История электротехники - Коллектив авторов

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.

Начало развития эффективных ионных источников относится к 30-м годам. Совершенствование этих приборов стимулировали исследования в области ядерной техники, эксперименты по магнитному разделению изотопов, исследования в области термоядерного синтеза методом внешней инжекции мощных высокоэнергетичных ионных пучков, а также работы по использованию ионных и плазменных потоков для получения реактивной тяги. В СССР основополагающие результаты в данных областях были получены в основном в Институте атомной энергии (ИАЭ) им. И.В. Курчатова.

В промышленности ионные пучки широко используются для ионного распыления материалов, осаждения пленок, ионного травления микроструктур, ионного легирования материалов, ионной литографии. Информативными и чувствительными являются методы ионного анализа материалов, развиваемые в последнее время. Среди них вторичная ионная масс-спектрометрия, эффективно используемая на предприятиях электронной техники. С 70-х годов ионная имплантация широко применяется в производстве полупроводниковых приборов в США, Японии, СССР и других развитых странах. Среди отечественных разработчиков физико-технических процессов и установок ионной технологии следует отметить ИАЭ им. И.В. Курчатова, Московский авиационный институт, Томский политехнический институт и др.

В разработке электронно- и ионно-лучевой технологической аппаратуры существенным является создание комплекса, включающего в себя источник электронного или ионного луча, системы питания и управления. Иногда этот комплекс называют энергоблоком. Управление положением пучка в пространстве и обеспечение сложного частотно-импульсного режима определяет качественные возможности технологического процесса.

В некоторых системах, например электронных пушках для испарения, необходимо отклонение пучков на 90 и даже 180°. Необходимость в перемещениях пучка привела к использованию сложных систем позиционирования. В некоторых технологических установках, например для изготовления элементов микроэлектроники, эти требования чрезвычайно высоки. В большинстве случаев используются микропроцессорные системы управления. Особой сложностью характеризуется устройство, обеспечивающее информацию о положении электронного луча, для чего используются вторично-электронная эмиссия и рентгеновское излучение, возникающее при контакте луча с объектом обработки и прохождением его через газовую среду.

Установки ионного азотирования основаны на интенсивной очистке поверхности металла потоком ионов с целью образования на поверхности тонкого слоя вещества с повышенной твердостью, стойкостью к износу и иным воздействиям. Для создания мощного потока ионов с высокой энергией обрабатываемые изделия помещаются в атмосферу смеси газов (азот, водород), в которой зажигается сильноточный тлеющий разряд, причем катодом служат изделия. При напряжении в сотни вольт и при мощности в сотни киловатт поток ионов воздействует на обрабатываемые детали в течение нескольких часов, после чего срок службы деталей повышается в несколько раз. Одной из серьезнейших проблем при создании мощных установок ионного азотирования стала опасность перехода тлеющего разряда в дуговой вследствие локальных неоднородностей (загрязнений) на поверхности материала. Условия протекания тока разряда в месте загрязнения становятся предпочтительными, и ток начинает концентрироваться на малой площади изделия. При большой концентрации мощности возможно повреждение изделия, если защита, отключающая питание, будет недостаточно быстродействующей. Разработка источников для электротехнологии успешно выполнялась сотрудниками кафедры промышленной электроники МЭИ под руководством О. Г. Булатова.

Мощные установки ионного азотирования, выпускаемые объединением «Уралэлектротяжмаш», положили начало ряду новых электротехнологических установок, использующих принцип дозированной передачи энергии. Важное место среди них занимают установки типа «Булат», в которых методом ионной бомбардировки на электроинструмент наносятся упрочняющие покрытия.

Электротехнологические установки сосредоточивают в себе новейшие достижения в области физики, технологии, металлургии, вакуумной техники, автоматического регулирования и силовой электроники. Многие оригинальные технические решения являются заслугой кафедры промышленной электроники МЭИ, где создана школа, готовящая современных специалистов.

Таким образом, современные электронно-лучевые технологические комплексы являются сложными устройствами, основанными на использовании таких достижений промышленной электроники, как источники электронных пучков, системы управления несколькими объектами одновременно с использованием специфических датчиков систем обратной связи и источников питания высокого напряжения с уровнем мощности от 1 до 1000 кВт, оснащенных электронными стабилизирующими и коммутирующими устройствами.

Главными достоинствами таких комплексов являются широкие функциональные возможности и высокая производительность. Безусловно, это направление будет в дальнейшем интенсивно развиваться.

11.3.2. ЛАЗЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

За короткое время лазерные приборы нашли широкое применение не только в науке (физика, химия, биология), но и в промышленных технологиях. Рассмотрим преимущественно становление лазерной техники для резки, сварки и термообработки.

Развитие квантовой электроники берет начало от первых работ В.А. Фабриканта и его сотрудников, высказавших в 1951 г. идеи о возможности использования неравновесных квантовых сред (в частности, неравновесно возбужденных состояний атомов ртути). В 1953 г. советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров в целях усиления и генерации электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона предложили использовать излучение «активных» молекул аммиака NH3. Были заложены основы теории и создан действующий образец молекулярного генератора — мазера [Н.Г. Басов и A.M. Прохоров в СССР, Ч. Таунс (С. Townes), США, 1954 г.]. Важнейшей для реального создания квантовых приборов явилась идея использования открытых резонаторов [A.M. Прохоров, 1958 г. и независимо А. Шавлов и Р. Дикке (A. Shavlov, R. Dicke), США], составляющих в настоящее время основу конструкции всех лазеров.

Примерно в то же время в США велась активная работа в данном направлении. В 1958 г. были опубликованы теоретические работы Ч. Таунса и А. Шавлова о возможности создания квантового генератора оптического диапазона. В 1960 г. Т.Г. Мейманом (T.G. Meiman, США) был запущен первый лазер, а в 1961 г. разработана теория лазерного эффекта. В этом первом лазере в качестве активной среды использовался кристалл рубина. В том же году в США был создан первый гелий-неоновый газовый лазер [А. Джаван, У. Беннет, Д. Эрриот (A. Javan, W. Bennet, D. Erriot)].

Основополагающие работы в области квантовой электроники были отмечены в 1964 г. присуждением Нобелевской премии Н.Г. Басову, A.M. Прохорову (СССР) и Ч. Таунсу (США). Дальнейшие работы привели к созданию разнообразных типов лазеров: твердотельных; газовых (атомарных, ионных, молекулярных); на красителях; химических; полупроводниковых.