 

[Вт/м²] (24)

 

де k - постійна для окремої гармати; U_прис - прискорююча напруга, В; j_ат - густина струму емісії катоду, А/м².

При постійній прискорюючій напрузімаксимальний струм емісії залежить не тільки від характеристик і температури катоду, але і від об'ємного заряду поблизу катоду та заряду самого електронного променя, вплив яких зростає з підвищенням струму. У зв'язку з цим, для струму емісії електронно-променевих гармат виконується відомий закон трьох других:

 

[А] (25)

 

де Р - первеанс (постійна), яка характеризує вплив просторового заряду на форму променя, який, наприклад, для однієї з технологічних гармат дорівнює 4,5 · 10^-8 А · В^3/2.

Налітаючи на поверхню матеріалу, електрони зменшують свою енергіюна деякій глибині (відстані від поверхні), яку називають пробігом електрона або глибиною його проникнення.

Пробіг електрона в матеріалі можна підрахувати за формулою:

[м] (26)

де ρ - густина матеріалу, кг/м³;

U_прис - прискорююча напруга, В; γ – cтала для окремого матеріалу. Значення сталої γ наводиться у таблиці 3.

 

Таблиця 2 – Значення коефіцієнта γ

Матеріал	Cu	Co	Fe	Ni	Al	Si
γ	2,24	2,22	2,18	2,13	2,19	2,02

 

При гальмуванні електронного променя у поверхні матеріалу виділяється теплова енергія. В залежності від густини потужності променя та часу дії на матеріал можна нагріти, розплавити та випарувати матеріал.

Для зварювання, плавлення, розмірної обробки необхідна питома потужність променя (Вт/м²), яка дорівнює:

 

[Вт/м²] (27)

 

де Р_пит - питома потужність для отримання рідинної ванни діаметром d_S,яка дорівнює товщині металу; Т_пл — температура плавлення, К;

d₀ - діаметр ділянки, на краях якої температура Т₀ = 300 К залишається незмінною, м;

λ- теплопровідність металу, Вт/м ² · К.

Ефективність процесу зварювання залежить від питомої потужності електронів в плямі, що проектується на поверхні оброблюваного матеріалу. Діаметр плями розраховується за формулою:

 

[м] (28)

 

де S₀ - стала електронно-оптичної системи, яку можна знайти, користуючись виразом:

де k_s - стала сферичної аберації лінзи або системи лінз;

х - відстань від лінзи до точки найбільшої аберації, м;

f₀ - фокусна відстань, м;

Т - температура катода, К,

j - сила струму емісії з катода, А/м.

При цьому k_S залежить від типу та параметрів лінзи і знаходиться в межах: 1,5 > k_s > 0,5.

З врахуванням S₀ питома потужність визначається за формулою:

 

[Вт/м² ] (29)

 

Для орієнтовних підрахунків щодо стикових з'єднаньбез розділу кромок при термообробці чи зварюванні площа переплавленого металу може бути знайдена за формулою:

 

[м²] (30)

 

де δ - товщина пластини або радіус плями нагріву при термообробці.

В інших випадках площу поперечного перетину металу шва знаходять шляхом геометричних розрахунків.