電子ビーム技術

20 世紀半ば以降、電子ビーム技術は、半導体製造、マイクロエレクトロメカニカルシステム、ナノエレクトロメカニカルシステム、顕微鏡検査など、さまざまな新しい特殊なアプリケーションの基礎を提供してきました。

真空中の自由電子は、電場と磁場によって操作され、細いビームを形成することができます。ビームが固体物質に衝突すると、電子は熱または運動エネルギーに変換されます。この小さな体積の物質へのエネルギーの集中は、電子的に正確に制御できるため、多くの利点がもたらされます。

衝突箇所の温度が急激に上昇すると、対象材料がすぐに溶けることがあります。過酷な作業条件では、急激な温度上昇によって蒸発が起こることさえあるため、電子ビームは溶接などの加熱用途に最適なツールです。電子ビーム技術は、ケーブル絶縁処理、サブミクロンおよびナノ次元画像の電子リソグラフィー、カラー印刷の電子ビーム硬化のためのマイクロエレクトロニクス^[1]、液晶フィルムを含むポリマーの製造および改質など、さまざまな用途に使用されています。

真空中では、電子ビームはあらゆる材料を溶かしたり、変化させたりする熱源となります。^[2]この熱源や相転移は、真空と冷たい銅のるつぼの壁の周りの凝固した金属のスカルにより、完全に無菌です。これにより、最も純粋な材料を電子ビーム真空炉で製造および精製することができます。希少金属や耐火金属は、小容量の真空炉で製造または精製できます。工業国では、鋼鉄の大量生産のために、トン単位の容量とメガワット単位の電子ビーム出力を備えた大型炉が存在します。

1950 年代末に電子ビーム溶接が工業規模で開始されて以来、数え切れないほどの電子ビーム溶接機が設計され、世界中で使用されています。これらの溶接機は、数リットルから数百立方メートルまでの範囲の作業用真空チャンバーと、最大 100 kW の電力を供給できる電子銃を備えています。

現代の電子ビーム溶接機は、通常、コンピュータ制御の偏向システムを備えており、ビームをワークピースの選択された領域上で高速かつ正確に移動させることができます。急速加熱により、材料の薄い表面層のみが加熱されます。用途には、硬化、焼鈍、焼き戻し、テクスチャリング、研磨（アルゴンガス存在下）などがあります。電子ビームを使用して表面に浅い溝を切る場合、溝に沿ってビームを高速で繰り返し水平に移動させると、放出された溶融金属の小さな山が形成されます。これを繰り返すと、高さ 1 ミリメートルまでのスパイク構造を作成できます。これらの構造は、異なる材料間の結合を助け、金属の表面粗さを修正することができます。

積層造形とは、 3D モデル データから材料を結合してオブジェクトを作成するプロセスであり、通常は粉末材料を層ごとに溶かします。コンピューター制御の走査型電子ビームを使用して真空中で溶解するため、精度が高くなります。電子ビーム直接製造 (DM) は、ほぼネット シェイプの部品を製造するための、初めて市販された大規模で完全にプログラム可能な方法です。

原料のビレット金属は、激しく回転しながら電子ビームで溶解されます。金属が金属棒から飛び出す際に冷却され、粉末が生成されます。

電子ビーム加工は、高速電子を非常に高い平面電力密度を持つ細いビームに集束させるプロセスです。ビーム断面は次に焦点を合わせてワークピースに向けられ、熱を発生させて材料を蒸発させます。電子ビーム加工は、さまざまな金属を正確に切断または穴あけするために使用できます。その結果、表面仕上げは他の熱切断プロセスで得られるものよりも優れ、切り口の幅は狭くなります。ただし、機器コストが高いため、この技術の使用は高価値製品に限定されます。

電子リソグラフは、非常に細かく焦点を絞った電子ビームによって製造され、レジストに微細構造を形成します。この微細構造は、多くの場合エッチングによって基板材料に転写されます。もともとは集積回路の製造用に開発されたもので、ナノテクノロジーアーキテクチャの作成にも使用されています。電子リソグラフでは、直径が 2 ナノメートルから数百ナノメートルの電子ビームを使用します。電子リソグラフは、コンピューター生成ホログラム(CGH) の製造にも使用されます。マスクレス電子リソグラフィーは、フォトリソグラフィー用のフォトマスクの作成、半導体部品の少量生産、研究開発活動 で幅広く使用されています。

物理蒸着法は真空中で行われ、金属の薄層をバッキング構造に蒸着することで太陽電池の薄膜を生成します。電子ビーム蒸着法では、熱電子放出を利用して電子の流れを作り、高電圧の陰極と陽極の配置によって加速します。静電場と磁場によって電子が集束し、ターゲットに当たります。運動エネルギーは材料の表面またはその近くで熱エネルギーに変換されます。その結果生じる加熱によって材料が溶け、蒸発します。3500 度を超える温度に達することもあります。蒸気源からの蒸気が基板上に凝縮し、高純度材料の薄膜が生成されます。単一原子層から数マイクロメートルまでの膜厚を実現できます。この技術は、マイクロエレクトロニクス、光学、材料研究、および太陽電池やその他の多くの製品の製造に使用されています。

電子ビーム硬化は、従来の溶剤を必要とせずに塗料やインクを硬化させる方法です。電子ビーム硬化は、従来の溶剤蒸発プロセスと同様の仕上がりを実現しますが、その仕上がりは重合プロセスによって実現されます。電子ビーム処理は、ポリマーを架橋して熱、機械、または化学的なストレスに対する耐性を高めるためにも使用されます。

電子ビーム処理は、医薬品や食品の無菌包装材の殺菌、また穀物、タバコ、その他の未加工のバルク作物から生きた昆虫を除去する害虫駆除にも使用されています。

電子顕微鏡は、制御された電子ビームを使用して標本を照らし、拡大画像を生成します。一般的な 2 つのタイプは、走査型電子顕微鏡(SEM) と透過型電子顕微鏡(TEM) です。

電子ビームが金属に当たると、X 線が発生します。X 線は、歯科や手足の画像などの診断に使用されます。これらの X 線管では、金属が溶けないように回転ディスクになっていることがよくあります。ディスクは磁気モーターによって真空中で回転します。X 線は、がん組織を殺すためにも使用されます。Therac -25マシンは、この悪名高い例です。

• シュルツ、H.：電子ビーム溶接、アビントン出版
• フォン・ドベネック、D.：電子ビーム溶接 - 30年間のジョブショップ経験の例
• elfik.isibrno.cz/en : 電子ビーム溶接（チェコ語および/または英語）
• Visser, A.: Werkstoffabtrag durch Elektronen-und Photonenstrahlen; Verlag <Technische Rundschau>、Blaue Reihe、Heft 104
• Klein, J. 編著「溶接：プロセス、品質、アプリケーション」、Nova Science Publishers, Inc.、ニューヨーク、第 1 章と第 2 章、pp. 1–166
• Nemtanu, MR、Brasoveanu, M.、編著、「電子ビーム照射の実際的側面と応用」、トランスワールド リサーチ ネットワーク、37/661(2)、Fort PO、Trivandrum-695 023、ケララ州、インド