Как сделать ионный луч

Обновлено: 03.07.2024

Анализ ионных пучков (IBA) - важное семейство современных аналитических методов, включающих использование ионных пучков МэВ для исследования состава и получения профилей элементарной глубины в приповерхностном слое твердых тел. Все методы IBA высокочувствительны и позволяют обнаруживать элементы в субмонослойном диапазоне. Разрешение по глубине обычно находится в диапазоне от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров. Разрешение по атомной глубине может быть достигнуто, но для этого требуется специальное оборудование. Анализируемая глубина колеблется от нескольких десятков нанометров до нескольких десятков микрометров. Методы IBA всегда количественные с точностью до нескольких процентов. Каналирование позволяет определить глубину повреждения в монокристаллах.

Количественная оценка методов IBA требует использования специализированного программного обеспечения для моделирования и анализа данных. SIMNRA и DataFurnace - популярные программы для анализа RBS, ERD и NRA, а GUPIX - для PIXE. За обзором программного обеспечения IBA [1] последовало взаимное сравнение нескольких кодов, посвященных RBS, ERD и NRA, организованное Международным агентством по атомной энергии . [2]

IBA - это область активных исследований. Последняя крупная конференция Nuclear Microbeam в Дебрецене (Венгрия) была опубликована в NIMB 267 (12-13).

Ионно-лучевой анализ основан на том, что ионно-атомные взаимодействия возникают при введении ионов в тестируемый образец. Основные взаимодействия приводят к выбросу продуктов, которые позволяют собирать информацию о количестве, типе, распределении и структурном расположении атомов. Чтобы использовать эти взаимодействия для определения состава образца, необходимо выбрать метод вместе с условиями облучения и системой обнаружения, которая будет наилучшим образом изолировать интересующее излучение, обеспечивая желаемую чувствительность и пределы обнаружения. Базовая схема устройства ионного пучка представляет собой ускоритель, который производит ионный пучок, который подается через откачанную трубку для транспортировки пучка в устройство для обработки пучка. Это устройство изолирует частицы и заряд, представляющие интерес, которые затем транспортируются через откачанную трубку для транспортировки пучка в целевую камеру. В этой камере уточненный ионный пучок войдет в контакт с образцом и, таким образом, можно будет наблюдать результирующие взаимодействия. Конфигурация ионно-лучевого устройства может быть изменена и усложнена за счет включения дополнительных компонентов. Методы ионно-лучевого анализа предназначены для конкретных целей. Некоторые методы и источники ионов показаны в таблице 1. Типы детекторов и устройства для ионно-лучевых методов показаны в таблице 2.

Для измерения энергии требуется

Электростатический / магнитный анализатор

Низкое массовое разрешение с ESA, QMA

Высокое массовое разрешение с секторным анализатором поля

Анализ ионных пучков нашел применение во многих различных приложениях, от биомедицинских применений до изучения древних артефактов. Популярность этого метода проистекает из конфиденциальных данных, которые могут быть собраны без значительного искажения системы, в которой он изучается. Беспрецедентный успех, достигнутый при использовании ионно-лучевого анализа, практически не встречался на протяжении последних тридцати лет до самого недавнего времени благодаря новым развивающимся технологиям. Даже тогда использование ионно-лучевого анализа не исчезло, и обнаруживается все больше приложений, которые используют преимущества его превосходных возможностей обнаружения. В эпоху, когда старые технологии могут мгновенно устареть, анализ ионных пучков остается опорой и, похоже, только растет, поскольку исследователи находят все большее применение этой технике.

Биомедицинский элементный анализ

Наночастицы золота недавно были использованы в качестве основы для подсчета видов атомов, особенно при изучении содержания раковых клеток. [4] Ионно-лучевой анализ - отличный способ подсчитать количество атомных частиц на ячейку. Ученые нашли эффективный способ сделать точные количественные данные доступными с помощью ионно-лучевого анализа в сочетании со спектрометрией упругого обратного рассеяния (EBS). [4] Исследователи золотых наночастиц смогли добиться гораздо большего успеха с помощью ионно-лучевого анализа по сравнению с другими аналитическими методами, такими как PIXE или XRF. [4] Этот успех связан с тем, что сигнал EBS может напрямую измерять информацию о глубине с помощью анализа ионного пучка, тогда как это невозможно сделать с помощью двух других методов. Уникальные свойства ионно-лучевого анализа широко используются в новой линии терапии рака.

