Электронно-лучевая технология - Electron-beam technology

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

Механизм

Свободные электроны в вакууме можно манипулировать электрическими и магнитными полями, чтобы сформировать тонкий пучок. Когда луч сталкивается с твердым телом, электроны преобразуются в тепловую или кинетическую энергию . Эту концентрацию энергии в небольшом объеме вещества можно точно контролировать с помощью электроники, что дает много преимуществ.

Приложения

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 отличным инструментом для нагрева, например для сварки. Электронно-лучевая технология используется в изоляции кабелей, в электронной литографии субмикрометровых и наноразмерных изображений, в микроэлектронике для электронно-лучевого отверждения цветной печати, а также для производства и модификации полимеров, в том числе жидкокристаллических пленок. многие другие приложения.

Печи

В вакууме электронный луч является источником тепла, который может плавить или модифицировать любой материал. Этот источник тепла или фазового превращения абсолютно стерилен из-за вакуума и волдыря затвердевшего металла вокруг холодных медных стенок тигля. Это гарантирует, что самые чистые материалы могут быть произведены и очищены в электронно-лучевых вакуумных печах. Редкие и тугоплавкие металлы можно производить или рафинировать в вакуумных печах небольшого объема. Для массового производства стали в промышленно развитых странах существуют большие печи с мощностью, измеряемой в метрических тоннах, и мощностью электронного луча в мегаваттах.

Сварка

С момента появления электронно-лучевой сварки в промышленных масштабах в конце 1950-х годов было разработано и используется во всем мире бесчисленное количество электронно-лучевых сварочных аппаратов. Эти сварочные аппараты оснащены рабочими вакуумными камерами объемом от нескольких литров до сотен кубических метров с электронными пушками мощностью до 100 кВт.

Обработка поверхности

Современные аппараты для электронно-лучевой сварки обычно имеют управляемую компьютером систему 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 (в присутствии газообразного аргона). Если электронный луч используется для прорезания неглубокого желоба на поверхности, многократное перемещение его горизонтально вдоль желоба на высоких скоростях создает небольшую кучку выброшенного расплавленного металла. При повторении можно создавать структуры с шипами высотой до миллиметра. Эти структуры могут способствовать склеиванию различных материалов и изменять шероховатость поверхности металла.

Производство добавок

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 сканирующего электронного луча с компьютерным управлением отличается высокой точностью. Электронно-лучевое прямое производство (DM) - это первое коммерчески доступное, крупномасштабное, полностью программируемое средство получения деталей почти чистой формы.

Производство металлического порошка

Металл исходной заготовки плавится электронным пучком при интенсивном вращении. Порошок образуется при остывании металла при отлете от металлического стержня.

Обработка

Электронно-лучевая обработка - это процесс, в котором высокоскоростные электроны концентрируются в узком пучке с очень высокой плоской плотностью мощности. Затем поперечное сечение луча фокусируется и направляется к заготовке, создавая тепло и испаряя материал. Электронно-лучевая обработка может использоваться для точной резки или растачивания самых разных металлов. Получаемая в результате обработка поверхности лучше, а ширина пропила меньше, чем при других процессах термической резки. Однако из-за высокой стоимости оборудования использование этой технологии ограничивается дорогостоящими продуктами.

Литография

Электронная литография создается очень точно сфокусированным электронным пучком, который создает микроструктуры в резисте, которые впоследствии могут быть перенесены на материал подложки , часто путем травления. Первоначально он был разработан для производства интегральных схем, а также используется для создания нанотехнологических архитектур. В электронных литографиях используются электронные пучки диаметром от двух до сотен нанометров. Электронная литография также используется для производства компьютерных голограмм (CGH). Электронная литография без масок нашла широкое применение при изготовлении фотошаблонов для фотолитографии , мелкосерийном производстве полупроводниковых компонентов, а также в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах.

Производство солнечных элементов с физическим осаждением из паровой фазы

Физическое осаждение из паровой фазы происходит в вакууме и создает тонкую пленку солнечных элементов путем нанесения тонких слоев металлов на несущую структуру. Электронно-лучевое испарение использует термоэлектронную эмиссию для создания потока электронов, который ускоряется высоковольтным катодом и анодом. Электростатические и магнитные поля фокусируют и направляют электроны, чтобы поразить цель. Кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию на поверхности материала или вблизи нее. В результате нагрева материал плавится, а затем испаряется. Может быть достигнута температура, превышающая 3500 градусов по Цельсию. Пар от источника конденсируется на подложке, образуя тонкую пленку из материала высокой чистоты. Может быть достигнута толщина пленки 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.

Лечение и стерилизация

Электронно-лучевое отверждение - это метод отверждения красок и чернил без использования традиционного растворителя. Электронно-лучевое отверждение дает покрытие, аналогичное 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 использовалась 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 пучок электронов для освещения образца и получения увеличенного изображения. Двумя распространенными типами являются сканирующий электронный микроскоп (SEM) и просвечивающий электронный микроскоп (TEM).

Медицинская лучевая терапия

Электронные лучи, падающие на металл, производят рентгеновское излучение. Рентген может быть диагностическим, например, снимок 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. Therac-25 машина является печально примером этого.

использованная литература

Библиография

  • Шульц, Х .: Электронно-лучевая сварка, Abington Publishing.
  • Фон Добенек, д .: Электронно-лучевая сварка - примеры 30-летнего опыта работы в мастерской
  • elfik.isibrno.cz/en: Электронно-лучевая сварка (на чешском и / или английском языках)
  • Visser, A .: 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., Брасовяну, М., Ред., Практические аспекты и применения облучения электронным пучком, Transworld Research Network, 37/661 (2), Fort PO, Trivandrum-695023, Керала, Индия