Електронний промінь

Інтенсивність електронного променя прямо пропорційна щільності електронної хмарки атома. Денситометрія електронної хмарки атома C₆: два внутрішніх електрони (жовта куля); два валентні зв'язки (зелена міжатомна гібридизація); два зовнішніх активних електрони (блакитні пелюстки); вільний простір (чорний). Праворуч наведено шкалу інтенсивності електронного променя [1].

Тінь, яку утворюють електронні промені на стінках трубки Крукса

Електро́нний про́мінь (англ. electron beam, застаріле катодний промінь) — потік вільних електронів у вакуумі, напрям руху якого змінюється магнітними та електричними полями через наявність електричного заряду. Електронний промінь є основою для різноманітних спеціалізованих застосувань у виробництві напівпровідників, мікроелектромеханічних системах, наноелектромеханічних системах, мікроскопії та пікоскопії [2].

Історія

У 1838 році Майкл Фарадей застосував високу напругу між двома металевими електродами на обох кінцях скляної трубки, з якої було частково віддалено повітря і помітив дивну світлову дугу з початком на катоді (негативний електрод), а кінцем на аноді (позитивний електрод)[3]. У той час атоми були найменшими відомими частинками та вважалися неподільними, електрон був невідомий, а те, що переносило електричний струм, було загадкою. Протягом останньої чверті 19 століття було винайдено багато геніальних типів трубок Крукса, які використовувалися в історичних експериментах для визначення їх природи. Існувало дві теорії: англійський фізик Вільям Крукс вважав, що вони є «променевою матерією»; тобто електрично заряджені атоми, тоді як німецькі вчені Генріх Герц та Євген Гольдштейн^[en] вважали, що це «коливання ефіру»; якась нова форма електромагнітних хвиль[4]. У 1876 році Євген Гольдштейн довів, що вони походять від катода та назвав їх катодні промені[5]. Питання було вирішено в 1897 році, коли Дж. Дж. Томсон виміряв масу катодних променів та показав, що вони складаються з частинок, яки приблизно у 1800 разів легші за найлегший атом - водень. Отже, це був не атом, а нова частинка, яку він назвав електроном. Він також показав, що електрон ідентичний частинкам, що виділяються фотоелектричними та радіоактивними матеріалами[6].

Електронно-променева технологія

Для формування променя та управління ним використовують електронні гармати. Вільними електронами у вакуумі можна керувати електричними та магнітними полями для формування тонкого пучка. Там, де промінь стикається з твердою речовиною, електрони перетворюються на тепло або кінетичну енергію. Цю концентрацію енергії в невеликому об’ємі речовини можна точно контролювати за допомогою електроніки, що приносить багато переваг. Швидке підвищення температури в місці удару може швидко розплавити цільовий матеріал. В екстремальних умовах роботи швидке підвищення температури може навіть призвести до випаровування, що робить електронний промінь чудовим інструментом для нагрівання, наприклад, зварювання. Електронні проміни використовуються в багатьох технологічних процесах [7].

Зварювання

З початку електронно-променевого зварювання в промислових масштабах наприкінці 1950-х років було розроблено незліченну кількість електронно-променевих зварювальних апаратів, які використовуються в усьому світі. Ці зварювальні апарати мають робочі вакуумні камери об’ємом від кількох літрів до сотень кубічних метрів з електронними гарматами потужністю до 100 кВт. Сучасні електронно-променеві зварювальні апарати зазвичай розроблені з системою відхилення, керованою комп’ютером, яка може швидко й точно вести промінь по вибраній ділянці заготовки[8].

Механічна обробка

Електронно-променева обробка — це процес, у якому високошвидкісні електрони концентруються у вузький пучок із дуже високою площинною щільністю потужності. Потім поперечний переріз променя фокусується та спрямовується на заготовку, створюючи тепло та випаровуючи матеріал. Електронно-променева обробка може бути використана для точного різання або свердління різних металів. Отримана обробка поверхні краща, а ширина пропилу вужча, ніж в інших процесах. Однак через високу вартість обладнання використання цієї технології обмежується продуктами високої вартості[8].

Поверхнева обробка виконується шляхом швидкого нагрівання тонкого поверхневого шару матеріалу. Застосування включають загартування, відпалювання, відпуск, текстурування та полірування (за допомогою аргону)[7].

Печі

Схематичний переріз електродугової печі

У вакуумі електронний промінь є джерелом тепла, яке може розплавити або модифікувати будь-який матеріал [9]. Це джерело тепла або фазових перетворень є абсолютно стерильним через вакуум і оболонку затверділого металу навколо холодних мідних стінок тигля. Це гарантує, що найчистіші матеріали можуть бути виготовлені та очищені в електронно-променевих вакуумних печах. Рідкісні та тугоплавкі метали можна виробляти або рафінувати у вакуумних печах малого об'єму. Для масового виробництва сталі в промислово розвинутих країнах існують великі печі з потужністю в метричних тоннах і потужністю електронного променя в мегаватах[10].

Літографія

Електронно-променева літографія дозволяє в рекордних експериментальних установках отримувати структури з роздільною здатністю менш як 1 нм, недосяжною для жорсткого ультрафіолетового випромінювання, завдяки меншій дебройлівській довжині хвилі електронів, порівняно зі світлом[11] (див. Квантова механіка).

Електронна оптика

Електронна оптика займається питаннями формування, фокусування і транспортування пучків заряджених частинок, зокрема електронів, у магнітних і електричних полях [12].

Електронний мікроскоп

Мікрофотографія зрізу клітини Bacillus subtilis, зроблена за допомогою Tecnai T-12 TEM. Шкала 200 нм.

Електронний мікроскоп — прилад для отримання збільшеного зображення мікроскопічних предметів, в якому використовується властивість речовини частково поглинати електронний промінь. Електронні мікроскопи мають більшу роздільну здатність у порівнянні з оптичними мікроскопами, окрім того, вони можуть застосовуватися також для отримання додаткової інформації щодо матеріалу й структури об'єкта. Перший електронний мікроскоп збудував в 1931 році німецький інженер Ернст Руска [13]. Він отримав за це відкриття Нобелівську премію з фізики в 1986 році. Існують два поширені типи: сканувальний електронний мікроскоп (SEM) та просвічуючий електронний мікроскоп (TEM).

Електронна пікоскопія

Електронна пікоскопія: a) вуглецеві нанотрубки [14]; b) руденіт[15]; c) ковалентний хімічний зв'язок у кристалічному кремнію [16]; d) окрема молекула пентану [17]. Роздільна здатність 10 пм.

Електронна пікоскопія(англ. picoscopy) — технологія для отримання прямого зображення пікоскопічних об'єктів (атомів, молекул та хімічних зв'язків), яка використовує ефект зсуву електронного променя пропорційно щільності електронної хмарки атома[18]. Цей ефект робить атом видимим, - атом починає світитися, зображуючи власну форму. Перший пікоскоп був створений українським фізиком О. П. Кучеровим та інженером С. Є. Лавровським у 2017 році[17]. Електронна пікоскопія дозволяє доволі точно в деталях вивчати взаємне розташування атомів в кристалі або в молекулі та просторову форму хімічних зв'язків. В результаті використання електронної пікоскопії було знайдено нову речовину Руденіт, який являє собою надщільну алотропну форму вуглецю з двошаровою алмазоподібною структурою[19] існування якого згодом було підтверджене незалежною групою вчених [20].

Бета-промені

Треки, залишені електронними промінями у камері Вільсона

Проміні, що виникають при бета-розпаді ядер називають Бета-промені. Бета-частинки з конкретного джерела не мають типової енергії, а натомість можуть мати будь-яку енергію у широкому спектрі від нуля до деякої максимальної енергії, характерної для цього нукліда[21]. Крім того, концентрація іонізованих частинок є значно нижчою, оскільки проникна здатність бета-променів є значно більшою, ніж в альфа-частинок: пробіг електрона з енергією 1.1 МеВ становить майже 4 м у повітрі. близько 5 мм у тілі та близько 0.5 мм у свинці. Довжина пробігу залежить від енергії. Існує емпіричне правило для визначення пробігу бета-частинок у речовині: довжина пробігу у сантиметрах дорівнює половині енергії частинки (у МеВ) поділеної на густину середовища (у г/см³)[22]. Через більшу проникну здатність джерела бета-променів призводять до опіків при потраплянні на шкіру, проте затримуються одягом.

Електронний промінь в природі

Анімація удару блискавки

В природі електронний промінь зустрічається у вигляді блискавки, яка є іскровим розрядом. Під впливом електричного поля вільні електрони, які завжди є в атмосфері, набувають великої швидкості та при зіткненні з молекулами іонізують їх. Унаслідок цього у повітрі збільшується кількість електронів, які знову розганяються електричним полем і, своєю чергою, спричиняють іонізацію молекул. У вузькому каналі повітря лавиноподібно збільшується кількість електронів, що рухаються від хмари до землі. Цим іонізованим каналом, як у провіднику, із хмари починають витікати заряди. Виникає так званий лідер блискавки, який пробігає 50—100 м і зупиняється. Потім він відразу ж відновлюється у тому ж каналі та пробігає ще таку ж відстань. Так триває, доки електронний промінь не досягне землі[23].

Примітки

1. Кучеров, О.П.; Лавровський, С.Є. (2022). Видимий атом (PDF). Інформаційні технології та спеціальна безпека. 8 (1): 29—62. ISSN 2414-5947.
2. Архівована копія. Архів оригіналу за 9 листопада 2016. Процитовано 5 лютого 2024. // Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
3. Philosophical Transactions of the Royal Society of London (англ.). L. Davis. 1838.
4. Pais, Abraham (1986). Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World. UK: Oxford Univ. Press. с. 79. ISBN 978-0-19-851997-3.
5. Thomson, Joseph J. (1903). The Discharge of Electricity through Gases. USA: Charles Scribner's Sons. с. 138.
6. Thomson, J. J. (August 1901). On bodies smaller than atoms. The Popular Science Monthly. Bonnier Corp.: 323—335. Процитовано 21 червня 2009.
7. «Електроннопроменева технологія» [Архівовано 9 листопада 2016 у Wayback Machine.] // Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
8. «Електронно-променева технологія» [Архівовано 10 листопада 2016 у Wayback Machine.] // Енциклопедія сучасної України / ред. кол.: І. М. Дзюба [та ін.] ; НАН України, НТШ. — К. : Інститут енциклопедичних досліджень НАН України, 2001­–2024. — ISBN 966-02-2074-X.
9. ДСТУ 2821-94 Промислове електронагрівання. Терміни та визначення
10. Будник А. Ф. Типове обладнання термічних цехів та дільниць: Навчальний посібник. [Архівовано 2 листопада 2018 у Wayback Machine.]  — Суми: Вид-во СумДУ, 2008. — 212 с. — ISBN 978-966-657-185-7.
11. McCord, M. A.; M. J. Rooks. 2 // [1] — 2000. Архівовано з джерела 19 серпня 2019
12. Білий М. У., Охріменко Б. А. Атомна фізика. — К. : Знання, 2009. — 559 с.
13. E. Ruska. The Early Development of Electron Lenses and Electron Microscopy. Hirzel, Stuttgart, 1980, ISBN 3-7776-0364-3
14. Kucherov, O. P.; Lavrovsky, S.E. (2017). Electron Trajectory Shifting Effect (PDF). Abstract book. International research and practice conference: NANOTECNOLOGY AND NANO-MATERIALSE (NANO-2017): 491—491.
15. Rud, Alexander D.; Kornienko, Nikolay E.; Kirian, Inna M.; Kirichenko, Alexey N; Kucherov, O. P. (2018). Local heteroallotropic structures of carbon. Materials Today: Proceedings. 5 (12): 26089—26095. doi:10.1016/j.matpr.2018.08.035.
16. Kucherov, O. P. (2021). Direct Visualization of Covalent Chemical Bonds in Crystalline Silicon (PDF). American Journal of Engineering Research (AJER). 10(6): 54—58.
17. Patent UA115602 – Спосіб отримання зображення з субдифракційною роздільною здатністю та оптико-електронна система для його здійснення
18. Kucherov, O (2022). Electron Cloud Densitometry of Inner and Valence Electrons in Carbon Allotropes. Applide Functional Materials AFM. 2: 36—43.
19. Rud, A.D.; Kornienko, N.E.; Kiryan, I.M.; Kirichenko, A.N.; Kucherov, O.P. (2016). Local-allotropic structures of carbon (PDF). Thesis "Carbon: the fundamental problems of science, materials science, technology". Troisk. Архів оригіналу (PDF) за 16 квітня 2021. Процитовано 11 березня 2021. (англ.)
20. Gao, Yang; Tengfei, Hi; Cellini, Filippo; Berger, Claire; de Heer, Walter A .; Tosatti, Erio; Riedo, Elisa; Bongiorno, Angelo (2018). Ultrahard carbon film from epitaxial two-layer grapheme. Nature Nanotechnology (13): 133–138. doi:10.1038/s41565-017-0023-9.(англ.)
21. Are alpha particles more ionising than beta? [Архівовано 20 жовтня 2020 у Wayback Machine.](англ.)
22. α, β, γ Penetration and Shielding [Архівовано 12 листопада 2020 у Wayback Machine.](англ.)
23. Хіміч О. С., Тертус Л. С. Лінійна блискавка, природа явища та захист [Архівовано 14 вересня 2007 у Wayback Machine.]. 2005

Джерела

• Патон Б. Е., Тригуб Н. П., Ахонин С. В. Электронно-лучевая плавка тугоплавких и высокореакционных металлов. — К.: Наук. думка, 2008. — 312 с.