Електронний промінь

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].

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

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

Докладніше: Електронно-променеве 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

Докладніше: Електронно-променева 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

Докладніше: Електропіч

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

Докладніше: Електронно-променева 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

Докладніше: 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.

Докладніше: Електронний мікроскоп

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

Докладніше: Денситометрія електронної хмарки

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

Докладніше: Блискавка

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 і при зіткненні з молекулами іонізують їх. Внаслідок цього у повітрі збільшується кількість електронів, які знову розганяються електричним полем і також 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].