Электронно-лучевая технология

С середины 20-го века электронно-лучевая технология обеспечила основу для множества новых и специализированных приложений в производстве полупроводников , микроэлектромеханических системах , наноэлектромеханических системах и микроскопии .

Механизм

Свободными электронами в вакууме можно манипулировать электрическими и магнитными полями, образуя тонкий луч. Когда луч сталкивается с твердым веществом, электроны преобразуются в тепло или кинетическую энергию . Эту концентрацию энергии в небольшом объеме материи можно точно контролировать с помощью электроники, что дает множество преимуществ.

Приложения

Быстрое повышение температуры в месте удара может быстро расплавить целевой материал. В экстремальных условиях работы быстрое повышение температуры может даже привести к испарению, что делает электронный луч отличным инструментом для нагрева, например, сварки. Электронно-лучевая технология применяется при изоляционной обработке кабелей, в электронной литографии субмикрометровых и наноразмерных изображений, в микроэлектронике для электронно-лучевого отверждения цветной печати. ^[1] а также для изготовления и модификации полимеров, включая жидкокристаллические пленки, среди многих других применений.

Печи

В вакууме электронный луч является источником тепла, которое может расплавить или модифицировать любой материал. ^[2] Этот источник тепла или фазового превращения абсолютно стерилен из-за вакуума и налета затвердевшего металла вокруг холодных медных стенок тигля. Это гарантирует, что в электронно-лучевых вакуумных печах можно производить и очищать самые чистые материалы. Редкие и тугоплавкие металлы можно производить или рафинировать в вакуумных печах небольшого объема. Для массового производства стали в промышленно развитых странах существуют большие печи емкостью, измеряемой тоннами , и мощностью электронного луча в мегаваттах.

Сварка

С момента начала промышленной электронно-лучевой сварки в конце 1950-х годов во всем мире было разработано и используется бесчисленное множество аппаратов для электронно-лучевой сварки. Эти сварочные аппараты оснащены рабочими вакуумными камерами объемом от нескольких литров до сотен кубических метров и электронными пушками мощностью до 100 кВт.

Обработка поверхности

Современные электронно-лучевые сварочные аппараты обычно оснащены системой отклонения, управляемой компьютером, которая может быстро и точно перемещать луч по выбранной области заготовки. Благодаря быстрому нагреву нагревается только тонкий поверхностный слой материала. Области применения включают закалку , отжиг , отпуск , текстурирование и полировку (с использованием аргона). Если электронный луч используется для вырезания неглубокой впадины на поверхности, многократное перемещение его по горизонтали вдоль впадины на высоких скоростях создает небольшую кучку выброшенного расплавленного металла. При повторении можно создавать шиповые конструкции высотой до миллиметра. Эти структуры могут способствовать соединению различных материалов и изменять шероховатость поверхности металла.

Аддитивное производство

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

Производство металлического порошка

Исходный металл заготовки плавится электронным лучом при интенсивном вращении. Порошок образуется при охлаждении металла при отлете от металлического стержня.

Обработка

Электронно-лучевая обработка — это процесс, при котором высокоскоростные электроны концентрируются в узкий луч с очень высокой планарной плотностью мощности. Затем поперечное сечение луча фокусируется и направляется на заготовку, создавая тепло и испаряя материал. Электронно-лучевая обработка может использоваться для точной резки или сверления самых разных металлов. В результате качество поверхности получается лучше, а ширина реза меньше, чем при других процессах термической резки. Однако из-за высокой стоимости оборудования применение этой технологии ограничивается продукцией высокой стоимости.

Литография

Электронная литография создается с помощью очень тонко сфокусированного электронного луча, который создает в резисте микроструктуры, которые впоследствии можно перенести на материал подложки , часто путем травления. Первоначально он был разработан для производства интегральных схем, а также используется для создания нанотехнологических архитектур. Электронная литография использует электронные лучи диаметром от двух до сотен нанометров. Электронная литография также используется для создания компьютерных голограмм (CGH). Безмасочная электронная литография нашла широкое применение при изготовлении фотошаблонов для фотолитографии , мелкосерийном производстве полупроводниковых компонентов, а также в научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности.

Производство солнечных элементов методом физического осаждения из паровой фазы

Физическое осаждение из паровой фазы происходит в вакууме и позволяет получить тонкую пленку солнечных элементов путем нанесения тонких слоев металлов на основу. Электронно-лучевое испарение использует термоэлектронную эмиссию для создания потока электронов, которые ускоряются высоковольтным катодом и анодом. Электростатические и магнитные поля фокусируют и направляют электроны на цель. Кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию на поверхности материала или вблизи нее. В результате нагрева материал плавится, а затем испаряется. Достигаются температуры, превышающие 3500 градусов по Цельсию. Пар из источника конденсируется на подложке, создавая тонкую пленку материала высокой чистоты. Толщина пленки может достигать от одного атомного слоя до многих микрометров. Этот метод используется в микроэлектронике , оптике и исследованиях материалов, а также для производства солнечных элементов и многих других продуктов.

Отверждение и стерилизация

Электронно-лучевое отверждение — это метод отверждения красок и чернил без использования традиционного растворителя. Электронно-лучевое отверждение дает результат, аналогичный традиционным процессам испарения растворителя, но достигается за счет процесса полимеризации. Электронно-лучевая обработка также используется для сшивания полимеров, чтобы сделать их более устойчивыми к термическим, механическим или химическим воздействиям.

Электронно-лучевая обработка применяется для стерилизации медицинских изделий и асептических упаковочных материалов для пищевых продуктов, а также для дезинсекции, уничтожения живых насекомых из зерна, табака и других необработанных сыпучих культур.

Электронные микроскопы

Электронный микроскоп использует управляемый луч электронов для освещения образца и создания увеличенного изображения. Двумя распространенными типами являются сканирующий электронный микроскоп (SEM) и просвечивающий электронный микроскоп (TEM).

Медицинская лучевая терапия

Электронные лучи, падающие на металл, производят рентгеновские лучи. Рентгеновские снимки могут быть диагностическими, например, изображениями зубов или конечностей. Часто в этих рентгеновских трубках металл представляет собой вращающийся диск, поэтому он не плавится; диск вращается в вакууме с помощью магнитного двигателя. Рентгеновские лучи также могут использоваться для уничтожения раковых тканей. Аппарат Therac-25 является печально известным примером этого.

Ссылки

^ Приложения электронного луча. Архивировано 22 октября 2016 г. в Wayback Machine .
^ «Развитие электронно-лучевых систем и технологий» .

Библиография

Шульц, Х.: Электронно-лучевая сварка, Abington Publishing.
Фон Добенек, Д.: Электронно-лучевая сварка – примеры 30-летнего опыта работы на производстве
elfik.isibrno.cz/en: Электронно-лучевая сварка (на чешском и/или английском языке)
Виссер А.: Удаление материала пучками электронов и фотонов; Издательство <Technische Rundschau>, Синяя серия, выпуск 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., Брасовяну, М., редактор, «Практические аспекты и применение электронно-лучевого облучения», Transworld Research Network, 37/661(2), Fort PO, Trivandrum-695 023, Керала, Индия

[1] Приложения электронного луча. Архивировано 22 октября 2016 г. в Wayback Machine .

[2] «Развитие электронно-лучевых систем и технологий» .

[1]

[2]