2.1. Двух- и трехуровневые лазеры

В зависимости от числа активных уровней и агрегатного состояния вещества могут применяться различные методы создания инверсной заселенности уровней, отрицательной абсолютной температуры и отрицательного коэффициента поглощения. Переходы между уровнями энергии и связанные с этими переходами акты поглощения и излучения количественно изучаются при помощи вероятностного метода, основателем которого является А. Эйнштейн (1917).

Рис.1.2хуровневый лазер

Рис.2.3хуровневый лазер первого типа

Рис.3. 3хуровневый лазер второго типа

Принципиальные схемы двухуровневого и трехуровневого лазеров показаны на рис.1, 2, 3. На этих рисунках волнистыми стрелками показаны переходы, происходящие под действием накачки, создающие повышенную заселенность верхнего уровня за счет нижнего уровня. Обычные стрелки указывают на спонтанное излучение и вынужденное поглощение. Жирной стрелкой обозначается индуцированное излучение. Простым и жирным стрелкам соответствуют коэффициенты Эйнштейна А, В.

В системе первого типа (рис. 2) используется резонансная линия, и рабочий переход заканчивается на невозбужденном уровне. В системе второго типа (рис. 3) используется промежуточный переход в качестве рабочего перехода, заканчивающегося на возбужденном уровне. Составим кинетические уравнения для трехуровневой системы, работающей на резонансной частоте. Изменения заселенностей уровней во времени определяются следующей системой уравнений типа (1) – (3):

Подсчитаем число фотонов Nф, рождающихся в единицу времени в единице объема и имеющих частоту n21. Режим будем считать стационарным, т. Е. Положим

Очевидно, что искомая величина N_ф равна избытку переходов с уровня 3 на уровень 2 над спектральными переходами с уровня 2 на уровень 1, т. е.

N_ф = A₃₂N₃ – A₂₁N₂

9. Ионные лазеры. Аргоновый лазер. Схема уровней.

К ионным лазерам относятся:

1.Аргоновый лазер; 2.He-Cd-лазер. Лазеры на ионах Ba, Ca, Sr

В ионных лазерах инверсия населённостей создаётся между электронными уровнями энергии ионизированных атомов инертных газов и паров металлов. Инверсия населённостей достигается выбором пары уровней, для которой нижний лазерный уровень обладает меньшим, а верхний — большим временами жизни. Необходимость создания большого количества ионов приводит к тому, что плотность тока газового разряда в ионных лазерах достигает десятков тысяч А/см2 . Кпд ионных лазеров не превышает 0,01%. В области видимого света сравнительно высокой мощностью в непрерывном режиме обладают аргоновые лазеры.

Аргоновый лазер. Кr+-лазер

Непрерывный Аr+-лазер генерирует на 10 линиях в сине-зелёной области спектра в диапазоне 454,5 -528,7 нм. Заселение верхних рабочих уровней в нём осуществляется ступенчатым возбуждением электронами через основное и метастабильные состояния иона, а также каскадами (несколько последовательных переходов) с более высоких уровней. Нижние рабочие уровни быстро опустошаются спонтанным излучением. В Аr+-лазере скорость накачки в верхнее состояние будет пропорциональна квадрату плотности тока разряда. В промышленных Аr+-лазерах достигаются мощности генерации 1-40 Вт (в лабораторных образцах - до 500 Вт) при кпд ~0,1%. Для возбуждения Аr+-лазера применяется сильноточный разряд в узких трубках с плотностями тока порядка ~ 1 кА/см2. Непрерывный ионный Кr+-лазер аналогичен, но обладает несколько худшими характеристиками и генерирует в диапазоне 468-752,5 нм. Ионный лазер на смеси ионов аргона и криптона обладает способностью: 1) перестраиваться по длине волны (сменой зеркал) во всём видимом диапазоне, 2)он излучает мощность до 0,1 Вт на волнах 0,4880 мкм (синий), 0,5145 мкм (зелёный), 0,5682 мкм (жёлтый) и 0,6471 мкм (красный луч). Аргоновый ионный лазер применяется в технологии обработки твёрдых материалов, при физических исследованиях, в оптических линиях связи, при оптической локации искусственных спутников Земли.

He-Cd-лазер. На рис. показаны уровни энергии в системе Не-Cd, имеющие отношение к лазерной генерации. Накачка верхних лазерных уровней в Cd+ осуществляется с помощью гелия через ионизацию Пеннинга. В общем случае этот процесс можно записать в виде A* + B ® B+ + e, где ион В+ в конечном состоянии может оказаться как возбужденным, так и невозбужденным. Избыточная энергия переходит в кинетическую энергию электрона. Процесс протекает наиболее эффективно, если возбужденные частицы А* находятся в метастабильном состоянии. В случае Не-Cd-лазера и качестве частицы А* выступает гелий в метастабильных состояниях , и это возбуждение при столкновении передастся возбужденному иону Cd+. Время жизни состояний D (10-7с) много больше времени жизни состояний Р (10-9 с). Поэтому можно без труда достичь инверсии населенностей между состояниями D и Р. Лазерная генерация была получена на линиях l=325 нм и l=416 нм. Затем вследствие излучательной релаксации ионы Cd+ переходят в основное состояние.

Лазеры на ионах Ba,Ca,Sr-это рекомбинационные и на самоограниченных переходах ионов лазеры. Рекомбинационные лазеры-Инверсия образуется в процессе рекомбинации ионов и электронов. В этом процессе уровни атомов или ионов заселяются не "снизу", а "сверху". Генерация возникает во время послесвечения импульсного разряда. Наилучшие характеристики генерации получены на линиях иона Sr⁺ (l = 430,5 и 416,2 нм) и Ca⁺ (l = 373,7 и 370,6 нм).

В настоящее время генерация в лазере на парах кальция осуществляется на атомной линии с длиной волны 5,547мкм и на

двух ионных линиях с длинами волн 0,8542 мкм , 0,8662 мкм. Длины волн генерации лазера на ионах Sr: в самоограниченном режиме – 1032,7 и 1091,4 нм, в рекомбинационном режиме – 430,5 и 416,2 нм.

10. СО₂-лазер. Параметры лазера. Накачка в СО₂ – лазере.

Относится к молекулярным лазерам:СО₂-лазер, СО-лазер, Азотный лазер, Эксимерный лазер

СО2 – лазер(длина волны 10,6 мкм, (9,4 мкм):

а) Лазеры с медленной продольной прокачкой

б) Лазеры с быстрой продольной прокачкой

в) Отпаянные лазеры

г) Волноводные лазеры

д) Лазеры с поперечной прокачкой

е) СО2 - лазеры атмосферного давления с поперечным возбуждением

ж) Газодинамический СО2 - лазер

Накачка в СО2 - лазере на верхний лазерный уровень 00⁰1:

1)Непосредственные столкновения с электронами.

е + СО2(000) → е + СО2.(001)

Сечение столкновения с электроном для данного процесса очень велико и намного превышает соответствующее сечение возбуждения уровней

1 00 и 020.Прямой электронный удар может приводить также к возбуждению верхних (0,0,n) колебательных уровней молекулы СО2. Однако молекула СО2 быстро релаксирует с этих верхних состояний в состояние (001) посредством околорезонансных столкновений типа:

СО2.(0,0,n) + СО2.(0,0,0) ® СО2.(0,0,n-1) + СО2.(0,0,1)

колебательную систему можно характеризовать колебательной температурой Т1.

2) Резонансная передача энергии от молекулы N2. Этот процесс имеет также большую эффективность благодаря тому, что разница энергий между возбужденными уровнями двух молекул невелика (DЕ = 18 см^-1).

Релаксация верхнего и нижнего лазерных уровней. Переходы 0001®1000, 0001®0200, 1001®0100 и 0200®0100 оптически разрешены, соответствующие времена релаксации t_спон для спонтанного излучения очень малы (напомним, что tспон~1/n3). Время релаксации верхнего лазерного уровня ts можно определить по формуле типа: 1/ts=Sа_ip_i (3)

где p_i – парциальные давления, а_i – постоянные, характеризующие каждую компоненту газовой смеси в разряде. Что касается скорости релаксации нижнего уровня, то прежде всего заметим, что вероятность перехода 100®020 очень велика и этот переход происходит даже в изолированной молекуле.

Населенности трех уровней 1000, 0200 и 0110 достигают теплового равновесия за очень короткое время. Это равносильно утверждению, что населенности этих уровней можно описать колебательной температурой Т2.Время жизни уровня 0110 t = 20 мкс. Таким образом N2 способствуют заселению верхнего лазерного уровня, а Не – обеднению нижнего.

Вращательная структура

Правило отбора для двухатомных или линейных трехатомных молекул требуют:

DJ = ±1 (DJ=J¢¢ - J¢),

где J¢¢ ‑ J¢ - вращательные квантовые числа нижнего и верхнего колебательных состояний).

Переходы между двумя колебательными уровнями с учетом вращательной структуры. В отсутствие вращательной энергии этот переход должен был бы давать одну линию с центром в точке n₀ . на самом деле он состоит из двух групп линий: одной, называемой Р-ветвью и соответствующей переходам с изменением вращательного квантового числа на DJ = +1, и другой, называемой R-ветвью, соответствующей изменению вращательного квантового числа на DJ = ‑ 1.

Наибольшую населенность среди вращательных уровней имеет уровень J¢ = 21 верхнего 0001 состояния.

Таким образом при нормальных условиях генерация возникает на линии Р(22) [т.е. (J¢ = 21) ® (J¢¢ = 22) перехода (0001)-(1000). Другие линии выделяются селекцией].

С0₂ лазеры бывают:

а) Лазеры с медленной продольной прокачкой

Впервые генерация в СО2- лазере была получена в лазере именно такого типа (Ч. Пател, 1964 г.). Газовая смесь медленно прокачивается вдоль лазерной трубки для того, чтобы удалить продукты диссоциации, в частности СО, которые в противном случае загрязняют лазерную среду.

