معالجة الحزمة الإلكترونية

المعالجة بشعاع الإلكترون أو التشعيع الإلكتروني هي عملية تستخدم الإلكترونات ، عادةً ذات الطاقة العالية، لمعالجة جسم ما لأغراض متنوعة. قد تتم هذه العملية في درجات حرارة مرتفعة وفي جو من النيتروجين. تشمل الاستخدامات المحتملة للتشعيع الإلكتروني التعقيم ، وتغيير ألوان الأحجار الكريمة ، وربط البوليمرات .

تتراوح طاقات الإلكترونات عادةً من نطاق الكيلو إلكترون فولت إلى الميغا إلكترون فولت ، وذلك تبعاً لعمق الاختراق المطلوب. تُقاس جرعة الإشعاع عادةً بوحدة غراي، ولكن أيضاً بوحدة ميغاراد ( 1 غراي يعادل 100 راد ).

تتضمن المكونات الأساسية لجهاز معالجة نموذجي باستخدام حزمة الإلكترونات ما يلي: ^{[ 1 ]} مدفع إلكتروني (يتكون من مهبط وشبكة ومصعد)، يُستخدم لتوليد وتسريع الحزمة الأولية؛ ونظام بصري مغناطيسي (للتركيز والانحراف)، يُستخدم للتحكم في كيفية اصطدام حزمة الإلكترونات بالمادة المراد معالجتها (قطعة العمل). أثناء التشغيل، يُصدر المهبط الساخن للمدفع إلكترونات يتم تسريعها وتشكيلها في حزمة متوازية بواسطة هندسة المجال الكهروستاتيكي التي يُحددها تكوين أقطاب المدفع (الشبكة والمصعد). ثم تخرج حزمة الإلكترونات من مجموعة المدفع عبر فتحة خروج في المصعد الأرضي بطاقة تساوي قيمة الجهد العالي السالب (جهد تشغيل المدفع) المُطبق على المهبط. يتيح استخدام الجهد العالي المباشر لإنتاج حزمة إلكترونية عالية الطاقة تحويل الطاقة الكهربائية المُدخلة إلى طاقة الحزمة بكفاءة تزيد عن 95%، مما يجعل معالجة المواد باستخدام حزمة الإلكترونات تقنية عالية الكفاءة في استهلاك الطاقة. بعد خروج الشعاع من المسدس، يمر عبر نظام عدسة كهرومغناطيسية وملف انحراف. تُستخدم العدسة لإنتاج بقعة شعاع مركزة أو غير مركزة على قطعة العمل، بينما يُستخدم ملف الانحراف إما لتثبيت بقعة الشعاع في مكان ثابت أو لتوفير نوع من الحركة التذبذبية.

في البوليمرات، يُمكن استخدام حزمة إلكترونية لإحداث تأثيرات مثل انشطار السلسلة (مما يُقصر سلسلة البوليمر) والتشابك . ينتج عن ذلك تغيير في خصائص البوليمر، بهدف توسيع نطاق تطبيقاته. قد تشمل تأثيرات التشعيع أيضًا تغييرات في التبلور ، بالإضافة إلى البنية المجهرية . عادةً ما تُؤدي عملية التشعيع إلى تدهور البوليمر . يُمكن أحيانًا توصيف البوليمرات المُشععة باستخدام تقنيات مثل DSC ، XRD ، FTIR ، أو SEM . ^{[ 2 ]}

في البوليمرات المشتركة من نوع بولي ( فلوريد الفينيليدين - ثلاثي فلورو الإيثيلين)، يؤدي تشعيع الإلكترونات عالية الطاقة إلى خفض حاجز الطاقة اللازم للانتقال الطوري من الحالة الفيروكهربائية إلى الحالة الباراكهربائية ويقلل من خسائر التخلف الاستقطابي في المادة. ^{[ 3 ]}

تتضمن معالجة المنتجات باستخدام حزمة الإلكترونات تشعيعها (معالجتها) باستخدام مُسرِّع حزمة إلكترونية عالي الطاقة . وتستخدم مُسرِّعات حزمة الإلكترونات تقنية التشغيل والإيقاف، ويشبه تصميمها الشائع تصميم تلفزيون أشعة الكاثود .

