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Tout en un tas

Avec ce billet, je poursuis le sujet de l'utilisation du phénomène d'émission explosive d'électrons, dont j'ai récemment parlé dans mon article " Au coeur du spot cathodique ". Ensuite, une technologie et un équipement intéressants pour la génération de faisceaux d'électrons à haute énergie et basse intensité (NECS) dans un canal plasma étendu. Cette technologie permettra d'obtenir des alliages de surface avec un certain nombre de caractéristiques uniques. Nous parlerons des applications pratiques de cette technologie, des perspectives de son développement et des domaines d'utilisation inhabituels dans cet article.



Comment ça fonctionne?

Pour générer un faisceau d'électrons, il est nécessaire d'utiliser une chambre à vide dans laquelle sont installées des cathodes à décharge réfléchissante ( K1, K2 ) et une anode à plasma ( A ). La distance entre les cathodes est de 20 à 50 cm Le processus se déroule dans un champ magnétique. Pour que le plasma apparaisse dans l'espace de décharge, il doit y avoir un gaz inerte à basse pression. Divers gaz peuvent être utilisés, mais l'argon bon marché est plus couramment utilisé.



Les pressions ne sont pas grandes - des millièmes de millimètre de mercure pour assurer un gaz " idéal " maximum . Dans ce cas, le libre parcours moyen des molécules de gaz est au moins d'un ordre de grandeur supérieur à la taille de la cellule de décharge et s'élève à une dizaine de mètres.
Maintenant, afin d'allumer une décharge réfléchissante, il est nécessaire de mettre à la terre les cathodes K1, K2 et d' appliquer une impulsion de tension positive à l'anode à partir d'une alimentation à découpage ( IP ). N'oubliez pas non plus d'activer le champ magnétique. Le diagramme ressemblera maintenant à celui illustré sur la figure.



Supposons qu'un électron libre soit apparu entre la cathode K1 et l'anode A. Le mouvement de l'électron vers l'anode est entravé par un fort champ magnétique, qui le tord en quelque sorte dans la cellule de décharge. Un électron commence à osciller entre les cathodes, provoquant l'ionisation des molécules de gaz. Des électrons supplémentaires apparaissent, qui à leur tour captent et améliorent le processus d'ionisation, qui commence à être une avalanche. L'espace entre les cathodes est rempli de plasma, des taches de cathode apparaissent sur leurs surfaces et la décharge entre dans une phase à courant élevé (arc).

Une telle décharge est appelée réfléchissante, car elle survient en raison de la réflexion multiple des électrons des cathodes K1 et K2comme au ping-pong. La physique de la décharge réfléchissante est bien comprise . Parfois, cette décharge est appelée décharge de Penning.

Génération de faisceau

Nous avons donc appris à créer de manière stable une colonne de plasma à l'intérieur d'une chambre à vide. Une décharge existe tant que la tension d'alimentation est appliquée. Mais ce n'est pas si intéressant. Nous allons essayer de générer un puissant faisceau d'électrons. Pour ce faire, déchargez le condensateur préchargé jusqu'à 30-50 kV sur l'une des cathodes de la cellule de décharge.



Nous chargeons un condensateur haute tension à partir d'une puissante source de tension constante. Le circuit de charge est assuré par une inductance. C'est un élément très important du circuit! Une inductance assure tout le fonctionnement du circuit. A courant continu au moment de la charge du condensateur, sa résistance est faible (36 Ohms), et au moment de la décharge du condensateur, une impulsion puissante apparaît avec une durée de quelques microsecondes seulement. La résistance de la bobine augmente fortement et toute l'énergie stockée dans le condensateur est dirigée vers la cathode K1 . Le circuit est déclenché par le fonctionnement d'un éclateur S , qui est allumé par une courte impulsion de commande de polarité négative de 4 kV. L'énergie du condensateur est transmise sur une liaison TL convenue., qui se compose de six morceaux parallèles de câble RK-50-9 d'une certaine longueur, pour coordonner clairement la charge. Tous les nœuds de l'électronique à courant élevé sont sérieux. Par exemple, un condensateur pèse plus de 100 kg.

Que se passe-t-il lorsqu'une haute tension est appliquée? À la cathode, une région de charge négative accrue apparaît, qui est adjacente à la limite du plasma de la décharge réfléchissante. Il existe une soi-disant double couche. Cette région s'accélère pour les électrons qui sont émis intensivement par les spots cathodiques.

