电子轰击

你装好了一架收音机，正在兴致勃勃地听着音乐，可是一不留心，手臂碰到了强放管的外壳，把你烫得哭笑不得。为什么电子管会烫手呢？你或许会说：因为电子管里有烧红的灯丝啊！但是，如果你把整流管拔去，强放管的灯丝虽然仍然烧得发红，但这个电子管却会慢慢冷却下来，一会儿就不烫手了。可见，烫手的热量并不是从灯丝上来的。那么，为什么电子管烫手呢？原来当屏极加有很高的正电压时，阴极发出的电子就被屏极吸引，以很高的速度轰击屏极，于是动能变成热能，把屏极轰热了。拔掉整流管后，屏极上失去了正电， 电子就不再轰击屏极，电子管也就不烫手了。

难道不能利用电子轰击发出的热量来加热材料和零件吗？完全可以。例如，把需要加热的金属代替电子管的屏极，象图1所示的那样，就构成了一个最简单的电子轰击加热炉了。

在这个简单的道理的基础上出现了一门现代的尖端技术。这就是电子轰击加热技术。这种加热技术是工业中的一种最新的强力武器。人们现在已经可以利用电子做“炮弹”，对准金属或其它材料“射击”。能使材料炽热、熔化、甚至汽化。不管金属的熔点多么高，在“电子炮弹”的作用下，都得听任摆布，要那一点烧红就烧红，要那一处熔化就熔化。已经制造出了各种利用电子轰击技术的电子束熔炼炉、电子束焊机、电子束钻床、铣床等等。电子轰击技术解决了生产中的一系列难题，在科学领域内作出了重大的贡献。

一个玻璃瓶从桌面的书上滚到桌面，可能完整无恙；从桌上滚到地下，就要破裂；从楼上跌落下来，就会粉身碎骨。这是因为高度提高后，落到地面时的速度增加了，而动能与速度的平方成正比，所以冲击的力量也就加大了。

同样，要提高电子轰击时所得到的温度，就必须提高电子的动能，也就是要提高电子的速度。电子从阴极射向屏极的速度和两个电极间所加电压有关。屏极正电压越高，速度就越高。例如，当屏极电压为250伏时，阴极电子到达屏极时的速度为9500公里／秒；屏压加大到2500伏，速度为30000公里／秒，已经达到光速的1/10了。速度增加时，电子的功能和速度的平方成正比地增加。所以屏极电压提高后，热量显著增加。因此在一般电子管特性表中，都对屏压规定一个最大的极限值，使用电子管时如果屏压超过这个极限，屏极就会过热，甚至有烧坏的危险。而在电子轰击加热装置中，我们需要的是极高的温度，所以必须尽量增高阳极（屏极）电压。在现代的加热装置中，阳极电压一般达到10—20千伏，有的甚至高达150千伏。

在电子轰击加热装置中，当阴极发射出大量的电子后，由一套聚焦装置，将所有电子聚集成狭小的细束，打在阳极的极小的一点上。由于在这一点上集中了全部电子的动能，所以单位面积上的热量非常巨大，或者说能量密度很大，能把熔点极高的材料轰熔。在这一方面，电子轰击加热比现有的一切热源都优越。例如，乙炔氧焰的最小加热面积为1毫米\(^{2}\)，电弧的为0.1毫米2,而电子束的最小加热面积可达到0.00001毫米\(^{2}\)；乙炔氧焰的加热点最大能量密度为0.5千瓦／毫米2，电弧的为1千瓦／毫米\(^{2}\)，而电子束的最大能量密度为6000千瓦／毫米2。

电子轰击加热装置的种类目前已有不少，但任何一种型式都少不了最关键的电子发射武器——电子枪。有些设备装有一个电子枪，有些设备装有两个、三个甚至更多的电子枪。电子枪的型式也互不相同。有的电子枪装有静电式透镜，有些装有电磁式透镜,有些装有一级加速阳极，有些装有两级加速阳极。不管怎样，它们的目的都是根据不同的加热对象，来满足电子束直径的要求，满足单位面积上功率密度大小的要求以及其它的一些特殊要求。

电子枪的型式虽多，但基本上都是由发射阴极、聚焦电极（或聚焦线圈）和加速阳极三者所组成。具有聚焦电极的结构原理见图2。

阴极是发射电子的基地，一般是用钨、钽或铼等材料制成。加热至2600—2800℃后能发射出大量电子。有些阴极是由灯丝直接发射电子的，这种阴极适宜于功率较小（约10千瓦以下）、阳极电压较高的电子枪（见图2A和B）。有些阴极电灯丝间接加热后发射电子，好像傍热式电子管的阴极一样。这种阴极对于功率较大、要求“光学性能”良好、以及阳极电压低于20千伏的电子枪比较适宜。图2C就是具有这种阴极的电子枪示意图。