б) Лазеры с быстрой продольной прокачкой

С очень высокой сверхзвуковой скоростью (около 50 м/с).W = 1 – 3 кВт

в) Отпаянные лазеры

В качестве катализатора используются пары воды (~1%), либо никелевый катод

СО*+ОН®СО2+Н (6)

W = 60 Вт/м

г) Волноводные лазеры

Если диаметр лазерной трубки уменьшить до нескольких миллиметров (2 ‑ 4 мм), то лазерное излучение в трубке распространяется как в волноводе. Такие волноводные СО2-лазеры имеют низкие дифракционные потери. Главным преимуществом волноводного СО2 – лазера является то, что благодаря небольшому диаметру отверстия давления смеси должно быть высоким (100 ‑ 200 мм рт. ст.), W = 50 Вт/м

д) Лазеры с поперечной прокачкой

(ТЕ-лазеры)W = 1 – 20 кВт

Рисунок 4. Схема устройства СО2- лазера с поперечной прокачкой

е) СО2- лазеры атмосферного давления с поперечным возбуждением

В непрерывных ТЕ СО2-лазерах нелегко поднять давление выше ~100 мм. рт. ст. В тлеющем разряде выше этого давления и при обычно используемых плотностях тока возникают неустойчивости, которые приводят к образованию дуги в объеме разряда. Для преодоления этого осложнения к электродам, между которыми происходит поперечный разряд, прикладывают импульсное напряжение.

Если длительность импульса достаточна мала (доля микросекунды), то неустойчивости в разряде не успеют развиться и, следовательно, рабочее давление газа можно повысить вплоть до атмосферного и выше. W = 10 ‑ 50 Дж/л

ж) Газодинамический СО2-лазер

инверсия населенностей в нем создается не электрическим разрядом, а за счет быстрого расширения газовой смеси (содержащей СО2), предварительно нагретой до высокой температуры. Инверсия населенностей возникает в потоке в области расширения.

11. Излучатели твердотельных лазеров.

В твердотельном технологическом лазере излучатель представляет собой квантрон, включающий в себя следующие узлы

1-активный элемент (кристалл);2 - осветительную систему; 3 - отражатель (концентратор излучения лампы накачки). Активный элемент состоит из стекла или YAG с присадкой ионов Nd (длина волны генерации l = 1,06 мкм). Именно эти теплофизические свойства, а также высокий коэффициент усиления и низкая пороговая энергия возбуждения позволяют осуществлять в лазерах с YAG не только импульсный, но и импульсно-периодический, а также непрерывный режим генерации. Обычно лазеры на Nd:YAG используют в режиме импульсно-периодического (длительность импульсов 0,5 - 10 мс с частотой до 100 Гц) или непрерывного возбуждения (длительность - менее 10 мкс с высокой частотой до 100 кГц, модулируя добротность резонатора с помощью затвор расположенного между активным элементом и зеркалом).

Рис. 10. Принципиальная схема устройства твердотельного лазера с ламповой накачкой: 1 ‑ активный элемент; 2 ‑ заднее зеркало резонатора; 3 ‑ газоразрядная лампа; 4 ‑ отражатель; 5 ‑ система питания лампы накачки; 6 ‑ полупрозрачное зеркало

Особенности активных элементов из Nd:YAG по сравнению со стеклом: 1)выше КПД (до 1,5..2 %), 2)больше срок службы, 3)ниже уровни накачки, меньше габариты; 4)более высокая теплопроводность, 5)ниже коэффициент термического расширения, 6)выше механическая прочность и температурная стабильность. Недостатком этого материала - его более высокая стоимость по сравнению со стеклом.

Осветительная система. Наибольшее распространение получила осветительная система с одной прямой лампой накачки и цилиндрическим отражателем кругового или эллиптического сечения Отражатель. Он предназначен для повышения эффективности использования излучения лампы накачки.

Лампы накачки. Nd:YAG-лазер обычно накачивают ксеноновыми или криптоновыми дуговыми лампами.

В настоящее время широкое применение начинает находить метод селективной накачки с помощью линейки полупроводниковых светодиодов.

Схема устройства твердотельного лазера с диодной накачкой:1‑лазерные диоды (полупроводник. лазеры);2 ‑ линзы конденсоров;3 ‑ поляризационная призма сведения;4 ‑ объектив фокусировки излучения лазерных диодов в активный элемент;5 ‑ входное зеркало; 6 ‑ активный элемент;7 ‑ выходное зеркало;8 ‑ лазерный луч. 1, 2, 3, 4 ‑ элементы осветителя; 5,6,7 ‑ элементы резонатора

Оптический резонатор. При использовании таких резонаторов минимальная угловая расходимость q обеспечивается плоскими зеркалами (параллельность ‑ 10"). С увеличением длины резонатора L угол q уменьшается; при L = 500 мм угловая расходимость q (Nd:YAG) равна 5 – 30, угол q (стекло) составляет 1 – 10-1. При использовании резонатора с вогнутыми зеркалами угол q увеличивается, но так как добротность неаксиальных мод колебаний возрастает, КПД лазера повышается. Увеличение коэффициента отражения и ресурса зеркал достигается путем использования многослойных интерференционных покрытий. Применение вращающихся зеркал эксцентрично оси луча позволяет использовать всю площадь зеркала 6 – 10 раз, что существенно увеличивает срок службы зеркала.

Оптические системы твердотельных лазерных технологических установок (ЛТУ). Оптические системы выполняют следующие функции: передают энергию лазерного излучения к месту обработки, регулируют параметры излучения, формируют пучки с высокой плотностью мощности, наводят излучение на обрабатываемую точку, контролируют процесс обработки материала. Направление пучка изменяют призмами полного внутреннего отражения или интерференционными зеркалами. Защиту объектива от паров, капель, плазмы и аэрозолей осуществляют с помощью прозрачной движущейся ленты, струи воздуха, электромагнитных полей и т. д.

В настоящее время в России и за рубежом выпускают большое количество разнообразных твердотельных лазерных излучателей, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме. Наиболее широко распространены лазеры на Nd:YAG (1,06 мкм). Их использование позволяет осуществлять интенсивную высокоскоростную лазерную обработку. Их преимуществом является возможность применения оптоволокна для передачи излучения.

12. Волоконные лазеры.

Волоконные лазеры были разработаны в 1980-х годах прошлого столетия. Спектральный состав находится в пределах от 1 до 2 мкм. Использование таких лазеров позволяет обеспечить различные временные характеристики излучения. Их используют в лазерных дальномерах и трехмерных локаторах, аппаратуре для телекоммуникаций, в медицинских установках и т. д.

Основными типами волоконных лазеров являются непрерывные одномодовые лазеры, в том числе однополяризационные и одночастотные; импульсные волоконные лазеры, работающие в режиме модуляции добротности, синхронизации мод, а также в произвольном режиме модуляции; перестраиваемые волоконные лазеры; сверхлюминесцентные волоконные лазеры; мощные непрерывные многомодовые волоконные лазеры. Принцип работы лазера основан на пропускании света фотодиода по волокну большой протяженности. В первых моделях лазеров накачку проводили с торца волокна (рис.) и усиление осуществлялось за счет многократного переотражения света в волокне большой длины (около 50 м). В качестве волокна был использован кварц, активированный добавками редкоземельных элементов. Накачку проводили диодами с одномодовым излучением. Порог генерации таких лазеров составляет 10 мкВт, КПД достигает 50 %.

Активная среда: волоконные световоды, состоящие стеклянная нить генерированная ионами неодима

Рис. 12. Схема одномодового волоконного лазера: 1 ‑ одномодовый фотодиод; 2 ‑ фокусирующая линза; 3 ‑ сфокусированный луч; 4 ‑ активированное световедущее волокно; 5 ‑ светоотражающее покрытие; 6 ‑ оптическое кварцевое волокно; 7 ‑ защитная оболочка; 8 ‑ лазерный луч Для увеличения мощности волоконных лазеров используют многомодовую активированную накачку и резонатор, представляющий собой зеркала на торцах волокна длиной до 100 м, скрученного в бухту. Для мощных лазеров используют трехслойное стеклянное волокно, активированное редкоземельными элементами. С помощью такого лазера можно получить мощность излучения до 100 Вт. При этом КПД лазера составляет до 23 %. В этом случае наблюдается весьма малое тепловыделение (около 8 - 10 Вт). Это дает возможность использовать воздушное охлаждение. Для волоконных лазеров практически не требуется такое техническое обслуживание, как настройка, юстировка, чистка и т. д. Срок службы лазеров без ремонта достигает 15000 - 20000 ч. Кроме того, их конструкция допускает размещение в обычных рабочих помещениях цехов без учета специальных требований. Для получения мощностей 2, 4, 6 и 10 кВт создают блочные системы, в которых излучение отдельных одномодовых волоконных лазеров мощностью 100 Вт собирается в одном волокне

Основными элементами волоконного лазера являются: полупроводниковый источник накачки с волоконным выходом (блок накачки), активный одномодовый волоконный световод с диаметром сердцевины dC = 10–30 мкм, внутриволоконные решетки показателя преломления (зеркала лазера).

Благодаря полностью волоконной конструкции таких лазеров они обладают низкими оптическими потерями. Типичная длина активного волоконного световода составляет от 5 до 50 м. Входная брэгговская решетка обычно имеет коэффициент отражения на длине волны генерации, близкий к 100%, а коэффициент отражения выходной решетки существенно ниже обычно порядка 5%.

Волоконные лазеры с двойной оболочкой

Одномодовые лазеры малой выходной мощности могут использовать ввод излучения накачки непосредственно в сердцевину световода. Применение мощных полупроводниковых источников для накачки волоконных лазеров подразумевает использование волоконных световодов с двойной оболочкой. В качестве активной среды мощных волоконных лазеров используются волоконные световоды, состоящие из внутренней (первой) оболочки из кварцевого стекла и внешней (второй) оболочки с показателем преломления, пониженным по сравнению с кварцевым стеклом.

Представленная на рис. схема ввода накачки через торец лазерного световода позволяет использовать лишь один (или максимум два: второй – через противоположный торец световода) источник накачки (полупроводниковый лазер или сборку полупроводниковых лазеров), поэтому вводимая в световод мощность ограничена современными

Рис. 4. Схема лазера на основе активного волокна с двойной оболочкой

46 www.lightwave-russia.com

Непрерывные одномодовые волоконные лазеры на основе активных световодов, легированных редкоземельными ионами, сравнительно недавно (в 1993 году) преодолели рубеж выходной мощности в 1 Вт. С тех пор исследования таких лазеров ведутся очень интенсивно во многих научных центрах. В настоящее время мощность излучения одномодовых волоконных лазеров уже превысила 1000 Вт, а в многомодовом режиме цифры приближаются к 100 кВт. К основным применениям мощных лазеров следует отнести обработку материалов: сварка, сверление, резка металлических листов (до 25 мм толщиной).

Рис.. Схема волоконного лазера с активированной боковой накачкой: 1 ‑ торцевое зеркало; 2 ‑ оптическое кварцевое волокно; 3 ‑ активированное световедущее волокно; 4 ‑ светоотражающее покрытие; 5 ‑ защитная оболочка; 6 ‑ лазерный луч; 7 ‑ фокусирующая линза; 8 ‑ светодиоды

13. Диодные лазеры.

Рис. 16. Лазерный диод мощностью 40 - 60 Вт (а) и диодная доска мощностью 500 Вт (б)

Принцип построения диодных лазеров состоит в том, что лазерные диоды со сравнительно небольшой мощностью 40 – 60 Вт (рис. 16, а) собирают в охлаждаемые водой пакеты, так называемые доски (рис. 16, б). Их мощность достигает от 0,5 до 4 кВт. Излучение от отдельных лазерных диодов по оптоволокну поступает в фокусирующую систему. Выходящий луч имеет прямоугольную форму площадью около 1 мм2 Максимально достижимая плотность мощности в фокусе составляет 105 – 2∙105 Вт/см2. Длина волны генерации зависит от используемого материала диода и находится в пределах 400 – 2200 нм. Для технологических целей применяют лазерные диоды с длиной волны 807 – 940 нм.

По сравнению с СО2-лазерами и твердотельными Nd:YAG-лазерами диодные лазеры имеют ряд преимуществ:

1. Высокий КПД (30 – 40 %), на порядок выше, чем у СО2-лазеров.

2. Малые габаритные размеры и масса. (Габариты лазерной головки диодного лазера мощностью 4 кВт составляют 300x300x300 мм, масса – 7 кг, а СО2-лазера мощностью 4 кВт - 2000х1000x800 мм, масса - около 500 кг.

3. Длина волны 0,8 мкм обуславливает возможность использования гибких световодов, повышенный в 5-6 раз по сравнению с СО2-лазерами коэффициент поглощения излучения на обрабатываемом материале, возможность применения дешевой стеклянной оптики.

4. Отсутствие расхода технологических газов: СО2, гелия и азота.

5. Высокий ресурс работы (10 000 ч).

Диодные лазеры рекомендуют использовать при проведении процессов сварки, особенно покрытых цинком сталей, термообработки, пайки, наплавки, резки пластиков, механической обработки с лазерным подогревом и т. д.Несмотря на сравнительно малую плотность мощности в пятне нагрева использование диодных лазеров позволяет получить достаточно высокую производительность. Так, сварку алюминиевого сплава толщиной 1 мм при мощности излучения 3,6 кВт можно осуществить при скорости 6 м/мин.

Ведущими производителями диодных лазеров являются фирмы Nuvonyx Inc., ROFIN-SINAR-Laser'GmbH, Opto Power Corp., Jenoptic, Laserline и Coherent.

14. Параллельное и последовательное соединение сопротивлений. Законы Кирхгофа.

15. Методы расчета сложных электрических цепей. Метод Кирхгофа и метод узловых потенциалов.

16. Методы расчета сложных электрических цепей. Метод контурных токов и метод наложения.

17. Методы расчета сложных электрических цепей. Метод эквивалентного генератора и метод эквивалентных преобразований.

18. Магнитное поле проводника с током. Закон Био-Савара-Лапласа. Правило буравчика.

19. Закон электромагнитной индукции. ЭДС индукции в контуре и катушке. Правило Ленца.

20. Особенности строения ферромагнетиков. Процесс намагничивания ферромагнетиков. Магнитный гистерезис.

21. Однофазные электрические цепи. Цепь с активным сопротивлением, индуктивностью, емкостью.

22. Последовательный и параллельный колебательный контур. Резонанс напряжений. Резонанс токов.

23. Трансформаторы. Коэффициент магнитной связи, коэффициент трансформации и КПД трансформатора.

24. Трехфазные цепи синусоидального тока. Схемы соединения фаз «Звезда» и «Треугольник». Линейные и фазные токи и напряжения.

25. Собственные и примесные полупроводники. Их модельное представление и зонные диаграммы. Основы зонной теории твердых тел.

26. Образование р-п перехода. Токи в р-п переходе. Его вольт-амперная характеристика.

27. Выпрямители. Схемы одно- и двухполупериодного выпрямителя. Принципы их работы.

28. Биполярный транзистор. Физика и режимы работы при включении транзистора по схеме с общим эммитором. Мультивибратор на транзисторах.

29. Операционный усилитель. Инвертирующая схема включения операционного усилителя. Электронные устройства, реализуемые на базе данной схемы.

30. Триггеры. Асинхронный RS-триггер на базовых элементах И-НЕ.

31. Полевой транзистор. Физика работы, характеристики, области применения.

Ответы по разделу Промышленные технологии

1. Понятие макротехнологий, виды макротехнологий, возможности участия России в конкурентной борьбе за рынок макротехнологий.

Макротехнология — это совокупность всех технологических процессов (НИР, ОКР, подготовка производства, производство, сбыт и сервисная поддержка проекта) по созданию определенного вида продукции с заданными параметрами.

Виды:

- биотехнология;

- технологии на основе достижений наук о жизни;

- оптоэлектроника;

- компьютеры и телекоммуникации;

- электроника;

- компьютеризированные производства;

- новые материалы;

- авиакосмические технологии;

- вооружение;

- ядерная технология

Возможности участия России в конкурентной борьбе за рынок макротехнологий.

На долю 9 высокоразвитых стран (из примерно 150 стран с экономикой рыночного типа) приходится около 80-90% всей наукоемкой продукции и практически весь ее экспорт, доля России составляет только 0,3%. Эти страны владеют 46 из 50 макротехнологий. На долю США приходится 20-22 макротехнологии, по которым они или разделяют, или держат лидерство, на долю Германии — 8-10, Японии — 7, Англии и Франции — 3-5, Швеции, Норвегии, Италии, Швейцарии — по 1-2 макротехнологии, на остальной мир — 3-4 макротехнологии. Доля России составляет только 0,3%. Экономическое "чудо" Сингапура, Тайваня, Гонконга произошло в первую очередь из-за того, что "сильные мира сего" имплантировали в эти страны по 1-2 макротехнологии. Сингапур владеет всего лишь одной макротехнологией — микроэлектроникой и имеет от нее оборот 6,8 млрд долл. в год. Россия на период до 2025 г. могла бы поставить задачу приоритетного развития по 12-16 макротехнологиям, если учесть, что по 6-7 макротехнологиям наш суммарный уровень знаний равен или превосходит мировой уровень (авиация, космос, ядерная энергетика, судостроение, спецметаллургия и энергетическое машиностроение). Поэтому задача промышленной политики России — сохранить достигнутое преимущество в освоении макротехнологий, освоить новые макротехнологии и вывести соответствующие производства на мировой уровень

2. Промышленные технологии и технический прогресс. Прогрессивная технология. Наукоёмкая технология. Высокая технология. Критическая технология.

Промышленные технологии - совокупность способов обработки или переработки материалов, изготовление изделий, проведение различных производственных операций

Технический прогресс - это появление новых, технически более эффективных видов производства, которые должны быть приняты во внимание в производственной функции, и в то же время технически неэффективные виды производства должны быть исключены из нее.

Или Технический прогресс - взаимообусловленное, взаимостимулирующее развитие науки и техники.

Прогрессивная технология - технология более высокой ступени развития (по сравнению с существующей), которая является результатом внедрения процессных инноваций.

Эта категория включает технологии, базирующиеся на заимствованном передовом опыте, когда внедряются новые или усовершенствованные методы производства изделий, в т. ч. реализованные ранее в производственной практике в смежных областях одного предприятия, других предприятий и других стран и распространяемые путем технологического обмена (беспатентные лицензии, ноу-хау, инжиниринг и т. п.).

Наукоемкая технология - технология, основанная на последних достижениях науки и техники, когда получаемая продукция соответствует по своим экономическим и эксплуатационным свойствам лучшим мировым образцам и вполне удовлетворяет новые потребности общества по сравнению с ранее выпускавшейся аналогичного назначения.

Высокая технология - технология, базирующаяся на создании новых свойств изделий путем воздействия на материалы на межмолекулярном, межатомном, внутриатомном и т. п. уровнях. Примеры: использование энергии ядерного излучения (полимеризация высокомолекулярных соединений), космического излучения (получение сверхчистых материалов), лазерная, плазменная, ультразвуковая и т. п. виды обработки.

Критическая технология - технология, разработка которой обусловлена критической ситуацией, вызванной необходимостью срочного выпуска продукции в условиях ограниченного времени и ограниченных материальных ресурсов. Технология – далекая от оптимальной, когда главенствующим является не себестоимость изделий, а необходимость их изготовления к определенному календарному сроку.

3. Физические эффекты – основа промышленных технологий и инноваций. Определение физического эффекта в технологии. Типы взаимодействий в природе. Основные закономерности проявления физических эффектов. Модель физического эффекта.

Создание промышленных технологий неразрывно связано с разнообразием физических эффектов, положенных в их основу.

ФЭ – это закономерность проявления результатов взаимодействия объектов материального мира, осуществляемого посредством физических полей.

Закономерность проявления характеризуется последовательностью и повторяемостью при идентичности взаимодействия.

Разнообразие процессов и явлений, которые происходят в природе, обусловлено четырьмя типами взаимодействий: всемирным тяготением, электромагнитными, ядерными и слабыми взаимодействиями. Каждому взаимодействию соответствуют определенные физические поля. Каждое из этих полей имеет ряд модификаций, обусловливающих особенности взаимодействия материальных объектов. Например, электрическое поле может быть электростатическим, переменным, вихревым и т. д.

Примеры ФЭ в промышленных технологиях.

• ФЭ в полупроводниках – радиотехническая аппаратура, управление летательными объектами, светодиодные источники.

• Квантовая механика и химия – в основе атомно-ядерного цикла.

ВАЖНО: ФЭ – реализация естественных (природных) процессов.

4. Обобщённая схема промышленных технологий на основе физических эффектов. Принципиальная схема электрохимической обработки.

Рассмотрим примеры ФЭ, широко применяемых в технике и технологии.

Одним из таких ФЭ является "эффект клина".

Сущность эффекта заключается в преобразовании силы (по величине и направлению) при взаимодействии двух твердых тел путем использования поверхности контакта, наклоненной под острым углом к действующей силе.

Когда человечество освоило процессы получения металлов из руды, возникла необходимость их переработки в изделия. Базируясь на "эффекте клина" и подобрав необходимые сопутствующие материалы (инструментальные, смазывающе-охлаждающие жидкости) удалось реализовать технологический процесс обработки металлов резанием, который в дальнейшем развился в великое множество его модификаций: точение, строгание, сверление, зенкерование, развертывание, фрезерование, шлифование, полирование и т.д. и т.п.

Схема появления новых технологий на основе физических эффектов.

Рис. 2.1. Обобщенная схема разработки новых технологий

5. Общие принципы классификации естественных процессов. Понятие технологического процесса.

Все многообразие процессов, используемых технологией, с точки зрения их естественной (природной) сущности можно условно разделить на четыре основные группы: физические, химические, биологические процессы и процессы мышления.

Такая упрощенная классификация не исключает реализацию более сложных по своей сути процессов: физико-химических, биохимических и т.д.

Физические процессы связаны с такими преобразованиями сырья в продукт, при которых существенных изменений химической структуры исходных веществ не происходит (например, вода в форме льда, жидкости, пара имеет одну и ту же химическую формулу — H2O, хотя свойства этих веществ значительно отличаются друг от друга).

Все физические процессы, используемые в технологии, в свою очередь, можно подразделить на следующие подгруппы:

• механические процессы;

• гидромеханические процессы;

• тепловые процессы;

• массообменные процессы.

Химические процессы связаны с глубокими и, как правило, необратимыми изменениями химической структуры (формулы) исходных веществ и, следовательно, их свойств.

Биологические процессы связаны либо с использованием живых микроорганизмов с целью получения требуемых продуктов (традиционная биотехнология), либо с воспроизведением в искусственных условиях процессов, протекающих в живой клетке (современная биотехнология).

Подробнее о биологических процессах — в параграфе 4.4.

С помощью процессов мышления человек постигает не только окружающий мир, но и собственное «я». Без них невозможно существование важнейших областей человеческой деятельности — науки, образования, культура.

Технологический – последоват-ть действий по созд-ю продукции. Базируется на использовании природных ресурсов.

6. Классификация производственных технологий по области применения, потребности в ресурсах, назначению и приоритетам создания. Развитие технологий двойного назначения.

Классификация производственных технологий

 Таблица 1

Признак	Виды технологий
1. Вид продукта	Материальные, энергетические, интеллектуальные
2. Уровень сложности	Простые, сложные
3. Область применения	Научные, образовательные, производственные
4. Динамика развития	Прогрессирующие, развивающиеся, устоявшиеся, устаревшие
5. Потребность в ресурсах	Наукоемкие, капиталоемкие, энергоемкие
6. Уровень описания	Аксиоматические, профессиональные, НОУ-ХАУ
7. Качество переработки сред	Низкого, среднего, высокого уровня
8. Назначение	Созидательное, разрушительное, двойного назначения
9. Приоритеты создания	Первичная, конверсионная
10. Уровень агрегирования	Операционные, ситуационные, стратегические, корпоративные, глобальные

Конверсионные технологии – это технологии получения продукции народно-хозяйственного значения, реализуемые на предприятиях оборонно-промышленного комплекса с использованием их научно-технических разработок.

Развитие технологий двойного назначения.

Технологии двойного назначения — технологии, которые могут быть использованы при создании как вооружения и военной техники, так и продукции гражданского назначения.

Рынок двойных технологий перспективен и достаточно объемен.

Страны, развивающие рынок: США, Великобритания, Азия (Япония, Ю. Корея, Тайвань, Сингапур, Гонконг, Малайзия, Индия, Китай, Индонезия).

У России, имеющей высокий научно-технический потенциал, есть все возможности успешного выхода на такой рынок и занятия на нем достойного положения.  В число изделий и технологий, привлекших внимание западных специалистов, вошли: ядерный реактор для выработки энергии в космосе; миниатюрный космический двигатель, использующий энергию магнитных полей; мощнейший в мире ракетный двигатель на жидком топливе; высокопрочные жаростойкие сплавы, используемые при производстве ракетных двигателей; композиционные материалы; технологии кристаллизации и очистки белков и прочее.

Располагая таким потенциалом, Россия способна стать одним из ведущих экспортеров ракетно-космических, материаловедческих и других технологий, поставщиком наукоемких товаров и услуг.  Причина нереализованности потенциала: низкая конкурентоспособность на международном рынке (неумение использовать ограничения на интеллектуальную собственность, отсутствие адекватной нормативно-технической базы для патентования)

Акцент на развитие технологий двойного назначения позволит нам не только поднять уровень гражданской промышленности, осуществив ее технологическое перевооружение и существенно повысив экспортный, импортозамещающий потенциал, но и при минимальном использовании бюджетных средств создать научно-технический задел для следующего поколения ВВТ, а в конечном счете переоснастить российские Вооруженные Силы и подготовить выход российской «оборонки» на международный рынок вооружения с высококонкурентными образцами вооружения. 

7. Основные факторы, обусловившие выбор конверсионных направлений (проектов), и концептуальные подходы к формированию отраслевых Целевых комплексных программ (ЦКП) конверсии

8. Направления конверсии предприятий Минатома России

Наиболее значимыми и масштабными направлениями конверсии предприятий Минатома России являются (рис. 2):

Рис. 2. Схема программы конверсии предприятий Минатома РФ

• Микроэлектроника - организация конкурентоспособных на мировом рынке производств особо чистых материалов, специального технологического оборудования, систем и средств очистки технологических сред, функциональных электронных устройств, в том числе суперЭВМ миллиардной производительности, а также средств телекоммуникаций на основе волоконно-оптической техники;

• Масштабные производства перспективных материалов (редкоземельных элементов; технических алмазов; металлов и сплавов особой чистоты - скандия, осмия, вольфрама, молибдена; драгоценных металлов - золота, платины, серебра; технической керамики; изумрудов; цветных камней; озонобезопасных фреонов; экологически неопасных и эффективных удобрений; ионообменных смол; высокоэнергетических магнитов; химических источников тока и др.), номенклатура которых выбрана из условий либо, безусловно, возможного экспорта, либо сокращения импортных поставок необходимых для России материалов;

• Организация производства современной медицинской техники: гамма-терапевтические и радионуклидные аппараты и изделия; диагностическая, интроскопическая (рентгеновские и резонансные томографы) и хирургическая техника; офтальмологическая техника и очковая оптика, радиофармацевтические препараты, приборы ВЧ - терапии для лечения онкологических и язвенных заболеваний, аппараты "искусственная почка" и "легочная вентиляция", приборы для лечения сердечно-сосудистых заболеваний;

• Создание систем связи на основе компонентов волоконно-оптической техники: кварцевое оптическое волокно и оптический кабель, оптические коммуникационные элементы, лазерные оптические приемо-передающие устройства, магистральная широкополосная связь на основе волоконно-оптической техники;

• развитие машиностроения для агропромышленного комплекса: предусматривается освоение производства комплекса оборудования по переработке молока. Комплекс включает 425 наименований установок и устройств (фильтров, центробежных насосов, технологических линий по комплексной переработке молока и др.) для приемки, охлаждения, хранения, обработки (механической, тепловой) молока; изготовления цельномолочной продукции, сливочного масла, сыра, заменителей молока, молочных консервов и др. (эмульсоры, сепараторы, насосы, гомогенизаторы и т.д.) . Применение данного комплекса оборудования обеспечивает резкое снижение потерь молочной продукции на всех этапах его производства и повышение производительности труда в 1,8-2 раза;

• разработка и серийное производство силовых электрических аппаратов с элегазовой изоляцией: автономные гидроприводы, выключатели, ячейки распределительных устройств, аппаратура релейной защиты и автоматики и др.;

• разработка и серийное производство энергетических установок на основе электрохимических топливных элементов для широких областей применения;

• развитие и освоение нетрадиционных источников энергии и методов аккумуляции (тепловые аккумуляторы, солнечные батареи, ветровые двигатели, химические источники тока);

• создание для топливно-энергетического комплекса высокопроизводительного и импортозаменяющего оборудования для стимулирования и повышения отдачи нефтегазовых пластов, средств контроля, диагностики и автоматизации технологических процессов в газовой промышленности, а также комплекса машиностроительной продукции для угольной и нефтегазовой отраслей.

Опыт мировой экономики говорит о том, что уровень развития крупных фирм и целых отраслей промышленности определяется научно-технической емкостью их производства. Уменьшение роли природного фактора и увеличение значения квалификации (в широком понимании) - основная тенденция времени. Поэтому в экономическом смысле лидер тот, кто производит новые технологии. Отстающий вынужден производить вещи.

В связи с этим внимание предприятий отрасли сосредоточено на наиболее развитых высоких технологиях, поддержка которых приведет к ощутимому экономическому и успешному коммерческому эффектам.

