Пристрій генерування електронного променя

 

Винахід відноситься до пристрою генерування електронного променя. Зокрема, з допомогою пропонованого винаходом пристрою може створюватися «тонкий» електронний промінь з маленьким діаметром у фокусі і високою щільністю потужності і використовуватися для впливу на заданому місці технологічного процесу всередині вакуумної камери, при цьому генератор випромінювання і його модулі живлення відрізняються компактною конструкцією, зручністю технічного обслуговування і відносно низькою вартістю виготовлення. Характерними технологічними областями застосування пропонованого винаходом генератора випромінювання є покриття субстратів функціональними шарами (такими як, наприклад, шари для захисту від корозії, декор, дифузійні бар'єри, екранування для електромагнітної сумісності, теплоізоляція і так далі) шляхом фізичного осадження з газової фази (PVD), очищення і облагороджування металів, переплавкою у вакуумі, а також нероз'ємне з'єднання конструктивних елементів за допомогою зварювання плавленням.

Рівень техніки

Обробка заготовок і продуктів допомогою декоративних або функціональних тонкоплівкових систем є важливою областю застосування техноло різноманітні, екологічні та економічні способи фізичного осадження з газової фази (PVD), при яких матеріал покриття в вакуумі спочатку випаровується, а потім, іноді навіть при додаванні реактивних газів, контрольованим чином конденсується на відповідних субстратах у вигляді плівки. Важливими критеріями вибору належного способу нанесення покриття серед різних наявних у розпорядженні технологій, поряд із досягається морфологією, чистотою і адгезією підлягає осадження шару, є перш за все також швидкість наростання, а також необхідні капіталовкладення і експлуатаційні витрати на випарник, так як від цих параметрів вирішальним чином залежить економічність технологічного процесу.

Джерела електронного променя різної конструкції застосовуються протягом багатьох десятиліть для здійснення промислових високошвидкісних способів PVD. Електронно-променеві випарники дозволяють отримати максимально досяжні в промисловості швидкості нанесення покриттів одночасно при чудовою рівномірності і чистоті осаждаемого шару, навіть для реактивних, феромагнітних і тугоплавких матеріалів шару. Ці характеристики є результатом високої щільності потоку потужність�про нагріву поверхні, утворює пар, завдяки чому тиглі, необхідні для зберігання матеріалу покриття, можуть охолоджуватися і при цьому не викликати забруднень покриття.

В якості джерел електронів для промислових процесів PVD в даний час застосовуються виключно нагріваються до високої робочої температури катоди, у яких генерування вільних електронів заснована на термоелектричному ефекті (GB 1 041 282 A). Принцип дії цих електродів, що позначаються також «термоэлектронними катодами», призводить до того, що традиційні випромінювачі електронів виконані конструктивно складно і з точки зору джерел їх електроживлення щодо затратно, і при цьому певні варіанти здійснення винаходу можуть покривати лише дуже обмежену сферу технологічного застосування.

Широко поширеним джерелом пари для електронно-променевого випаровування (позначуваного також «EB-PVD», Electron beam physical vapor deposition, електронно-променеве фізична парофазное осадження) є, наприклад, так звані поперечні електронно-променеві джерела (звані також «transverse EB guns», поперечні електронно-променеві гармати), у яких генерування променя, магнітне відхилення променя на 270° і тигель з і� відносно недорогими, однак їх максимальна потужність випромінювання (приблизно 20 кВт), а також прискорює напруга (приблизно 20 кВ) і разом з тим також генерується швидкість випаровування обмежені. Крім того, власний джерело випромінювання (катод з нагрівальним пристроєм) знаходиться на рівні тиску камери для нанесення покриття і піддається безпосередньому впливу знаходяться в ній парів і газів.

