Введение

С середины XX века технология электронного луча стала основой для множества новых и специализированных применений в производстве полупроводников, микроэлектромеханических системах (MEMS), наноэлектромеханических системах (NEMS) и микроскопии.

Механизм

Свободные электроны в вакууме можно управлять с помощью электрических и магнитных полей, формируя узкий пучок. Там, где пучок сталкивается с твердым телом, электроны преобразуются в тепло или кинетическую энергию. Эта концентрация энергии в малом объеме вещества может быть точно контролируема электронными средствами, что даёт множество преимуществ.

Приложения

Быстрое повышение температуры в точке воздействия может быстро расплавить целевой материал. В экстремальных условиях работы быстрое увеличение температуры может даже привести к испарению, что делает электронный луч отличным инструментом для нагрева, например, при сварке. Технология электронного луча используется для обработки изоляции кабелей, в электронной литографии с разрешением менее микрона и наноразмерных изображений, в микроэлектронике для отверждения электронным лучом цветной печати, а также для создания и модификации полимеров, включая жидкокристаллические пленки, и во многих других областях применения.

Печи

В вакууме электронный луч является источником тепла, способным плавить или изменять любой материал. Этот источник тепла или фазового перехода абсолютно стерилен благодаря вакууму и затвердевшей металлической корке вокруг холодных медных стенок тигля. Это обеспечивает производство и очистку материалов высочайшей чистоты в вакуумных печах с электронным лучом. Редкие и тугоплавкие металлы могут быть получены или рафинированы в вакуумных печах малого объема. Для массового производства стали в индустриально развитых странах существуют крупные печи с производительностью, измеряемой в метрических тоннах, и мощностью электронного луча в мегаваттах.

Сварка

С начала промышленного применения электронной сварки в конце 1950-х годов было разработано и используется во всем мире огромное количество установок электронной сварки. Эти установки оснащены рабочими вакуумными камерами объемом от нескольких литров до сотен кубических метров и электронными пушками мощностью до 100 кВт.

Обработка поверхностей

Современные электронно-лучевые сварные аппараты обычно оснащаются компьютерной системой отклонения луча, позволяющей быстро и точно перемещать луч по выбранной области заготовки. Благодаря быстрому нагреву, нагревается лишь тонкий поверхностный слой материала. Области применения включают в себя упрочнение, отжиг, отпуск, текстурирование и полировку (в присутствии аргона). Если электронный луч используется для создания неглубокой канавки на поверхности, многократное перемещение его вдоль канавки с высокой скоростью приводит к образованию небольшого вала выброшенного расплавленного металла. При повторении этого процесса можно создавать структуры в виде шипов высотой до миллиметра. Эти структуры могут способствовать адгезии между различными материалами и изменять шероховатость поверхности металла.

Добавленное производство

Аддитивное производство — это процесс соединения материалов для создания объектов на основе данных 3D-модели, как правило, путем послойного сплавления порошкового материала. Сплавление в вакууме с использованием управляемого компьютером сканирующего электронного луча отличается высокой точностью. Прямое металлическое изготовление электронным пучком (DM) — это первый коммерчески доступный, крупномасштабный и полностью программируемый метод получения деталей близких к окончательной форме.

Производство металлических порошков

Исходный заготовочный металл расплавляется электронным лучом при энергичном вращении. Порошок образуется по мере охлаждения металла при его отлете от стержня.

Машиностроение

Электронно-лучевая обработка — это процесс, в котором электроны высокой скорости концентрируются в узкий пучок с очень высокой плотностью мощности в плоскости сечения. Затем сечение пучка фокусируется и направляется на заготовку, создавая тепло и испаряя материал. Электронно-лучевая обработка может использоваться для точной резки или сверления широкого спектра металлов. Качество получаемой поверхности выше, а ширина реза меньше, чем при других процессах термической резки. Однако из-за высокой стоимости оборудования применение этой технологии ограничено продукцией высокой стоимости.

Литография

Электронная литография осуществляется с помощью очень тонко сфокусированного электронного луча, который формирует микроструктуры в резисте, которые впоследствии могут быть перенесены на подложку, как правило, методом травления. Изначально она была разработана для производства интегральных схем и также применяется для создания нанотехнологических структур. В электронной литографии используются электронные пучки диаметром от двух нанометров до сотен нанометров. Электронная литография также используется для изготовления компьютерно-генерированных голограмм (CGH). Безмасочная электронная литография широко применяется при изготовлении фотомасок для фотолитографии, мелкосерийном производстве полупроводниковых компонентов, а также в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах.

Производство солнечных элементов с физическим отложением пара

Физическое осаждение из паровой фазы происходит в вакууме и позволяет получать тонкие пленки для солнечных элементов путем нанесения тонких слоев металлов на основу. Электронно-лучевое испарение использует термоэлектронную эмиссию для создания потока электронов, которые ускоряются в высоковольтном катодно-анодном устройстве. Электростатические и магнитные поля фокусируют и направляют электроны на мишень. Кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию на поверхности или вблизи поверхности материала. Образующееся нагревание приводит к плавлению и последующему испарению материала. Температура может превышать 3500 градусов Цельсия. Пар, исходящий из источника, конденсируется на подложке, формируя тонкую пленку высокочистого материала. Возможно получение пленок толщиной от одного атомного слоя до многих микрометров. Эта технология применяется в микроэлектронике, оптике и материаловедении, а также для производства солнечных элементов и множества других изделий.

Вылечение и стерилизация

Электронно-лучевое отверждение — это метод отверждения красок и чернил, не требующий использования традиционных растворителей. Электронно-лучевое отверждение обеспечивает покрытие, аналогичное получаемому при традиционных процессах испарения растворителей, но достигается оно посредством процесса полимеризации. Обработка электронным пучком также применяется для сшивания полимеров, повышая их устойчивость к термическим, механическим или химическим воздействиям. Электронно-лучевая обработка используется для стерилизации медицинских изделий и асептической упаковки для пищевых продуктов, а также для дезинсекции – уничтожения живых насекомых в зерне, табаке и других необработанных сыпучих культурах.

Электромикроскопы

Электронный микроскоп использует сфокусированный пучок электронов для освещения образца и создания увеличенного изображения. Два наиболее распространенных типа – сканирующий электронный микроскоп (SEM) и просвечивающий электронный микроскоп (TEM).

Медицинская лучевая терапия

Электронные пучки, попадая на металл, генерируют рентгеновское излучение. Это излучение может использоваться для диагностики, например, при получении снимков зубов или конечностей. Часто в рентгеновских трубках металл выполнен в виде вращающегося диска, чтобы предотвратить его плавление; диск вращается в вакууме посредством магнитного двигателя. Рентгеновское излучение также может применяться для уничтожения раковых клеток. Therac 25 – печально известный пример подобного применения.