книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

Таблица 14. Давление р0, выше которого наступает отравление лантанборидного катода кислородсодержащими газами и азотом, Торр

О тр а в л я ю ­			Т кат’ ° С
щ ий а ген т
	1100	1200	1300	1400	1500
Кислород	-	-	6-10 '5	4-10"4	3 -10 -3
Д в уо ки сь	—	5 -10 -5	М О * 3	1-10 -2	-
углерода
Воздух	-	5 -10-5	1-1 о-3	1-10 ' 2	-
А зот	1-10 " 4	4 -10 -3	-	-	-
В одород	-	10-2	-	-	-
А ргон	-	10"2	-	-	-
Таблица 15. Давление pQ, выше которого наступает отравление
	катода водой и соединениями углерода, Торр
Отравляю­	М, г/моль		Ъ	-С
щий агент
		1300	1400	1450	1600
Вода, азот,	18-30	-	-5-1СГ*	-	—
воздух
Ацетон	58	—	-	1-10*	2-10*
Этиловый	46	5-10*	-	—	—
спирт
Резина	60-160	—	2-10-7	-	-
Витон	80-120	-	-	>10-5	-

Опыты проводили на электронной пушке с плоским лантанбождны м катодом диаметром 10 мм. При рабочей температуре 400-1450 0 С сила тока эмиссии такого катода составляет 0,5-1 А. 1ервеанс электронной пушки равен 2,4-10-4 мА-В_3/2, так что

гля электронно-лучевой сварки

61

100 120 140 160 180 м

Р и с . 2 9 . С п е к т р о с т а т о ч н ы х га з о в в в а к у у м н о й с и с т е м е с л а н т а н б о р и д н ы м к а т о д о м (Т т = 1 4 0 0 ° С ): 1 — ч и с т а я с и с т е м а , р= 2 - К Г 6 Т о р р ; 2 — в и т о н , р=8-1СГ6 Т о р р , q= 1 ,5-10~5 л -Т о р р /(с н ? -с ); 3 — в а к у у м н а я р е з и н а ,

р= 5 1 С Г 5 Т о р р , q= 1,5 -1 (Г * л -Т о р р /(с м ? с)

вдиапазоне анодных напряжений 1-3 кВ сила тока катода не пре­ вышала 40-50 мА. Такой режим работы электронной пушки по­ зволил без применения сложной импульсной аппаратуры прово­ дить непрерывные измерения силы анодного тока, не искажая состава остаточной атмосферы газами, выделяющимися при элек­

тронной бомбардировке коллектора.

Электронную пушку размещали в металлической вакуумной камере, откачиваемой магниторазрядным насосом через диафраг­ му проводимостью 30 л/с по воздуху. Для определения состава ос­ таточной атмосферы около катода размещали масс-спектрометр омегатронного типа с разрешающей способностью 20-40 и диапа­ зоном массовых чисел от 2 до 180. Полное давление измеряли дву­ мя ионизационными манометрами, расположенными по обе сторо­ ны диаф рагмы . К сож алению , градуировочны е кривы е манометрических датчиков по тяжелым газам сложного состава от­ сутствуют. Поэтому для всех веществ приводят прямые показания ионизационного манометра с азотной градуировкой, хотя истинное давление тяжелых углеводородов может быть в 5 -6 раз меньше.

Перед введением в систему каких-либо газов или паров дав­ ление над катодом составляло 5-10-10-7 Торр. Из рис. 29 видно,

62	Оборудование

что основными компонентами остаточной атмосферы при этом яв­ ляются водород, окись углерода и вода, а количество газов с отно­ сительной молекулярной массой больше 30 не превышает 5-10% . При напуске воздуха, водорода, азота, паров воды и органичес­ ких растворителей (этиловый спирт, ацетон, трихлорэтилен, толу­ ол) спектры остаточных газов совпадали с эталонными. Источни­ ком тяжелых углеводородов служил внесенный в вакуумную камеру кусок резины с поверхностью 8 см2.

В этом случае состав легких газов совпадает со спектром чистой системы, однако удельный вес легких масс составляет всего 20%, так что полное давление практически целиком определяют тяжелые углеводороды массой от 60 до 160. Из-за малой разрешающей спо­ собности омегатрона выделить в этой области отдельные компонен­ ты невозможно, поэтому на рис. 27 показана только огибающая спек­ тра. По этой ж е причине не удалось обнаружить заметной разницы в спектрах вакуумной резины разных марок (включая силиконовую), одинаковым оказалось и их воздействие на катод. Существенно мень­ ше тяжелых газов выделяется из витона (ИРП-2043): доля тяжелых масс в спектре около 30-40%, а полная скорость газовыделения в 20-40 раз меньше, чем для обычной резины (см. рис. 29).

