مقدمه

توسعه و گسترش تجهیزات و سامانههاي اپتیک الکترونی داراي پیشینه زیادي است.[۱] از پرتوهاي الکترونی براي مقاصد مختلفی استفاده میشود که برخی کاربرد علمی و برخی کاربرد صنعتی دارند.[۲] تفنگهاي الکترونی با انرژي و جریان بالا بیشتر براي استفاده در زمینههاي صنعتی مانند جوشکاري و برشکاري ساخته میشوند که داراي قطر پرتویی از مرتبه میلیمتر میباشند.[۳]

بیشتر تفنگهاي الکترونی که براي مقاصد علمی مورد استفاده قرار

میگیرند داري قطر پرتویی در حدود میکرومتر هستند.[۴] در طراحی و ساخت تفنگهاي الکترونی معمولا از فلز تنگستن بدلیل تابع کار پایین آن به عنوان کاتد استفاده میشود۶]،.[۵ جوشکاري با پرتو الکترونی در خلا یکی از روشهاي پیشرفته جوشکاري است. از جوشکاري با پرتو الکترونی براي جوشهاي با مشخصه-

هاي خاص، که با دیگر روشهاي جوشکاري قابل دستیابی نیست استفاده میشود. مهمترین کارکرد آن ایجاد جوشهاي عمیق و باریک و با دقت بالا است.[۷] در این روش پرتو الکترونی در خلا تولید میشود که از تولید گازهاي مزاحم جلوگیري میشود، و

۱۸۵

جوش حاصل داراي استحکام و تمیزي زیادي است۹]،.[۸ در این مقاله شبیه سازي و ساخت یک تفنگ الکترونی با کاتد شبه مویی و انرژي بالا و مناسب براي فرایند جوشکاري با پرتو الکترونی ارائه شده است.

توصیف روش

فرایند جوشکاري با پرتو الکترونی یک فرایند اتصال ذوبی است که در آن الکترونهاي خارج شده از کاتد با انرژي جنبشی بسیار بالا و در حالتی متراکم و متمرکز به قطه مورد نظر برخورد میکنند و انرژي جنبشی این الکترونها به انرژي درونی تبدیل و خود را به صورت گرما نشان میدهد. این حرارت باعث ذوب کردن لبهها و اتصال آنها به هم میشود. الکترونها در این روش باید درون محفظه خلأ تولید شوند تا در مسیر خود به مولکولهاي هوا برخورد نکرده و داراي جریان پرتو، بالایی باشند. در این نوع جوشکاري، تمرکز پرتو و بالا بودن جریان پرتو نقش اساسی دارد.

در این فرآیند کوچک بودن ضخامت کاتد که معمولا از نوع ترمویونیکی است نقش بسزایی در بیشتر بودن تمرکز پرتو دارد.
براي ایجاد شتاب در الکترونها از الکترودهاي الکتروستاتیکی استفاده میگردد. الکترونهاي شتاب گرفته در طول مسیر خود دچار واگرایی میشوند و بنابراین باید آنها را متمرکز نمود. براي متمرکز نمودن پرتو از لنز مغناطیسی (کویل) استفاده میگردد.

شبیهسازي و ساخت

براي شبیهسازي این تفنگ الکترونی از کد محاسباتی

SIMION3D8. 0 استفاده میکنیم. اساس روش محاسباتی این کد بر روش تفاضل محدود است. میتوان با استفاده از این نرم افزار،مسیر پرتو الکترونی را در میان میدان الکتروستاتیکی که

توسط لنزهاي الکتروستاتیکی تولید شده، در سهبعدي تعیین کرد.

در شبیهسازي و ساخت این تفنگ، الکترونها از یک کاتد ترمویونیکی از جنس تنگستن که داراي قطر ۰/۳ میلیمتر میباشد گسیل میشوند. در ساخت آزمایشگاهی، کاتد را به صورت V
شکل قرار دادهایم. الکترونهاي گسیل شده از فیلمان وارد یک دو قطبی تشکیل شده از الکترود پیرس که داراي انحراف ساختاري

۶۷/۵ درجه با محور اپتیکی میباشد، و الکترود استخراج کننده به نام گرید میشود، ولتاژ اعمالی به پیرس-۳۰ V میباشد. الکترود پیرس با شکلدهی میدانهاي الکتریکی، باعث کانونی شدن پرتوها در نزدیکی کاتد میگردد، و باعث خنثی کردن نیروي واگراي لبه باریکه میشود. الکترود استخراج کننده نیز که در یک ولتاژ مثبت قرارگرفته است، الکترونها را از صفحه ساطع کننده بیرون میکشد و باعث تولید پرتوي از الکترونهاي استخراج شده میشود. قطر روزنه گرید شبیهسازي و ساخته شده ۴ میلیمتر میباشد. در ادامه براي شتاب دادن به الکترونها از دو لنز الکتروستاتیکی استفاده نمودهایم. قطر روزنه این لنزها به ترتیب ۵ و ۶ میلیمتر انتخاب شد.

کار این لنزها شتاب دادن به الکترونهاي خروجی از گرید می-

باشد. پرتو الکترونی شتاب داده داده شده در ادامه مسیر براي متمرکز شدن باید از یک لنز الکترومغناطیسی عبور داده شود. براي این منظور از یک کویل که داراي ۲۲۰۰ دور بود و جنس سیمپیچ آن از مس بود استفاده نمودیم. قطر روزنه این کویل ۸ میلیمتر انتخاب شد. تعیین مقدار جریان پرتو الکترونهاي شتاب داده شده و متمرکز شده توسط ابزاري به نام فارادي کاپ انجام می گیرد که در انتهاي مسیرقرار گرفته است. در شکل۱نمایش عبور پرتو الکترونی از تفنگ الکترونی شبیهسازي شده با نرم افزار سیمیون مشاهده میشود.

۱۸۶

شکل:۱نمایش عبور پرتو الکترونی از تفنگ الکترونی شبیهسازي شده.

در این کار بیشینه پتانسیل اعمال شده ۳۵۰۰ ولت می باشد که به سطح قطعه کار یا فارادي کاپ اعمال شده است. البته در کاربردهاي صنعتی و حتی آزمایشگاهی می توان این بیشینه ولتاژ را تا مقداري بیش از ۶۰ کیلو ولت براي شتاب دادن بیشتر به الکترونهاي پرتو الکترونی بالا برد. در شکل۲ نمایش اجزاء تفنگ الکترونی ساخته شده مشاهده میشود.