Исследования культурного наследия

Ионно-лучевой анализ также имеет уникальное применение при изучении археологических артефактов, также известном как археометрия. [5] В течение последних трех десятилетий это был наиболее предпочтительный метод изучения артефактов с сохранением их содержания. Что многие сочли полезным в использовании этого метода, так это то, что он предлагает отличные аналитические характеристики и неинвазивный характер. В частности, этот метод предлагает беспрецедентные характеристики с точки зрения чувствительности и точности. Однако в последнее время появились конкурирующие источники для целей археометрии, использующие методы на основе рентгеновских лучей, такие как XRF. Тем не менее, наиболее предпочтительным и точным источником является анализ ионного пучка, который до сих пор не имеет себе равных в области анализа легких элементов и химических 3D-изображений (например, произведений искусства и археологических артефактов). [5] [6]

Криминалистический анализ

Третье применение ионно-лучевого анализа - это судебно-медицинские исследования, в частности, определение характеристик остатков огнестрельного оружия. Текущие характеристики сделаны на основе тяжелых металлов, содержащихся в пулях, однако производственные изменения постепенно делают эти анализы устаревшими. Считается, что внедрение таких методов, как ионно-лучевой анализ, решит эту проблему. В настоящее время исследователи изучают возможность использования ионно-лучевого анализа в сочетании со сканирующим электронным микроскопом и энергодисперсионным рентгеновским спектрометром (SEM-EDS). [7] Есть надежда, что эта установка обнаружит состав новых и старых химикатов, которые старые анализы не могли эффективно обнаружить в прошлом. [7] Большее количество используемого аналитического сигнала и более чувствительное освещение, обнаруженное при ионно-лучевом анализе, дает большие надежды в области судебной медицины.

Аналитические методы на основе ионных пучков представляют собой мощный набор инструментов для неразрушающего, не требующего стандартов, высокоточного анализа элементного состава с разрешением по глубине в режиме глубины от нескольких нм до нескольких мкм. [8] Изменяя тип падающего иона, геометрию эксперимента, энергию частицы или получая различные продукты, возникающие в результате взаимодействия иона с твердым телом, можно извлечь дополнительную информацию. Однако при анализе часто возникают проблемы либо с точки зрения разрешения по массе, когда в пробе присутствует несколько сравнительно тяжелых элементов, либо с точки зрения чувствительности, когда легкие частицы присутствуют в тяжелых матрицах. Следовательно, обычно только комбинация нескольких методов на основе ионных пучков преодолевает ограничения каждого отдельного метода и предоставляет дополнительную информацию об образце. [3] [4]

Обзор различных взаимодействий ионов с поверхностью. (1) -входящий ион; (2) -рассеяние; (3) -нейтрализация и рассеяние; (4) -насыпание или отдача; (5) -электронная эмиссия; (6) -фотонное излучение; (7) -адсорбция; (8) -смещение, например, из-за распыления

Комбинация нескольких методов IBA ( RBS , EBS, PIXE , ERD ) в итеративном и самосогласованном анализе доказывает, что повышает точность информации, которая может быть получена из каждого независимого измерения. [9] [10]

Начиная с 1960-х годов данные, собранные с помощью анализа ионных пучков, были проанализированы с помощью множества программ компьютерного моделирования. Исследователи, которые часто используют анализ ионных пучков в своей работе, требуют, чтобы это программное обеспечение было точным и подходящим для описания аналитического процесса, который они наблюдают. [11] Приложения этих программ варьируются от анализа данных до теоретического моделирования и моделирования, основанного на предположениях об атомных данных, математических и физических свойствах, которые детализируют рассматриваемый процесс. Поскольку цель и реализация ионно-лучевого анализа изменились с годами, изменились и программное обеспечение и коды, используемые для его моделирования. Такие изменения подробно описаны в пяти классах, по которым классифицируется обновленное программное обеспечение. [12] [13]

Класс-А

Включает все программы, разработанные в конце 1960-х - начале 1970-х годов. Этот класс программного обеспечения решал определенные проблемы с данными; niy не предоставил полного потенциала для анализа спектра полного общего случая. Известной новаторской программой была IBA, разработанная Зиглером и Баглином в 1971 году. В то время вычислительные модели касались только анализа, связанного с методами обратного рассеяния ионного пучка, и выполняли вычисления на основе анализа пластин. За это время возникло множество других программ, таких как RBSFIT, хотя из-за отсутствия глубоких знаний об анализе ионных пучков становилось все труднее разрабатывать программы, которые были бы точными.

