Электронно-лучевая обработка

     Особый  вид имеет унос материала, при чрезвычайно высокой удельной поглощаемой мощности. Нагрев материала происходит настолько быстро, что расплавившийся материал испаряется еще раньше того, как он может быть выброшен из зоны обработки. Такая ситуация имеет место, когда материал в расплавленном виде находится всего лишь в течение нескольких долей микросекунды. Эта форма уноса материала получила название квазисублимации. Так как материал испаряется практически полностью, а доля скрытой теплоты испарения в балансе энергии велика, такой род обработки требует очень высокого удельного расхода энергии.

     При практически мгновенном локальном  нагреве тепловое расширение, если материал весьма хрупок, может привести к образованию механических ударных волн. Последние вызывают в обрабатываемой области и вокруг нее механические напряжения. Если они превосходят прочностные характеристики материала, то в нем появляются трещины.

     Таблица 1 – Тепловые эффекты

     Чтобы указанные выше эффекты обработки  было можно использовать в технологических  целях, необходимы технические средства, обеспечивающие, проведение того или иного вида обработки при соблюдении заданных допусков и постоянстве воспроизводимости результатов.

     Как упоминалось, результаты обработки  существенным образом зависят от мощности, поглощаемой определенным элементом объема или подведенной к этому объему путем теплопроводности. Вследствие порогового характера таких явлений, как плавление, сублимация и им подобные, геометрия результатов обработки в основном определяется такой граничной поверхностью, в точках которой достигнутые температура или плотность энергии в точности равны необходимым для данного эффекта, так как для разных материалов тот или иной эффект требует различных удельных объемных расходов энергии, параметры электронных пушек необходимо выбирать так, чтобы они удовлетворили требованиям вполне конкретной задачи обработки. Это относится прежде всего к выбору тока пучка, ускоряющего напряжения, распределения удельной поверхностной мощности в.рабочей зоне, а в ряде случаев — к выбору апертуры пучка, оценки необходимости ее настройки, воспроизводимости настройки и управления ею во времени.

     Чтобы избежать вредного влияния теплопроводности на результат обработки и на ее энергетический КПД, энергия, вводимая в обрабатываемый элемент, должна быть введена в него за время действия пучка tw.

     Следовательно, пригодность того или иного материала для размерной электронно-лучевой обработки и требования к электронной пушке определяются в конечном счете теплофизическими свойствами материала: температурой его плавления, удельной теплоемкостью, теплопроводностью и плотностью. Механические свойства материала (твердость, вязкость и т. д.) в противоположность этому не оказывают на сам эффект обработки никакого влияния.

     Из  ограничений на продолжительность  непрерывного воздействия пучка на заданную зону обработки вытекает возможность применения следующих технических вариантов обработки:

1. моноимпульсная обработка;
2. многоимпульсная обработка;
3. обработка с быстрым отклонением пучка.

     В моноимпульсном варианте задача обработки  решается в течение времени действия однократного импульса пучка. Длительность импульса t_t ограничена  значениями xts или xtdf; импульс должен при этом передать материалу всю необходимую энергию. Для различных материалов получаем: 0,1 mkc ≤ ti ≤ 1 мс. В случае обработки с уносом материала вариант позволяет достичь глубины обработки, намного превышающей глубину проникновения электронов, так как при непрерывном выбросе материала пучок все глубже проникает в заготовку. Глубина канала зависит от рода материала и мощности, которую способна развить пушка, и может достичь нескольких миллиметров.

     Если  результат, достижимый при действий единственного импульса, не удовлетворяет каким-либо условиям задачи, например, в части глубины канала, то можно применить многоимпульсную обработку. При этом длительность пауз между импульсами t_p должна быть намного большей, чем xt,s или xt,d_F, т. е. иметь порядок 100 ti. Во время пауз зона обработки остывает приблизительно до температуры окружающей среды. Влияние факторов здесь проявляется в том, что по мере углубления канала его дна достигает все меньшая часть энергии импульса и в конце концов эта часть становится недостаточной для обеспечения эффекта обработки. Поэтому с увеличением числа импульсов глубина канала растет не линейно, а примерно логарифмически, стремясь при очень большом числе импульсов к некоторому пределу. На практике получали распространение каналы глубиной до 15 мм. Вследствие условия tp/ti~100 производительность многоимпульсной обработки соответственно меньше, чем моноимпульсной. Импульсные методы применяют по преимуществу для точечной обработки с уносом материала.

     Ограничить  длительность воздействия пучка  на данную точку поверхности путем быстрого отклонения пучка можно только при выполнении линейных элементов структуры обработки. Скорость отклонения v_A необходимо выбирать так, чтобы время tw действия пучка на данную точку удовлетворяло условию.

     Tw= df/ va< xt,s; xt,d_F

     Скорость  отклонения в конечном счете также  определяется температуропроводностью  материала и диаметром пятна  или глубиной проникновения электронов.

     Помимо  управления во времени подводом энергии  к объекту необходимо управлять  пучком и деталью 
в пространстве, перемещая деталь относительно неподвижного пучка или пучок относительно неподвижной 
детали. Эта необходимость возникает, прежде всего, тогда, когда в направлении, перпендикулярном оси 
пучка, подлежащая обработке структура по своим размерам превышает диаметр фокусного пятна пучка.

