Электрон как устойчивая материальная частица может быть сравнительно просто выделен различными физическими спосо­бами, что и обусловило его широкое использование в различных областях науки и техники.

Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направ­ленными силами связи. На свобод­ной поверхности кристалла или жидкости атом неуравновешен вследствие того, что со стороны ок­ружающей среды связь отсутствует или заметно ослаблена. Это вызыва­ет повышение энергии поверхност­ного слоя кристалла wn. Если необ­ходимая атому энергия, для переме­щения внутри тела равна wq (см. Рис. 1.2. Потенциальный барь - рис. 1.2), то для выхода в окружаю - ер для системы атомов у по - щую среду она равна wn, причем

Wq. Поэтому для соединения

границе твердой и жидкой фаз ДВуХ монокристаллов в один требу - (iб) в начальный период их ется введение извне деформацион-

контакта «

ной или тепловой энергии, превы­шающей граничную энергию wT.

Внешняя деформационная энергия будет затрачиваться на пре­одоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомному расстоянию в кристаллической решетке, воз­никнут квантовые процессы взаимодействия электронных оболо­чек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла, и появится «выигрыш» энергии, равный избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до их соединения - энергии активации.

Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при по­вышении температуры, увеличивает вероятность развития кванто­вых процессов электронного взаимодействия в соединении.

Стадийность процесса сварки. Результаты исследований и теоретический анализ показывают, что сварку и пайку можно от­нести к классу так называемых топохимических* реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 1.3), характер­ной только для микроучастков соединяемых поверхностей.

Топохимические реакции - это химические реакции с участием твердых

На первой стадии (А) развивается фи­зический контакт, т. е. осуществляется сближение соединяемых веществ на рас­стояния, требуемые для межатомного взаимодействия. При этом энергетические уровни связи соответствуют уровням, ха­рактерным для физической адсорбции = 0,04...0,4 кДж/моль). На второй стадии (Б) - стадии химического вза­имодействия (схватывания) - заканчива­ется процесс образования прочного соединения. Схватывание - бездиффузи - онный процесс и в принципе может про­исходить при любых температурах, если возможна микропластическая деформа­ция.

На практике получение монолитных соединений осложняется тем, что свари­ваемые поверхности имеют:

Микронеровности - 10 м даже при тщательной обработке (поэтому при совмещении поверхностей контакт возможен лишь в отдельных точках);

Загрязнения, так как на любой поверхности твердого тела ад­сорбируются атомы внешней среды.

Для монолитного соединения материалов при сварке необхо­димо обеспечить контакт по большей части стыкуемых поверхно­стей и их активацию.

Энергия активации. Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некото­рая энергия, необходимая:

Для разрыва старых связей между атомами тела и атомами внешней среды, обусловленных физико-химическим состоянием поверхности;

Для повышения энергии поверхностных атомов до уровня по­тенциального барьера, при котором возможно образование новых химических связей, т. е. схватывание.

В общем случае энергия активации может быть сообщена в форме теплоты (термическая активация), упругопластической де­формации (механическая активация), электронного, ионного и Других видов облучения (радиационная активация).

Наиболее простой способ получения электронов - нагрев твер­дых тел (чаще всего металлов), которые при этом начинают испус­кать термоэлектроны. Для сообщения электронам необходимой энергии и формирования из них потока частиц, несущих опреде­ленную энергию, могут использоваться различные методы. Самый простой из них и наиболее распространенный - ускорение элек­тронов с помощью электрического поля, создаваемого в электрон­ной пушке между катодом и анодом, в котором на электрон дейст­вует сила

где е = 1,6* 10 Кл - заряд электрона; Е - напряженность элек­трического поля, В/м.

При движении электрона в электрическом поле между точками с разностью потенциалов U он приобретает энергию

Это приращение энергии электрона происходит вследствие его ускорения полем - увеличения его кинетической энергии, т. е.

где те - масса электрона, кг; v, г0 - конечная и начальная скоро­сти электрона, м/с. Принимая Vq = 0, получим

т. е. энергия электрона зависит от его массы и скорости. В реаль­ных условиях, когда масса электрона постоянна, единственный путь увеличения его энергии - повышение скорости его движения, что и реализуется в электронной пушке.

Из формулы (3.4) можно получить выражение для скорости движения электрона при прохождении между точками с разностью потенциалов U:

где п - концентрация газа на пути движения электронов; г - газо­кинетический радиус взаимодействия молекул газа.

Значения средней длины свободного пробега электрона в воз­духе (при 300 К) для разных значений давленияр приведены ниже:

р, Па................................ 1,01 105 133 1,33 1,3 ■ 10-2

Л, мм................................ 3,5 10^ 2,6- 10~‘ 26,6 2660

Таким образом, исходя из конструктивных особенностей уста­новок, максимально допустимым давлением в камере для элек-

условиях давление стараются довести до 5 10 или 5-Ю Па, так как при ухудшении вакуума в электронной пушке резко увеличи­вается число ионизированных электронами ионов остаточных га­зов и это может привести к пробою промежутка между анодом и катодом электронной пушки. При повышении давления в камере До 1...10 Па рассеяние электронного пучка становится существен­ным в пространстве его дрейфа и это ограничивает возможную Длину пучка.

