Материал: 1381
71
выводятся в камеру.
3.3.2 Расчет мощности электронного источника для проведения технологических операций
Для проведения технологических операций того или иного вида важна плотность мощности на обрабатываемом материале. Поверхностная обработка материалов проводится при плотностях мощности g= 105 Вт/см2, сварка – при g= 106 Вт/см2, испарение материалов и выполнение глубоких отверстий при g= 106 – 108 Вт/см2. На проведение процессов влияет коэффициент температуропроводности материалов а, плотность материала
ρи водность, диаметр пучка d, глубина проникновения луча б.
Минимально необходимая мощность Р электронной пушки для проведения технологической операции рассчитывается по формуле:
|
|
P = 4aLρб/ d 2 , |
(3.26) |
где |
L – |
энергия испарения материала, Дж/см2 ; (численно L=Тпл+lnТпл, |
|
|
где Тпл – температура плавления материала). Размерность единиц: Р |
||
– |
Вт, ρ – |
г/см3, б – см, d – cм; а 104. Для практических расчетов |
|
рекомендуется сравнивать полученные величины с аналогами. Мощность большинства электронных источников не превышает 5 кВт.
Критическая плотность мощности, при которой начинается процесс,
определяется по формуле: |
|
g = ρL a / t , |
(3.27) |
где t – длительность импульса.
Глубина проникновения электронов h (проекционный пробег) прямо пропорциональна квадрату напряжения на электронном источнике и
обратно пропорциональна плотности материала: |
|
h = 2,2 10−12 U 2 / ρ . |
(3.28) |
Несмотря на относительно небольшую глубину проникновения электронов (микроны), импульс тепловой энергии, переносимой электронами, проникает на большую глубину. Например, при ускоряющем напряжении 60 кВ электронный луч сваривает сталь толщиной 10 мм.
3.3.3Применение электронно-лучевых технологий
3.3.3.1 3.3.3.2 Электронно-лучевая обработка материалов
Особенности электронно-лучевой обработки материалов состоят в том, что в вакуумной камере необходим координатный стол для перемещения детали под электронным лучом. Вакуумная камера выполняется из толстой стали (20 мм для напряжения 50 кВ) для защиты персонала от рентгеновского излучения. Для фокусировки электронного пучка применяются электромагнитные линзы. Число ампервитков
|
72 |
|
магнитной линзы (NI) рассчитывается по уравнению: |
|
|
|
NI =10к Ur / f , |
(3.29) |
где к – |
коэффициент заполнения катушки проводом (к = 0,6-0,7); |
|
U – |
ускоряющее напряжение, В; |
|
r – |
средний радиус витка провода, м; |
|
f – |
фокусное расстояние от центра линзы. |
|
Для отклонения электронного луча по оси Х или У служат электромагниты. Угол отклонения луча связан с параметрами
отклоняющей системы соотношением: |
|
θ = 2,96Hl / U , |
(3.30) |
где θ – угол отклонения луча, рад;
l – длина пути электрона в магнитном поле; U – анодное напряжение, В;
H – напряженность поля в отклоняющей системе.
3.3.3.3 Электронно-лучевая сварка, плавка и размерная микрообработка
В электронных пушках для сварки применяются обычно низкие ускоряющие напряжения и токи (до 50 кВ при токах до 100мА). По отношению глубины проплавления h к ширине шва d различают мягкий режим сварки (h ~ d), жесткий режим (h > d) и режим кинжального проплавления (h>>d). Изменение ускоряющего напряжения связано с глубиной проплавления соотношением:
h1 / h2 = U1 /U2 . |
(3.31) |
Для увеличения прочности шва проводится поверхностная наплавка металла на сварной шов путем качания луча.
Электронно-лучевые пушки для плавки металлов почти не отличаются от сварочных пушек. В них используются более мощные электронные пучки (20 кВ, 2 А). Для уменьшения загрязнения пушки пленками плавящегося металла используется отклонение электронного пучка.
Размерная микрообработка электронным лучом может применяться для сверления микронных отверстий в сверхтвердых материалах, для выполнения рельефных рисунков, для локальных термических операций. Ускоряющее напряжение этих пушек составляет 80 – 100 кВ, ток пучка до 1 мА. Диаметр пучка на обрабатываемом изделии составляет 10 - 50 мкм.
Для сварки крупных деталей при атмосферном давлении электронный луч выводят из вакуума в атмосферу через систему камер с малыми отверстиями, из которых откачивается газ. Диафрагмы обладают конечной пропускной способностью для газа. Величина пробега электронов с энергией 100 кэВ при атмосферном давлении невелика (несколько сантиметров).
73
В ряде случаев применяются «шагающие» камеры-присоски, которые переустанавливаются после проведения процесса сварки.
3.4Ионно-лучевая технология
Ион, в отличие от электрона обладает очень большой массой. Вследствие этого ионы, попадая на мишень, слабо нагревают поверхность, но могут распылять ее. Ионы применяются для очистки материалов, полировки, легирования, имплантации. Ионная очистка и полировка поверхности производится ионами относительно малых энергий (до 10 кэВ, с плотностью тока ~ 5 мА/см2). Для операций травления требуется плотность тока свыше 7 мА/см2. Легирование материалов производится ионами определенных элементов при энергиях 30-50 кэВ. Ионная имплантация проводится при энергиях 0,1-1 мэВ и предназначена для введения легирующих атомов в полупроводниковые материалы или для модификации поверхности материалов.