Результаты экспериментов сведены в табл. 15. Чувствитель­ ность катода к воздействию кислородосодержащих газов, азота и водорода согласуется с данными, приведенными в табл. 14. Од­ нако отравление парами органических растворителей и тяжелыми углеводородами наступает значительно быстрее: при температу­ ре катода 1400-1500° С это происходит уже при давлении поряд­ ка 10"7-1 0 ^ Т о р р .

Отравление катода углеводородами отличается от кислород­ ного не только высокой чувствительностью, но и рядом других осо­ бенностей. Гораздо медленнее растет с температурой устойчивость против отравления; при глубоком отравлении эмиссия не восста­ навливается (или восстанавливается очень медленно — десятки ча­ сов при 1600 °С) даже после удаления отравляющего фактора. Пос­ ле вскрытия системы на поверхности отравленного катода можно наблюдать характерный серо-зеленоватый налет. Совершенно нео­ жиданным на первый взгляд оказалось поведение отравленного углеродными соединениями катода при напуске углекислого газа. Увеличение парциального давления двуокиси углерода приводит к быстрому восстановлению эмиссии (рис. 30). Требуемое для ком­ пенсации отравления давление С 0 2 зависит, хотя и не очень силь­ но, от количества и состава углеродосодержащих газов.

для электронно-лучевой сварки

63

Все эти факты — сходство характеристик отравления при воз­ действии различных по физическим свойствам углеводородов, увеличение эмиссии при введении в систему электроотрицатель­ ной двуокиси углерода, визуальная картина отравленного катода ит. д. — позволяют предположить, что механизм отравления като­ да сводится к химической реакции между гексаборидом лантана и остаточными газами, приводящей к образованию на поверхнос­ ти катода твердых соединений (карбидов, нитридов, гидридов, окис­ лов лантана и бора). Если эти соединения устойчивы, энергетичес­ кая структура гексаборида лантана нарушается, а работа выхода катода возрастает.

Для проверки этой гипотезы необходимо вычислить термоди­ намические потенциалы и константы равновесия соответствующих реакций и сравнить расчетные значения равновесных давлений с экспериментальными величинами. Как известно, термодинамичес­ кие оценки позволяют сделать вывод о возможности хими­ ческого взаимодействия при данных температуре и давле­ нии реагирующих веществ, но ничего не говорят о кинетике этого взаимодействия. Одна­ ко при анализе отравления катода это не так важно. Дей­ ствительно, если какая-либо реакция, приводящая к увели­ чению работы выхода, термо­ динамически возм ож на, то для зам етного отравления вовсе не требуется, чтобы в системе установилось полное равновесие: увеличение рабо­ ты выхода на 10-20% приво­ дит к уменьшению силы тока

эмиссии в 10-100 раз.

П оскольку п о греш ность расчета равновесного давле­ ния составляет 1 -2 порядка величины, уверенно отожде­ ствить механизм отравления с какой-либо химической реак­

Оборудование

	цией м ож но, если экспери ­	Р,Торр
	ментальные значения отрав­
	ляющего давления совпадают
	с равновесным во всем диа­
	пазоне температур. Для расче­
	та реакций отравления, прежде
	всего, нужно знать термодина­
	мические постоянные гексабо-
	рида лантана. Теплота образо­
	вания и теплоемкость этого
	соединения известны, но дан­
	ные об энтропии отсутствуют.
	Стандартное значение энтро­
	пии 10,2 кал/(моль град) было
	вычислено интегрированием
	температурной зависимости
	теплоемкости LaB6.
	Термодинамический ана­
	лиз сильно осложняется тем,	0,3-10* 0,5-Ю3 0,7-10Э	-с"
	что гексаборид лантана взаи­	Рис. 31. Равновесные давления реакций
	модействует не только с основ­
		с гексаборидом лантана (сплошные
	ным отравляющим агентом, но
		линии) и значения отравляющего
	и с другими компонентами ос­	давления (точки) для разных газов:
	таточной атмосферы. В такой	1 — азот; 2 — углекислый газ; 3 — вода;
	сложной системе набор про­	4 — кислород; 5 — ацетон;
	дуктов реакции неоднозначен	6 — этиловый спирт

и зависит от относительного ко­ личества вступающих в реакцию веществ. Как правило, в такой си­

туации выбирали наиболее вероятный термодинамический вариант реакции, однако в некоторых случаях этот вариант не реализуется из-за влияния параллельно идущих реакций. Например, при темпе­ ратуре 1400 °С гексаборид лантана начинает взаимодействовать с кислородом уже при давлении 10~13 Торр. Тем не менее, противо­ положно направленные реакции восстановления окислов водоро­ дом и окисью углерода увеличивают отравляющее давление кис­ лорода до 10"4 Торр (реакции 4а и 46 в табл. 16).