В рамках конверсии предприятиями Минатома России сделано следующее:

• начато внедрение передовых технологий в освоение месторождения алмазов в Архангельской области и золотого месторождения "Сухой Лог" в Иркутской области;

• пущено и освоено одно из крупнейших в Европе производств по выпуску аудиокассет и пленки для них мощностью 25 млн. шт. в год;

• введены линии по выпуску видеокассет мощностью 30 млн. шт. в год, а также линия по производству дожигателей для выхлопных газов;

• начат выпуск элегазовой аппаратуры, оборудования для нефтегазовых комплексов;

• в рамках программы "Медтехника" начат выпуск аппарата "искусственная почка" и др.;

• создана индустрия чистых производственных помещений (ЧПП): в 1993 г. сдано "под ключ" ЧПП общей площадью 700 м2 (КБ "Салют", завод "Микрон", НИИ микроэлектроники - г. Зеленоград); в 1994 г. сдано около 1500 м2 ЧПП;

• на Красноярском горно-химическом комбинате, где производится оружейный плутоний, завершается создание опытно-промышленного комплекса по выпуску монокристаллического арсенида галлия (для элементной базы микроэлектроники), обеспечивающего низкий уровень шумов (1,0 - 1,2 Дб в полосе до 12 ГГц) и высокую скорость переключения полупроводниковых элементов, а также особо чистых алюминия, германия, теллура, теллурида висмута , фторида индия и т.д. Ведутся работы по созданию комплексного производства кремния (от исходного продукта - трихлорселана - до тестированных пластин);

• на комбинате "Маяк" (г. Челябинск) создано опытно-промышленное производство радиационно-легированного кремния;

• в Федеральном ядерном центре (г. Челябинск-70) завершается создание опытно-промышленного комплекса по производству кварцевого волокна для волоконно-оптических линий связи и пилотной про-мышленно-технологической линии по выпуску кабеля из оптоволокна. Реализация проекта позволит уже в 1996 г. создавать сети телекоммуникаций (прежде всего, региональные) на отечественной технической базе;

• на Ангарском электролизном химкомбинате получены опытные партии новых материалов на осно-ве фторида бария, лития, кальция для детекторов ионизирующих излучений, а также кристаллы для твердо-тельных лазеров. Ведется строительство крупного завода по производству фольгированного гетинакса;

• организовано сотрудничество с фирмой "Филипс" по производству лазерных видеопроигрывателей, видеомагнитофонов;

• завершается разработка бизнес-плана по организации производства и удовлетворению потребительского спроса в Уральском регионе на цветные кинескопы.

Реализация Программы конверсии предприятий Минатома России обеспечит к 2015 г. значительную часть общегосударственной потребности в соответствующей продукции. Так, например, общегосударственная потребность в золоте будет обеспечена на 7-10%, кремнии и гетинаксе примерно на 100%, перспективных металлах и сплавах на 20-25%, продукции электронного профиля на 10-15%.

Производство в рамках конверсионных программ характеризуется высокой экономической эффективностью: срок окупаемости затрат в районе трех лет, фондоотдача в среднем 1,15, удельные капиталовложения менее 0,9. Необходимо отметить, что даже ассигнования из Федерального бюджета на конверсионные программы являются, по существу, возвратными через налоговые поступления от прибыли, импортозамещающую продукцию и отчисления от экспорта.

Реализация конверсионных программ и крупных проектов на конверсируемых предприятиях одновременно предотвращает социальную напряженность, особенно в "закрытых городах", сохраняя и создавая новые рабочие места.

9. Сырьё в промышленности. Минеральное сырье. Рудное сырьё. Признаки, которые используются для классификации металлических руд. Комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов.

Сырье - один из основных элементов, определяющих в значительной степени технологию производства, себестоимость и качество продукта.

Сырьем называют природные материалы, используемые в производстве промышленных продуктов. Исходными веществами для производства промышленных продуктов кроме сырья являются полупродукты и вторичное сырье.

Минеральное сырье – это основная база для производства промышленной продукции. В мире каждый год из недр извлекают свыше 100 млрд т различного минерального сырья и топлива.

Виды: рудное (металлическое), нерудное и горючее (органическое).

 Рудное минеральное сырье -  горные породы или минеральные агрегаты, содержащие металлы.

 Нерудное - все сырье, используемое в производстве химических, строительных и других неметаллических материалов.

Горючее - горючие органические вещества, являющиеся источником тепловой энергии и сырьем для химической, металлургической и других отраслей промышленности.

Особенность минерального сырья – невозобновляемость и неравномерность распределения по поверхности земли и ее недрам.

Минеральные ресурсы – это полезные ископаемые, которые извлекаются из недр земли. Под полезными ископаемыми понимают природные минеральные вещества земной коры, которые могут быть применены в хозяйстве в натуральном виде и после предварительной переработки. Использование минеральных ресурсов в настоящее время постоянно растет, практически используется около 200 видов минерального сырья.

Минеральные ресурсы – это учтенные запасы месторождений полезных ископаемых (рудных и нерудных), отложенные поверхностно и в водах озер, морей (соль, россыпи), используемые народным хозяйством.

Сырье - один из основных элементов, определяющих в значительной степени технологию производства, себестоимость и качество продукта.

Сырьем называют природные материалы, используемые в производстве промышленных продуктов. Исходными веществами для производства промышленных продуктов кроме сырья являются полупродукты и вторичное сырье.

Рудным минеральным сырьем называют горные породы или минеральные агрегаты, содержащие металлы, которые могут быть экономично выгодно извлечены в чистом виде. Месторождения руд делят на коренные(монолитные горные породы) и рассыпные(продукты распада или разрушения горных пород).

Признаки для классификации:

• число содержащихся в них металлов

• химический состав минерала

• химический состав пустой породы.

По числу содержащихся металлов руды бывают:

• монометаллические (только один металл целесообразен для извлечения) - хромовые, железные, зо­лотосодержащие и т. д.;

• биметаллические (оба металла доступны для извлечения) - медно-молибденовые, свинцово-цинковые;

• полиметаллические (извлекается свыше двух металлов) - алтайские колчеданные руды, содержащие свинец, цинк, медь, серебро и другие, саксонские руды, содержащие кобальт, никель, серебро, висмут, уран и т.д.

Месторождения руд делят на два типа: коренные (первичные, а виде монолитных горных пород, рудных массивов) и рассыпные (продукты распада и разрушения коренных горных пород). Вторые хуже качеством, более рыхлые, мелкие, пылеватые.

По назначению руды подразделяются: руды черных, цветных и редких металлов.

10. Промышленные материалы, используемые в базовых отраслях промышленности, в частности в машиностроении. Области применения и методы испытаний высокопрочных легированных сталей.

1. Конструкционные, сталь-сплавы

2. Цв.Ме и сплавы

3. Ti, Mg и их сплавы

4. Продукты порошковой металлургии

5. Неметаллические материалы

6. Газы и технологические жидкости

11. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами.

12. Неразрушающие или физические методы контроля. Области контроля, которые включают методы контроля без разрушения. Области использования физических методов контроля.

МК – метод контроля.

МНК – метод неразрушающего контроля

Методы контроля без разрушения или повреждения контролируемого объекта включают все методы измерения свойств и характеристик материала, деталей или изделий, кот. не ухудшают их эксплуатационную надежность. К таким методам относятся не только физические методы контроля, но и химические, биологические, дающие возможность получать ту или иную информацию об изделиях или их деталях без разрушения или повреждения.

Методы контроля без разрушения или повреждения контролируемого объекта вкл.:

- внешний осмотр невооруженным глазом или с помощью оптических приборов

- испытания агрегатов машин и машин в целом на стендах (напр., диагностика автомобилей)

- контроль качества поверхности

- контроль формы и геометрических параметров деталей, узлов и изделий в целом путем обмера (ИГВ - измерение геометр. величин)

- определение толщины металлических и неметаллических листов, труб, тонкостенных деталей, толщины металлических и неметаллических покрытий физическими методами контроля

- выявление несплошности матер-ла деталей и узлов (трещин, раковин, неметаллич. включений)

- определение структуры металла, его твердости, прочности, электропроводности, коэрцитивной силы, ферромагнитных свойств, правильности выполнения процесса термической обработки сплавов с помощью физических МК

Под НМК понимаются физические МК, включающие методы обнаружения или измерения основных свойств или рабочих характер-к матер-лов, полуфабрикатов, деталей, узлов с целью установления их пригодности для определенных целей с помощью испытаний, не уменьшающих их пригодности к применению. Большинство НМК предназначено для определения качества или некоторых эксплуатационных характеристик контролируемого изделия (детали). С помощью НМК дефекты, как правило, выявляются косвенным путем.

В МЕСТАХ РАСПОЛОЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ИЗМЕНЯЮТСЯ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ ДЕТАЛЕЙ. Таким обр., с помощью НМК выявляются зоны аномалий физических свойств, обусловленные дефектом детали. ВЫЯВЛЕНИЕ АНОМАЛИЙ НЕ ВСЕГДА ПОЗВОЛЯЕТ ВЫЯВИТЬ ТИП ДЕФЕКТА. Для этого необходимо использовать одновременно несколько видов неразрушающего контроля.

Выявление дефектов с помощью исследования изменений физических характер-к является физ. основой НМК. Изменение характеристики не оказывает влияния на эксплуатационные характеристики. Напр., при использовании магнитных МК для выявления дефекта типа несплошности матер-ла определяется наличие или отсутствие магнитных полей рассеивания. При этом магнитные поля рассеивания не оказывают влияния на срок службы детали, а неслошности, выявляемые при этом, оказывают весьма существенное влияние.

Большинство НМК позволяет помимо исследования наружной поверхности определять нарушения слошности, скрытые во внутренних областях. Это способствовало расширению применения их в промышленности. С помощью НМК выявляются дефекты, возникающие в процессе производства, ремонта или эксплуатации изделий. Чаще всего эти методы используются для выявления несплошности материла полуфабриката и детали (раковин, трещин различного происхождения, неметаллических включений в металлах и металлических в неметаллах).

НМК позволяют проводить сортировку металлов по маркам, выявлять отклонения хим. состава, определять качество термической обработки, измерять толщину слоя цементации, поверхностной закалки, глубину наклепанного слоя, выявлять зону структурной неоднородности, определять электропроводность и коэрцитивную силу.

Указанные свойства могут определяться абсолютно, относительно и дифференциально.

Не существует универсальных МК.

Напр., магнитными МК можно выявить поверхностные и подповерхностные дефекты на глубину в несколько мм в ферромагнитных матер-лах. Магнитный метод применяется только для ферромагнетиков и имеет весьма небольшую глубину.

БОЛЬШИНСТВО РЕЗУЛЬТАТОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ ПРИ НМК, - КАЧЕСТВЕННЫЕ, А НЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ. Многие из НМК уже получили широкое распространение в промышленности, этому способствовали многие факторы - усложнение конструкций изделий и технологических процессов их изготовления; увеличение действующих напряжений (ввиду увеличения нагрузок на изделие и стремление к уменьшению их массы), частоты действующих нагрузок и мн. др.

