Электронно-лучевая технология

Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют соответствующие встроенные цитаты . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, введя более точные цитаты. ( Ноябрь 2011 ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

С середины XX века электронно-лучевая технология стала основой для множества новых и специализированных приложений в производстве полупроводников , микроэлектромеханических систем , наноэлектромеханических систем и микроскопии .

Свободные электроны в вакууме могут управляться электрическими и магнитными полями для формирования тонкого пучка. Когда пучок сталкивается с твердотельной материей, электроны преобразуются в тепло или кинетическую энергию . Эту концентрацию энергии в небольшом объеме материи можно точно контролировать с помощью электроники, что дает множество преимуществ.

Быстрое повышение температуры в месте удара может быстро расплавить целевой материал. В экстремальных рабочих условиях быстрое повышение температуры может даже привести к испарению, что делает электронный луч превосходным инструментом в нагревательных приложениях, таких как сварка. Электронно-лучевая технология используется в обработке изоляции кабелей, в электронной литографии субмикрометровых и наноразмерных изображений, в микроэлектронике для электронно-лучевого отверждения цветной печати ^[1] и для изготовления и модификации полимеров, включая жидкокристаллические пленки, среди многих других приложений.

В вакууме электронный луч является источником тепла, способным расплавить или модифицировать любой материал. ^[2] Этот источник тепла или фазового превращения абсолютно стерилен из-за вакуума и гарнисажа затвердевшего металла вокруг холодных медных стенок тигля. Это гарантирует, что самые чистые материалы могут быть получены и очищены в электронно-лучевых вакуумных печах. Редкие и тугоплавкие металлы могут быть получены или очищены в вакуумных печах малого объема. Для массового производства сталей в промышленно развитых странах существуют большие печи с емкостью, измеряемой в метрических тоннах , и мощностью электронного луча в мегаваттах.

С начала промышленной электронно-лучевой сварки в конце 1950-х годов было разработано и используется по всему миру бесчисленное множество электронно-лучевых сварочных аппаратов. Эти сварочные аппараты оснащены рабочими вакуумными камерами объемом от нескольких литров до сотен кубических метров, а электронные пушки имеют мощность до 100 кВт.

Современные электронно-лучевые сварочные аппараты обычно проектируются с управляемой компьютером системой отклонения, которая может быстро и точно перемещать луч по выбранной области заготовки. Благодаря быстрому нагреву нагревается только тонкий поверхностный слой материала. Применения включают закалку , отжиг , отпуск , текстурирование и полировку (с присутствием аргонового газа). Если электронный луч используется для вырезания неглубокой впадины на поверхности, многократное перемещение его горизонтально вдоль впадины на высоких скоростях создает небольшую кучу выброшенного расплавленного металла. При повторении можно создавать структуры шипов высотой до миллиметра. Эти структуры могут способствовать связыванию между различными материалами и изменять шероховатость поверхности металла.

Аддитивное производство — это процесс соединения материалов для создания объектов из данных 3D-модели , обычно путем плавления порошкового материала слой за слоем. Плавка в вакууме с использованием управляемого компьютером сканирующего электронного луча отличается высокой точностью. Прямое электронно-лучевое производство (DM) — это первый коммерчески доступный, крупномасштабный, полностью программируемый способ получения деталей, близких к заданной форме .

Исходный металл заготовки расплавляется электронным лучом при энергичном вращении. Порошок образуется, когда металл остывает, вылетая из металлического прутка.

Электронно-лучевая обработка — это процесс, в котором высокоскоростные электроны концентрируются в узкий луч с очень высокой плоской плотностью мощности. Затем поперечное сечение луча фокусируется и направляется к обрабатываемой детали, создавая тепло и испаряя материал. Электронно-лучевая обработка может использоваться для точной резки или расточки самых разных металлов. Получаемая в результате отделка поверхности лучше, а ширина пропила уже, чем та, которую можно получить с помощью других процессов термической резки. Однако из-за высокой стоимости оборудования использование этой технологии ограничено дорогостоящими изделиями.

Электронная литография производится с помощью очень тонко сфокусированного электронного луча, который создает микроструктуры в резисте, которые впоследствии могут быть перенесены на материал подложки , часто путем травления. Первоначально она была разработана для производства интегральных схем, а также используется для создания нанотехнологических архитектур. Электронная литография использует электронные лучи диаметром от двух нанометров до сотен нанометров. Электронная литография также используется для производства компьютерно-генерируемых голограмм (CGH). Безмасочная электронная литография нашла широкое применение в изготовлении фотошаблонов для фотолитографии , мелкосерийном производстве полупроводниковых компонентов и научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Физическое осаждение паров происходит в вакууме и производит тонкую пленку солнечных элементов путем осаждения тонких слоев металлов на подложку. Электронно-лучевое испарение использует термоионную эмиссию для создания потока электронов, которые ускоряются высоковольтным катодом и анодом. Электростатические и магнитные поля фокусируют и направляют электроны для удара по цели. Кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию на поверхности материала или вблизи нее. В результате нагрева материал плавится, а затем испаряется. Могут быть достигнуты температуры свыше 3500 градусов по Цельсию. Пар из источника конденсируется на подложке, создавая тонкую пленку материала высокой чистоты. Можно достичь толщины пленки от одного атомного слоя до многих микрометров. Этот метод используется в микроэлектронике , оптике и материаловедении, а также для производства солнечных элементов и многих других продуктов.

Электронно-лучевое отверждение — это метод отверждения красок и чернил без необходимости использования традиционного растворителя. Электронно-лучевое отверждение создает финишное покрытие, похожее на то, которое получают при традиционных процессах испарения растворителя, но достигает этого финишного покрытия посредством процесса полимеризации. Электронно-лучевая обработка также используется для сшивания полимеров, чтобы сделать их более устойчивыми к термическим, механическим или химическим нагрузкам.

Обработка электронным пучком применяется для стерилизации медицинских изделий и асептических упаковочных материалов для пищевых продуктов, а также для дезинсекции, уничтожения живых насекомых в зерне, табаке и других необработанных сыпучих культурах.

Электронный микроскоп использует контролируемый пучок электронов для освещения образца и получения увеличенного изображения. Два распространенных типа — сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) и просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ).

Электронные пучки, падающие на металл, производят рентгеновские лучи. Рентгеновские лучи могут быть диагностическими, например, для получения изображений зубов или конечностей. Часто в этих рентгеновских трубках металл представляет собой вращающийся диск, чтобы он не плавился; диск вращается в вакууме с помощью магнитного двигателя. Рентгеновские лучи также могут использоваться для уничтожения раковых тканей. Печально известным примером этого является аппарат Therac-25 .

• Шульц, Х.: Электронно-лучевая сварка, Abington Publishing
• Фон Добенек, Д.: Электронно-лучевая сварка – примеры 30-летнего опыта работы на предприятии
• elfik.isibrno.cz/en : Электронно-лучевая сварка (на чешском и/или английском языке)
• Виссер А.: Werkstoffabtrag durch Elektronen-und Photonenstrahlen; Verlag <Technische Rundschau>, Blaue Reihe, Heft 104
• Кляйн, Дж., Ред., Сварка: процессы, качество и применение, Nova Science Publishers, Inc. , Нью-Йорк, Главы 1 и 2, стр. 1–166
• Немтану, М.Р., Брашовяну, М., ред., Практические аспекты и применение электронно-лучевого облучения, Transworld Research Network, 37/661(2), Форт PO, Тривандрум-695 023, Керала, Индия