Реакции отравления и их равновесные давления приведены в табл. 16. Термодинамические потенциалы реакций вычисляли без поправки на теплоемкость, так как ее влияние заведомо меньше ошибок, вызванных разбросом табличных значений энергий обра­ зования и энтропии соединений бора и лантана. В тех случаях, когда

для электронно-лучевой сварки

65

Таблица 16. Взаимодействие газов с геисаборидом лантана

Но­	Отрав­
мер	ляющей
реак­	агент
ции
1	Азот

2Дву­

окись

углерода

3Вода

4Кислород

5 Водород

6Окись

углерода

7Ацетон

8Огирг

9Метан

Реакция

Laq+7/2 N,4aN+6BN

2La%*21/2 С q=Lazq 4 € ^ q + 2 i/2 C

2 и ц .+ 2 1 н ,а ц & + +6B2q+21H,

a — 2LaB6+21/2

б -

2Laq -K 21/2^)q +n q + -HT0q=u,CB+8B,q+ ■mqo+noq

a — LaB6+17/2 q = L a q ^ 2 щ 0

6 — Laq+10 H,=LaK,+

Laq+7 00=3^2 B4G fL aq + 7/2002

Laq+’^ C H ^ 0 0 # 2 00=3/2 B4C fLaq+5/2 o q 3 / 2 q

L a q + ^ q q o H f W 0 0 ^ 2 B4CfLaq+11/4 c q + ^ q

Laq *2 СН4чЗ 00=3/2 B4C tia q 4 3 /2 o q + 4 H .

	Константа	Правая часть
	равновесия	X уравнения
		равновесия
		gp=x
Ig p^=-2000Q/T+11,2		-2000Q/T+11.2
ig р ^ г г о о о /т + и . б		-2000/Т+11.5
ig	(FW /P KA X^	-9000/1+8,4
-9000/T+8.4
19 Рсв~ 420СУТ+11,7		—420Q/T+11,7
ig ( P 'a z P 'J P '* F CO		При П-»оо
p r2,/2CE)^ t4 0 00 /T +		-6500/Т+13.8
+123-n(26500/T-13,8)
Ig	1020ПГ+8	- 102Q/T+8

Ig (p,B^ p ,V =

-185Q/T-57

Ig (P(n/P2o^= =56000/T-11,2

Ig (PW^ai/P^CD Р(Ощиг»“ 16250^T-7,7

Ig (l^rtP1W P 19aD P5O ffJ = =32000/1-40,5

ig

(PwP''W P3aP2o J =

-6200/1-2,1

Рент™ -6 РЬб= 10-,а -2800Q/T+1.6

—1625Q/T+ 3,7

-10700/Т+ 4,2

ЗШ Т - 8

Равновесное

давление р,Торр, при Т=1400°С

1 К Г

2- К Г 2

МОГ3

4-10"14

МО Г4

3 -К Г 8

5 -КТ4

1 -К Г 6

&1СГ5

4-10-7

Оборудование

в реакции участвует несколько газообразных веществ, парциаль­ ные давления принимали равными их типичным значениям в ва­

ку у м н о й си стем е	(см . рис. 2 9): Рн =Рсо =РН о=1 °“ 6 Торр,
Р с о г ^ Т о Р Р -	2	2 2

Графики (рис. 31), построенные по данным табл. 14-16 подтвер­ ж даю т предположение о химическом механизме отравления лантанборидного катода остаточными газами хорошо подтверждается.

Расчет равновесных давлений показывает, что водород прак­ тически не взаимодействует с гексаборидом лантана (реакция 5 в табл. 16). Поэтому пики в спектре остаточных газов, наблюдав­ шиеся Букингемом при напуске водорода, никак не могут при­ надлежать гидридам бора. Объяснить это противоречие нетруд­ но. Относительная молекулярная масса В2Н6 равна 27,69. Чтобы отличить его от пика с М=28, разрешающая способность спектро­ метра должна быть не меньше 100, т. е. намного больше, чем у омегатрона, которым пользовался Букингем. По-видимому, от­ равляю щ ие катод соединения появлялись в результате реак­ ции водорода со свободным углеродом на поверхности катода.