Внаслідок цього значення тиску в камері для нанесення покриття повинні залишатися низькими за рахунок вибору відповідно великих розмірів вакуумних насосів, щоб уникнути нестабільності при експлуатації джерела електронів. При високошвидкісному осадженні діелектричних сполук, при якому здійснюють реактивне управління процесом для забезпечення задовольняє вимогам стехіометрії, тобто установку щодо високого парціального тиску (приблизно від 0,1 Па до 1,0 Па) реактивних газів всередині вакуумної камери, «поперечні електронно-променеві гармати», незважаючи на численні конструктивні або схемотехнічні удосконалення, не змогли зарекомендувати себе зокрема, за їх неприйнятно високою даних технологічних умовах схильності про�чаються так звані осьові джерела електронного променя («axial EB guns» - осьові електронно-променеві гармати), які призначаються для здійснення способу випаровування з потужності випромінювання до 300 кВт і прискорюють напругою до 60 кВ (для особливих випадків застосування навіть до 75 кВ). Катодну камеру подібних генераторів випромінювання відокремлюють від технологічної камери за допомогою діафрагм з невеликим, найчастіше круглим отвором для проходу променя, які з точки зору вакуумної технології виконують функцію опорів потоку, і вакуумируют окремо з допомогою додаткових високовакуумних насосів (у сучасних варіантах здійснення - за допомогою турбомолекулярних насосів). Тим самим процес випаровування також може здійснюватися при ще більш високих тисках і, зокрема, навіть з високою часткою реактивних газів в камері для нанесення покриття. Крім того, при цьому досягаються більш високі швидкості нанесення покриттів без втрати стабільності. Однак, такого роду системи є досить витратними щодо необхідних капіталовкладень, і тому в силу економічних причин також застосовуються переважно тільки у вузькій області застосування.

Щоб подолати це обмеження, створені різні генератори випромінювання з холодним катодом, сн є результатом обстрілу іонами металевого електрода з великою площею поверхні. Тліючий розряд високої напруги, підтримуваний в джерелі випромінювання, виробляє при цьому іони і прискорює їх до катода. Електрони, баллистически перенесені в даному випадку з твердого тіла у вакуум, при катодному падінні плазми прискорюються і за рахунок відповідних контурів електрода формуються в гомоцентрический промінь, який може фокусуватися з допомогою традиційних електронно-оптичних модулів та направлятися до випарника.

У той час як для термоелектричних емітерів необхідний високий вакуум більш, ніж в 10-3Па в катодній камері, робочий тиск холодного катода, стимульованого плазмою, в залежності від робочої напруги, робочого газу плазми і від одержуваного в даний момент розрядного струму, знаходиться в діапазоні від 2 до 10 Па. Тому можна обійтися без диференціального вакуумування джерела випромінювання до тиску, рівного приблизно 1 Па, в камері для нанесення покриття, не відмовляючись від істотних переваг осьових випромінювачів, таких як технологічна універсальність, а також просторове і вакуумно-технічний поділ випарника і джерела випромінювання і пов'язане з цим перевага в збільшенні надійності. Регулювання м�трог регулювання газового потоку. Замість багатожильних проводів високої напруги, що використовуються дотепер у разі термоэлектронних катодів, достатньо одного однополюсного кабелю, і для подачі живлення високою напругою також не потрібно додаткового блоку живлення, що знаходиться під плаваючим високим потенціалом. В якості економічно ефективного результату слід підкреслити, що виготовлення систем, реалізованих на основі випромінювачів з холодним катодом, що складаються з джерела випромінювання, включаючи компоненти його живлення і управління, порівняно з традиційними системами осьових випромінювачів можливо зі значно більш низькими витратами.

Отже, згадані осьові випромінювачі з холодним катодом володіють у порівнянні з традиційними випромінювачами з накаливаемим катодом рядом переваг, однак при певних технічних параметрах або в особливих випадках застосування володіють деякими недоліками. Так, відносно низька досягається щільність струму емісії холодного катода (100 мА/см2порівняно з досягає 10 А/см2у вольфрамового розжарюваного катода) вимагає для високих струмів імплементації катодів з великою поверхнею. Результатом цього є як правило узмер джерела випромінювання, тим самим небажаним чином знову збільшується в діапазоні високої потужності. Крім того, електронна оптика стає більш витратною, у той час як швидкість випаровування, загалом дещо менше, ніж у традиційних систем з такою ж номінальною потужністю.

Робочий газ, необхідний для підтримки тліючого розряду високої напруги в катодній камері, постійно тече в технологічну камеру через осьовий отвір, необхідне для відводу випромінювання, так як для регулювання розряду в самому випромінювачів повинна завжди підтримуватися злегка надлишковий тиск у порівнянні з технологічної камерою. Це кількість газу повинно відкачуватися вакуумною системою технологічної камери додатково до технологічно зумовленого виходу газу.

