История электротехники

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.