Электронный луч как источник теплоты » Ремонт Строительство Интерьер. Лесное дело и деревообработка.

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Электронный луч как источник теплоты

30.10.2020

Сущность нагрева электронным лучом состоит в преобразовании кинетической энергии электронов, разгоняемых в электрическом поле до высоких скоростей, в тепловую энергию, выделяющуюся при их торможении в облучаемом веществе (металле).

Свободные электроны обычно получают за счет эффекта термоэлектронной эмиссии. Для придания электронам, эмиттируемым с нагретой поверхности катода, необходимой скорости движения и направления последнего применяют ускоряющее напряжение величиной от нескольких киловольт до нескольких десятков киловольт. При этом положительный вывод высоковольтного источника питания имеет электрическую связь либо с облучаемым металлом, либо с неплавящимся устройством (ускоряющим анодом).

Электроны имеют весьма малую массу и при столкновении с другими микрочастицами на пути к облучаемому изделию изменяют траекторию своего движения. Чем больше остаточное давление газов на пути электронного луча, тем быстрее он рассеивается и теряет свою эффективность как орудие металлообработки. Поэтому электронный луч генерируют при низком остаточном давлении газов, обычно около 1,33*10в-2 Па (1*10в-4 мм рт. ст.).

Таким образом, для формирования и эффективного использования электронного луча необходимы свободные электроны, ускоряющее напряжение и вакуум.

Процессы, происходящие при взаимодействии электронов с разреженной газовой средой и нагреваемым металлом, многообразны и достаточно сложны. Упрощенно механизм трансформации энергии электронного луча представляют следующим образом.

Электроны, эмиттированные катодом, проходят ускоряющую разность потенциалов U и приобретают кинетическую энергию
Электронный луч как источник теплоты

где е0, me и ve — заряд, масса и скорость электрона.

При ускоряющем напряжении до 40 кВ, обычно используемом при электронном нагреве, релятивистский эффект увеличения массы электрона может не учитываться (табл. 61) и скорость последнего (м/с) рассчитывают по формуле

Полная мощность потока электронов, сформированного в электронный луч,

где n — количество электронов, пролетающих через поперечное сечение луча в 1 с; I — ток.

При встрече с поверхностью облучаемого металла ускоренные электроны внедряются в его кристаллическую решетку или в структуру расплава. При этом их кинетическая энергия превращается в тепловую энергию движения частиц. Рассмотрение процесса взаимодействия электронов с металлами с точки зрения классических представлений показывает, что энергия передается не атомам, а в основном свободным электронам вещества. Последние, в свою очередь, сообщают колебательные движения атомам, находящимся в узлах кристаллической решетки или в структурных компонентах расплава, что и проявляется в повышении температуры металла.

Таким образом, при электронно-лучевом нагреве теплота генерируется в самом облучаемом объекте, вернее в поверхностном слое толщиной 6°. Обычно эту величину оценивают по глубине проникновения электрона в вещество (классическая глубина диффузии электрона), при которой его энергия уменьшается до нуля. По закону Виддингтона

где A3 — постоянная величина; M — атомная масса; Z — порядковый номер элемента; р — плотность.

Если bmax0 выразить в мкм, a U — в вольтах, то для условий электронного нагрева железа

По известным значениям bmах0 в железе, пользуясь масштабным фактором b0/bFе0 к можно определить значение bmax0 в некоторых других металлах:

Из приведенных данных видно, что для ускоряющих напряжений до 40 кВ глубина проникновения электронов в металлы не превышает нескольких микрометров. Однако на практике, если не принимать специальных мер, тепловое воздействие электронного луча может распространяться и в более глубокие слои металла. Дело в том, что электронный луч — высококонцентрированный тепловой источник. Его энергия сосредоточивается на очень малой площади облучения, достигается очень высокая ее плотность (табл. 62). При этом облучаемый металл не только плавится, но и интенсивно испаряется. На пути следования луча образуется тонкий канал, глубиной, в тысячи раз превышающей классическую глубину диффузии электронов. Такое явление используется в ряде технологических процессов, например при электронно-лучевой сварке и в меньшей мере при испарении различных материалов для нанесения покрытий на детали.

Понятно, что при электронно-лучевой плавке или переплаве металлов такой эффект вреден. Поэтому энергию электронного луча рассредоточивают по всей обогреваемой поверхности, для чего используют электромагнитные системы, которые, отклоняя луч по заданной программе, обеспечивают необходимую траекторию движения пятна нагрева по поверхности металла.


Однако не вся полная мощность электронного луча (5.3) преобразуется в теплоту. Значительная часть энергии ускоренных электронов расходуется на организацию сопутствующих процессов, бесполезных и даже вредных с точки зрения ЭЛП. Потери энергии электронного луча происходят как на пути следования его от катода к нагреваемой поверхности, так и непосредственно при бомбардировке металла (рис. 100).

При прохождении пространства дрейфа электроны отдают часть энергии при неупругих столкновениях с молекулами остаточных газов. Происходящие при этом процессы ионизаций и рекомбинации частиц создают видимое излучение и путь пучка становится видимым. Образовавшиеся ионы стягиваются к центру луча и их электрическое поле в значительной мере нейтрализует силы взаимного отталкивания и пространственный заряд электронов. Этот эффект воздействия ионов остаточных газов на луч называют ионной фокусировкой.

Ионная фокусировка электронного луча является полезным процессом. Иногда этот эффект усиливают, подавая в камеру печи легко-ионизируемый газ в небольшом количестве. Однако ионизация остаточных газов при ЭЛП приводит и к негативным последствиям, поскольку ионная бомбардировка катода сокращает продолжительность его службы.

В общем на возбуждение и ионизацию остаточных газов затрачивается незначительная часть энергии электронов. Так, при ускоряющем напряжении 10 кВ, остаточном давлении газов даже 133 Па и длине луча 1 м потери составляют около 1 % полной энергии луча.

Более существенны потери энергии при взаимодействии электронов с ионизированным газом (плазмой), которое приводит к возбуждению в последней СВЧ-колебаний и рассеиванию (расфокусировке) луча. Как и в случае ионизации остаточных газов, потери энергии электронного луча при взаимодействии с плазмой увеличиваются при уменьшении разрежения, увеличении длины пробега электронов, потенциала ионизации газа и при неблагоприятных условиях могут достигать 20—30 %.

По оценке специалистов, общие потери энергии электронов при пробеге через среду в вакуумной камере существенно зависят от остаточного давления газов в последней и составляют 1—15% подведенной электрической энергии для электронно-лучевых установок мощностью до 200 кВт и 0,5—8 % при мощности установок 1000 кВт.

Непосредственно при бомбардировке электронами поверхности металла потери энергии электронного луча более значительны. Они определяются превращением энергии электронов в энергию рентгеновского излучения, возникновением вторичной электронной эмиссии, а также отражением части электронов луча от поверхности металла.

Рентгеновские лучи, возникающие при электронно-лучевой плавке металла, по своей природе аналогичны рентгеновским лучам, специально создаваемым для медицинских и различных технологических целей с помощью рентгеновских трубок. Подобно видимому свету они представляют собой электромагнитное излучение в широком спектральном интервале с длиной волны от 1*10в-12 до 2*10в-9 м (от нескольких сотых ангстрема до двух десятков ангстрем). При этом различают характеристические лучи, не имеющие преимущественной направленности, энергия которых зависит от материала анода и тормозное излучение, которое распространяется в разных направлениях неодинаково, имеет непрерывный спектр и составляет основную часть всего рентгеновского излучения.

