3 Электронно-ионная технология

Электронно-ионная технология – это комплекс способов обработки материалов энергетическими потоками электронов, ионов, плазмы, нейтральных атомов. В результате воздействия таких потоков можно менять форму, физико-химические, механические, электрические и магнитные свойства обрабатываемых изделий, а также контролировать параметры исходных и модифицированных веществ. Простота и широкий диапазон управления энергоносителями – потоками частиц позволяют выполнять многооперационную обработку с одновременным контролем в ходе операций, воздействовать на объект локально и селективно при сохранении чистоты исходного материала, устранить механическое воздействие на объект, широко использовать компъютерное управление технологическими процессами и операциями.

В электронной технологии различают термические и нетермические процессы. Под термическими понимают процессы, связанные с нагревом, плавлением и испарением материала под действием потока быстрых электронов. В этом случае кинетическая энергия электронов превращается в тепловую. Примеры: сварка, размерная обработка, заключающаяся в селективном удалении материала, отжиг, получение пленок и т. д. Отличительные черты термических электронно-лучевых процессов: достижение высоких температур в малых по размеру областях, отсутствие загрязнения, возможность точного дозирования воздействия и быстрого перемещения луча.

3.1. Взаимодействие ускоренных электронов с веществом

Движение ускоренных электронов веществе сопровождается их рассеянием, в результате чего изменяются траектории движения, и происходит торможение электронов. В результате упругих столкновений электрона с атомами вещества в основном изменяется его импульс, то есть. происходит отклонение от первоначального направления движения. Рассеяние быстрых электронов (таких, скорость которых больше орбитальной скорости электронов атома) сопровождается отклонением их на малые углы и изменяет их энергию незначительно. Передача электронами энергии веществу происходит при неупругих их столкновениях с атомами, молекулами, а также со свободными электронами вещества. В результате происходит возбуждение и ионизация атомов, диссоциация молекул или образование новых связей, возбуждение коллективных колебаний в электронной плазме (плазмонов), образованной свободными электронами.

Средняя глубина проникновения электрона в вещество

R = E₀²/b ,

г де E₀ - начальная энергия электрона, b – постоянная, - плотность вещества.

На рисунке 24 изображено пространственное распределение траекторий электронов в веществе. На поверхность твердого тела падает поток электронов поперечным размером d₀. Большая часть траекторий электронов заключена в «диффузной сфере» радиусом r_d , немногие выходят за ее пределы. Центр сферы находится в веществе на глубине

x_D 12 R/(z + 8),

где z – порядковый номер элемента, составляющего вещество, R – расстояние от поверхности тела до наиболее глубокой точки сферы.

Р адиус сферы

r_D = R(z – 4)/(z + 8) .

На рисунке 25 представлено распределение плотности поглощенной энергии электронов в веществе по глубине. Максимум выделения энергии приходится на глубину , которую можно оценить неравенством

1 < < 2,

или

< < .

С увеличением энергии электрона максимум выделения энергии смещается в толщу вещества, причем, глубина максимума выделения энергии пропорциональна квадрату энергии падающего на поверхность электрона: ~E².