تُستخدم معالجة شعاع الإلكترون في الصناعة بشكل أساسي لثلاثة تعديلات على المنتجات:

• الربط المتشابك للمنتجات القائمة على البوليمرات لتحسين الخصائص الميكانيكية والحرارية والكيميائية وغيرها.
• يُستخدم تدهور المواد بشكل شائع في إعادة تدوير المواد،
• تعقيم المنتجات الطبية والصيدلانية. ^{[ 4 ]}

تُعدّ تقنية النانو من أسرع المجالات الجديدة نموًا في العلوم والهندسة. وقد استُخدم الإشعاع كأداة مبكرة في هذا المجال؛ حيث تمّ ترتيب الذرات والأيونات باستخدام حزم الأيونات أو الإلكترونات لسنوات عديدة. وتتعلق التطبيقات الجديدة بتخليق التجمعات النانوية والمركبات النانوية. ^{[ 5 ]}

يؤدي الربط المتشابك للبوليمرات باستخدام معالجة شعاع الإلكترون إلى تحويل المادة البلاستيكية الحرارية إلى مادة متصلبة حراريًا . ^{[ 2 ] [ 6 ]} عند ربط البوليمرات تشابكيًا، تُعاق الحركة الجزيئية بشدة، مما يجعل البوليمر مستقرًا ضد الحرارة. هذا الترابط بين الجزيئات هو أصل جميع فوائد الربط المتشابك، بما في ذلك تحسين الخصائص التالية: ^{[ 7 ]}

• الخصائص الحرارية: مقاومة درجات الحرارة، والتقادم، والتأثيرات الناتجة عن درجات الحرارة المنخفضة، وما إلى ذلك.
• الخصائص الميكانيكية: قوة الشد ، معامل المرونة، مقاومة التآكل، تصنيف الضغط، مقاومة الزحف، إلخ.
• الخصائص الكيميائية: مقاومة التشققات الناتجة عن الإجهاد، إلخ.
• أخرى: خصائص ذاكرة الانكماش الحراري ، معامل درجة حرارة موجب ، إلخ.

التشابك هو ربط الجزيئات الطويلة المتجاورة بشبكات من الروابط الناتجة عن المعالجة الكيميائية أو المعالجة بشعاع الإلكترون. تُؤدي معالجة المواد البلاستيكية الحرارية بشعاع الإلكترون إلى مجموعة من التحسينات، مثل زيادة قوة الشد ومقاومة التآكل، والتشقق الناتج عن الإجهاد، والمذيبات. تُصنع مفاصل الاستبدال، مثل مفاصل الركبة والورك، من البولي إيثيلين المتشابك ذي الوزن الجزيئي العالي جدًا نظرًا لخصائصه الممتازة في مقاومة التآكل، وذلك بفضل الأبحاث المكثفة. ^{[ 8 ]}

تشمل البوليمرات التي يتم ربطها عادةً باستخدام عملية التشعيع بحزمة الإلكترونات: كلوريد البولي فينيل ( PVC )، والبولي يوريثانات الحرارية واللدائن المرنة (TPUs)، وبولي بيوتيلين تيريفثالات (PBT)، والبولي أميدات / النايلون (PA66، PA6 ، PA11، PA12)، وبولي فينيليدين فلورايد ( PVDF )، وبولي ميثيل بنتين (PMP)، والبولي إيثيلين ( LLDPE ، LDPE ، MDPE، HDPE، UHMW PE)، وبوليمرات الإيثيلين المشتركة مثل إيثيلين-فينيل أسيتات (EVA) وإيثيلين رباعي فلورو إيثيلين (ETFE). تستخدم بعض هذه البوليمرات إضافات لتسهيل ربطها بالإشعاع. ^{[ 9 ]}

ومن الأمثلة على الأجزاء المتشابكة بواسطة شعاع الإلكترون موصل مصنوع من البولي أميد، مصمم لتحمل درجات الحرارة العالية اللازمة للحام باستخدام اللحام الخالي من الرصاص المطلوب بموجب مبادرة RoHS. ^{[ 10 ]}