Для забезпечення прийнятного коефіцієнта корисної дії (відношення між вихідною потужністю випромінювання і запитиваемой в розряд загальною потужністю, цільове значення: >90%) в робочому газі плазми необхідні, крім того, реактивні компоненти, такі як, наприклад, кисень або двоокис вуглецю, які служать для утворення і стабілізації діелектричних відкладень на поверхні катода і разом з тим для підвищення виходу його в�ія, однак, цей метод проблематичний для технологічних процесів, що пред'являють високі вимоги до инертизации або, відповідно, чистоті, а щодо системотехніки він наводить під час застосування до додаткових витрат, так як в порівнянні з металево чистими поверхнями електродів частота пробоїв при високій напрузі значно підвищується.

Конкуруючі вимоги щодо розвантаження сили поля для катода (для цього прагнуть до великих відстанях між електродами) і надійному захисту темного поля (для цього переважні невеликі відстані між електродами) все більше ускладнюють стабільний протягом тривалого часу підтримання високих прискорювальних напруг у заснованих на плазмі джерелах випромінювання з зростаючим робочим тиском. Досі робочі напруги, що становлять приблизно 30 кВ, і досягаються в діапазоні високої напруги за допомогою випромінювачів з холодним катодом, були достатніми для способів нанесення покриття у високому вакуумі, таких як, наприклад, металізація (при приблизно від 0,001 до 0,01 Па). Але для реактивних високошвидкісних процесів нанесення покриття з зазвичай значно більш високим тиском теа були б більш доцільні напруги в діапазоні від 40 до 60 кВ.

Одержувана в результаті бомбардування іонами потужність втрат на катоді з порядком величини, що становить приблизно 5% від вихідної потужності випромінювання, відносно висока. Тому безпосереднє водяне охолодження катода при високих потужностях випромінювання неминуче. Але це непредпочтительно з двох причин. З одного боку, охолоджуючу воду приводять у контакт з електродом, що проводить висока напруга. Тому для зменшення цієї різниці потенціалів з малим струмом втрат (орієнтовне значення: >1 м/5 кВ, відповідно для прямого і зворотного напрямку), а також для забезпечення достатнього захисту персоналу повинні прокладатися кілька метрів шлангів, забезпечених спеціальною захисною ізоляцією. З іншого боку, при кожній заміні катода необхідно трудомістке перекриття, продування і відкриття циркуляційного контуру води.

Постановка завдання

В основу винаходу покладено технічна задача створення пристрою, призначеного для створення електронного променя, за допомогою якого можуть бути подолані недоліки рівня техніки. Зокрема, за допомогою цього пристрою повинна забезпечуватися можливість генерування вузького електронного променя з ма�і системи.

Рішення технічної задачі здійснюється за допомогою пристрою з ознаками п. 1 формули винаходу. Інші бажані варіанти здійснення винаходу розкриваються в залежних пунктах формули винаходу.

Пропоноване винаходом пристрій включає в себе корпус, який щонайменше в одній області обмежує вакуумируемое простір. Через впуск в корпусі робочий газ впускається в вакуумируемое простір, щоб між плоским катодом і відповідним анодом, які розташовані в вакуумируемом просторі (що позначається в наступному описі також катодного камерою), могла утворюватися плазма тліючого розряду. Для цього між катодом і анодом допомогою пристрою електроживлення включається електрична напруга. В якості пристрою електроживлення можуть застосовуватися всі відомі з рівня техніки прилади високої напруги, які можуть забезпечувати необхідні за технологією напруги (зазвичай <103кВ) і струми (зазвичай <25 А). Іони з плазми тліючого розряду прискорюються у напрямку катода і при попаданні на поверхню катода вивільняють вторинні електрони, які при катодному падіння прискорюються і формують электроннитехнологического процесу. Тому пропоноване винаходом пристрій схоже на генератор електронного променя з холодним катодом, в якому електронний промінь генерується на основі тліючого розряду.