Во многих случаях НМК, хотя и являются косвенными, обладают большой чувствительностью, точностью и надежностью, чем даже широко распространенные и более дорогостоящие методы - испытания для определения механич. свойств. НМК оч. эффективны и обладают целым рядом достоинств:

- применение НМК способствует обеспечению долговечности изделий, а в некот. случаях улучшению конструктивных решений

- благодаря НМК снижаются затраты на произв-во, т.к. дефекты выявляются на ранней стадии изготовления изделия

- НМК м. использовать на любом машиностроит. предприятии, необходимо уметь не только правильно выбрать МК и методику его примен-я, но и правильно объяснить полученный рез-т, в противном случае эфективность МК снижается

- в наст. время широкое распростр-е получили многие МНК - капиллярные, магн., эл-магн., аккустич., рентгено- и гамма-контроль. В меньшей степени - эл. сопротивл-е, термоэлектрич., трибоэлектрич. В посл. годы внедряются методы: термография (тепловой метод), радиоволновый, нейтронная радиография, метод аккустич. эмиссии.

Осн. недостатки НМК:

кроме выявления дефекта и его характера следует оценить степень его влияния на надежность и долговечность изделия. При НМК нельзя получить данные о влиянии разл. дефектов на надежность и долговечность изделий. Такого рода данные м.б. получены только с помощью разрушающих МК

Физ. (НМК) использ-ся для:

- дефектоскопии - обнаружения несплошности материалов. Несплошность - граница разрыва физ. свойств.

- структуроскопии - исследования структуры матер-лов

- толщинометрии - измерения толщины стенок и покрытий

- интроскопии - изучения внутр. строения объектов, т.е. контроль объектов на уровне кристаллич. решетки

Неразрушающий контроль — это контроль качества продукции без нарушения ее целостности.

1. Магнитный.

2. Электрический.

3. Вихретоковый.

4. Радиоволновый.

5. Тепловой.

6. Оптический.

7. Радиационный.

8. Акустический.

9. Проникающими веществами.

Магнитный вид НК основан на анализе взаимодействия магнитного поля с контролируемым объектом. Его, как правило, применяют для контроля объектов из ферромагнитных материалов

Электрический вид НК основан на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с контролируемым объектом (собственно электрический метод), или поля, возникающего в контролируемом объекте в результате внешнего воздействия (термоэлектрический, трибоэлектрический методы).

Вихретоковый вид НК основан на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в контролируемом объекте. Он применяется только для контроля изделий из электропроводящих материалов.

Радиоволновый вид НК основан на регистрации изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с контролируемым объектом.

Тепловой вид НК основан на регистрации изменений тепловых или температурных полей контролируемых объектов, вызванных дефектами. Он применяется для контроля любых объектов из любых материалов

Оптический вид НК основан на регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с контролируемым объектом. По характеру взаимодействия различают методы прошедшего, отраженного, рассеянного и индуцированного излучения.

Радиационный вид НК основан на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом.

Акустический вид НК основан на регистрации параметров упругих волн, возбуждаемых и возникающих в контролируемом объекте.

Этот вид контроля применим ко всем материалам, достаточно хорошо проводящим акустические волны: металлы, пластмассы, бетон, керамика и др

Неразрушающий контроль проникающими веществами основан на проникновении пробных веществ в полости дефектов контролируемого объекта.

13. Определение композиционного материала: Матрица и армирующий элемент. Механическое поведение композиции. Свойства композиции. Сравнительный анализ механических свойств легированной стали и композиционных материалов.

Композицио́нный материа́л (КМ), компози́т — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Матрица – это компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала. Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает армирующие элементы (наполнители, арматуру) от механических повреждений и других воздействий среды.

Армирующие элементы - компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала. Армирующие или упрочняющие компоненты (наполнитель) равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу.

Рисунок - Композиционный материал. Оранжевым цветом выделены армирующие компоненты.

Свойства КМ зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности свези между ними. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений.

Механическое поведение композиции определяется отношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связей между ними. Характеристики создаваемого изделия, как и его свойства, зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения.

(В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется композиция обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и включающий новый свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композитах, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения).

Таким образом композиционные материалы (композиты) (от лат. compositio – составление) - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя (армирующие элементы) и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.

14. Состояние российской электронной промышленности.

Современный этап развития российской электронной промышленности принято отсчитывать с 2005 года. Самый первый – "советский" период зарождения, становления и существования, закончившийся в 1990 году, характеризуется использованием для гражданских и военных приложений исключительно отечественной полупроводниковой элементной базы, от простых компонентов до сложнейших полупроводниковых микросхем и сверхбольших интегральных схем (СБИС). Ориентированность на госзаказ, преимущество военных заказов перед гражданскими, и, как следствие, отсутствие конкуренции, всё это, без сомнения, привело к тому что заявка на лидерство СССР в области производства электроники со временем сошла на нет, даже несмотря на могучий потенциал учёных и разработчиков.

Период с 1990 по 2005 год ничем иным как попыткой выжить на развалинах назвать нельзя. Ранние надежды на объединение научного потенциала страны с развитыми производственными технологиями Запада оказались тщетны. Пока мировые лидеры полупроводниковой отрасли - США, Япония, ЕС, Тайвань и Южная Корея, лишь набирали темпы, доля России сократилась до мизерных 0,23% мирового рынка полупроводников.

Технологический разрыв с ведущими производствами за эти 15 лет вырос до 4 технологических поколений, то есть, к уже имевшемуся отставанию добавились минимум 15-18 лет. Применение завозных компонентов в российской промышленности выросло к 2005 году до 95%. Самое во всей этой истории неприглядное, что доля зарубежных компонентов для российских армейских нужд к 2005 перевалила за 65%, а доля импортных процессоров 90%, и это для рынка военных и спецприложений, составившего к 2005 году 7,5 млрд рублей!

На рынке гражданских приложений соотношение импортных и отечественных процессоров и вовсе составило 96% и 4%. К этому времени в стране уцелело лишь несколько десятков центров, занимавшихся разработкой, и только два предприятия – Микрон и Ангстрем, способных выпускать, главным образом, продукцию с соблюдением норм техпроцесса от 0,25 мкм и грубее. Внедрение оборудования с нормами порядка 0,18 мкм (например, предприятием "Микрон" ) и по сей день является редким событием. И это в то время как мировые полупроводниковые компании массово осваивают 32-нм техпроцесс и успешно экспериментируют с 22-нм нормами.

Почему случилось именно так, а не иначе?

Прежде всего надо отметить тот факт, что в современном мире, где безубыточны (и то не всегда) лишь полупроводниковые производства с миллионными партиями изделий, российское производство попросту не выдержало конкуренции. Гибкость и скорость перепрофилирования линии на выпуск новой продукции, контроль выходного качества, готовность к выпуску любых тиражей продукции – всё это не о российском производстве, достаточно закрытом и традиционно ориентированном лишь на малые тиражи военно-космической электроники.

Второй немаловажный вопрос – кадровый. В то время как разработчики всего мира ездят учиться в лучшие учебные заведения, встречаются на различных форумах, обмениваются информацией и от того более успешно конкурируют, оснащение российских вузов зачастую оставляет желать лучшего, да и выпускники, несмотря на высокий профессиональный уровень, не всегда готовы для общения на английском языке даже в профильных рамках. Со временем влияние этого негативного фактора, конечно же, уменьшается, но пока что он в силе.

Третий вопрос – научный потенциал.

Наконец, один из главнейших вопросов – миллиардные инвестиции, без которых немыслимо развёртывание современного производства.

В деле развития современного производства очень важна поддержка отечественного производителя на уровне правительства и законодательства. Именно правительства многих стран являются мощнейшими лоббистами интересов своих производителей за рубежом, именно законодатели стараются убрать любые таможенные и налоговые препоны для получения инвестиций, роста занятости в IT-сфере, сертификации и сбыта готовой продукции. И в этом плане ситуация в России, увы, достаточно долго оставалась в плачевном состоянии. Даже крупные иностранные компании, с удовольствием привлекая местные кадры для работы в своих российских научно-исследовательских филиалах, стараются переносить сюда лишь производства сборочного цикла.

15. Металлургический комплекс. Основные черты современного развития черной металлургии России.

Металлургический комплекс — совокупность отраслей, производящих разнообразные металлы. Она включает добычу, обогащение руды, выплавку металлов, производство проката, а также переработку вторичного сырья. Отрасль делится на черную металлургию — выплавка стали, чугуна и ферросплавов. И цветную, которая включает — производство лёгких металлов — алюминий, магний, титан. И тяжёлых металлов — медь, никель, олово, свинец.

На размещение металлургических комбинатов большое влияние оказывают: особенности используемого сырья (руды); применяемый для получения металла вид энергии; география сырьевых и энергетических источников.

Металлургические комбинаты выгоднее всего создавать у сырьевых (Урал) или энергетических (Кузбасс, Восточная Сибирь) баз, а иногда между ними. При размещении учитываются также обеспеченность производства водой, транспортными путями, экологический фактор. Предприятия, связанные с заключительной стадией металлургии (обработкой металлов), чаще всего размещаются у потребителя. Из-за рассмотренных факторов металлургические предприятия размещаются по территории страны неравномерно, а сгустками, получившими название основные металлургические базы. На территории нашей страны выделяют три металлургические базы: Центральная, Уральская, Сибирская.

Центральная. Сравнительно молодая база, создается на железных рудах КМА(Курская магнитная аномалия), Кольского полуострова и Карелии. Основные центры — Череповец, Липецк, Старый Оскол. Это район интенсивного развития чёрной металлургии, где сосредоточены крупнейшие запасы железных руд. Эта база производит 37% металла.

Уральская. Здесь производится почти 1/2 чугуна, стали и проката России. В качестве сырья используются привозной уголь (из Кузбасса и Караганды) и руда из Казахстана, КМА и Магнитогорска. Большая часть металла выплавляется на предприятиях-гигантах в Магнитогорске. Нижнем Тагиле, Челябинске, Новотроицке.

Металлургическая база Сибири и Дальнего Востока пока еще находится в стадии формирования. Современные комбинаты полного цикла действуют в Новокузнецке, Новосибирске, Гурьевске, Красноярске, Комсомольске-на-Амуре. Железные руды поступают из Горной Шорни, Хакасии, Ангаро-Илинского бассейна. Используются угли Кузбасса и Южно-Якутского бассейна.

В связи с созданием Череповецкого комбината полного цикла начала формироваться Северная металлургическая база.

Что касается цветной металлургии ...

Цветная металлургия включает добычу, обогащение и металлургический передел руд цветных, благородных и редких металлов. В состав отрасли входят свинцово-цинковая, титаново-магниевая, вольфрамо-молибденовая промышленность и производство благородных и редких металлов.

Цветные металлы подразделяются по физическим свойствам и назначению на тяжелые (медь (Си), олово (Sn), свинец (РЬ), цинк (Zn), никель (Ni)), легкие (алюминий (А1), титан (Ti), магний (Мд) .драгоценные (золото (Аи), серебро (Ад), платина (Ft) и редкие (цирконий (Zr), индий (In), вольфрам (W), молибден (Мо) и др.

Цветная металлургия — очень материалоемкое производство, так как содержание цвет-ных металлов в руде крайне низкое, поэтому предприятия цветной металлургии ориентированы главным образом на сырьевые базы.

Руды цветных металлов обычно многокомпонентны, поэтому велико значение комплексного использования сырья. Важным фактором в размещении предприятий по выплавке цветных металлов является энергетический, так как это энергоемкое производство. Но производство легких цветных металлов требует большого количества энергии.

Алюминиевая промышленность. Развивается на основе собственного (месторождения на Урале, в Северо-Западном районе, в Сибири) и импортного сырья. Почти все заводы более или менее удалены от сырья, но находятся или вблизи ГЭС, или крупных ТЭС.

Более 3/4 выпуска алюминия приходится ныне на долю четырех крупных алюминиевых заводов; Братского, Красноярского, Саянского и Новокуэнецкого. Первые два из них — крупнейшие в мире.

По производству алюминия наша страна находится в группе мировых лидеров, но до 80% произведенного в России алюминия ныне экспортируется.

Медная промышленность. Основные базы медной промышленности нашей страны находятся на Урале (Гайское, Красноуральское, Ревдинское, Сибайское месторождения). Здесь расположены, в основном, передельные предприятия. Производство рафинированной меди находится как в Уральском районе, так и в Центре (Москва, Санкт-Петербург).

Свинцово-цинковая промышленность. В основном тяготеет к районам добычи полиметаллических руд (Кузбасс, Забайкалье, Северный Кавказ, Приморье).

Никелевая промышленность. Развивается в Северном экономическом районе на базе месторождений Кольского полуострова и медно-никелевых концентратов Норильска, на Урале — на местном и привозном сырье, в Восточной Сибири — на медно-никелевых рудах Таймырского автономного округа.

Черная металлургия характеризуется чертами современного развития:

1. Снижение после перехода в 1991 году к рыночной экономике объемов производства, произошел спад производства в связи с общей кризисной ситуацией. Последние годы наблюдается некоторая стабилизация, например, добыча железной руды составляет около 70 млн. тонн, а производства кокса 25 млн. тонн (кокс – это уголь высокого качества).

2. Изменение технологической структуры производства. Россия заметно отстала за последнее время от США и Японии в перестройки технологической структуры. В Японии из выплавки стали приходится на кислородно-конвертерную и на электросталь, а мартеновский способ давно прекратил свое существование. Между тем, в России он до сих пор господствует, давая более 50% стали. А электросталь составляет только 15% ее суммарного производства.

3. Осуществление реконструкций предприятий. В настоящее время действующие мощности изношены на 50-60%. Эта задача решается: проведена замена оборудования в Магнитогорске, Липецке и на разных комбинатах.

4. Необходимость укрепления сырьевой базы.

5. Достаточно высокая степень концентрации производства, по этому показателю Россия опережает многие промышленные развитые страны (США)

6. Хорошо развитое производственное комбинирование. Большая выгода за счет комбинирования металлургического передела с коксованием угля.

Характерные черты отрасли (черной металлургии) – массовость и высокий уровень концентрации, четкая территориальная организация.

Особенности черной металлургии в России

С точки зрения сырья металлургия относится к добывающим отраслям, так как одной из основных подотраслей является горно-рудная промышленность, обеспечивающая добычу железной руды, и ее подготовку к извлечению металлов и нерудных материалов.

С точки зрения продукции металлургия относится к отраслям, занятым выпуском промежуточной продукции, входящим в состав комплекса конструкционных материалов. Процесс переработки руд и других металлосодержащих материалов в конечную металлопродукцию обеспечивается широким спектром методов плавления и литья, термохимических технологий, методов пластической деформации (обработка и давление), механической обработки, соединение металлов и материалов.

Применяемая технология определяет металлургию как материалоемкую и энергоемкую отрасль. По масштабам инвестиционных затрат для организации производства металлургия характеризуется как капиталоемкая отрасль.

16. Порошковая металлургия. Технология и основные достоинства порошковой металлургии

Порошковой металлургией называется отрасль техники, занимающаяся получением металлических порошков и изготовлением из них полуфабрикатов или готовых изделий.

По мере развития техники получения металлических порошков, особенно тугоплавких материалов их производство включалось в систему предприятий цветной и черной металлургии. По существу, технология производства металлических порошков цветных металлов представляет собой один из метолов получения металлов из руд путем сложной химико-металлургической переработки.

В настоящее время ряд металлов в чистом виде может быть получен только в виде порошка. К ним относятся: железо, никель, медь, титан, вольфрам, молибден, хром и другие. В технике чистые металлы применяются в виде стержней, прутков, полосок, из которых делаются детали (например, для электровакуумных приборов). Поэтому порошок чистого металла должен быть превращен в указанные профили. Этим и занимается порошковая металлургия.

Полученный порошок сначала подготавливается (смешивается с другими порошками), а затем прессуется в специальных пресс-формах гидравлическими или механическими прессами. В пресс-форме порошок принимает форму детали, которая оказывается достаточно прочной , чтобы ее можно было удалить из пресс-формы и транспортировать. Прочность прессовки повышается спеканием (то есть нагрев детали до температуры выше порога рекристаллизации, но не ниже температуры плавления металла).

17. Физические основы электронно-лучевых технологий. Электронная пушка. Направления развития электронно-лучевых установок. Схемы электронно-лучевой обработки.

Исследование электронно-ионных процессов неоднократно приводило к побочным разработкам, становившимся основой для разнообразных технологич. процессов. Возможность воздействия на матер-лы с помощью потоков заряженных частиц и излучений нашли в использовании в машиностроении, металлургии, медицине и т.п.

Появл-е нов. классов радио-электронных устройств вызвало в жизни прогрессивные технологии, многие из кот. коренным образом изменили представление о возможностях создания и обработки материалов, изготовления деталей и установок.

Явление электронно-лучевого нагрева было обнаружено при исследовании газоразрядных приборов и ист. рентгеновских лучей. В этих исследованиях было установлено, что платиновые аноды газоразрядные трубки и рентгеновские трубки нагревались до высоких температур и расплавлялись.

Принцип действия рентгеновской трубки:

Рис. 26 Рентгеновская трубка

Рентгеновские лучи возникают при взаимодействии быстро движущихся электронов с веществом. Рез-т этого взаимод-я - тормозное рентг. излуч-е. Больш. часть особождающейся при этом энергии переходит в тепло, и лишь незначит. ее часть (ок. 1%) идет на образов-е квантов рентг. лучей. Энергия образующихся квантов м. иметь знач-е от 0 до полной кинетич. энергии движущихся со скоростью v электронов. Образуется непрерывн. спектр длин волн рентг. лучей - тормозное излуч-е. В дефектоскопии использ-ся оно. Источник рентг. лучей - рентг. трубки и бетатроны.

Трубки представлены наиболее широко. Они - стеклянный корпус с вмонтированными в него электродами. В стекл. корпусе вакуум порядка 10 в -7 степени мм ртутного столба. Катод трубки - спираль, помещенная в фокусирующее устройство. Анод трубки - в виде диска из вольфрама, он принудительно охлаждается маслом или водой. Накал катода трубки осущ-ся от низковольтного ист. тока - трансформатора, через реостат. При нагреве нить накала в силу явления термоэлектронной эмиссии станов-ся ист. электронов. Приложенное к электродам трубки выс. напряж-е создает между кат. и ан. электрич. поле, электроны ускоряются по направлению к аноду и удар-ся в него с больш. скоростью. В рез-те возникает тормозное рентг. излуч-е.

Кинетич. энергия электрона, ударяющегося в катод трубки со скоростью v, равна 1/2 mv^2, где m - масса электрона.

Работа, совершенная эл. полем по ускорению электрона до скорости v под действием приложенной к трубке разности потенциалов U, равна eU, где е - заряд эл-на: 1/2mv^2=eU

Зак. сохранения энергии в рентг. трубке: eU=1/2mv^2=hv+Q

В рентг. трубке 1% электрич. энергии преобразуется в рентг. излуч-е, а 99% ее - расходуется на нагрев анода. Несмотря на малый КПД рентг.трубки, рентг. излуч-е широко используется для неразруш. физ. контроля в совр. машиностроении и электронной промышл-сти и алтернативы ему пока не создано.

На основе эффекта нагрева анода создана промышл. технология обраб-ки металлов и сплавов.

Сущность процесса эл-лучевого воздействия сост. в том, что кинетич. энергия сформированного в вакууме тем или иным способом электронного пучка (импульсного или непрерывного) превращается в тепловую в зоне обраб-ки (под зоной обраб-ки - понимаем анод).

Поскольку диапазоны мощности и концентрации энергии в луче велики, то практически возможно получение всех видов термич. воздействия на материалы: нагрев до заданных температур, плавление и испарение с оч. большими скоростями.

В наст. вр. во всем мире ни одна отрасль промышл-сти, связанная с получением соединений и обраб-кой материалов не обходится без эл-лучевого нагрева. Это объясняется преимуществами метода:

а) возм-сть концентрации энергии от 10 в 3 до 5*10 в 8 Ватт*см2, т.е. во всем диапазоне термич. воздействия, ведения процесса в вакууме (оюеспечив-ся чистота обрабатываемого материала),

б) возм-сть полной автоматизации процессов.

ЭЛ технология - 3 направления:

1) плавки и испарение в вакууме

2) сварка

3) прецезионная обработка

При плавке и испарении в вакууме для нанесения пленок и покрытий использ-ся мощные ЭЛ печи при ускоряющем напряжении 20-30 киловольт. Концентрация энергии здесь невелика - не более 10в5 Ватт*см2.

В посл. 30 лет сформировалась электронно- и ионно-луч. технология обраб-ки матер-лов. В этой нов. области эл. и ионные пучки непосредств. использ-ся для осуществл-я технологич. процессов. Возможное применение этих двух технологий простир-ся от получ-я субмикроскопич. структур в микроэлектронике до выплавки крупных слитков в металлургии. Общим для этих установок - использ-е эл. и ионных пучков.

Приблизит-но в 1965 г. ЭЛ плавка, сварка, напыление и обраб-ка поверхностей б. внедрены в промышл. произв-во.

Технология ЭЛ обраб-ки конструкционных материалов: при осущ-ии всех ЭЛ процессов эл. пучок использ. в кач-ве энергоносителя, кот. воздействует на обрабатываемый матер-л. Пучок генерируется в электронной пушке и через выходное отверстие выводится в технологич. вакуумную камеру. В ней размещены или в нее вводятся объекты ЭЛ процесса - заготовки или материалы.

Электронная пушка — устройство, с помощью которого получают пучок электронов с заданной кинетической энергией и заданной конфигурации.

Рис.27. Электронная пушка. 1 – катод, 2 – управляющий электрод, 3 – первый анод, 4 – второй анод.

При встрече эл. пучка с вещ-вом кинетич. энергия эл-нов пучка, взаимодействующих с атомами вещ-ва в рез-те ряда элементарных процессов, превращ-ся в др. формы энергии. При сварке, плавке, испарении и термич. обраб-ке использ-ся возникающая при этом тепловая энергия. При нетермич. обраб-ке и др. процессах химич. ЭЛ технологии столкновение эл-нов пучка с атомами и молекулами возбужд. и ионизирует последние, вызывая хим. реакции между ними.

Эти эффекты возд-я эл. пучка на вещ-во и определяют области развития ЭЛ технологии.

Развитие ЭЛ установок идет по 2м направл-ям:

1) установки, в кот. анодом служит обрабатываемый металл, с помощью кот. была определена темпер-ра плавления вольфрама. Применение пластинчато-ротерного и ртутно-вращательного вакуумного насосов понижает давление в технологич. камере, улучшив очистку металла.

2) ЭЛ установки, в кот. нагрваемый материал не явл-ся анодом, но подвергается электронной бомбардировке, поскольку помещается на пути луча. Ист. эл-нов явл-ся эл. пушка.

Электронно-лучевая обработка материалов:

Испарение материалов - Испарение (точнее, испарительное осаждение) в вакууме является важным способом получения тонких пленок.

Использование электронных пучков в процессах, связанных с испарением материалов, обусловлено особенностями распределения потоков энергии при нагреве этого материала. При электронно-лучевом испарении испаряемая поверхность непосредственно нагревается бомбардирующими ее электронами. Такой способ подвода энергии дает электронно-лучевому испарению ряд преимуществ по сравнению с традиционными.

Другим стимулом внедрения электронно-лучевого испарения является возможность, управляя электронным пучком во времени и пространстве, управлять тем самым и потоком энергии в испаряемое вещество и воздействовать на скорость испарения и распределение плотности потоков пара.

Электронно-лучевая плавка металлов - Электронно-лучевая плавка является весьма удобным способом получения слитков тугоплавких и химически высокоактивных металлов. Здесь используются такие особенности электронно-лучевой плавки, как высокая удельная поверхностная мощность в рабочем пятне пучка и наличие вакуума, препятствующего поглощению газов в ходе плавки. Областью применения электронно-лучевого переплава является производство особо чистых сталей и выплавка слитков и фасонных отливок из химически активных и тугоплавких металлов.

Электронно-лучевая сварка - При электронно-лучевой сварке кинетическая энергия электронов пучка используется для того, чтобы расплавить жестко ограниченные участки примыкающих друг к другу деталей с тем, чтобы расплав, застывая, соединил детали. Положительной стороной электронно-лучевого способа сварки является возможность создания относительно высокой удельной поверхностной мощности в пятне пучка при достаточно высоких значениях мощности всего пучка. Ввиду того, что процесс электронно-лучевой сварки ведется в вакууме, этим способом можно сваривать детали из химически активных металлов.

Лазерная обработка материалов. - Основным источником энергии, обеспечивающим процесс обработки, является оптический квантовый генератор (лазер). Лазерное излучение формируется оптической системой в пучок с определенными пространственными характеристиками и направляется на обрабатываемый объект. При помощи оптической системы могут осуществляться также визуальный контроль положения обрабатываемого объекта относительно луча, наблюдение за ходом процесса обработки и оценка его результата. В лазерной технологической установке имеется также устройство для обеспечения перемещения обрабатываемого объекта в процессе обработки.

Лазерная поверхностная обработка - Улучшение эксплуатационных свойств металлических материалов при различных видах лазерной поверхностной обработки связано с изменением структурного состояния, фазового и химического составов поверхностных слоев. Используя лазерный пучок как концентрированный источник тепла, можно выполнять различные виды локальной термической обработки.

Лазерная резка - Разработка мощных и надежных лазеров на алюминий-иттриевом гранате и СО2, работающих в непрерывном и импульсном режимах, позволила осуществлять технологическую операцию лазерного разделения материалов, которой присущи следующие особенности: обширный диапазон разделяемых материалов; возможность получения узких разрезов и безотходного разделения; малая зона термического влияния; минимальное механическое воздействие, оказываемое на разделяемый материал; возможность автоматизации процесса; возможность резки по заданному профилю; улучшение гигиены производств

Ионно-лучевая обработка материалов - Ионно-лучевая технология - это комплекс способов обработки материалов энергетическими потоками ионов, в результате воздействия которых изменяется форма, физико-химические, механические, электрические и магнитные свойства обрабатываемых изделий. Несмотря на высокую стоимость технологического оборудования и относительную сложность его обслуживания, все больше новейшего оборудования ионно-лучевой технологии появляется в цехах и лабораториях современных производств.

Ионное легирование - Ионное, легирование материалов, или другими словами, ионное внедрение и ионная имплантация. в настоящее время становится основным технологическим процессом из применяемых для модификации электрофизических, химических, оптических, механических и других свойств поверхностных слоев материалов.

Ионно-лучевые методы осаждения покрытий и ионная литография - Тонкие и толстые пленки и покрытия с воспроизводимыми и заранее заданными свойствами можно получать в условиях высокого вакуума осаждением из сепарированных ионных пучков. Этот метод успешно осваивается в настоящее время промышленностью.

Осаждение тонких пленок из сепарированных ионных пучков - самый “чистый” способ, хотя его производительность и невелика. Для микро- и оптоэлектроники, функциональной электроники возможность получения строго контролируемых по составу, практически беспримесных, однородных по структуре тонких пленок открывает новые перспективы создания устройств с уникальными эксплуатационными характеристиками.

ЭЛ обраб-ка осущ-ся в вакууме при наличии спец. оборудов-я: технологич. камеры с вакуумной сис-мой и эл. пушки с высоковольтным ист. питания.

На рис. 28 представлена типовая функциональная схема электронно-лучевой установки. Установка состоит из вакуумной камеры 1, в верхней части которой размещается электронная пушка 2. К пушке с помощью кабеля высокого напряжения подводятся питание от высоковольтного выпрямителя 3. Внутри камеры может также находиться механизм перемещения 5 обрабатываемого изделия 6. Управление всеми агрегатами ведется с пульта управления 4. Вакуум в технологической камере создается с помощью вакуумной системы 7.

Рис. 28 Типовая функциональная схема электронно-лучевой установки.

Вакуум при электронно-лучевой обработке необходим как для создания и формирования электронного пучка, так и для защиты обрабатываемого металла от действия кислорода и азота воздуха, ускорения дегазации металла при плавлении, удаления некоторых вредных примесей и др.

К ЭЛ установкам предъявл-ся ряд общих требований. Рабочая камера д.б. газонепроницаемой и обладать прочностью, достаточной чтобы выдержать атмосферное давление при создании вакуума внутри камеры.

В кач-ве материала камеры лучше всего применять нержавеющую сталь. Толщину стенки камеры выбирают из условий прочности с учетом обеспечения непроницаемости для рентгеновского излучения.

Камера снабжается смотровыми окнами для наблюдения за процессом. Толщина стекла и его кач-во д. обеспечивать прочность, герметичность и защиту от рентг. излучения.

Камера д. иметь люки, обеспечивающие загрузку изделий, подлежащих ЭЛ обраб-ке.

Электронно-лучевые технологические установки состоят из двух основных комплексов: энергетического и электромеханического. К энергетическому комплексу относится аппаратура, предназначенная для формирования пучка электронов с заданными параметрами управления его мощностью и положением в пространстве. Электромеханический комплекс установки предназначен для герметизации и вакуумирования рабочего объема, выполнения всех установочных, транспортных и рабочих перемещений обрабатываемого изделия и электронной пушки.

Электронно-лучевые технологии применяются при:

• электронно-лучевой плавке металлов,

• электронно-лучевой сварке,

• электронно-лучевом испарении материалов

• посредством электронно-лучевой обработки изменяют электрические и оптические свойства материала, воздействуя на кристаллическую решетку вещества.

• электронным лучом высокой энергии вызывают зарядовые эффекты в диэлектрике.

На использовании двух последних явлений основан ряд процессов, применяемых в технологии современной микроэлектроники, - изготовление интегральных микросхем с зарядовой связью, электронная литография, радиационная обработка и др.

18. Конкурентоспособность промышленной продукции. Научные основы выбора конструкционного материала. Методы управления механическими свойствами.

Конкурентосп-сть прод-ции опр-ся на рынке ее потребительскими свойствами и ценой. Потребит. свойства создаются в процессе изготовл-я изделия в зависимости от выбранной технологии и состояния технической среды, а цены определяются стоимостью изготовления и зависят от принятой технологии и связанной с ней производительностью труда.