Рассмотрим особенности реакций гексаборида лантана с угле­ родосодержащими соединениями. Образующиеся при этом кар­ биды лантана и бора устойчивы при рабочих температурах катода, однако в атмосфере углекислого газа они могут разлагаться с вы­

делением окиси углерода
3/2 B4C+LaC2+7/2 C 0 2=LaB6+7C0.	(90)

Непосредственные наблюдения показывают, что этот процесс действительно происходит: темное пятно (по-видимому, карбид бора), отчетливо наблюдавшееся на катоде, отравленном ацето­ ном, исчезло после того, как эмиссия была восстановлена двухча­ совой работой при давлении углекислого газа 10"5-1 0 ^ T o p p .

Из табл. 16 и рис. 31 видно, что при отравлении ацетоном и спир­ том учет встречных реакций разложения карбидов приводит к удов­ летворительному совпадению с экспериментальными данными.

Труднее установить конкретный вид реакции при отравлении катода выделяющимися из резины углеводородами, состав кото­ рых неизвестен. Тем не менее, можно хотя бы в принципе оценить зависимость чувствительности катода к отравлению от молекуляр­ ного веса, выбрав для примера какой-либо простейший ряд угле­ водородов. На рис. 32 представлены результаты расчета равно­ в е сн ы х д авл ений реакций ге кса б о р и д а с насы щ енны м и углеводородами алифатического ряда СпН2п+2.

для электронно-лучевой сварки

67

LaB6+2/n CnH2n+2+3CO=3/2 B4C+LaC2+3/2 C 0 2+2 (n+1)/n H2. (91) Формула углеводорода — CnH2n+2, n=1—10, PC0=PH =10_6T opp>

M=14n+2. 1— pco=1 -10"8 Topp, 2 — pCnH2n+2=1 -1 CT5Topp.

Кривая 1 на рис. 32 доказывает, что при постоянном давлении углекислого газа равновесное давление углеродного соединения мо­ нотонно убывает (а чувствительность катода к отравлению увеличи­ вается) с возрастанием относительной молекулярной массы. М ож ­ но ожидать, что эта закономерность имеетдостаточно общий характер, так как она прослеживается и на других углеродосодержащих газах. Например, при 1400 0 С отравление катода окисью углерода (М=28) начинается при давлениях больше 10-3 Торр, тогда как для отравле­ ния парами ацетона (М=58) достаточно в 1000 раз меньшей концент­ рации (табл. 16, реакции 6 и 7). Термодинамическое исследование реакций типа (91) показывает, что равновесное давление таких реак­ ций слабо зависит от температуры (см., например, реакцию 9 в табл. 16). Качественно это подтверждают экспериментальные дан­ ные: при кислородном отравлении для полного восстановления эмис­ сии достаточно увеличить температуру катода на 50-100 °, тогда как катод, отравленный углеводородами, практически не реагирует даже

на двукратные (по мощности

	10"		2	_ 10"	накала) перекалы.
					Результаты эксперим ен­
	10''
				10"	тального исследования от­
а	10',г			10"' о.	равления лантанборидного
о	ю	-			катода и термодинамическо­
н_				о
				а.	го анализа взаимодействия
£	ю	-
5				10” j	гексаборида лантана с оста­
	1 0 -			10"	точными газами позволяют
	1 0 -		\	10"	сделать следующие выводы.
	1 0 “				1. Уменьшение эмиссии
				ю -	вызывают химические реак­
		10	40 70 100	130 м	ции гексаборида лантана с
Рис. 32. Зависимость равновесного					остаточными газами, приво­
давления реакции насыщенных					дящими к образованию на
углеводородов с гексаборидом лантана от					поверхности катода нитри­
относительной молекулярной массы.					дов, окислов или карбидов
Формула углеводорода — СпН2п+2; п = 1 -10;					бора и лантана.
Рсо=Рн, - К Г 6 Торр; М =14п+2:1 — рю=					2. Чувствительность като­
					да к отравлению очень силь­

= U O * T o № ; 2 - p o m u l=1-КГ5 Торр	но зависит от состава оста­

68	Оборудование

точных газов. При температуре катода 1400 °С отравление азо­ том наступает при давлении >1СГ1 Торр, кислородсодержащи­ ми газами — при >10^-1 СГ2Торр, соединениями углерода — при 10-7—10“5 Торр.

