История электротехники - Коллектив авторов

Для осуществления такого воздействия во второй половине XX в. уже создано и продолжает появляться множество разнообразных устройств, установок и комплексов, которые в целом следует отнести к категории «технологического оборудования» независимо от того, служит ли оно металлургии или медицине, получению новых веществ или обработке материалов, производству или приготовлению пищевых продуктов, изготовлению электровакуумных приборов или интегральных схем.

Общепринятой классификации установок технологической электроники пока не существует, однако все разнообразие рассматриваемого оборудования укрупненно можно разделить на несколько классов. Это установки, использующие энергию:

электронных и ионных потоков;

электромагнитного излучения оптического диапазона (некогерентного и когерентного излучения);

электромагнитного излучения СВЧ-диапазона;

высокочастотных колебаний (нагрев проводников и диэлектриков в высокочастотном электромагнитном поле).

Собственно технологические вопросы излагаются в гл. 7, в данной главе уделено внимание только источникам.

Установки указанных классов могут дополнительно характеризоваться общими и отличительными признаками, зависящими от того, что собой представляет сам объект, бомбардируемый потоком заряженных частиц или облучаемый электромагнитными волнами; какой результат должен быть получен в результате технологического процесса; в каком режиме (непрерывном, импульсном) и в какой среде (рабочей, защитной, окружающей) он проводится и, естественно, в какой конкретной отрасли применяется.

11.3.1. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ И ИОННЫХ ПОТОКОВ

Под электронно-ионной технологией в широком смысле понимают комплекс методов обработки материалов и объектов потоками электронов, ионов, плазмы и нейтральных атомов. Данные процессы широко используются в металлургии, машиностроении, производстве изделий электронной техники, приборостроении, плазмохимии, медицине, а так же в научных исследованиях. Электронно-ионные технологии, в которых электронные и ионные пучки используются в качестве носителей энергии, обладают рядом преимуществ перед традиционными способами обработки: широким диапазоном регулирования концентрации энергии в пучках заряженных частиц вплоть до значений, недоступных для ранее известных источников, локальностью и селективностью воздействия, проведением процессов в вакууме, доступностью безынерционного управления и автоматизации.

История электронно-лучевой технологии непосредственно связана с развитием физики электронных пучков, электронной оптики и вакуумной техники. Среди основных этапов на пути технологического применения электронных пучков следует отметить первые опыты по плавке тантала М. Пирани (М. Pirani, Германия, 1905 г.), работы М. фон Арденне (M.V. Ardenne, Германия) по сверлению и испарению металлов в 30-е годы, развитые в дальнейшем К. Штайгервальдом (К. Steigerwald, Германия, 1950 г.) в области прецизионной обработки поверхностей, а также работы Дж. Стора [(J.A. Stohr), США, 1958 г.] в области технического применения электронно-лучевой сварки. Особо следует выделить пионерские работы по формированию и выпуску в атмосферу концентрированных электронных пучков, проведенные в 30–40-х годах С.Т. Синицыным в ВЭИ (СССР).

К началу 60-х годов в ряде стран (СССР, Германия, США, Франция, Англия, Япония) в основном сформировалось данное направление, включающее методы и установки электроннолучевой технологии для испарения материалов и нанесения покрытий, плавки и литья металлов, сварки, термообработки.

Становление электронно-лучевой технологии в России, начиная с 60-х годов, связано с активной деятельностью профессора МЭИ М.Я. Смелянского, работами ВНИИЭТО по разработке комплексов электронно-лучевого технологического оборудования для переплава металлов, ВЭИ по созданию электронных пушек в комплекте с системами питания. В эти же годы ученые ИЭС им. Е.О. Патона начали интенсивно разрабатывать технологию нанесения высокотемпературных покрытий на лопатки турбин авиационных двигателей.

Примерно в это же время начала интенсивно разрабатываться электронно-лучевая аппаратура для сварки (ИЭС им. Е.О. Патона); НПО «Орион» и НИИ «Исток» начали разрабатывать электронно-лучевые установки технологических процессов в микроэлектронике.

Довольно быстро определились основные направления разработки электронно-лучевой технологической аппаратуры, которые сохранились и в настоящее время. К ним следует отнести прежде всего:

переплав металлов, особенно тугоплавких (W, Та, Mo, Nb) и высокореактивных, с целью рафинирования и придания им более высоких качеств;

литье тугоплавких металлов, которое нельзя было осуществлять до появления электроннолучевой технологии;

сварка;

размерная обработка, перфорация отверстий.