Класс-B

Новая волна программ стремилась решить эту проблему точности в следующем классе программного обеспечения. Такие программы, как SQEAKIE и BEAM EXPERT, разработанные в 1980-х годах, давали возможность решить полный общий случай, используя коды для выполнения прямого анализа. Этот прямой подход разворачивает полученный спектр без каких-либо предположений относительно образца. Вместо этого он рассчитывает через отдельные спектральные сигналы и решает набор линейных уравнений для каждого слоя. Тем не менее, проблемы все еще возникают, и вносятся корректировки, чтобы уменьшить шум в измерениях и место для неопределенности.

Класс-C

Возвращаясь к исходной точке, этот третий класс программ, созданный в 1990-х годах, берут некоторые принципы из класса A в объяснении общего случая, однако теперь с использованием косвенных методов. Например, RUMP и SENRAS используют предполагаемую модель образца и моделируют сравнительные теоретические спектры, которые обеспечивают такие свойства, как сохранение тонкой структуры и расчеты неопределенности. В дополнение к усовершенствованию программных средств анализа появилась возможность анализировать другие методы, помимо обратного рассеяния; т.е. ERDA и NRA.

Класс-D

Уходя из эры класса C и в начале 2000-х годов, программное обеспечение и программы моделирования для анализа ионных пучков решали различные методы сбора данных и проблемы анализа данных. Вслед за мировыми технологическими достижениями были внесены корректировки для улучшения программ до состояния более общих кодов, оценки спектра и структурного определения. Такие программы, как SIMNRA, теперь учитывают более сложные взаимодействия с лучом и образцом; также предоставляет известную базу данных данных о рассеянии.

Класс-E

Этот последний разработанный класс, имеющий характеристики, аналогичные предыдущему, использует основные принципы вычислительных методов Монте-Карло. [14] Этот класс применяет молекулярно-динамические расчеты, которые позволяют анализировать физические взаимодействия как с низкой, так и с высокой энергией, имеющие место при анализе ионного пучка. Ключевой и популярной особенностью, которая сопровождает такие методы, является возможность объединения вычислений в реальном времени с самим экспериментом по анализу ионного пучка.

В 1879 г. Крукс обнаружил существование особых катодных лучей, представляющих собой не что иное, как поток электронов в вакууме.

Явление разряда в трубках с разреженным газом давно привлекало внимание физиков красотой и загадочностью, но долгое время самое важное в нем — образование катодных лучей — ускользало от научного исследования.

При пропускании тока довольно высокого напряжения через атмосферный воздух, заключенный в трубку длиной 15—20 см, ни искрового, ни тлеющего разряда при нормальном давлении воздуха не наблюдается. Происходит тихий разряд, зависящий от действия внешних ионизаторов. Однако достаточно, не изменяя разности потенциалов, удалить из трубки часть воздуха при помощи насоса, как начинается тлеющий разряд, происходящий при полном отсутствии внешних ионизаторов. При этом между электродами появляется в виде колеблющейся ленты фиолетово-розовое сияние (если трубка была наполнена другим газом, а не воздухом, то цвет этого сияния будет другой, в зависимости от химической природы газа). Недалеко от катода сияние это слегка сужается и принимает голубоватый оттенок. При близком рассматривании легко обнаружить, что сияние не во всех частях одинаково ярко и что в двух-трех местах оно прерывается почти совершенно темными полосами. Особенно заметны эти полосы при давлении приблизительно в одну тысячную атмосферы.

От анода сияние исходит в виде сплошной кисти, простирающейся почти на две-трети всей длины трубки — положительное свечение, затем следуют темное пространство Фарадея, тонкий, ярко

светящийся второй катодный слой, темное пространство Крукса и сияние, со всех сторон окружающее катод,— первый катодный слой (рис. 157).

При постепенном увеличении степени разрежения область положительного свечения отступает все ближе к аноду, причем иногда (в зависимости от напряжения и от природы взятого для опыта газа) также разбивается на целый ряд полос, отмежеванных друг от друга темными промежутками.

Рис. 157. Тлеющий разряд в эвакуированной трубке.

