Обработка электронным лучом или электронное облучение ( EBI ) — это процесс, который включает использование электронов , как правило, высокой энергии, для обработки объекта в различных целях. Это может происходить при повышенных температурах и в атмосфере азота. Возможные применения электронного облучения включают стерилизацию , изменение цвета драгоценных камней и сшивание полимеров .
Энергии электронов обычно варьируются от кэВ до МэВ в зависимости от требуемой глубины проникновения. Доза облучения обычно измеряется в греях , но также и в Мрадах ( 1 Гр эквивалентен 100 рад ).
Основные компоненты типичного устройства для обработки электронным лучом включают в себя: [1] электронную пушку (состоящую из катода, сетки и анода), используемую для генерации и ускорения первичного пучка; и магнитно-оптическую (фокусирующую и отклоняющую) систему, используемую для управления тем, как электронный луч падает на обрабатываемый материал («заготовку»). В процессе работы катод пушки является источником термически испускаемых электронов, которые ускоряются и формируются в коллимированный пучок с помощью геометрии электростатического поля, установленной используемой конфигурацией электрода пушки (сетки и анода). Затем электронный пучок выходит из узла пушки через выходное отверстие в аноде заземленной плоскости с энергией, равной значению отрицательного высокого напряжения (рабочее напряжение пушки), приложенного к катоду. Такое использование прямого высокого напряжения для создания высокоэнергетического электронного пучка позволяет преобразовывать входную электрическую мощность в мощность пучка с эффективностью более 95%, что делает обработку материалов электронным лучом высокоэнергетической технологией. После выхода из пушки луч проходит через электромагнитную линзу и систему отклоняющей катушки. Линза используется для создания сфокусированного или расфокусированного пятна луча на заготовке, в то время как отклоняющая катушка используется для позиционирования пятна луча в неподвижном месте или для обеспечения некоторой формы колебательного движения.
В полимерах электронный луч может быть использован на материале для того, чтобы вызвать такие эффекты, как разрыв цепи (что делает полимерную цепь короче) и сшивание . Результатом является изменение свойств полимера, что должно расширить диапазон применения материала. Эффекты облучения могут также включать изменения кристалличности , а также микроструктуры . Обычно процесс облучения разрушает полимер . Облученные полимеры иногда можно охарактеризовать с помощью DSC , XRD , FTIR или SEM . [2]
В сополимерах поли( винилиденфторида -трифторэтилена) облучение электронами высокой энергии снижает энергетический барьер для фазового перехода сегнетоэлектрик-параэлектрик и уменьшает потери на гистерезис поляризации в материале. [3]
Электронно-лучевая обработка подразумевает облучение (обработку) изделий с использованием высокоэнергетического ускорителя электронного пучка . Электронно-лучевые ускорители используют технологию включения-выключения, а их общая конструкция напоминает конструкцию электронно-лучевого телевизора.