阳极往往就是被加热的金属工件本身。阳极上加有很高的直流正电压，能将电子进行加速，因此又称加速电极。目前采用的电压值通常分为低压（低于15千伏）和高压（高于15千伏）两类。低压的比较简单，高压的通常带有复杂的静电透镜或电磁透镜，所以能满足良好的聚焦要求。

加热非金属的材料时（如对金刚钻钻孔加工），工件上无法加正电压。这时可用一带孔的阳极将电子进行加速，使电子束仍能射向工件上（见图2B）。

对于圆柱形工件，可采用环状电子束来进行加热。如图3所示，被加热工件放在一个环状电子枪中央，沿工件的圆周上都能同时受到电子轰击。图3A是电子束密集加热的情况，可用来进行材料的区域提纯或切割。图3B是分散加热的情况，可用来进行保温、烧结或其它热处理。

有些电子枪上还装有电子束射线的偏转装置，使电子束能够准确地击中需要加热的位置，做到“弹”无虚发。偏转装置的原理和阴极射线管中的相似。

电子轰击加热具有特殊的本领，能帮助我们解决技术上的一系列难题。

宇宙飞船、人造卫星、火箭导弹、喷气式发动机、原子能发动机等，都需要各种超高强度和耐高温的材料。这些材料具有很高的熔点，要对它们进行熔炼。焊接和加工，就不是一件简单的事，非得要有极高的温度不可。特别是在高温时，这些材料和氧、氮情深谊厚，只要一见面，就会产生氧化物和氮化物，使材料腐蚀或变脆，丧失了使用的价值。此外，在熔炼或焊接这些材料时，绝不允许有杂质混入，而且还要通过冶炼，把以前夹杂在材料里的气体和杂质彻底清除出去，否则就无法保证材料的性能。电子轰击加热能够很好地满足这些苛刻的要求。因为这种加热方法的能量能够高度集中，所以能够对高熔点的金属或非金属材料进行精炼。加热是在高真空中进行的，所以加热体不致受气体和杂质的影响，特别宜于活性金属的熔炼和焊接。另外，在电子轰击加热的过程中，材料中的杂质会被电子冲击而离子化，离子又被电子吸引而排除出去，使被冶炼的材料纯度提高。

电子束很容易精密地调节，直径可以控制到及小，这对于焊接特别有利，使焊接能获得很大的深度——宽度比（能到达20:1）。对于不同厚度的材料，也可调节电子束直径，使焊接恰到好处。焊接的焊缝宽度均匀，正反面都光洁平整、没有熔口，显微镜下也难以发现气泡。目前电子束焊接已广泛应用来焊接高熔点活性材料、原子反应堆的燃料箱等。

精密仪器上用的超小型金刚钻轴承或蓝宝石轴承，这些都是高熔点（约6000℃）和坚硬无比的材料。如果要将它们进行精炼或要在上面钻一个直径为0.01毫米甚至是0.001毫米的发孔，这简直是一件不可思议的事情。但是，随着电子轰击技术的发展，这个问题就迎刃而解了。利用电子束来钻孔、铣削是目前和将来一项重要的新加工工艺。这种加工方法最为精密，不需消耗工具，能加工极小的孔。并且在加工时受高热影响的区域极小，因此工件不致变形。

无线电设备的微小型化是现代无线电电子学的一个重要发展方向。微小型化中的各项技术，如薄膜元件、“固体线路”等，都需要极纯的材料和及精细的加工工艺。能在真空中进行精密加工的电子轰击加热，是微小型化技术中不可缺少的工艺过程。

晶体管或其它半导体器件的制造，需要有极高纯度的半导体材料。过去应用感应加热熔炼进行提纯，但由于功率输送困难，熔区较宽，因此工作不够稳定，得不到满意的结果。现在已经开始利用电子束轰击的热能来进行区域提纯，效果得到显著提高，并且设备的功率可以减小很多。

电子轰击技术是近年来才开始发展的一项新技术，具有很大的发展前途和巨大的潜力。上面所介绍的只不过是几小例子而已。电子轰击技术对科学技术上作出的贡献，为无线电电子学的发展增添了光辉的一页。（邱松根）