При разрежении в одну стотысячную атмосферы (менее 0,01 мм рт. ст.) круксово темное пространство распространяется на всю трубку, и несмотря на то, что ток все еще протекает через газ, свечение совершенно исчезает. Только при пристальном рассматривании на темном фоне можно уловить пучок лучей, выходящих нормально к поверхности катода и придающих окружающему газу по большей части фиолетовый оттенок. Падая на стекло, лучи эти, получившие название катодных лучей; заставляют последнее флуоресцировать ярко-зеленым светом. Следя за местонахождением пятна флуоресценции при изменении положения катода, легко видеть, что катодные лучи распространяются прямолинейно (рис. 158).

Рис. 158. Катодные лучи направлены перпендикулярно к катоду независимо от положения анода.

Почти все твердые тела флуоресцируют под действием катодных лучей, причем, как общее правило, можно заметить, что цвет флуоресценции не зависит от цвета тела в обыкновенных световых лучах. Красивое зрелище представляет собой флуоресценция алмазов (ярко-зеленого цвета).

Рис. 159. Отклонение катодных лучей в электрическом поле.

Способность катодных лучей вызывать флуоресценцию использована в устройстве важного прибора — катодного осциллографа (§ 68). Катодные лучи действуют на фотографическую пластинку (вызывают ее почернение).

Вопрос о природе катодных лучей в свое время породил много споров, продолжавшихся 15 лет. Немецкие физики во главе с Герцом и Гольдштейном утверждали, что катодные лучи имеют такую же волновую природу, как и световые лучи, и отличаются от них только меньшей длиной волны. Большинство английских физиков, и в особенности Крукс, настаивало, что катодные лучи следует рассматривать как поток движущихся с громадной скоростью материальных частиц. В 1895 г. это было доказано Перреном.

Что катодные лучи действительно представляют собой поток электронов, это можно подтвердить целым рядом опытов. Во-первых, катодные лучи отклоняются электрическим полем (рис. 159), во-вторых, характер этого отклонения соответствует отрицательному заряду (тот же рисунок), в-третьих, в наличии отрицательных зарядов можно убедиться и непосредственным исследованием катодных лучей с помощью электроскопа (рис. 160) и, наконец, катодные лучи производят несравненно больший механический и тепловой эффект, чем возможно было бы того ожидать в случае, если бы они имели волновую природу.

Наряду с катодными лучами при специальном устройстве разрядной трубки можно наблюдать анодные лучи, представляющие

собой молекулярный пучок движущихся с большой скоростью положительных ионов газа. Анодные лучи были открыты в 1886 г. Гольдштейном. Экспериментально их свойства были впервые всесторонне исследованы Дж. Томсоном и Вином.

Анодные лучи часто называют также Качаловыми лучами. Это название возникло в связи с тем, что в катоде разрядной трубки, предназначенной для наблюдения положительных ионных лучей, просверливали каналы, чтобы через них положительные ионы проникали в другую часть трубки (рис. 161); в исследовательских приборах в этой второй части трубки откачкой поддерживается более высокий вакуум.

Рис. 160. Опыт Перрена. Внутрь трубки помещен цилиндр; соединенный с ним электроскоп обнаруживает, что цилиндр благодаря падающим на него катодным лучам приобретает отрицательный заряд.

Рис. 161. Разрядная трубка для наблюдения анодных лучей.

Часть положительных ионов при случайных соударениях со свободными электронами и с отрицательными ионами газа нейтрализуется или даже заряжается отрицательно. Наряду с этим удары, наносимые ионами анодных лучей встречным молекулам, вовлекают нейтральные молекулы (иногда распадающиеся на атомы) в общий поток лучей. Таким образом, состав анодных лучей оказывается неоднородным: преобладают положительные ионы, но встречаются и нейтральные молекулы и атомы.

Анодные лучи можно получить не только состоящими из частиц газа, находящегося в трубке, но и из частиц самих электродов. Для этого изготовляют один из электродов — анод — из иодистых соединений металлов, а для увеличения его электропроводности прибавляют к ним угольный порошок. При пропускании постоянного электрического тока с напряжением около 4000 в из анода исходят лучи, представляющие собой поток положительных ионов металла (например, ионов натрия, лития, стронция и т. д. в зависимости от того, какой металл в соединении с иодом был взят в качестве материала для изготовления анода).

Но есть еще один вариант замены аккумулятора при ремонте фонаря – замена его литий-ионным аккумулятором от неисправных электронных устройств. Например, сотового телефона, фотоаппарата, ноутбука или шуруповерта. Подойдут также аккумуляторы, которые уже не обеспечивают необходимую продолжительность работы устройства, но еще работоспособны.

