История электротехники

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.

Для размерной обработки (резки, сварки, термообработки) наиболее подходящими оказались твердотельные и газовые молекулярные (в основном СO₂) лазеры.

При воздействии сфокусированного мощного (сотни ватт и более) лазерного излучения на поверхность твердого тела вещество нагревается, плавится, частично испаряется и ионизируется. В неоднородно нагретом веществе возникают сложные течения жидкости, паров, плазмы и окружающего газа. Перемешивание вещества оказывает, в свою очередь, существенное влияние на распространение лазерного излучения, приводя к дополнительной фокусировке либо дефокусировке.

Экспериментальные и теоретические исследования воздействия сфокусированного лазерного излучения при обработке материалов позволили определить основные моменты, качественно влияющие на обработку.

Исследования процессов при воздействии сфокусированного лазерного излучения и оптимизации лазерных характеристик позволили реализовать в нашей стране определенный набор лазеров и лазерных технологических комплексов. Сегодня имеется отечественное промышленное технологическое оборудование, использующее газовые лазеры. Это, в частности:

одномодовый СO₂-лазер мощностью 80 Вт (НПО «Исток»);

одномодовый СO₂-лазер мощностью 1 кВт с быстрой аксиальной прокачкой (г. Кстово Нижегородской обл.). Накачка производится продольным самостоятельным разрядом. При использовании двух координатного стола с компьютерным управлением может быть применен для резки металлических листов (скорость до 3 м/мин при толщине 1 мм), а также для резки фанеры и древесины толщиной до 40 мм;

быстропроточные газовые лазеры (МНТК ТЛ, г. Шатура Московской обл.) мощностью 1–1,5 кВт. Накачка производится самостоятельным поперечным разрядом. При использовании координатного стола может быть применен для резки и сварки. Возможно использование лазера для очень скоростной (вплоть до 15–20 м/мин) резки тонколистовых металлов, лазерной сварки, термообработки.

В твердотельных лазерных комплексах накачка проводится излучением ксеноновой лампы, возбужденной либо импульсно-периодическим, либо непрерывным сильноточным разрядом.