Все эти процессы основаны на использовании термического воздействия электронных пучков на объект обработки. Наряду с термическим воздействием начали разрабатываться также основы радиационно-химического воздействия (электронная литография, применяемая при изготовлении элементов микроэлектроники, а также отверждение тонкопленочных диэлектрических покрытий).

Каждый из перечисленных технологических процессов предъявляет свои специфические требования к создаваемой электронно-лучевой аппаратуре, поэтому разработка ее проводилась на совершенно различных конструктивных принципах и подходах к созданию методов формирования электронных потоков и способов управления ими.

Электронные пушки для переплава и литья металлов должны обладать огромной мощностью — от 50 до 1000 кВт в непрерывном режиме, что обусловлено большими объемами переплавленного материала и высокой производительностью процесса. Однако плотность мощности на расплаве не должна превышать 103—105 Вт/см2 во избежание испарения металла. Пушки работают в условиях интенсивного газовыделения, и давление в плавильной камере колеблется в пределах 10—1—10—3 Па. Поэтому наибольшей сложностью в создании подобных пушек является учет ионных и плазменных процессов и обеспечение стабильной работы. За рубежом наибольших успехов в разработке таких пушек достигли институт фон-Арденне и фирма «Leibold-Hereus» в Германии; в России работы этого направления выполняет ВЭИ.

В основном в электронных пушках для плавки используются термокатоды. Однако существуют оригинальные разработки с использованием высоковольтного тлеющего разряда (ВЭИ) или разряда Пеннинга (Ю. Е. Крейндель, Институт сильноточной электроники, г. Екатеринбург) в качестве источника электронов. Пушки с этими катодами обладают рядом положительных свойств, делающих их применение предпочтительным для некоторых технологических процессов.

Применение электронных пушек для нанесения высококачественных и коррозионно-стойких покрытий на детали авиационных двигателей и компрессоров потребовало создания относительно маломощных (1–20 кВт) пушек, скомпонованных в испарители, позволяющие вести одновременно напыление нескольких компонент (фирма «Leibold Hereus», Германия; Институт электросварки им. Е.О. Патона, СССР).

Электронно-лучевая сварка получила более широкое распространение в технике по сравнению с процессом переплава металлов. Для этого процесса требуется высокая удельная мощность (105–107 Вт/см2) при относительно небольшой общей мощности (от единиц до десятков киловатт), необходимо высокое качество формирования луча. Проблемы стабильности здесь менее важны. Особое внимание уделяется точности управления электронным лучом по местоположению, сигналам датчиков обратной связи, автоматизации процесса. В СССР практически каждая отрасль промышленности разрабатывала установки, соответствующие своим потребностям: для авиационной промышленности — НИАТ, космической — ЦНИИТМ, радиоэлектронной — НПО «Исток» и т.п. Следует особо отметить, большой вклад в разработку электронно-лучевой сварки, сделанный ИЭС им. Е.О. Патона. Наряду с установками, разработанными и освоенными в производстве для широкой номенклатуры изделий машиностроения, в ИЭС им. Е.О. Патона созданы такие оригинальные системы, как установка для сварки толстостенных деталей с глубиной шва 100 мм и более при уровне напряжения 100 кВ и мощности 100 кВт, устройство для сварки в открытом космосе, сварочные установки с выводом электронного пучка в атмосферу.

Особый раздел электронно-лучевой технологии представляют установки для микроэлектроники. Электронный луч, обладающий в принципе большей разрешающей способностью по сравнению со световой оптикой, широко используется в электронной литографии, а также для гравирования при производстве микросхем. Здесь при высоком уровне напряжения (30–150 кВ) используются очень слабые токи и основное внимание уделяется безаберрационным линзам и источникам питания с высоким уровнем (0,01%) стабилизации напряжения. Следует отметить определяющую роль в разработке подобной аппаратуры А.Н. Кабанова (НПО «Орион», Москва). Особое направление в электронно-лучевой технологии представляет собой использование электронных пучков, выведенных в атмосферу. Вывод пучков осуществляется или через фольговые окна большого сечения, или через газодинамические окна малого диаметра, обеспечивающие выход пучка из вакуума непосредственно в атмосферу. Электронные пучки в атмосфере используются в радиационно-химической технологии: для полимеризации лаков и изоляционных пленок, вулканизации резины, стерилизации медицинского инструмента, очистки вод и др. Следует отметить, что внедрение подобной аппаратуры происходит медленно из-за ее высокой стоимости и необходимости обеспечивать биологическую защиту обслуживающего персонала. По уровню напряжения условно можно разбить эту аппаратуру на две группы: электронные пушки (уровень напряжения 150–300 кВ) и промышленные ускорители (300–3000 кВ).