Конструирование электронно-лучевого испарителя и расчет траектории электронного пучка

Размещено на http://www.allbest.ru/

МГТУ им. Баумана

Конструирование электронно-лучевого испарителя и расчет траектории электронного пучка

Южаков А.А.

студент магистратуры 2 курс, факультет «Энергомашиностроение

Аннотация

Целью данной статьи является объяснения принципа работы электронно-лучевого испарителя, отражение некоторых аспектов, которые необходимо учитывать при конструировании электронно-лучевого испарителя и расчет траектории электронного пучка.

Ключевые слова: электронно-лучевой испаритель, вакуумное

напыление, нанесение оптических покрытий, вакуумное испарение, электронный луч.

Abstract: the purpose of this article is to explain the principle of operation of the electron-beam evaporator, to define some aspects that must be considered when designing an electron-beam evaporator and the trajectory calculation of the electron beam.

Keywords: electron-beam evaporator, vacuum deposition, optical coating, vacuum evaporation, electron beam.

Электронно-лучевые пучки широко используются в технологическом оборудовании для нагрева, сварки, плавки, размерной обработки, распыления, фундаментальных и прикладных исследований, в том числе в нанотехнологиях. Электронный луч по удельной энергетической мощности, легкости управления, эффективности и локальности нагрева превосходит все известные источники, уступая лишь лазерному излучению. Однако, в отличие от лазерного, электронный луч может иметь произвольную форму. Его преимущества также в том, что он не вносит примесей в обрабатываемый материал, может работать в агрессивной или инертной среде. --«Цитата» [1, с. 30].

В производстве широко используется электронно-лучевые испарители, дающие возможность получения тонких пленок металлов, сплавов и диэлектриков. Хорошая фокусировка электронного пучка позволяет получать большую концентрацию мощности (до 5*108 Вт / см2) и высокую температуру, обеспечивая возможность испарения с большой скоростью даже самых тугоплавких материалов. Быстрое перемещение нагретой зоны в результате отклонения потока электронов, регулировка и контроль мощности нагрева и скорости осаждения создают предпосылки для автоматического управления процессом. --«Цитата» [2, с. 132].

Эксплуатация электронно-лучевых испарителей требует вакуума не ниже, чем 10-4 мм.рт.ст. или 10-6 Па, в противном случае электроны

ионизируют молекулы остаточных газов с образованием проводящей плазмы, что приводит к пробою между высоковольтными элементами конструкции.

Принцип работы разработанного электронно-лучевого испарителя.

Электронно-лучевой испаритель (ЭЛИ) - устройство, предназначенное для нанесения покрытий в установках вакуумного напыления. Принцип его работы заключается в следующем: в водоохлаждаемом тигле находится материал, который нагревается пучком электронов с большой энергией порядка 10 кэВ. В окрестности взаимодействия электронов с материалом происходит локальное расплавление материала, который, испаряясь, осаждается на подложке. Источником электронов является вольфрамовая спираль, разогреваемая до температуры, обеспечивающей требуемый эмиссионный ток. Электроны разгоняются электростатическим полем эмиттерной системы до необходимых энергий. Для предотвращения запыления катода, он располагается вне прямой зоны видимости окрестности испарения материала. Электроны за время полета отклоняются на 270° в магнитном поле, создаваемым постоянным магнитом. --«Цитата» [3, с. 528].

Управление положением электронного луча на поверхности мишени осуществляется тремя катушками: одной продольной и двумя поперечными. Линии магнитного поля продольной катушки сонаправлены с линиями магнитного поля постоянного магнита, пронизывающими пространство между двумя боковыми магнитопроводами. Продольная катушка позволяет изменять кривизну траектории электронов. Две поперечные катушки, расположенные симметрично относительно плоскости траектории луча, позволяют отклонять электроны. Такими манипуляциями можно повысить коэффициент использования материала --«Цитата» [4, с. 77].