Электронно-лучевая обработка применяется в промышленности в основном для трех модификаций изделий:
Нанотехнология является одной из самых быстрорастущих новых областей в науке и технике. Радиация является ранним прикладным инструментом в этой области; размещение атомов и ионов выполнялось с использованием ионных или электронных пучков в течение многих лет. Новые приложения касаются синтеза нанокластеров и нанокомпозитов. [5]
Сшивание полимеров посредством электронно-лучевой обработки превращает термопластичный материал в термореактивный . [2] [6] Когда полимеры сшиваются, молекулярное движение сильно затрудняется, что делает полимер устойчивым к теплу. Это связывание молекул вместе является источником всех преимуществ сшивания, включая улучшение следующих свойств: [7]
Сшивание — это соединение соседних длинных молекул сетками связей, вызванных химической обработкой или обработкой электронным лучом. Обработка термопластичного материала электронным лучом приводит к ряду улучшений, таких как увеличение прочности на разрыв и стойкость к истиранию, растрескиванию под напряжением и растворителям. Заменители суставов, такие как колени и бедра, изготавливаются из сшитого сверхвысокомолекулярного полиэтилена из-за превосходных характеристик износа, полученных благодаря обширным исследованиям. [8]
Полимеры, обычно сшитые с использованием процесса облучения электронным пучком, включают поливинилхлорид ( ПВХ ), термопластичные полиуретаны и эластомеры (ТПУ), полибутилентерефталат (ПБТ), полиамиды / нейлон (ПА66, ПА6 , ПА11, ПА12), поливинилиденфторид ( ПВДФ ), полиметилпентен (ПМП), полиэтилены ( ЛПЭНП , ПЭНП , ПЭМП, ПЭВП, ПЭСВМ ) и сополимеры этилена, такие как этиленвинилацетат (ЭВА) и этилентетрафторэтилен (ЭТФЭ). Некоторые из полимеров используют добавки, чтобы сделать полимер более легко сшиваемым при облучении. [9]
Примером детали, сшитой с помощью электронного луча, является соединитель из полиамида, разработанный для того, чтобы выдерживать более высокие температуры, необходимые для пайки бессвинцовым припоем, требуемым инициативой RoHS. [10]
Трубы из сшитого полиэтилена, называемые PEX, обычно используются в качестве альтернативы медным трубам для водопроводов в новых домах. Трубы из PEX прослужат дольше меди и обладают эксплуатационными характеристиками, которые во многих отношениях превосходят медь. [11]
Пену также производят с использованием электронно-лучевой обработки для получения высококачественного, мелкоячеистого, эстетически приятного продукта. [12] [13]
Гранулы смолы, используемые для производства пены и термоформованных деталей, могут быть обработаны электронным лучом до более низкого уровня дозы, чем при сшивании и образовании гелей. Эти гранулы смолы, такие как полипропилен и полиэтилен, могут быть использованы для создания пен с меньшей плотностью и других деталей, поскольку «прочность расплава» полимера увеличивается. [14]
Разрыв цепи или деградация полимера также могут быть достигнуты посредством обработки электронным лучом. Воздействие электронного луча может вызвать деградацию полимеров, разрывая цепи и, следовательно, уменьшая молекулярную массу . Эффекты разрыва цепи, наблюдаемые в политетрафторэтилене (ПТФЭ), использовались для создания тонких микропорошков из отходов или некачественных материалов. [4]
Разрыв цепи — это разрыв молекулярных цепей для получения требуемых молекулярных субъединиц из цепи. Электронно-лучевая обработка обеспечивает разрыв цепи без использования едких химикатов, обычно используемых для инициирования разрыва цепи.
Примером этого процесса является разрушение целлюлозных волокон, извлеченных из древесины, с целью укорочения молекул и получения сырья, которое затем может быть использовано для производства биоразлагаемых моющих средств и заменителей диетического питания.
«Тефлон» (ПТФЭ) также подвергается обработке электронным лучом, что позволяет измельчать его в мелкий порошок для использования в чернилах и в качестве покрытий для автомобильной промышленности. [15]
Обработка электронным лучом способна разрывать цепочки ДНК в живых организмах, таких как бактерии, что приводит к гибели микробов и делает пространство, в котором они обитают, стерильным. Обработка электронным лучом использовалась для стерилизации медицинских изделий и асептических упаковочных материалов для пищевых продуктов, а также для дезинсекции, устранения живых насекомых из зерна, табака и других необработанных сыпучих культур. [16]
Стерилизация электронами имеет значительные преимущества по сравнению с другими методами стерилизации, используемыми в настоящее время. Процесс быстрый, надежный и совместимый с большинством материалов, и не требует карантина после обработки. [17] Для некоторых материалов и продуктов, чувствительных к окислительному воздействию, уровни толерантности к радиации при облучении электронным пучком могут быть немного выше, чем при гамма-облучении. Это связано с более высокими дозами и более коротким временем воздействия электронного пучка, которые, как было показано, снижают деградативное воздействие кислорода. [18]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )