[科普中国]-电子束

简介

【词语】：电子束

【释义】：又称电子注。在真空汇集成束。可采用静电场聚焦,磁场聚焦等方法。电子显微镜和电视机就是利用电子束形成影像的。

原理电子在电场中会受力而得到加速、提高能量，产生电子束。

一台电子加速器，注入的电子能量为20GeV（1GeV=109 eV，也就是10亿电子伏特），相应的电子速度为0.99999999979倍光速。电子经加速器加速后，能量可达到100GeV，电子速度达到0.999999999987倍的光速。这说明，电子在这台加速器里速度几乎没有增加，而能量增加了4倍。

其实，加速器离人们的生活并不远。现代生活中已经普及的电视、计算机显示器所用的显像管就是一台小小的电子加速器。

显像管有玻璃密封外壳，内部抽成真空。由一端的电子枪产生的电子束（强度受影像讯号控制）经过聚焦线圈聚焦后在高压电极的作用下加速向前运动。与此同时，电子束在偏转电极的作用下，自上而下作水平方向的扫描。这样，在显像管另一端的荧光屏上就形成了明暗程度不同的亮点。

粒子加速器的结构可以与显像管类比。显像管中的电子枪对应于加速器的电子枪或离子源，显像管中加速电子用的高压电极对应于加速器中的高压加速电极及加速腔。显像管中控制电子运动的电偏转板与聚焦电子的聚焦线圈，对应于加速器中控制粒子运动轨道和聚焦粒子束流的多种电磁部件，如导向磁铁、聚焦磁铁、多极校正磁铁等。对粒子加速器的粒子运行管道来说，为了减少粒子在运动中与残余气体碰撞而造成粒子的丢失和束流性能变坏，所要求的真空度比显像管要高数千到数万倍。

随着科学技术的不断发展，根据科学家对粒子能量和流强的不同要求，陆续产生了不同原理、不同结构的多种加速器。

区别电子束加工（electron beam machining，EBM）是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106～109W/的极细束流，高速（光速的60%~70%）冲击到工件表面，并在极短的时间内，将电子的动能大部分转换为热能，形成“小孔”效应，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，达到焊接目的。

激光器利用原子受激辐射的原理，使物质受激而产生波长均一，方向一致和强度非常高的光束。通过光学系统将激光束聚焦成尺寸与光波波长相近的极小光斑，其功率密度可达105～1011W/，温度可达一万摄氏度，将材料在瞬间熔化和蒸发。

至今，电子束焊经过不断发展已经成为一种成熟的加工技术，无论是汽车制造，还是航空航天，都起着举足轻重的作用。而40多年来，激光加工已从实验室走向了实用化阶段，并进入了原来由电子束加工的各个领域，大有取代电子束加工的势头。但实践证明，激光和电子束作为高能量密度热源，除了具有很多相同技术特点外，在技术和经济性能上，针对不同的应用场合，仍有各自不同的特点。

相比较于电子束焊，激光焊接的优点是：激光焊不需真空室和对工件焊前进行去磁处理，它可在大气中进行，也没有防X射线问题，所以可在生产线内联机操作，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循环时间大大低于电子束焊接（很容易做到30秒以内）。激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流。

应用作为制备与加工难熔金属的核心技术之一，电子束技术已在高温合金的成型制造与精炼、高温合金的焊接、表面改性以及涂层制备等领域得到了广泛应用，并将不断涉足航空航天、国防军工以及核工业等各个领域中。此外，随着对高温合金使用性能要求的不断提高以及新型高温合金的开发，电子束技术在高温合金中的应用也面临着新的挑战，因此需要不断开发电子束技术的新方法与新工艺，如将计算模拟的方法与电子束技术相结合能有效指导材料的制备与加工，此外，电子束自动化技术的应用可实现对材料制备与加工过程的精确控制，在降低劳动强度的同时提高材料的使用性能。电子束技术与高温合金的发展相互促进，电子束技术在高温合金中的应用也必然朝着高效率、低成本、低能耗的方向发展。此外，电子束技术的应用在大幅度提高高温合金的使用性能的同时，使得超高熔点合金的制备与加工成为可能。电子束技术与高温合金的开发紧密结合，不断发展，在高温合金中的应用领域将不断拓宽，应用前景值得期待1。