Энергия, уносимая с поверхности металла, подвергаемого электронной бомбардировке, в виде рентгеновского излучения, определяется по выражению:

Результаты расчетов показывают, что мощность рентгеновского излучения при ЭЛП невелика, так как составляет всего несколько долей процента мощности установки. Однако его биологическое воздействие представляет серьезную опасность для обслуживающего персонала. Из выражения (5.6) видно, что основным фактором, ответственным за степень опасности облучения рентгеновскими лучами, является ускоряющее напряжение. Поэтому диапазон U при конструировании и эксплуатации электронно-лучевых плавильных печей ограничивают величиной 35—40 кВ. Толщина стальных стенок установки вполне достаточна для надежного экранирования персонала от облучения. Тем не менее обращают серьезное внимание на необходимость защиты смотровых окон специальными свинцовыми стеклами, а мест соединений и уплотнений отдельных частей установки — свинцовыми обкладками.

Кроме рентгеновского излучения потери энергии электронного луча при встрече с поверхностью металла обусловлены возникновением вторичной электронной эмиссии. Среди электронов, покидающих поверхность металла и уносящих с собой энергию, различают истинно вторичные электроны, «выбитые» из атомов металла, и термоэлектроны, появление которых объясняется высокой температурой поверхности последнего.

Истинно вторичная эмиссия электронов характеризуется коэффициентом b вторичной эмиссии, т. е. отношением тока истинно вторичной эмиссии к току электронного луча. Энергия, уносимая истинно вторичными электронами, определяется по формуле

где E0вт — средняя энергия таких электронов.

Поскольку для большинства исследованных металлов значение b изменяется в пределах 0,3—1,5, a E0вт обычно не превышает 40 эВ (табл. 63), потери энергии электронного луча на организацию процесса истинно вторичной эмиссии невелики (< 0,5 %).

Температура поверхности металла при облучении электронами обычно значительно выше температуры плавления и представляет собой мощный источник термической эмиссии электронов, особенно в случае тугоплавких металлов. Расчеты по формуле Ричардсона — Дэшмана (3.1) показывают, что величина тока термоэмиссии в условиях ЭЛП должна достигать тысяч ампер. Однако в действительности его величина значительно меньше, что объясняется нейтрализующим действием пространственного заряда электронного луча. Работа выхода электронов тепловой эмиссии обычно не превышает нескольких электронвольт, поэтому потери энергии

также невелики и примерно равны энергетическим затратам на процесс истинно вторичной эмиссии.

Наиболее существенны потери энергии электронного луча, обусловленные отражением ускоренных электронов от поверхности металла при упругом и неупругом столкновениях с атомами. Энергия неупруго отраженных электронов лежит в широком спектре, но при упругом отражении равна энергии первичных электронов. В диапазоне ускоряющих напряжений 10—70 кВ средняя энергия отраженных электронов не превышает 0,5 энергии первичных электронов. Поэтому энергию, уносимую отраженными электронами, в среднем определяют по выражению, которое справедливо для условий нормального падения электронного луча на поверхность металла:

где nотр — коэффициент отражения.

Результаты исследований показывают, что потери энергии с отраженными электронами достаточно велики: в случае ЭЛП легких металлов они составляют 5—10 %, а тяжелых — 15—25 % энергии электронного луча. Энергия отраженных электронов, как и электронов вторичной эмиссии, воспринимается стенками камеры печи. В связи с тем что ток, обусловленный описанными процессами, уходит на металлические части установки и может достигать сотен ампер, ее заземление должно быть выполнено очень надежным.

Таким образом, потери энергии электронного луча, обусловленные отражением электронов, затратами на рентгеновское излучение и вторичную электронную эмиссию, составляют 5—35 % общей электрической энергии. К этому необходимо добавить потери энергии в устройствах, формирующих электронный луч (электронных пушках). Величина таких потерь, зависящая от конструкции пушек, обычно не превышает 5 % теоретической энергии электронного луча.

Анализ перечисленного позволяет сделать вывод, что электронный луч является весьма эффективным источником теплоты, что и подтверждается на практике. В результате электронной бомбардировки металла в нем превращается в теплоту от 60 до 95 % первичной энергии электронного луча.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: