Antonio Jose Balloni, Antonio Carlos de J. Paes, CarlosMoura Neto e Kazunao SakiInstituto de Estudos Avan~ados - CTARodovia dos Tamoios, km 5,512.225 - Sao Jose dos Campos - SP

Instituto de Pesquisas Espaciais - MCTAvenida dos Astronautas, 175812.225 - Sao Jose dos Campos - SP

eletrons com potencia de 30 kW e corrente de 1,2 A para utili-lizaCao em fusao e purificacao de metais.Para esse projeto ha necessidade do uso de mecanica de preci-sac e de soldas especiais, tal como metal-ceramica. Na camarade fusao a pressao pode chegar ate 10-4 Pa.A analise das caracteristicas do feixe de eletrons foiutilizando-se 0 modelo de ~ierce, para 0 canhao de eletrons eo programa computacional SLAC para a optica eletronica.

Canhao de eletrons e urnsistema eletro-optico compos to de urn feixe deeletrons de dada configurac;ao (cilindrica, tubular au conica) cujo valor docoeficiente do espac;o de carga (perveancia) e suficientemente grande (1).

o feixe intenso de eletrons gerado pelo canhao, tende a se expandir clevido aac;ao do espac;o de carga quando 0 feixe pas~a atraves de urn espac;o livre de campoomagnetico e eletrico. Na presenc;a de campos magnetico e eletrico 0 feixe pode serconfinado, evitando a expansao.

Os canhoes de eletrons podem ser classificados em termos da colima~ao dofeixe de eletrons ou seja, do metodo de focalizac;ao, subdivididos em sistemas COUl

focalizac;ao eletrostatico, magnetico e efeitos combinados. Note-se que :impossivel desenvolver urncanhao puramente magnetico, sem campo eletrostatipois 0 campo magnetico Dao pode controlar a energia dos eletrons. Caso 0 call1poeletrostatico seja usado somente para acelerar os eletrons e 0 feixe e col1mndllpelo campo magnetico, tal canhao e denominado canhao com sistema de focaliznChOmagnetica, e, e nesse tipo de canhao que se refere esse trabalho (2).

Quanto ao tipo de feixe produzido, por exemplo, feixes colimados comsimetria axial, podem ser classificados como cilindrico, tubular (paralelo),coniee (convergente). Outros sistemas de classificac;ao podem ser propostos, talcomo em termos de perveancia, presenc;a ou ausencia de compressao, possibilidade decontrale da corrente do feixe, etc.

as canhoes modernos usados para colimac;ao de feixe intenso de eletrons saausualmente sistemas de unico potencial, isto e, uma fonte de eletrons consistindode urn catodo no potencial zero, 0 anodo como eletrodo de acelerac;ao, e urnouvarios eletrodos de focalizacao no potencial do catodo au do anodo. As bobinasmagneticas ou magnetos permanentes sac partes presentes em urncanhao com focaliza-caD magnetica.

De todos os processos utilizados na fusao e refino de metais, utilizando-sealtas temperaturas, tal como farnos de resistencia, foruos de arco, fornos de altafreqUencia, etc, convem destacar 0 que se utiliza de um feixe de eletrons (3).

A fusao dos metais utilizando-se urn feixe de eletrons oferece certasvantagens. Primeiramente pode ser aplicada a qualquer tipo de metal. Alem disso,oeste processo consegue-se juntamente com as altas temperaturas, manter 0 metalpar longo tempo a baixa pressao 0 que corresponde a melhores condic;oes para 0

refine de metais.Na proxima sec;ao daremos urnbreve resumo da caracterizacao da tecnologia do

feixe de eletrons. Na seeao 3 apresentaremos 0 aparato experimental, e, nas sec;oes4 e 5 serao apresentados urn estudo teorico da parte eletrostatica do canhaobaseado no modele de Pierce e resultados das lentes magneticas baseadas noprograrna SLC, respectivamente.

Finalmente, na ultima secao, serao apresentadas algumas conclusoes.

Qualquer tecnica de processamento de materiais utilizando-se de feixe deletrons, requer que, na camara de trabalho, 0 feixe portador de energia, esteja

ndequadamente casado de tal forma a agir sobre 0 material apropriadamente.A gerac;ao do feixe de eletrons e feita via canhao de eletrons. Tais canhoes

IIno baseados na emissao de eletrons li,:vres,cuja acelerac;ao e modelagem sao feitasvlH campo eletrostatico. A focalizac;ao e deflexao desse feixe sac realizados por!'/,mposmagn.'tico e eletrico (4).

A geracao e propagacaa dQ feixe somente e possivel em alto vacuo. Portanto,IIIll otstema de vacuo e urn dos mais importantes cornponentes na construcao de urnIIJlnhoode eletrons. 0 vacuo necessario na camara de geracao do feixe e normalmenteIt. 10-2 '" 10-4 Pa. Na camara de trabalho fica em torno de 10-2 Pa.

A pressao, tipo do gas, voltagem de acelera~ao e corrente do feixe sac asprincipais parametros que determinam a intera~ao entre 0 feixe de eletrons e asrnoleculasde gas ao longo do caminho desde 0 ponto de emissao do feixe at~ 0 pontode a~ao.

Quando 0 feixe incide sobre 0 material a ser processado, no ponto de a~ao, aenergia cinetica dos eletrons e convertida em erergia d~ calor ou energia deexcita~ao acomica ou molecular. Uma certa quantidaQe de eletrons incidentes e

terrnoioni~ade eletrons (5). 0 calor gerado resulta em urnaumento da temperaturasobre a pe~a de trabalho, condu~ao de calor da zona de eonversab de energia para avizinhanC8, bem como 8 radiacao do calor da sliperfIcieaquecida. Essa excitacao eionizacao dos atomos e moleculas e a base de todos os processos tecnicos em feixede'eletrons (2).

Ao projetar urnsistema de geracao do feixe de eletrons e necessario evitarque a proximidade entre 0 catoda e 0 material a ser fundido traga problemas para 0catodo.

o catodo pode ser estragado pelo vapor e por gotl~ulas de metal queeventualmente venharn a cair sabre ele. Alem disso, pode ocorrer uma descargaeletrica entre 0 catodo e 0 anodo devido a ionizacao do vapor metalico que existena regiao entre ambos.

A fim de evitar tais transtornos, ~ usual que a geracaa do feixe e a fus~odo metel ocorram em compartimentos diferentes. Tem-se portanto 0 seguinte esquemapara fusao de metais

gerador eletrostaticodo feixe do canhao

lentemagnetica

prismamagnetfco I

camara parafusao de metais

o canhao de eletrons projetado e em fase de construcao no Instituto doEstudos Avancados tIEAv), segue 0 esquema acima, e, pode ser visto na Figura 3.1.

facilidade de se gerar feixes com a~ta perveancia e facilidade de constru~ao. S usistema de colima~ao do feixe pode ser do tipo cilindrico (paralelo) ou coni 0(convergente), ambos com simetria axial. Urn feixe paralelo e produzido quando 0catodo for plano. Para se formar urnfeixe convergente com simetria axial, 0 CBtCldo

e anodo devem ser parte de esferas concentricas, enquanto que 0 eletrodo dfocalizacao proximo ao catodo e no meSIr.o potencial deve tar 0 formato de unlit

xicara, rver Figura 3.1J.

lJ

MOQMto permonenft

( 011_50/0.11 •• /101

iIIIIIII--1---IIIIIII1IIIIIIII

~i

~-/vN--------

AluG para,o"lworovao

ItIH. 3.1 Vista Geral do Cnnhaode Eletrons

o aquecimento por feixe de eletrons e base ado na emissao termoionica, istoe, a superfrcie do catodo emite eletrons que se movem para 0 anodo. 0 sistema dealimenta~ao do filamento do catodo possui corrente maxima de 30A AC e potencia de catodo e do anodo foram da ordem de 27,5 mm e 12,5 mm, respectivamente [8].

Como 0 anodo tern uma abertura para passagem do feixe,ha uma distor~ao nocampo na regiao proxima ao anodo. ConseqUentemente, esse campo possui urn componen-te Er dirigido para 0 eixo do feixe, atuando como uma for~a desfocalizadora,agindo como uma lente divergente sobre 0 feixe.

o angula de divergencia do feixe, apos sua passagem pela abertura do anodo,pode ser calculado de (1), ou seja

o sistema de bombardeio de eletrons possui uma sarda de 30 kV. 0 potencialdo anodo, positivo em rela~ao ao do catodo e de 25 kV com corrente do feixe de~ 1,2 A. 0 feixe assim gerado bornbardeia a superfrcie do metal que se aquecedevido a transforma~ao da energia cinetica dos eletrons em calor, conformediscutido na se~ao 2.

3.1. Suporte Tecnologico

o desenvolvimento do canhao de eletrons do presente trabalho esta sendorealizado pela Divisao de Suporte Tecnologico do IEAv, onde se dispoe de tecnicosespecializados capazes de manter a exata concentricidade, paralelismo e perpendi-cularismo da pe~a, quer seja em urn processo de usinagem, soldagem, brasagem autratamento superficial, garantindo a harmonia da pe~a em rela~ao ao conjunto tododo canhao.

Quanto ao uso de soldas especiais~ foi desenvolvida, pela Divisao de FisicaExperimental do IEAv, a solda metal-ceramica (6). Consiste basicamente de se usaro metal em contato com a ceramica com uma interface de Cusil (cobre-prata). Paraque a soldagern ocorra ha necessidade do uso do hidreto de titanio, alto vacuo etemperaturas maiores que 5000 C.

Quanto ao catodo, foi projetado e construido pela Divisao de SuporteTecnolagico, urn dispositive mecanico capaz de obter catodos em forma espiralada[7]. Esse catodo devera ter 5,5 espiras, ser plano, corn passo da helice de 1,1 mme diarnetro externo maximo de 11,8 rom. 0 tungstenio utilizado e de 99,95% depureza, e diametro de 0,5 mm. Seu sistema de alirnenta~ao devera ter uma correntemaxima de 30A AC e potencia de 300 W.

Pea perveancia "'0,19 1O-6A/1l3/2;

r 0 = raia do feixe ~ raio do catodo ~ 5 rom; ed = distancia anodo-catodo 'V 22 mm.Perranto, 0 angulo de expansao do feixe e ~O ~4,8 0.

Considerando-se os raios do catodo e do anodo, 0 angulo de divergencia dofeixe ~O' 0 angulo e, 0 comprimento da regiao posterior ao anodo, que segundo 0

projeto e de 49 rom, pode-se determinar 0 diametro do feixe na boca (saida) docanhao (2) que e de 2,5 rom, urnvalor subestimado.

Existe urn problema com este tipo de analise, como mencionado acima, devidojustamente a abertura finita do anodo que causa outros problemas ao feixe, que naopadem ser consideradas no modele de Pierce. Devido a aber'tura finita do anodo, 0

campo eletrico na regiao do catodo nao e uniforme sendo maior nas 'bordas do catododo que no centro [2]. Dessa forma, os e]etrons que passam praximos a bordo doanodo terao suas trajetarias mals curvas do que outros eletrons mais cerrtrais.Tais efeitos nao padem ser levados en conta com este modelo de Pierce e torna-senecessarto resolver numericamente 0 problema para obter urnperfil mais exato do

Fai utilizado 0 modelo de Pierce de urn feixe conico esferico, que se baseianum fluxo limitado de eletrons entre os eletrodos de urn diodo formado por duasesf?ras concentricas, sendo 0 catodo 0 eletrodo esferico rnais externo. Este modeleleva em conta efeitos da carga espacial e da abertura do anodo (apenas em parte) eperrnite uma compreensao tea rica do processo, que serve de base para uma analisesimplificada do sistema fisico, mas nao fornece bons resultados numericos.

Segundo este modelo, devido as cargas espaciais que limitam a corrente do

feixe, ha uma microperveancia maxima em fun~ao do semi-angulo e e de abertura do

feixe (1). Tomando esta microperveancia maxima igual a 0,19]l A/V 3/2foi possIvel

5. t. Simula~ao numerica do Canhao EletrastaticoNa simula~ao numerica do comportamento do feixe foi utilizado 0 programa

t)l.ACpara a optica eletronica (9). Este e urn programa escrito para calcular atrnjetoria de eletrons em campos eletricos e magneticos estaticos. A equa~ao deI'ol.ooone resolvida por diferencas finitas usando condi~oes de contorno definidas

especificando-se a forma e posi~ao dos eletrodos para 0 problema especifico. Oscampos eletricos sac calculados diferenciando 0 potencial eletrico. As equa,oes datrajetoria dos eletrons sao relativl.aticase levam err:.conta os campos eletricos emagneticos existentes. As forcas de cargas espaciais saD consideradas atrav~s dadeposiCao apropriada de carga, em urncicIo, seguida de uma nova solucao da equacaode Poisson vindo a seguir 'novo cicIo de caiculo das trajetorias dos eletrons eassim por diante ate que as itera~oes convirjarnpara uma solu~ao do vroblema emque as trajetorias e as cargas espaciais estejam suficientemente consistentes. Nasimulacao do feixe supae-se que os eietrons sejam emitidos do catodo segundo &lei de Child (2), para geometria esferica baseada na geometria de Pierce.

