Электронно-лучевая технология получения наноразмерных порошков при атмосферном давлении

Метод основан на получении наночастиц при испарении (распылении) тугоплавких неметаллических материалов пучком электронов, в воздушной атмосфере при нормальном давлении.

Электронный пучок (ЭП) выводится из высокого вакуума в атмосферу через отверстие (2 мм) выпускной диафрагмы (рис.1а), проходя три ступени повышения давления.

ЭП вводится в испарительную камеру (рис.1б), где происходит локальное расплавление или распыление испаряемого (распыляемого) материала.

Весь комплекс (рис.1в) включает источник ЭП в составе ускорителя с системой вывода ЭП, испарительную камеру, системой удаления испаренного вещества воздушным потоком из зоны испарения, системы коагуляции первичных частиц в агломераты для их сепарации циклотроном и сбора полученого порошка.

Первичные частицы порошка диоксида кремния, полученные по электронно-лучевой технологии испарением кварца при атмосферном давлении, имеют размеры 30-200 нм, рентгено-аморфную структуру и сферическую форму (рис.1г). При получении порошков по электронно-лучевой технологии обнаружено уменьшение содержания примесей по сравнению с исходным материалом.

а б в г

Рис.1. Получение нанопорошка оксида кремния. а - пучок электронов Е=1,4 МэВ в воздушной атмосфере, б – схема испарительной камеры с введением ЭП во взаимодействие с испаряемым (распыляемым) веществом (кварцевый песок), в – комплекс, включающий блок испарения, блок конденсации и коагуляции, блок сбора нанопорошка, г – сферические первичные частицы SiO2, полученные при испарении.

Расчетная производительность при номинальной мощности ускорителя 100 кВт, энергии 1,4 МэВ и плотности мощности ЭП от 10³ до 10⁵ кВт/см² должна достичь 20 кг/ч. Затраты энергии на испарение диоксида кремния составляют 12,5 кВтч/кг при мощности ускорителя 50 кВт. На испарение уходит 45% мощности ЭП. Основная доля кинетической энергии ЭП идет на нагрев вещества. Потери энергии ЭП в воздухе (~3% при 20 см длины ЭП), радиационные потери (~2%), потери на отраженные электроны ~ 10% при отсутствии наведенной радиоактивности. Проникновение ЭП (1,4 МэВ) возможно до нескольких миллиметров в зависимости от вещества.