Очевидно, что выводить электронный пучок из вакуума в об­ласть с более высоким давлением имеет смысл только в том слу­чае, если длина свободного пробега электронов в этой области предельно мала. Такие электронные пушки с выводом электронно­го пучка в атмосферу иногда применяют для сварки. При этом электронная пушка перемещается непосредственно по сваривае­мому изделию, ход пучка в атмосфере составляет не более 10 мм. Применяемое ускоряющее напряжение составляет 150...200 кВ, а в зону между пушкой и свариваемой поверхностью подают защит­ный газ (гелий или аргон).

При падении электронного пучка на обрабатываемую поверх­ность кинетическая энергия электронов в результате их взаимо­действия с атомами вещества обрабатываемой поверхности пре­вращается в другие виды энергии.

Максимальное значение плотности мощности qim электронно­го пучка в зоне его воздействия на вещество может достигать 7 8 2

10 ...10 Вт/см, что позволяет проводить размерную обработку материалов путем их локального испарения в месте воздействия пучка на изделие. По мере уменьшения qim (это сравнительно просто можно осуществить расфокусировкой пучка) возможно проведение термических процессов (плавки, сварки, нагрева в ва­кууме), а также нетермических процессов - стерилизации, поли­меризации и т. п.

Достигая обрабатываемой поверхности, электроны пучка внед­ряются в вещество, испытывая торможение и проходя при этом некоторый путь. Длина этого пути, изученная Шонландом, опре­деляется по формуле

где 8 - глубина проникания электрона в вещество, см; U - ускоряющее напряжение, В; р - плотность вещества, г/см.

Реальная глубина проникания электрона в вещество в соответ­ствии с формулой (3.9) обычно не превышает нескольких десятков микрометров, но ею нельзя пренебрегать при учете взаимодейст­вия электронов с веществом, особенно при больших значениях плотности мощности в электронном пучке. Проходя сквозь веще­ство, электроны взаимодействуют с кристаллической структурой или отдельными частицами вещества. При этом вследствие обмена энергией увеличивается амплитуда колебаний составляющих ве­щество частиц, изменяются параметры его кристаллической ре­шетки, повышается температура вещества. Достаточно большая энергия, сообщенная электронами атомам, может привести даже к разрыву связей между отдельными атомами.

При торможении электрона в веществе кроме выделения теп­ловой энергии происходит еще ряд различных явлений. Суммар­ное выделение энергии при электронной бомбардировке поверх­ности расходуется на следующие основные процессы:

1) собственно нагрев поверхности, используемый в технологи­ческих целях;

2) тормозное рентгеновское излучение, возникающее при элек­тронной бомбардировке материалов;

3) вторичная электронная эмиссия, отражение электронов и термоэлектронная эмиссия с обрабатываемой поверхности;

4) побочные явления, сопровождающиеся потерями энергии.

Следует отметить, что электронный пучок имеет максималь­ный коэффициент поглощения энергии в обрабатываемом вещест­ве, достигающий 80...95 % полной мощности источника и являет­ся одним из самых эффективных источников энергии для сварки.

Нагрев обрабатываемого материала электронным пучком осу­ществляется в результате выделения тепловой энергии в поверх­ностных слоях вещества и дальнейшей передачи теплоты в его внутренние слои. Высокая интенсивность ввода энергии в вещест­во при электронно-лучевой обработке приводит к развитию значи­тельных поверхностных температур, уровень которых может пре­вышать точку кипения даже самых тугоплавких материалов.

Cтраница 1

Пучки электронов, движущихся с большими скоростями, можно использовать для получения рентгеновских лучей, плавки и резки металлов. Способность электронных пучков испытывать отклонения под действием электрических и магнитных полей и вызывать свечение кристаллов используется в электронно-лучевых трубках.  

Пучки электронов получают с помощью электронной пушки - вакуумного устройства, обычно диода, в к-ром электроны вылетают из катода благодаря гл. Фокусировку пучков осуществляют электронными линзами, создающими необходимые электрич.  

Бета-лучи представляют собой пучки электронов. Нулевой индекс отражает то обстоятельство, что масса электрона пренебрежимо мала по сравнению с массой нуклона. Индекс - 1 указывает на то, что рассматриваемая частица имеет отрицательный знак, равный по величине, но противоположный по знаку заряду протона.  

УФ облучения или пучка электронов (инициирующий агент) инициируется быстрая молекулярно-радикальная р-ция, высвобождающая запасенную в смеси энергию в виде короткого импульса когерентного излучения.  

Поэтому для воздействия на пучки электронов применяются электрические поля с непрерывным изменением потенциала.  

Следует отметить, что пучки электронов сильно взаимодействуют с веществом. Максимально допустимая толщина образцов составляет всего лишь несколько микрон. Это обстоятельство в значительной степени ограничивает возможности метода для изучения жидких дисперсных систем. Обычно изучаются мелкокристаллические образцы, наносимые на специально обработанные подложки.  