Os parametros utilizados na simuJ.acaon·"lInericaBo feixe foram 05 seguintes

zero voltas, que simula razoavelmente bem 0 catodo espiralado do projeto[Figura 3.1];Eletrodo de focaliza~ao a zero volts, 'cornform,;.semelhante a do projeto eapresentado na Figura 5.1; eAnodo a 30 kV com uma forma apresentada na Figura 5.1.

Como resultados da simula,ao foram obtidas as Figuras 5.1, 5.2, 5.3 e 5.4que mostram 0 formato dos eletrodos, al~umas equipotenciais, a trajetoria dofe.lxe, 0 pertil radial da dens,idade de corrente no feixe (nnrmalizado em relacaoao valor maxllmo)e efeitos de borda junto ao anodo. Obteve-se uma corrente de1,01 A e uma microperveancia de 0,197, resultados proximos ao deeejado.

Na Figura 5.1 tern-se0 formato e a disposicao do catodo, anodo e eletrodo defocalizacao que foram utilizados para realizar a simula~ao numerica t;om0 programaSLAG. Observe-se 0 efeito desfocalizador nos campos eletricos correspondentes usIinhas equipotenciais proximas a abertura do anodo.

Na Figura 5.2 encontra-se 0 feixe de eletrons (ua simulacao foram uti11~odon50 raios) que vai do catodo ao anodo e E: impedido de expandir-se rapidElIllnt'

devido aos eletrodos do canhao. Note-se que 0 diametro do feixe e razoavcJIIl1l1(

constante ao longo do eixo-z, notando-se uma pequena compressao radiu I 111 •• .1

proximidades do anodo e uma, tambem pequena, expansao do feixe apos pasHn Jll Iii

abertura do anodo. Sendo assim, e razoavel supor que 0 menor diametro d Inl f

que e urnparametro caracterlstico do feixe de eletrons, seja por OXClllplo' It

diametro do feixe na boca do canhao.

boca do cannao, valor hem maior do que 0 obtido na analise simpl1f I '(ltllI (Ill ""

anterior.

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E

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,5 5,0(mm)

figura 5.3: Perfil radial da densidade de corrente eletricado feixe. A unidade do eixo vertical e normalizada ein relaGao a densidade maxima de correntee a unidade do eixo horizontal e em mm.

90,0

80,0

70,0

60,0

50,0

40,0

30,0

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10,0 .'..,0,0 ,.-

0,0 0,5

...'.'...'.'.'.'...'

.... '}.. .

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,ll 4,0 4,5(mm)

I I,III I ',.4I 1(nJU)0 d inclinaGao das traj etorias como funGao<i(, 110 uncia radial. Na borda do feixe, r ";> 4mm, 0

Na Figura 5,4 nota-se que na regiao de R maior do que 4 mm 0 feixe torna-setrans laminar devido a maiar interacao dos feixes mais externos com as bordas doanodo.

salda da lente magnetica, Figura 5.5 e da distribuicao radial da densidade decorrente, Figura 5.6 [11].

5.2. Simulacao numerica das lentes magneticasAs lentes magneticas SaD utilizadas'para transportar e focalizar 0 feixe de

sa!cia do canhao eletrostatico ate~a regiao oude 0 feixe sera curvado para incidirsobre 0 metal obliquamente.

A lente magnetica utilizada neste projeto [Figura 3,1] e constituldo dumabobina cercada de material ferromagnetico com uma abertura neste material a fim deque possa haver compressao do campo de inducao magnetica na regiao do eixo dabobina por oude passa 0 feixe eletronico. A inducao magnetica e proporcional aexcitacao NIL onde N e 0 numero de espiras e 11 e a corrente na bobina.

A fim de determinar 0 comportamento do feixe, ao passar pela lentemagnetica, foi utilizado 0 mesmo programa computaciorial 8LM; (9) descritoanteriormente. Para utiliza-lo, na simulfi~ao do feixe nesta situa~ao, e necessario

5.3. Analise do prisma ma&neticoo feixe de.eletrons cria ao longo de seu caminho, ao chocar-se com atomos de

impureza, Ions positivos que tendem a se mover na dire~ao oposta ados eletrons(2). Estes ions, alem de contribuirem para diminuicao da intensidade do feixe,podem, ao penetrar na regiao do campo eletrostatico, causar grandes danos asuperf!cie do catodo. A regiao mais provavel para criacao destes Ions e justamentea camara de fusao de metais, pois esta e a regiao onde surgem os maiores problemaspara se manter 0 vacuo.

A fim de eviuar tal contaminacao do vacuo, nq regiao das lentes magneticas edo canhao eletrostatico, e usual que 0 feixe transportado iucida, na amostra dometal, fazendo urn certo angulo com a normal. Neste projeto, 0 angulo e da ordem de300 [Figura 3.1]. Tal desvio do feixe e causado por meio de urn prisma magnetico.

.a posicao,do vetor

do centro da lente, seu diametro,indu~ao magnetica no eixo, a meia

maximo dogaussiana

Neste projeto tem-se urnuma aproxima~ao do campo de

par de bobinas para desvio na direcao-x. Usando-seindu~ao magnetica, de urn solenoide espesso de

(perfil do campo) e 0 comprimento da regiao em que 0 feixe entra e depois sai. 0programa supoe uma distribuicao gaussiana para 0 componente z do vetor inducaomagnetica, no eixo, que corresponde a aproximacao duma lente magnetica commaterial ferromagnetico nao saturado (1). 0 material ferromagnetico neste projetoesta numa situacao nao saturada e portanto e razQavel tal aproxima~ao.

Os parametros utilizados nesta nova simulacao foram os seguintes:a posicao do centro da len~e, em relacao a boca do canhao eletrostatieo,tornado como origem, e 161,1 mm [Figura 3.1];o valor do componente z do vetor inducao magnetica foi da ordem de 200 G,valor obtido em funcao do·diametro da bobina, do comprimento da regiao deabertura do material ferromagnetico e da distancia focal suposta igu~l a160 mm (7);

comprimento finito, ao longo do eixo (12), pode-se determinar que sao necessariosda ordem de 600 A-voltas para urn desvao de 30° do feixe na direcao-x. Para urn

aproximadamente 120 A-voltas. Este valor foi obtido usando-se a mesma aproxirna~aoanterior (8) para um pequeno desvio, na direcao-y, da ordem de 20 e 30•

Estes prismas costumam provo car distorcoes no feixe. Neste projeto ha urnmultiplo magnetico colocado antes do prisma [Figura 3.1J para permitir pequenosajustes que visam a minimizar tais\distor~oes (2).

mostrada apenas a simulacao correspondente a Bzmelhores resultados ace rea da convergencia

193 G, pois foi a que apresentoudo feixe no ponto correspondente a

A finalidade do trabalho foi analisar as caracter{sticas do feixe gerado par1110 cDnhao projetado e em fase de construcao no IEAv [Figura 3.1], para verificar,wu 0 Illcsmo pode ser utilizado num processo de fusao de metais.

liLlseados nos resultados apresentados na Figura 5. J verifica-se que 0 feixe~,jI ('Om um diametro entre 9 a 10 mm na boca do canhao. Portanto, 0 feixe ao sair,to «'11111100 apn.:senta as seguintes caracter:l.sticas:

PoLen 1a - 30 kV,Oliillictro - 10 mm,

1I1111lldlldede potencia - 104 W/cm2.

1~"111i Iw.rametros permitem verifiear que esteI"" "e f ILzados para fusao de metais (2).

a meia largura da gaussiana e da ordem de 32,95 rom e foi tarnbem determinadaem funcao dos mesmos parametros do item anterior; ea distancia entre 0 ponto em que 0 feixe entra, ao sair do canhao e 0 pontoonde 0 feixe sai, focalizado, da lente magnetica e de 323,1 mm [Figura 3.1].

Foram realizados outras tres simula~oes utilizando-se dos seguintes valor~sdo campo de tnducao magnetica maxima, Bz = 193, 196 e 199 G, j£ que a formula paradetermina-lo [8] apresentava uma incerteza em cerca de 10%. Nesse trabalho sera

,mm':1 ~ 1, it~::oJ.1 ••••••••••••••••••• 11; ••. ",--'1',- ---~i-~ 0,00,0 20,0 60,0 100,0 i40p l80p 220,0 260P 300P

(mml

Figura 5.5 ; FocalizaC2o do feixe, por meio de uma lente magneticaCaso 193G.

e focalizado pela lente magnetica tendo maximo de sua densidade de corrente

deslocado da borda para 0 centro do feixe, 0 que e muito conveniente. Seu diametrotambem diminui para 2 mm, ja levando em conta 0 fato de que, ao sair da regL3.o dalente magnetica, 0 £eixe pas sara pelo prisrna e entrara na camara, ate incidir na

amostra, senda que nestas duas regioes 0 feixe se expande. Apas esta expansao pode

chegar a amostra, novamente com as caracteristicas que 0 feixe possuia ao sair do

canhao.

Ern slutese, em virtude destas constatacoes, pode-se concluir que 0 feixeanalisado e adequado para ser utilizado na fusac de metais.

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