Первый литий-ионный аккумулятор был выпущен в 1991 году японской корпорацией Sony. Номинальное напряжение одного элемента аккумулятора составляет 3,7 В. Минимально-допустимое – 2,75 В. Напряжение заряда не должно превышать 4,2 В при токе заряда от 0,1 до 1 емкости аккумулятора (С). Литий-ионные аккумуляторы практически не обладают эффектом памяти и имеют малый ток саморазряда, при комнатной температуре не более 20% за год. На текущий момент по техническим характеристикам являются самыми лучшими.

Ранее мне пришлось ремонтировать и модернизировать LED фонарь, в котором перегорели все светодиоды. После ремонта через несколько лет работы он перестал светить по причине выхода из строя свинцового аккумулятора. Как видно на фотографии корпус его вздулся.

Так фонарь и пылился на полке, пока не вышел из строя литий-ионный аккумулятор от фотоаппарата. Анализ показал, что в аккумуляторе отказал контроллер балансировки и заряда. Два элемента аккумулятора были в хорошем техническом состоянии, которые я и решил установить в фонарь вместо кислотного аккумулятора.

Штатное зарядное устройство фонаря для зарядки литий-ионного аккумулятора не подходило, так как оно обеспечивало постоянство тока заряда с неконтролируемым напряжением. А для литий-ионного аккумулятора при зарядке необходимо обеспечить ток зарядки величиной 0,1-1С при напряжении, не превышающем 4,2 В на один элемент.

Выбор контроллера
для зарядки литий-ионного аккумулятора

Можно изготовить контроллер самостоятельно, но в продаже, например, на Алиэкспресс, продаются готовые по цене 0,2-0,3 цента, собранные на микросхеме TP4056 или ее аналогах (ACE4054, BL4054, CX9058, CYT5026, EC49016, MCP73831, LTC4054, LC6000, LP4054, LN5060, TP4054, SGM4054, U4054, WPM4054, IT4504, PT6102, PT6181, Y1880, VS6102, HX6001, Q7051).

На Алиэкспресс был куплен самый простой модуль контроллера, технические характеристики которого полностью удовлетворяют требованиям для зарядки литий-ионного аккумулятора, установленного в фонаре. Его внешний вид представлен на фотографии.

Контроллер собран по приведенной выше электрической схеме. Изменяя номинал резистора, идущего со второго вывода микросхемы на общий провод можно ограничить максимальный ток зарядки.

Зависимость максимального тока зарядки от величины R контроллера TP4056
Номинал резистора, кОм	30	20	10	5	4	3	2	1,66	1,5	1,33	1,2
Ток зарядки, мА	50	70	130	250	300	400	580	690	780	900	1000

Выбор величины тока зарядки Li-ion аккумулятора определяется исходя из двух ограничений. Величина тока должна находиться в пределах 0,1-1 от емкости аккумулятора (принято обозначать буквой С). Например, для аккумулятора емкостью 600 мА×час ток не должен превышать 0,6 А. Следовательно, нужно, чтобы номинал токозадающего резистора составил 2 кОм (на резисторе должна стоять маркировка 202). И не превышать величины тока, который способно обеспечить зарядное устройство. Для данного случая ток должен быть более 0,6 А. Ток всегда указывается на этикетке ЗУ.

Задать вопрос автору статьи, оставить комментарий

Здравствуйте.
Прочитал статью "Модернизация светодиодного фонаря. Как заменить свинцовый аккумулятор литий-ионным". Заменил аккумулятор на литий-ионный. Использовал контроллер, имеющий защиту от переполюсовки при подключении аккумулятора и короткого замыкания выхода. В режиме сна контроллер разряжает аккумулятор (ток 0,02 А). Подскажите это нормально или нет. Если нет, какая причина?

Здравствуйте, Андрей!
Ток потребления платой защиты при отключённой нагрузке должен быть равен нулю. На практике же он составляет не более несколько микроампер. Специально измерял в своем фонаре и наушниках, в которые устанавливал литиевые аккумуляторы. Амперметр показал ноль.
Таким образом ток потреблять может схема фонаря или контроллер зарядки. Для проверки нужно полностью отключить все от платы, кроме аккумулятора. Если ток потребления останется прежним, значит неисправна плата контроллера и подлежит замене.

Интеграция СЗМ с конфокальной микроскопией/спектроскопией комбинационного рассеяния (КР). Благодаря эффекту гигантского усиления КР позволяет проводить КР спектроскопию и получать изображения с разрешением в плоскости до 50 нм.

