История электротехники

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).

Ускорители разрабатываются в основном в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера (г. Новосибирск). Они имеют достаточно широкий диапазон возможных применений, однако высокий уровень используемого напряжения делает их дорогими и громоздкими. Установки с пушками, разрабатываемые в ВЭИ, значительно дешевле и более мобильны, но толщина обрабатываемых объектов здесь существенно ограничена. Следует заметить, что разработка установок с выпуском пучков большого сечения в атмосферу стимулировала в 70–80-х годах создание мощных электроионизационных лазеров, в которых электронные пучки использовались для стабилизации электрического разряда. В последние годы интенсивно изучается возможность использования выведенных в атмосферу пучков для связывания оксидов азота и серы путем образования солей с целью очистки газообразных выбросов предприятий от токсичных веществ.

Вскоре после начала разработки и освоения электронных пучков для технологии в 70-х годах начали изучаться возможности применения ионных пучков. Интерес к применению ионных пучков в технологии вызван прежде всего возможностью внедрения ионов в кристаллическую решетку обрабатываемого материала с целью придания ему новых качеств.

Источники ионов находят широкое применение в самых различных областях науки и техники. Их принципы действия основываются на различных методах получения ионов. Ионные источники можно разделить на две основные группы:

1) собственно ионные, в которых ионный пучок формируется и ускоряется в электрическом поле вне плазмы после соответствующего разделения зарядов на ее границе;

2) плазменные ускорители, которые создают поток ионов без предварительного разделения зарядов.