3. Углеродное отравление можно наблюдать при работе като­ да в вакуумной системе, содержащей резиновые уплотнения, пары органических растворителей, следы масла и т. п. Чувствительность к отравлению углеводородами увеличивается с возрастанием мо­ лекулярного веса и уменьшается при увеличении парциального давления углекислого газа. Для тяжелых углеводородов (М>60) при температуре катода 1400 °С и давлении двуокиси углерода при­ мерно 10-8 Торр отравляющее давление составляет 1-2-10-7 Торр; эмиссия катода в таких условиях полностью восстанавливается при увеличении рсо до 10-5 Торр.

Таким образом, для предотвращения отравления лантанборидного катода при выполнении электронно-лучевых технологичес­ ких процессов необходимо:

■обеспечивать в вакуумной камере «безмасляный» вакуум (используя соответствующую вакуумную технику, например немецкой фирмы «Pfeiffer»);

■применять дифференциальную откачку воздуха из области электронного прожектора турбомолекулярным насосом до давления не более 1,33-10-5 Па;

■строго соблюдать вакуумную гигиену (не допускать попада­ ния влаги, масла и пыли в вакуумируемое пространство; про­ тирать вакуумируемые детали и узлы только этиловым спир­ том или петролейным эфиром; сокращать до минимума вре­ мя нахождения электронного прожектора и вакуумной ка­ меры «без вакуума») как внутри электронной пушки, так и внутри вакуумной камеры, вакуумных насосов, вакуумпроводов и для других устройств, работающих в вакууме;

■если имеется техническая возможность, то в остаточной сре­ де в области электронного прожектора обеспечивать повы­ шенную относительную концентрацию углекислого газа;

■не применять резиновые вакуумные уплотнения.

Фокусирующие системы

В сварочных электронных пушках используют «короткие» маг­ нитные фокусирующие линзы, т. е. такие, эффективная протяжен­ ность магнитного поля которых вдоль оси электронного пучка су­ щественно меньше расстояния между кроссовером и уровнем

для электронно-лучевой сварки

69

фокусировки пучка в зоне воздействия на обрабатываемое веще­ ство. Локализация магнитного поля на коротком участке оси элек­ тронной пушки предотвращает наложение этого поля на поле откло­ няющей системы и, тем самым, возникновение дополнительных аббераций фокусировки и отклонения. Обмотку фокусирующей сис­ темы помещают в панцирь из материала с высокой магнитной прони­ цаемостью, имеющий в области лучепровода образованный двумя кольцевыми полюсами немагнитный зазор. Поле рассеяния этого зазора, проникая в область электронного пучка, обеспечивает его фо­ кусировку. Одновременно панцирь повышает энергетическую эффек­ тивность системы. Чем меньше зазор при заданном диаметре полю­ сов, тем меньше протяженность магнитного поля. Однако при слишком малом зазоре, во-первых, начинает проявляться эффект полного экранирования магнитного поля обмотки и, следовательно, падает энергетическая эффективность системы, во-вторых, при уко­ рочении магнитного поля возрастает сферическая абберация систе­ мы. Практически нецелесообразно применять зазор меньше 5 мм.

Фокусное расстояние «короткой» магнитной линзы определя­ ют выражением

	е	B 2(z)dz,
/	J		(92)
	%™ 2и уск

где Za— координата кроссовера; Zfc— координата уровня фоку­ сировки электронного пучка; B(z) — индукция магнитного поля на оси z; е, т — заряд и масса электрона; с — скорость света.

Угол поворота изображения (поперечного сечения электронно­ го пучка) вокруг оси в фокусирующей системе:

.	Г - 7 ~	z ‘	<93)
V = -	h —r,------	JB(z)dz .
e Y	m V у с к	Z a

Как видно из выражения (92), фокусное расстояние линзы не зависит от направления магнитного поля, т. е. от направления электрического тока в обмотке. Если в долинзовом пространстве электронный пучок аксиально-симметричный, то поворот попереч­ ного сечения пучка вокруг оси не влияет на его геометрию.

Распределение индукции магнитного поля вдоль оси фокусиру­ ющей системы достаточно хорошо аппроксимируется выражением

B(z)=ц0 ~ ^ (R 2 +z2)3/2

(94)

70	Оборудование