Электронно-лучевая обработка

     Целевые эффекты обработки большей частью обусловливаются химической электронно-лучевой  полимеризацией и образованием сетчатых молекул, а также расщеплением молекул  соответствующих органических соединений. При полимеризации молекулы одинакового вида соединяются в молекулярные цепи. Образование сетчатых молекул происходит путем установления химических связей между соседними молекулярными цепями, и в предельном случае образуется гигантская молекула, занимающая весь объем, подвергнутый электронно-лучевой обработке. В противоположность этому при расщеплении сложная молекула расщепляется на одинаковые по структуре части или на атомы, или же от молекулярного соединения отщепляются определенные химические группы. В общем случае все три указанные химические реакции протекают совместно, но с различными скоростями. У исходного мономера или предполимера при воздействии на него электронного пучка протекает в основном полимеризация. С возрастанием степени полимеризации увеличивается и вероятность образования сетчатых молекул, а затем преобладающим становится расщепление молекул.

     Полимеризация и образование сетчатых молекул  ведут к увеличению средней молекулярной массы соединения, а расщепление молекул — к его уменьшению. Молекулярная же масса, со своей стороны, определяет поведение соединения в соответствующем растворителе. Уменьшение молекулярной массы приводит к возрастанию скорости растворения, и наоборот. Если род материала и сообщаемая ему энергия выбраны такими, что в веществе преобладают либо полимеризация и образование сетчатых молекул, либо расщепление молекул, то обработанные участки отличаются от необработанных своей скоростью растворения.

     Для тех веществ, все продукты расщепления  молекул которых летучи, необходимость  в проявлении отпадает. При обработке  происходит сокращение объема слоя, а при достаточном подводе энергии —и полное его удаление.

     Другой  химической электронно-лучевой эффект, также основанный на полимеризации и образовании сетчатых, молекул или на расщеплении молекул, заключается в консолидации слоях. Поверхность твердого тела, помещенного в газообразную среду, всегда покрыта тонким слоем вещества этой среды —   чаще всего, мономолекулярным слоем. Такой слой образуется и в условиях технического вакуума — в диапазоне давлений 10^-2—10^-3 Па. При этом слой динамически стабилен, т.е. в единицу времени единицу его поверхности вследствие теплового движения покидает столько же молекул, сколько и оседает на ней. Если среда содержит пары полимеризуемого соединения, а поверхность подвергается воздействию электронного пучка, то происходит полимеризация молекул, адсорбированных на поверхности. Это снижает концентрацию молекул пара на поверхности и немедленно компенсируется дальнейшей конденсацией. Таким образом, в зоне действия электронного пучка образуется полимерный слой, толщина которого возрастает со временем обработки. Заметим, что именно этот эффект является причиной образования нежелательных примесных слоев на рабочих поверхностях электронно-лучевых устройств, откачиваемых паромасляными вакуумными насосами.

      Когда паровая  среда состоит, например, из металлоорганических  соединений, расщепляющихся под действием  пучка на летучие компоненты и  нелетучий остаток, то в образовании  такого слоя участвует только нелетучая  компонента. В зависимости от состава  паровой среды можно получать таким путем диэлектрические, полупроводниковые  и электропроводные слои. Рисунок  3 схематически иллюстрирует рассматриваемый эффект; для наглядности процессы конденсации и электронно-лучевого преобразования изображены разнесенными во времени.

     Приращение  толщины слоя за единицу времени, т. е. скорость роста толщины слоя, определяется удельной поверхностной  мощностью, передаваемой в молекулярный слой, и скоростью конденсации. Поэтому у рассматриваемой системы «пар — подложка» на скорость роста толщины слоя можно влиять, изменяя не только параметры электронного пучка, но и давление пара и температуру подложки. Так как толщина адсорбированного слоя, составляющая около 0,1 нм, весьма мала по сравнению с глубиной проникновения электронов, удельный расход энергии при таком способе очень велик.

     Еще один химический электронно-лучевой эффект, основанный на диссоциации галогенидов серебра, заключается в чернении фоточувствительных слоев. Процесс, соответствующий фотографическому, отличается от него в основном механизмом поглощения энергии. У фотослоя, непосредственно взаимодействующего с органическим сцинтилляционным материалом, можно добиться таких эффектов обработки, которые ведут к изменению флюоресцентных свойств. При последующем сканировании электронным пучком обработанные и необработанные участки становятся различимыми друг от друга. 

     1.6 Конструкции и расчет электронно-лучевых пушек 

     Электроннолучевая пушка является основным узлом любой  технологической установки, создающим  электронный луч и управляющим его параметрами. Параметры электронного луча, соответствующие технологическому процессу, определяют основные требования к конструкции электроннолучевой пушки. Обычно к электроннолучевой пушке относят как узлы, предназначенные для создания свободных электронов в вакууме, их ускорения и формирования в направленный луч—катод—фокусирующий прикатодный электрод—анод, так и узлы, фокусирующие образованный луч, обеспечивающие его проведение с сохранением параметров к обрабатываемой поверхности и, если нужно, отклоняющие его в том или ином направлении — фокусирующие и отклоняющие системы. Все эти узлы характеризуются тем, что с помощью электрических или магнитных полей воздействуют на свободные электроны внутри вакуумной камеры электроннолучевой установки. Требования к конструкциям пушек определяются следующими условиями: электрические напряжения, достигающие сотен киловольт; глубокий вакуум; высокие температуры деталей, 'вызванные нагревом катода и возможной бомбардировкой электронами; необходимость обеспечения и сохранения при работе высокой точности собранной конструкции; необходимость быстрой и простой разборки и сборки конструкции при замене выходящих из строя деталей, в первую очередь катода.

     В настоящее время разработано  много различных конструкций  электронных излучателей: общего назначения, основанных на электронной оптике Пирса, наиболее широко применяемых в электроннолучевых установках; длиннофокусных пушек для получения луча минимального диаметра; с кольцевым потоком электронов; с поворотом луча под большим углом; магнетронных пушек, в которых используются для формирования луча магнитные поля в области анод—катод.

     Для определения электрических параметров электронного луча, а следовательно, и электронной пушки, на основании  энергетического расчета процесса рассчитывается мощность, необходимая для поддержания технологического режима, Р_Т. Мощность потока электронов, создаваемого излучателями установки,

     Pa = 1*Pt/µ

     После этого необходимо установить параметры  излучателя электронов, а именно: ток  в луче и анодное напряжение. Конструкция электронной пушки определяет следующие ее характеристики.

     1. Предельное анодное напряжение, зависящее от электрической   прочности   изоляции   между   анодом   и   катодом пушки.

     2. Предельный анодный ток, определяемый размерами и 
характеристиками   катода   и   геометрическими   параметрами

     пушки.

     3. Проводимость, или первеанс, электронно-оптической системы. Этот параметр определяется целиком конструкцией пушки 
и однозначно связывает ток и анодное напряжение пушки:

     G =Ia/U _a ^3/2

     Физически это означает, что при увеличении тока излучателя выше значения, определяемого  этим выражением, диаметр луча при  прохождении им анодной диафрагмы  станет больше допустимого и периферийная часть луча попадет на край анодной диафрагмы. Резко увеличатся потери на аноде, а мощность, выделяемая в металле, фактически не изменится. На практике первеанс используется для пересчета мощности или допустимого анодного тока при переходе к новому режиму с анодным напряжением, меньшим, чем предельное. В паспорте установки обычно указываются предельные значения I_{a maх} и U_{a maх}. Первеанс электронно-оптическсй системы

     G= I_{a maх}/  U_{a maх}^3/2

     Предельно допустимый ток в новом режиме с анодным напряжением U_а

     I_a=G U _a ^3/2=I_{a max}(Ua/ U_{a maх})^3/2.

     Аналогично  определяется и предельная мощность, которую можно получить от излучателя при данном анодном напряжении:

     Р_л = GUa^5/2. 

     У современных электронных пушек  с аксиальным лучом первеанс достигает  величины 1*10^-5 a/b^3/2

     Пушки Пирса генерируют пучок настолько  высокой плотности, что отрицательный  пространственный заряд в пучке  создает заметную радиальную составляющую электрического поля, вызывающую быстрое расширение пучка, если не принять специальных мер.

     Методика  расчета таких пушек позволяет  учитывать влияние пространственного  заряда в пучке на траектории электронов. Это дает возможность получать очень  высокие плотности тока в пучке  при сравнительно невысоких анодных  напряжениях и реальных плотностях тока эмиссии катода. Такие пушки  применяются в установках для плавки и сварки металлов, а также в различных других установках со сравнительно высокой плотностью энергии в пучке при невысоких анодных напряжениях.

     Длиннофокусные  пушки применяются в случае, когда  нужны электронные пучки малого диаметра и высокой удельной энергии. Так как пространственный заряд  не позволяет получить пучок с  высокой плотностью тока, то пушки, предназначенные для создания пучков малого диаметра (менее 0,1 мм), имеют малую плотность тока в луче. Для сохранения высокой плотности энергии и еще большего снижения влияния пространственного заряда на траектории электронов анодные напряжения в этих конструкциях повышают до 100—150 кв, а катоды делают возможно меньшего поперечного размера, обычно в виде шпильки из тонкой вольфрамовой или танталовой  проволоки. 

     1.7 Установки для размерной обработки

     Размерная обработка материалов электронным  лучом осуществляется при плотности тепловой энергии выше 10⁶—10° вm/см². Материал в зоне попадания электронов при столь высокой концентрации энергии вскипает и испаряется, образуя на детали углубление — отверстие, а при перемещении луча — рез. Поскольку удельная энергия сфокусированного луча значительно превосходит удельную энергию других источников энергии, это обеспечивает высокую степень локализации нагрева, В зоне обработки температура может достигать 6000° С, а на расстоянии всего лишь 1 мкм от последней — 280—300° С.

     Электронный луч проникает в обрабатываемый материал на глубину, в сотни раз  большую его диаметра, что позволяет  получать глубокие полости и отверстия, изготовление которых невозможно другими способами. Обрабатываемость материалов электронным лучом определяется только их теплофизическими свойствами и не зависит от механических свойств. Поэтому самые твердые материалы — кварц, керамика, твердые сплавы и драгоценные камни, а также металлы (тантал, титан, вольфрам и др.) легко обрабатываются электронным лучом.

     При получении отверстий и прорезей с большим отношением глубины  к диаметру или ширине (достигающим 40 : 1 и выше) особенно важное значение для качества обработки имеет  строго ограниченное термическое действие луча непосредственно на обрабатываемую точку. Этого можно достигнуть только импульсным управлением работой электронной пушки, например, путем подачи на запирающий электрод электрических импульсов, определяющих время прохождения электронов с катода к аноду и далее в камеру на изделие. Мгновенное превращение кинетической энергии плотностью порядка мегаватт на квадратный сантиметр в тепло позволяет точно контролировать съем веществ в желаемом месте при минимальном тепловом влиянии на окружающий материал, так как при этих удельных мощностях основную долю тепла уносят испаряемые атомы и молекулы. Длительности импульсов составляют от 2 мксек до 0,01 сек при частоте повторения от единиц до 5000—10 000 гц.

     Обычно  для электроннолучевой размерной  обработки применяются установки с анодным напряжением 80—150 не при токе в пучке в пределах 0,3—20 ма. Вакуумные системы установок обеспечивают достижение требуемого вакуума в течение 10—20 мин. Управление лучом с помощью электрических систем отклонения осуществляется в пределах небольшой площади, до 10x10 мм. Отклонение луча за указанные пределы приводит к сильной расфокусировке его (при отклонении на угол более 7°) на краю обрабатываемой площади. При необходимости обработки деталей больших размеров используются устройства типа координатных или поворотных столов для соответствующего перемещения и поворота изделия. Для увеличения точности перемещения и поворота применяются шаговые двигатели.

     Наибольшее  распространение имеет электроннолучевая  обработка тонких материалов, глубина обработки которых не превышает 0,5^:—1,0 мм для металлов и 2—3 мм для диэлектриков.

     Электроннолучевая обработка тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) или металлов, обладающих хорошей теплопроводностью (медь, серебро), возможна лишь при удельной мощности луча 10⁷—10⁸ em/см², при этом процесс обработки протекает очень медленно. Это особенно заметно при изготовлении в вольфрамовой фольге толщиной 30 мкм отверстий 0 8—15 мкм. В этом случае, несмотря на то, что удельная мощность луча составляет 5,6-10⁷— 1,6-10^s em/см², время обработки очень велико— 100—120 сек. Для уменьшения времени обработки удельная мощность луча должна быть повышена.