Les électrons reçoivent une accélération puissante supplémentaire. La formation d'un faisceau d'électrons commence. Le champ magnétique continue de jouer un rôle important, ne permettant pas au faisceau de s'effondrer dans un «cordon». Cela fournit une grande ouverture du faisceau et, par conséquent, une zone décente de la pièce jusqu'à 70 cm2. La durée de l'impulsion est de 3 à 5 μs, l'énergie des électrons est de 35 à 50 keV. Le faisceau se propage dans le plasma anodique contre le champ magnétique et atteint la deuxième électrode ( K2), qui est déjà appelé «collecteur» dans ce cas. C'est ici que nous installons toute pièce métallique qui sera traitée. L'unité fonctionne en continu, avec une fréquence allant jusqu'à 0,5 Hz. La fréquence est déterminée par l'alimentation du condensateur haute tension et les performances de l'équipement à vide. L'ensemble de l'installation est «enveloppé» dans un système d'automatisation sérieux et est contrôlé par un seul opérateur. Pour l'installation, un logiciel spécialisé est écrit. Sur ce point, la partie introductive sera jugée suffisante. Il vaut mieux parler davantage de l’application pratique de cette technologie.

Qu'arrive-t-il à la surface des pièces métalliques?

Un faisceau d'électrons fait fondre une mince couche de la surface (jusqu'à 10 microns de profondeur), créant pendant une courte période (des millionièmes de seconde) une couche de métal liquide en fusion.



Il y a à la fois un chauffage instantané du métal et son refroidissement rapide, ce qui forme une nouvelle structure à la surface du métal. Le durcissement de surface, la dissolution de diverses impuretés et la formation d'une structure ordonnée de l'alliage de surface se produisent. De plus, il est possible de réguler largement les caractéristiques de la poutre, créant la structure nécessaire pour la future surface ( sur la figure - a - avant traitement, b - après ).

Application technologique

La technologie est largement utilisée pour augmenter la résistance électrique de l'isolation sous vide. Cela trouve une application pour la production de parafoudres, d'éléments et de composants d'électronique hyperfréquence, de structures de ralentissement, de disjoncteurs à vide , etc. D'une part, l'effet est obtenu en nettoyant la surface de diverses impuretés et inclusions, et d'autre part, en polissant la surface des électrodes.



Bien entendu, l'un des domaines les plus importants de l'utilisation de cette technologie est la modification des métaux et alliages pour obtenir des caractéristiques de performance uniques. Vous pouvez manipuler des couteaux spécialisés, des perceuses, des buses, des pales de moteurs à réaction et bien plus encore. La ressource en pièces usinées peut être augmentée par dizaines, et parfois par centaines. Un groupe peut gérer des parties des formes les plus complexes.



Une application très intéressante de la technologie est le traitement des moules. La surface du moule est traitée par une poutre afin de modifier la surface, ce qui prolonge la durée de vie du moule par (parfois plusieurs fois!) Ou permet au moule d'être réalisé dans un matériau moins cher.



Cela est particulièrement vrai pour les moules travaillant avec des matériaux agressifs ou à des températures élevées, par exemple, dans la fabrication de produits en verre. Les détails des moules sont moins exposés à la «fatigue» du métal et le processus d'ouverture du moule est également facilité.



Une nouvelle direction qui offre des opportunités supplémentaires pour cette technologie est la création d'alliages de surface complexes, dont la préparation par d'autres méthodes est impossible. Pour cela, des magnétrons sont intégrés dans l'installation de génération de faisceaux pour la pulvérisation de divers métaux. Cette approche permet la formation de surfaces nanostructurées aux caractéristiques uniques. Cette résistance aux environnements agressifs, la plus haute résistance tout en conservant la ductilité et bien plus encore. Dans ce cas, le traitement se déroule en un cycle sans évacuation supplémentaire (les magnétrons sur la figure sont représentés à droite).



La technologie permet la formation d'alliages de surface uniques avec des propriétés de désinfection. Ceci est remarqué par les Japonais et produit des rasoirs pour hommes, dont les lames sont traitées à l'aide de cette technologie. Des ébauches de couronne dentaire, des instruments médicaux et bien plus sont également traités. Les applications technologiques sont nombreuses!



Dans la plupart des cas, les acheteurs d'un tel équipement sont des étrangers. Ce sont des entreprises du Japon, de Chine, des États-Unis et des pays européens. Malheureusement, les spécialistes russes n'envisagent que des technologies similaires.

J'ai rendu visite aux gars qui fabriquent et font la promotion de cette technologie. Une courte vidéo (5 minutes).


Pièce après traitement
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Je ne donne pas de liens directs afin de ne pas enfreindre les règles du site, mais je veux aider les gars dans leur projet intéressant, donc si vous avez des questions ou un intérêt pour les applications pratiques de la technologie, écrivez en PM ou sur asmtomsk@gmail.com

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