Centaur. Сканирующий зондово-оптический микроспектрометр

Centaur — сканирующий зондово-оптический микроспектрометр. Прибор нового поколения, в котором реализованы основные методики сканирующей зондовой микроскопии, оптической микроскопии и спектроскопии.

СОЛВЕР НЕКСТ. Сканирующий зондовый микроскоп платформы СОЛВЕР

Новейшая разработка НТ-МДТ – сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) последнего поколения Солверов. Уникальность этой системы заключается в том, что функциональность и высочайшее качество получаемых изображений сочетается с предельной простотой в использовании, которая достигается за счет полной автоматизации настроек и управления.

ИНТЕГРА. Платформа сканирующих зондовых микроскопов

Платформа ИНТЕГРА разработана как основа для развития возможностей сканирующей зондовой микроскопии.

НАНОЭДЮКАТОР. Учебный микроскоп для проектной и исследовательской деятельности учащихся.

НАНОЭДЮКАТОР (Nanoeducator) — это учебный микроскоп для проектной и исследовательской деятельности школьников старших классов, кадетов и учебной деятельности студентов и курсантов в Высших учебных заведениях по дисциплинам естественно-научного блока знаний.

НАНОЭДЬЮКАТОР II. Атомно-силовой микроскоп для практических занятий по нанотехнологиям

NANOEDUCATOR II — новое поколение учебно-научных комплексов для преподавания основ нанотехнологии.

JAMP-9500F. Оже-микрозонд

Оже-микрозонд JAMP-9500F сочетает в себе свойства высокоточного Оже-анализатора с энергетическим разрешением (ΔE/E=0.05%) и хорошего растрового электронного микроскопа с разрешением во вторичных электронах не хуже 3 нм на 24-миллиметровом рабочем отрезке.

ФемтоСкан. Многофункциональный сканирующий зондовый микроскоп с полным управлением через Интернет

Certus Optic. Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с оптическим микроскопом

Certus Optic — сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с традиционным оптическим микроскопом. В этом приборе реализованы основные методики сканирующей зондовой микроскопии и традиционной оптической микроскопии.

Оборудование для определения индекса токсичности наноматериалов

- Басов А.М. и др. Электротехнология. Учебное пособие. – М.: Агропромиздат, 1985.

- Карасенко В.А. и др. Электротехнология. – М.: Колос, 1992.

- Кудрявцев И.Ф., Карасенко В.А. Электрический нагрев и электротехнология. Учебное пособие.- М.: Колос, 1976.

- Электронагревательные установки в сельскохозяйственном производстве. /Под общ. ред. В.Н. Растригина/. – М.: Агропромиздат, 1985.

Краткое содержание

Электронно-лучевой нагрев выполняют лучом (пучком) электронов, эмитируемых нагретым катодом, в глубоком вакууме. Устройство, формирующее электронный луч для технологического использования, называют электронной пушкой. Электроны, эмитируемые нагретым катодом пушки, ускоряются и фокусируются электрическим полем. На электрон в электрическом поле действует сила F=е ·Е, под действием которой он ускоряется и приобретает энергию:

где m_e, v и е - масса, скорость и заряд электрона; U - ускоряющее напряжение.

Разогнанный в электрическом поле поток электронов направляется на нагреваемый материал, при встрече с которым электроны тормозятся и

их кинетическая энергия преобразуется в теплоту. Чтобы энергия электронов не рассеивалась на молекулах газа, электронный луч создают в вакууме при давлении 10 -2 . 10 -3 Па. В зависимости от технологического назначения электронно-лучевых установок ускоряющее напряжение U изменяется от 15. 20 до 100. 200 кВ. Наиболее распространены электронно-лучевые установки с напряжением равным 20. 30 кВ.

При напряжениях больше 20 кВ торможение электронов на металлической поверхности сопровождается не только нагревом, но и рентгеновским излучением (наподобие излучения рентгеновских трубок), что требует специальных мер защиты обслуживающего персонала.

Мощность выделяемая электронным пучком в месте встречи с материалом, Р= U·I·η (где I – сила тока пучка; η – КПД). Величина мощности может иметь значение от десятков до тысяч кВт в единице объема. Площадь же сечения луча на поверхности тела 10 -3 …10 -5 мм 2 .

Основные технологические особенности электронно-лучевого нагрева заключаются в следующем: высокая концентрация мощности; нагрев материалов в вакууме, обеспечивающий высокое качество сварки и других процессов (что особенно важно для химически активных материалов); возможность плавного регулирования мощности; малоразмерная зона воздействия луча на материал (что позволяет выполнять тонкие термические операции на микродеталях).

К недостаткам электронно-лучевого нагрева относят: необходимость использования высокого вакуума; повышенная опасность при обслуживании из-за рентгеновского излучения; высокая стоимость и сложность эксплуатации оборудования. Поэтому его применяют там, где выполнить операции иными способами невозможно или должного эффекта не получается: сварка и термообработка деталей из молибдена, вольфрама, ниобия и других тугоплавких и химически активных металлов, микросварка радиодеталей, микросхем и т. п., размерная обработка деталей, нанесение покрытий.

Лазеры или оптические квантовые генераторы – источники оптического излучения, отличающегося высокой когерентностью, узкой направленностью, большой концентрацией мощности, высокой степенью монохроматичности, способностью к фокусированию.

Лазерное излучение является индуцированным. Его испускают возбужденные внешним источником энергии (системой накачки) атомы или молекулы оптически активных веществ, электроны которых при возбуждении переходят на более высокие энергетические уровни, а затем, возвращаясь в первоначальное состояние, отдают приобретенную энергию в виде лавины квантов, тождественных по направлению, частоте, фазе и поляризации фотонам возбуждающей энергии.

Энергия перехода электрона с верхнего на нижний энергетический уровень определяется законом Планка:

где Е₂ - Е₁ – энергия уровней, между которыми происходит переход; h = 6,62·10 -34 Дж·с - постоянная Планка; v - частота переходов, с - 1 .

Энергия излучения, которую имеет единица объема активного вещества концентрацией частиц N₀, м -3 , зависит от степени инверсии активного вещества - количества N возбужденных атомов, электроны которых могут находиться на верхнем энергетическом уровне. Инверсное состояние можно описать формулой, определяющей распределение атомов по энергетическим уровням:

где E - энергия верхнего уровня; k = 1,38 ·10-23 Дж·К -1 - постоянная Больцмана.

Если считать температуру Т вещества отрицательной, ибо с понижением температуры генерация возникает при меньшей энергии накачки. Инверсное состояние называют также "состоянием с отрицательной температурой". Энергия излучения, которую потенциально имеет единица объема активного вещества, Дж·м -3 :

Особенности лазерного нагрева: наивысшая плотность мощности, известная на Земле, возможность передавать энергию лазера на расстояние и осуществлять, таким образом, бесконтактный нагрев тел; плавность регулирования интенсивности лазерного излучения и др.

Технологические особенности и свойства лазерного нагрева во многом совпадают со свойствами электронно-лучевого нагрева, схожи и области их применения. Однако лазерный нагрев имеет свои преимущества: он осуществляется на воздухе и не сопровождается рентгеновским излучением, стоимость установок лазерного нагрева меньше и они проще в обслуживании. Механизм воздействия лазерного излучения в зависимости от параметров может быть тепловым и химическим, связанным с разрывом старых и установлением новых химических связей, так как кванты энергии оптического диапазона, соизмеримы с энергией некоторых химических связей в молекулах вещества. Это свойство лазерных лучей особенно важно при использовании в селекционной работе для индуцированного мутагенеза семян с целью получения растений с комплексом хозяйственно ценных свойств, в процессе предпосевной обработки семян, дефектоскопии и прединкубационной обработки яиц, в ветеринарии.

Отмеченными особенностями объясняется более широкое распространение лазерного нагрева по сравнению с электронным. Технологические лазерные установки (ТЛУ) применяют в машиностроении и на ремонтных предприятиях для пайки, сварки, сверления, резки металлов, нанесения покрытий, поверхностной закалки стальных деталей, оплавления и прошивки отверстий в керамических изделиях, в голографии, для резки и раскроя неметаллических материалов, в научных исследованиях.

Лазер состоит из трех основных узлов: излучателя (рабочее тело), системы накачки, оптического резонатора.

Излучатель - оптически активное вещество (тело), предназначенное для преобразования энергии накачки в лазерное излучение. Активное вещество может быть твердым диэлектриком, полупроводником, жидкостью, газом. Соответственно различают твердотельные, полупроводниковые, жидкостные и газовые лазеры. Наиболее распространены твердотельные и газовые лазеры.

