Электроннолучевой нагрев

В последние годы резко возросла потребность в металлах и сплавах, ранее почти не применявшихся или применявшихся в незначительных количествах. К таким металлам относятся уран, цирконий, ниобий, тантал, вольфрам и др., которые используются в условиях исключительно высоких статических и динамических нагрузок при очень высоких температурах. В свою очередь свойства указанных металлов находятся в прямой зависимости от содержания в них примесей, особенно кислорода, водорода и азота. Обеспечить получение ультрачистых металлов можно, лишь производя операции выплавки и горячей деформации в условиях глубокого вакуума. Наиболее эффективно указанные операции можно производить с помощью электроннолучевого нагрева, принцип которого состоит в следующем.

Если свободный электрон, имеющий отрицательный электрический заряд, поместить в пространство между двумя электродами с разностью потенциалов Up, то под влиянием электрического поля электрон начнет двигаться к положительному (анодному) электроду. Скорость перемещения электрона зависит от величины Up и может быть вычислена по формуле:

где с — скорость электрона в электрическом поле, км/сек; Up — разность потенциалов на участке, пройденном электроном, в.

В случае движения электрона в вакууме, где он не тратит энергии на столкновение с молекулами воздуха, кинетическую энергию, которую приобретает электрон под действием электрического поля, можно выразить зависимостью:

где m — масса электрона, равная 9,1 * 10-28, г; ε — заряд электрона, равный 1,6* 10-19 к; с — скорость электрона, см/сек; Up— разность потенциалов, в.

Из формул (1-11) и (1-12) видно, что кинетическая энергия электрона находится в прямой зависимости от величины разности потенциалов между электродами или так называемого разгоняющего напряжения.

При столкновении быстролетящего электрона с поверхностью анодного электрона может произойти либо его поглощение материалом анода, либо его отражение от поверхности. При поглощении электрона материалом анода около 70—80% его кинетической энергии преобразуется в тепло. Если катодный электрод (термокатод) нагреть до температуры, при которой начнется интенсивная термоэлектронная эмиссия, то между катодным и анодным электродами установится поток электронов, так называемый анодный ток, величина которого численно равна току эмиссии катода. За счет бомбардировки анода потоком быстрых электронов температура быстро повышается. Скорость нагрева и предельная температура зависят от величины разгоняющего напряжения и анодного тока, т.е. от мощности электронного потока:

Формула 1-13(1-13)

где Nп — мощность электронного потока, вт; Iа — анодный ток, a; Up— разгоняющее напряжение, в.

Установки, в которых нагреваемый металл служит анодом, широко используются в технике, особенно для зонной очистки. В этих установках источником свободных электронов служит термокатод, изготовленный из вольфрамовой или танталовой проволоки в виде кольца. Нагреваемый металл помещается коаксиально относительно термокатода, и между ними прикладывается разгоняющее напряжение порядка 10—15 кв. Термокатод нагревается до 2000—2500 °С прямым пропусканием тока. За счет электронной бомбардировки металл может быть с высокой точностью нагрет до любой необходимой температуры, включая температуру кипения или испарения. Схема такой установки показана на рис. 1-18.



Рис. 1-18. Схема электроннолучевой установки

Рис. 1-18. Схема электроннолучевой установки