Сам тигель является поворотным, в нем имеется место для нескольких материалов. Это позволяет напылять разные покрытия без откачки вакуумной камеры. Напыление электронно-лучевым испарителем проходит в глубоком вакууме при давлениях порядка р = 10-7 -10-8 Па.

Преобразование энергии в зоне действия пучка.

У технологических электронно-лучевых установок ускоряющие напряжения обычно лежат в пределах 10-150 кВ. Для химических электроннолучевых процессов чаще требуются ускоряющие напряжения около 300 кВ, реже 1 МВ и выше. --«Цитата» [5, с. 2].

В зоне встречи пучка с объектом, электроны бомбардируют объект, их кинетическая энергия при взаимодействии с атомами превращается в тепловую энергию или в энергию возбуждения атомов и молекул. Часть электронов пучка отражается и рассеивается поверхностью объекта, а в результате вторичных процессов возникают вторичных электроны, рентгеновское излучение и тепловые электроны. Возникающее тепло повышает температуру в зоне действия пучка, появляются потоки от места преобразования энергии в окружающую среду, в том числе поток теплового излучения от нагретой поверхности объекта --«Цитата» [6, с. 26].

Теплопроводность

Конструкция электронно-лучевого испарителя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модель разработанного устройства представлена на рисунке 2.

электронный лучевой испаритель

Магнитная система необходима для отклонения ускоренного пучка электронов. Основой магнитной системы является постоянный NdFeB магнит, выполненный на заказ. Располагается магнит в задней части испарителя для того, чтобы отрезать от него тепловые потоки. Между двумя большими плечами-магнитопроводами образуется перпендикулярное к их поверхностям постоянное магнитное поле. Для центровки положения электронного луча в испарителе используются четыре маленьких магнитопровода. Настраивая расстояние между ними можно откалибровать электронный луч до необходимого положения. Во время процесса напыления необходимо иметь возможность изменять положение электронного луча. Для этого в переднем корпусе располагается система катушек.

Источником электронов и устройством его ускорения является эмиттерная система. На два медных контакта подается высокое напряжение. На один контакт -10000 В, на второй -10006 В. Соответственно, напряжение, подаваемое на вольфрамовую нить, составляет 6 В. Как мы увидим из дальнейших расчетов, этого достаточно для получения необходимого тока эмиссии. Эмиттерная система располагается в передней части устройства под медным корпусом катушек.

Расчет траектории электронов.

Для расчета магнитный полей использовался пакет программ СОМЗОЬ МиШрИуБЮБ 5.3. Была загружена упрощенная 3D модель устройства, назначены соответствующие материалы, указаны коэффициенты, катушки, направления и количество витков, построена сетка, получены значения магнитной индукции в пространстве, получены траектории электронов (рис.3). Была задана энергия электронов пучка 10 кэВ. Положение пучка было отцентрировано подбором тока продольной катушки. Линии ее магнитного поля сонаправлены с магнитными линиями магнита, ток катушки

5 А.

Рисунок 3. Результаты расчета траекторий электронов. Цветом указано значение магнитной индукции, действующей на электроны в Тл.

Использованные источники

Смирнов А.И. Б. Электронно-лучевое напыление: технология и

оборудование //Наноиндустрия. - 2012. - Т. 36. - №. 6. - С. 28-35.

Мовчан Б.А., Тутов Н.Д. Электронно-лучевое испарение и осаждение из паровой фазы материалов в вакууме //Научно-технический журнал - 2009. - С. 12.

Шиллер З., Гайзиг У., Панцер З. Электронно-лучевая технология //М.: Энергия. - 1980. - С. 528.

Eschbach H.L. Electron beam evaporators //Nederlands Tijdschrift voor Vacuumtechniek. - 1986. - Т. 24. - №. 3. - С. 71-85.

Tamura H., Kimura H. Electron beam evaporator : пат. 3467057 США. - 1969.

Buhl R., Moll E., Daxinger H. Method and apparatus for evaporating material under vacuum using both an arc discharge and electron beam : пат. 4448802 США. - 1984.

Размещено на Allbest.ru