تُستخدم أنابيب البولي إيثيلين المتشابكة، والمعروفة باسم PEX، بشكل شائع كبديل لأنابيب النحاس في خطوط المياه في المباني السكنية الحديثة. تتميز أنابيب PEX بعمر أطول من النحاس، كما أنها تتمتع بخصائص أداء تتفوق على النحاس في نواحٍ عديدة. ^{[ 11 ]}

كما يتم إنتاج الرغوة باستخدام معالجة شعاع الإلكترون لإنتاج منتج عالي الجودة، ذي خلايا دقيقة، وذو مظهر جمالي. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

يمكن معالجة حبيبات الراتنج المستخدمة في إنتاج الرغوة والأجزاء المشكلة حرارياً باستخدام شعاع الإلكترون بجرعة أقل من تلك المستخدمة عند حدوث التشابك والتصلب. ويمكن استخدام هذه الحبيبات، مثل البولي بروبيلين والبولي إيثيلين، لإنتاج رغوات وأجزاء أخرى ذات كثافة أقل، وذلك بفضل زيادة "قوة انصهار" البوليمر. ^{[ 14 ]}

يمكن أيضًا تحقيق تكسير السلاسل أو تحلل البوليمرات من خلال المعالجة بشعاع الإلكترون. إذ يُمكن أن يُؤدي تأثير شعاع الإلكترون إلى تحلل البوليمرات، مما يُؤدي إلى كسر السلاسل وبالتالي تقليل الوزن الجزيئي . وقد استُخدمت تأثيرات تكسير السلاسل التي لوحظت في متعدد رباعي فلورو الإيثيلين (PTFE) لإنتاج مساحيق دقيقة من الخردة أو المواد غير المطابقة للمواصفات. ^{[ 4 ]}

يُعرف انشطار السلسلة بأنه عملية فصل السلاسل الجزيئية لإنتاج الوحدات الجزيئية الفرعية المطلوبة. وتوفر معالجة الحزمة الإلكترونية هذه العملية دون استخدام المواد الكيميائية القاسية التي تُستخدم عادةً لبدء انشطار السلسلة.

ومن الأمثلة على هذه العملية تكسير ألياف السليلوز المستخرجة من الخشب من أجل تقصير الجزيئات، وبالتالي إنتاج مادة خام يمكن استخدامها بعد ذلك لإنتاج المنظفات القابلة للتحلل الحيوي وبدائل الأطعمة الغذائية.

كما تتم معالجة مادة "التفلون" (PTFE) باستخدام شعاع الإلكترون، مما يسمح بطحنها إلى مسحوق ناعم لاستخدامها في الأحبار والطلاءات لصناعة السيارات. ^{[ 15 ]}

تتمتع معالجة الحزم الإلكترونية بالقدرة على كسر سلاسل الحمض النووي في الكائنات الحية، مثل البكتيريا، مما يؤدي إلى موتها وتعقيم البيئة التي تعيش فيها. وقد استُخدمت هذه المعالجة في تعقيم المنتجات الطبية ومواد التعبئة والتغليف المعقمة للأغذية، بالإضافة إلى مكافحة الآفات، أي القضاء على الحشرات الحية من الحبوب والتبغ والمحاصيل الأخرى غير المعالجة. ^{[ 16 ]}

يتميز التعقيم بالإلكترونات بمزايا كبيرة مقارنةً بأساليب التعقيم الأخرى المستخدمة حاليًا. فهذه العملية سريعة وموثوقة ومتوافقة مع معظم المواد، ولا تتطلب أي حجر صحي بعد المعالجة. ^{[ 17 ]} بالنسبة لبعض المواد والمنتجات الحساسة للتأثيرات المؤكسدة، قد تكون مستويات تحمل الإشعاع عند استخدام شعاع الإلكترون أعلى قليلًا من مستويات تحمل الإشعاع عند التعرض لأشعة غاما. ويعود ذلك إلى ارتفاع معدلات الجرعات وقصر مدة التعرض في شعاع الإلكترون، مما ثبت أنه يقلل من التأثيرات المُتلفة للأكسجين. ^{[ 18 ]}