3.4.1Ионные источники для проведения технологических
операций
Ионный источник для технологических целей содержит генератор плазмы, ускорительную ионно-оптическую систему, сепаратор масс. Ионно-оптическая система чаще выполняется электростатической, в виду слабого воздействия магнитного поля на траекторию ионов.
Некоторые параметры ионных источников
Эффективность извлечения – параметр α – (отношение тока эмиссии ионов Ii к току разряда Ip)
α = Ii / I p |
(3.32) |
Достижением является эффективность извлечения (~6%), при этом энергетическая эффективность составляет 0,06-0,25 A/кВт.
Экономичность – (отношение тока ионов к мощности машины). Экономичность определяет цену иона.
Ii |
|
|
η = U рI р |
(А/кВт) |
(3.33) |
Газовая экономичность – отношение ионного тока к расходу газа.
F = Ii /Q |
(3.34) |
Яркость – это распределение плотности тока в пространственном угле распространения пучка.
B = I / Ω (А/м2стер) |
(3.35) |
Эмиттанс – это площадь эллипса скоростей в поперечном сечении
74
фазового объема, занимаемого частицами пучка. (В первом приближении это пространственное распределение яркости пучка).
Аксептанс – зона пучка в площади меньше эммитанса (в зоне не более 20 мрад ~ 1,10)
Параметр Холла. Параметр Холла χ учитывается при наличии
магнитного поля в системе. Параметр показывает, во сколько раз доля энергии, переходящая в продольный ток по оси источника больше радиальной составляющей.
χ = ωτ , |
(3.36) |
где (в случае электронов) ωе=5,94 103 – циклотронная ленгмюровская частота для электронов; τе-время пробега электрона
Предельный ток, который может пропустить вакуумный промежуток, определяется по формуле Чальд-Ленгмюра:
Jчл = 2,33 10−6 U 32 / d 2 S(Zme / mi )12 |
(3.37) |
где U – ускоряющее напряжение, В; |
|
d – расстояние между катодом и анодом, см; |
|
S – площадь токоотбора; |
|
Z – заряд иона (для металлов в первом приближении Z=1); |
|
me – масса электрона, кг; |
|
mi =УАЕМ А |
(3.38) |
mi – масса иона, кг;
УАЕМ =1.66 10 -27кг – условная атомная единица массы; А – атомный вес;
Например: масса иона олова mi SN=1.66 10-27 119=1.98 10 -25 кг;
Масса иона свинца mi PB=1.66 10-27 207=3.4 10 -25 кг.
В некоторых условиях плотность тока может превышать ЧальдЛенгмюровский предел в 30-50 раз.
Параметры плазмы связаны с током извлеченного пучка
соотношением: |
|
I = e n S(kTe / 2πm)0,5 , |
(3.39) |
где n – концентрация частиц на границе токоотбора; S – площадь поверхности токоотбора;
Ток заряженных частиц, необходимый для реализации данной концентрации при данной плотности тока определится:
I = J S |
(3.40) |
где S – площадь сечения анода (см 2).
Учитывая, что из дугового разряда можно извлечь не более 10% ионного тока, можно рассчитать ток разряда через дугу ионного источника. Из плазмы можно извлечь плотность тока:
J = 0,4n+,−(2kTe / m)0,5 ; |
(3.41) |
где n+,− – концентрация ионов или электронов (см-3); |
= 10 5 K, ); |
Тe – электронная температура, (для дугового разряда Тe |
75
m=mI / mP, mP– масса протона, при , mP=1; имеем:
|
|
J = 8 10 |
−16 |
n(Te |
/ m) |
0,5 |
; |
(3.42) |
|
|
|
|
|
||||
где n = (J S 0,5 ) /(8 10−16Te |
0,5 ) . |
|
|
|
|
|
|
|
Концентрацию движущейся плазмы можно рассчитать из |
||||||||
соотношения: |
J = n e V , |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
(3.43) |
|||
где n – концентрация плазмы, см-3 ; |
|
|
|
|
|
|
||
e – |
заряд электрона, (e=1.6 10 -19 Кл); |
|
|
|
|
|
|
|
V – |
скорость движения плазмы, см/с (для металлов 106 см/c, для |
|||||||
плазмы органических веществ V=107-108 см/c). |
|
|
|
|
D (флюенс), |
|||
Для |
обработки |
материалов ионами |
важна |
доза |
|
|||
выражающийся отношением концентрации к площади облучения S и проекционному пробегу h.
D = Shn
Например при модификации поверхности металлов ион/см2.
Энерговклад Q от действия пучка, калориметрированием, определяется соотношением:
(3.44) D ~1017
измеряемый
Q= CM∆T (Дж), |
(3.45) |
где С – удельная теплоемкость материала калориметра (для меди С=0,38); M – масса калориметра, кг;
∆T – изменение температуры калориметра вследствие воздействия пучка. Энерговклад от действия пучка, оцениваемый электрическим способом (по осциллограмме), рассчитывается по соотношению:
Q =U I ∆t , |
(3.46) |
где ∆t – длительность импульса.
Некоторые схемы построения ионных источников
Источники на основе разряда Пенинга
Плазменный источник ионов характерен тем, что ионы извлекаются из плазмы разряда. Для повышения эффективности ионизации газа, разряд помещается в магнитное поле. Источники с магнитным полем относятся к источникам Пенинга.
На 3.21 представлены некоторые схемы плазменных ионных источников.