Система накачки предназначена для возбуждения атомов активных веществ. Накачка может выполняться электрическими разрядами (газовые лазеры), оптическим излучением с помощью специальных ламп (твердотельные и жидкостные лазеры) и другим путем.

Оптический резонатор включает систему отражательных, преломляющих, фокусирующих и других оптических элементов, служащих для взаимодействия излучения с рабочим веществом.

Для технологических целей используют газовые лазеры на аргоне, ксеноне, углекислом газе и твердотельные лазеры на неодимовых стеклах. Наибольшую мощность (до 5 кВт, а опытные образцы - до 20 кВт) имеют лазеры на углекислом газе с примесью азота и гелия (СО₂-лазеры).

Лазеры работают в непрерывном и импульсном режимах. Первый характеризуется мощностью луча, второй - мощностью, длительностью, энергией импульса и частотой их повторения. СО₂- лазер в непрерывном режиме имеет мощность 10. 10 2 Вт, в импульсном – 10 6 . 10 9 Вт, длительность импульсов 1. 10 мкс, частота 25. 100 Гц, КПД 8. 30 %. Наиболее высоким КПД (50. 60 %) отличаются полупроводниковые лазеры, работающие преимущественно в импульсном режиме.

Ионный нагрев металлических тел осуществляют потоком положтельных ионов низкотемпературной плазмы, создаваемой в вакууме тлещим электрическим разрядом.

Нагреваемое тело помещают в металлическую вакуумированную (давление порядка 10 -3 Па) камеру и подводят к нему отрицательный полюс источника питания постоянного тока, а к стенкам камеры - положительный полюс. В камеру подают рабочие летучие вещества: газ (аммиак, бор и др.), твердые летучие вещества, пары металлов (их получают в той же камере электродуговым испарением). Между изделием и стенками камеры возбуждают тлеющий электрический разряд. Катод - изделие нагревается потоком положительных ионов летучих присадочных веществ, извлекаемых из низкотемпературной плазмы. Ионы, устремляющиеся к изделию, не только нагревают его, отдавая запасенную в электрическом поле энергию, но и вступают с поверхностью изделия в сложные взаимодействия, поэтому ионный нагрев используют в процессах химико-термической обработки металлов, таким как:

– диффузное поверхностное упрочнение (азотирование, цементация, борирование и др.) металлических изделий (инструмента, шестерен, гильз двигателей внутреннего сгорания, коленчатых валов и др.) путем насыщения легирующими элементами слоев изделий при диффузном взаимодействии ионов с изделием, сопровождаемым нагревом. Процесс протекает при скорости диффузии ионов в металл, превышающей скорость осаждения ионов;

– поверхностное покрытие изделий путем ионно-плазменного напыления нитридов (молибдена, титана и др.), карбидов, карбонитридов и других веществ. Процесс протекает при скорости конденсации ионов, превышающей скорость их диффузного взаимодействия с подложкой.

Преимущества ионно-плазменной обработки по сравнению с химикотермической обработкой в плазменных печах состоят в повышении производительности в 8. 10 раз, уменьшении деформации и повышении износостойкости деталей в 1,5. 3 раза, режущего инструмента в 2. 10 раз, существенного снижения энергозатрат.

Установки ионного нагрева выпускают на мощности в десятки и сотни киловатт. Для возбуждения плазмы используют источники постоянного тока с выходным напряжением от десятков вольт до 1,5 кВ.

Установки электронно-лучевого, лазерного и ионного нагрева питаются от источников постоянного тока (напряжения). Общий элемент источников питания (ИП) - преобразователь переменного тока в постоянный. Различаются установки мощностью и выходным напряжением (десятки и сотни вольт в установках ионного нагрева, единицы киловольт в установках лазерного нагрева, десятки киловольт в установках электронно-лучевого нагрева).

Основные требования к источникам питания: возможность регулирования мощности; устойчивость к коммутационным перенапряжениям; обеспечение управления по заданному режиму или программе.

Структурная схема ИП включает в общем случае следующие блоки: преобразования напряжения сети в необходимое напряжение установки (повышающий трансформатор);

преобразования переменного тока в постоянный (неуправляемый или управляемый выпрямитель, фильтры, устройства стабилизации и защиты);

собственных нужд (системы накачки, поджига, фокусирования и др.); управления, регулирования, контроля.

При общих принципах структуры источники питания установок каждого вида имеют особенности, обусловленные видом вольтамперных характеристик, спецификой работы, технологическими и другими требованиями.

Читайте также: