1.1 Получение свободных электронов
Свободный, не связанный с атомом электрон можно получить, если сообщить атому избыточную энергию, поглощая которую электрон переходит на более удаленные от ядра орбиты и может при этом потерять связь с ядром.
Это происходит при нагреве металлов, которые при этом начинают испускать термоэлектроны.
Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Для этого необходимо получить плотность тока на катоде порядка (0,1…1,5)·10–4 А/м2 . При этом температура катода должна быть 2400…2700 °К. Чем больше температура, тем меньше срок его службы.
Для гексаборида 5 лантана LaВ6 Т=1600…2000 °К.
Помимо термоэмиссионных катодов применяют плазменные катоды, использующие электроны из плазмы газового разряда. Эти катоды не содержат накаливаемых элементов, более просты по конструкции и имеют значительно больший срок службы даже в самых тяжелых условиях эксплуатации.
1.2 Ускорение электронов
Для сообщения электронам необходимой энергии используют самый простой и наиболее распространенный способ – ускорение электронов электрическим полем.
На электрон в поле действует электростатическая сила
(5.1)
Где e – заряд электрона (e=1,602·10 –19 Кл(с·А);
Е – напряженность поля.
При движении в поле разность потенциалов под действием силы F электрон приобретает энергию:
(5.2)
Это приращение энергии электрона происходит за счет увеличения кинематической энергии (скорости) его движения:
(5.3)
где
– масса электрона (
=9,109·10
–31 кг);
V – конечная скорость электрона, км/с;
– начальная
скорость электрона (
=0).
Поэтому
отсюда
км/с
То есть при ускоряющем напряжении 1В скорость электрона составляет 593,2 км/с.
В электронных
пушках ускоряющее напряжение может
достигать 2·
В
(200000 В).
Низковольтные системы ( =15…30 кВ) наиболее просты по конструкции и в эксплуатации и применяются в основном для операций, связанных с плавлением и сваркой различных материалов.
1.3 Управление электронным лучом
Электронным лучом можно управлять с помощью электростатических или магнитных полей. На практике шире распространены магнитные системы фокусировки и управления перемещением луча.
На движущийся в магнитном поле электрон, согласно законам электродинамики, действует сила
F=B·V·ѕin , Н (5.4)
Где В – магнитная индукция, Тл=Вб/м2;
V – скорость движения электрона, км/с;
— угол между вектором скорости и магнитной силовой линией поля.
Под действием этой силы электрон будет двигаться в магнитном поле по окружности, перпендикулярной силовым линиям поля. Траектория движения электрона (под действием магнитного поля и инерционных сил) выглядит в виде спирали.
Создавая по оси электронного луча с помощью специальной магнитной системы-магнитной линзы — магнитное поле определенной формы, можно обеспечить сходимость траектории электронов в одной точке (фокусировку).
Для перемещения электронного луча по обрабатываемой поверхности обычно используют его взаимодействие со скрещенными поперечными магнитными полями, создаваемыми отклоняющей системой.
Благодаря малой массе электронов достаточно легко перемещать луч по обрабатываемой поверхности в широком диапазоне скоростей при любой форме траектории.
1.4. Вакуум как необходимый фактор электроннолучевой технологии
Электронный луч можно получить только в вакууме, так как за счет соударений с молекулами атмосферных газов электроны отдают им свою энергию и луч “рассеивается”.