Поэтому оказывается возможным сообщить пучку электронов, летящему вдоль о: п снг. Пучок электронов, взаимодействуя с этим полем, может отдавать линии часть своей энергии и тем самым усиливать волны, бегущие в линии, или возбуждать такие волны.  

В обычном, неполяризованном пучке электронов или позитронов спины частиц направлены хаотически. Таким образом, по прошествии некоторого времени (времени релаксации) обычный пучок электронов или позитронов становится поляризованным - спины частиц принимают упорядоченную ориентацию.  

Такие волны могут возбуждаться продольными пучками электронов или ионов. Что касается волн, распространяющихся в сторону дрейфа электронов (а 0), то для их нарастания во времени оказывается достаточным лишь наличие градиента плотности.  

Полимерные цепи сшиваются непосредственно пучками электронов высокой энергии. Эти электроны генерируют макрорадикалы ПЭ, извлекая радикалы водорода. Обычно этот метод используют для изготовления кабелей 1 1 кВ с изоляцией из СПЭ.  

Электростатическая катодная электронная линза. / - катод. 2 - фокусирующий электрод. 3-анод. Тонкие линии-эквипотенциали. О-одна из точек катода. Заштрихованное пространство-сечение области, занятой потоком электронов, испущенных точкой О.| Электростатические цилиндрические электронные линзы. а-диафрагма со щелью. б-иммерсионная линза, состоящая из двух пластин. В области прохождения заряженных частиц поле линз не меняется в направлении, параллельном щелям диафрагм или зазорам между пластинами соседних электродов.| Сечение электродов электростатических цилиндрических линз плоскостью, проходящей через ось z перпендикулярно средней плоскости. а-цилиндрическая (щелевая диафрагма. б-иммерсионная цилиндрическая линза. - одиночная цилиндрическая линза. г-катодная цилиндрическая линза. К, и К2 - потенциалы соответствующих электродов.| Сечения кьадрупольных электростатической (а и магнитной (6 электронных линз, перпендикулярные направлению движе-ния пучка электронов. / - электроды. 2-силовые линии полей. 3-магнитный полюс. 4-обмотка возбуждения.| Дублет из двух квадрупольных электростатических линз.

Контуры обратной связи для случаев ЛБВ с внешней обратной связью (а и ЛОВ с внутренней обратной связью (б.  

Электронный пучок должен отдавать полю определенный минимум энергии, выше уровня собственных потерь данной системы. Отсюда в любой конкретной системе возникает необходимость обеспечить определенную, как говорят, пусковую величину электронного тока.  

Схематическое изображение многолучевой электронной пушки с цилиндрической системой электродов..| Схематическое изображение многолучевой электронной - пушки с малой эмиттирую-щей площадью катода.

Электронный пучок после прохождения точки фокусировки расходится под большим углом. Электронная линза с большой апертурой отклоняет электронные пучки так, чтобы они падали на плоскость растровой линзы перпендикулярно. Каждая микролинза в растровой линзе формирует свой электронный луч. Если считать, что плотность тока в основном электронном луче распределена по закону Гаусса, то.  

Электронный пучок, разряжая по очереди все элементарные емкости, создает в цепи сигнальной пластинки импульсы тока - видеосигнал.  

Электронный пучок, состоящий по длине из отдельных групп электронов - электронных сгустков, можно рассматривать как ток, содержащий высшие гармонические составляющие. Такой электронный пучок называется сгруппированным или промодулированным.  

Электронный пучок характеризуется геометрической формой сечения. В подавляющем большинстве случаев пучки имеют сечение в виде круга и называются цилиндрическими. Для значительного увеличения тока пучка могут применяться трубчатые пучки с сечением в виде кольца, а также ленточные пучки, у которых сечение представляет собой прямоугольник.  

Электронный пучок применяется для сварки металлов, сварки металла с керамикой и др. Отличительной особенностью сварного шва при сварке двух металлов является большая глубина шва при малой его ширине (так называемый кинжальный шов) и высокая однородность шва. Требующиеся диаметры пучка разнообразны и лежат в пределах от 0 01 до 5 - 10 мм. Так как резко очерченный по диаметру пучок обычно не нужен, то допуски на ширину спектра менее жесткие, чем для процессов обработки пучком.  

Электронный пучок фокусируется положительным объемным зарядом прямого ионного пучка с круглым сечением.  

Электронный пучок, ускоряемый от анода к катоду, не будет распространяться в область за анодом, если его ток больше, предельного; накопление пространств, заряда электронов за анодом, запирающее пучок (виртуальный катод), создает потенц. Глубина ямы достигает значений, больших 1 MB. Ионы могут создаваться за счет ионизации электронами атомов остаточного газа или вводиться специально сформированными струями газа. При образовании ионов происходит частичная нейтрализация электронного заряда, запирающее действие накопленного электронного заряда ослабляется и электронный пучок распространяется дальше за анод.  

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.