     Подбором  функций отклонений можно получать почти 'любые очертания структур обработки. Большое число параметров, которыми можно задаваться (длительность импульсов, ток импульса, удельная поверхностная мощность, положение фокуса и т. д.), предоставляет широкую свободу варьирования факторов, влияющих на результаты- обработки, например на диаметр и профиль канала.

     На  основе изложенных выше материалов о  поглощении мощности можно определять значения главных параметров обработки, удовлетворяющих условиям той или иной задачи. Однако так как часть взаимодействий при обработке не поддается контролю, для окончательной оптимизации техники и режимов обработки в большинстве случаев необходимы, кроме того, или детальные эксперименты, или накопление большого опыта работы. 

     1.4 Установки для размерной термической обработки

     Для размерной термической обработки  компактных тел применяют только такие устройства, которые создают  осесимметричное распределение  удельной поверхностной мощности по поперечному сечению пучка. Пушки содержат трехэлектродные генераторы пучков с высокой плотностью эмиссии. Катоды с малой поверхностью эмиссии выполняются из вольфрама или гексаборида лантана. Электронно-оптическая система состоит из одной или двух линз, ряда диафрагм для отсечения периферийных зон пучка, стигматора и отклоняющего узла, который расположен после линз. Развиваемые мощности составляют максимум 1 кВт в среднем и до 15 кВт в импульсе. Во времени пучком управляют с помощью управляющего электрода, а в устройствах малой мощности — и с помощью электростатических запирающих пластин.

     Для решения простейших задач обработки  с невысокими требованиями к параметрам пучка (в особенности к его удельной поверхностной мощности в пятне) используют пушку с плоским пучком и механическим делителем пучка, что позволяет одновременно обрабатывать несколько участков заготовки.

     К пушкам и системам их питания предъявляются  очень жесткие требования в части  точности и воспроизводимости настройки  режима и обеспечения минимальных погрешностей отклонения пучка

     Для управления пучком во времени и пространстве применяют специализированные электронные  функциональные генераторы и точечные световые зонды; для той же цели во все возрастающей мере используют устройства цифрового программного управления с цифро-аналоговыми преобразователями, формирующими сигналы управления отклоняющей системой.

     В установках большой мощности относительное  перемещение пучка и заготовки реализуют, согласовывая отклонения пучка и перемещения заготовки друг с другом, так что обработку можно вести и при перемещающейся заготовке. Такое совмещение позволяет производительно использовать время перемещения заготовки и снять ограничения, накладываемые на скорость перемещения инерционностью механизма. 

     1.5 Нетермическая обработка

     1.5.1 Задачи обработки

     При бомбардировке органических или  неорганических веществ электронным  пучком химические или физические взаимодействия пучка с веществом могут вызвать в последнем изменения состава или структуры. Связанные с этими изменениями эффекты можно использовать для того, чтобы получать явные или скрытые структуры на поверхности заготовки.

     Если  электронные пучки воздействуют на хорошо электроизолированные материалы, то в зоне обработки остается локализованный перенесенный заряд. Это позволяет  получать зарядовые локальные структуры, которые в ряде случаев с помощью  соответствующей последующей обработки можно превратить в явные.

     Этот  способ, применяемый главным образом  в микроэлектронике и в технике записи и накопления информации, представляет особый интерес для реализации субмикроскопических структур, получить которые традиционными способами, например фотолитографией, невозможно. 

     1.5.2 Нетермические воздействия электронного пучка

     По  используемым воздействиям электронного пучка на вещество нетермические  эффекты обработки можно разделить  на следующие три группы:

1. перенос энергии (химические электронно-лучевые эффекты);
2. передача импульса (эффекты столкновений);

 3)перенос заряда (эффекты, порожденные электростатическими полями или, силами).

     Для нетермической обработки типично  то, что целевой технологический эффект зачастую достигается только в сочетании электронно-лучевого процесса с процессами последующей обработки, т. е. проявления. 

     1.5.3 Химические электронно-лучевые эффекты

     Ионизация и возбуждение, связанные с поглощением  энергии пучка, могут вызвать электронно-лучевые химические реакции в органических соединениях. В результате этих реакций в веществе происходят стехиометрические или структурные изменения, которые приводят к соответствующим изменениям его химических и физических свойств. Характер этих изменений существенным образам зависит от молекулярного строения соединения и от переданной ему энергии. В тех случаях, которые представляют интерес для микрообработки, т. е. в случаях твердых веществ или адсорбированных слоев, молекулярная подвижность настолько мала, что химические изменения оказываются локализованными в той области, в которой происходит преобразование энергии. Поэтому и здесь результат обработки в основном определяется пространственным распределением плотности поглощаемой энергии, и такие параметры электронного пучка, как распределение удельной поверхностной мощности, энергия электронов, а также продолжительность воздействия пучка, влияют на результат обработки именно в той мере, в какой они определяют плотность поглощаемой энергии.