Суттєвий ознака пропонованого винаходом пристрою заснований на особливому виконанні плоского катода. Цей катод включає в себе щонайменше дві частини, які складаються з електрично проводять, але в іншому різних матеріалів. У центральній першої області поверхні катод пропонованого винаходом пристрою складається щонайменше з одного першого матеріалу, який володіє як порівняно високим виходом вторинних електронів (γ>5; більш точне значення залежить від енергії бомбардують іонів) (як це необхідно у випадку джерела випромінювання з холодним катодом і відповідним плазмовим анодом), так і більш низькою роботою виходу електронів (ϕ<4 ев) і високою точкою плавлення (Ts>1750 K) (як це переважно у разі розжарюваного катода). Наявні у розпорядженні матеріали, які задовольняють цим критеріям, можуть бути обрані, наприклад, з групи боридів рідкоземельних елементів. В одному варіанті здійснення перша частина катода, яка утворює центральну область повеѵствления перша частина складається з катода складового елемента, який в області поверхні, що емітує електрони, включає в себе шар LaB6, який за допомогою високотемпературного клеїть речовини або припою був закріплений на термостійкої підкладці. Альтернативно шар з LaB6може бути також обложений на підкладці за допомогою інших способів, таких як, наприклад, спосіб PVD, спікання, зварювання або спосіб порошкового напилення.

Друга частина катода, що включає в себе область поверхні, яка охоплює середню, першу область поверхні, складається з другого матеріалу. Другий матеріал володіє високою термостійкістю (Ts>1750 К) і як можна більш низькою теплопровідністю і має лише невеликий вихід вторинних електронів (γ<5) при високій роботі виходу (ϕ>4 ев). Для цього, наприклад, особливо підходить графіт. Але альтернативно для цього можуть застосовуватися такі матеріали, як тугоплавкі метали, такі як, наприклад, W, Ta, Mo, Ti, сплави цих матеріалів або для невеликих потужностей випромінювання, також нержавіюча сталь.

Відомі генератори електронного променя з холодним катодом зазвичай містять пристрій охолодження, за допомогою якого, з одного боку, охолоджується сам катод, щоб його матеріал (наприклад, алюміній) не плавився вія охолоджуються також межують із холодним катодом конструктивні елементи, щоб уникнути їх пошкодження.

Пропоноване винаходом пристрій може бути також забезпечений пристроєм охолодження. З його допомогою, однак, не охолоджується катод, тому що згідно з винаходом щонайменше нагрівання першої частини, що включає в себе середню область поверхні катода, внаслідок бомбардування іонами бажаний або, відповідно, навіть необхідний, як це буде пояснено нижче. Так як у пропонованого винаходом пристрою за допомогою пристрої охолодження повинні охолоджуватися тільки суміжні конструктивні елементи катода, переважно, термічно ізолювати катод від суміжних конструктивних елементів. Це відноситься, зокрема, до конструктивних елементів, які розташовані за катодом щодо електронного променя.

Коли у пропонованого винаходом пристрою запалюють тліючий розряд, при цьому між катодом і анодом прикладають звичайне для генератора електронного променя електричне високу напругу, а робочий газ через впуск направляють в вакуумированую катодну камеру, відбувається наступне: складається з першого матеріалу середня, перша область спочатку холодного катода при впливі на неї прискореними іонами спочатку виконує тільки функцію емітера вториреривно нагрівається, поки перший матеріал в кінцевому підсумку не досягне деякої температури поверхні, при якій додатково виходять ще й емітуються при прожарюванні електрони внаслідок термоелектричного ефекту і підвищують щільність потоку електронів електронного променя. Починаючи з цієї температури поверхні, обидва механізму емісії діють, співіснуючи, при цьому посилюється термоелектричний ефект продовжує підвищуватися температурою поверхні першого матеріалу. Тому з допомогою пропонованого винаходом пристрою досягаються щільності потоку електронів, які зазвичай відомі тільки в разі генераторів електронного променя з накаливаемим катодом. Так як у катода пропонованого винаходом пристрої діють обидва механізму емісії, для такого катода в даній заявці вводиться термін «гібридний катод».

Проте в обох режимах емісії вільні електрони у гібридного катода є електронами переважно з першої частини катода, яка складається з першого матеріалу. Тому ця частина катода нижче також називається емітером. Невелика кількість вторинних електронів, які емітуються другим матеріалом, навпаки, є несуттєвим для профілю плотн�ько емітером, його форма і розмір також є вирішальними для форми і розмірів поперечного перерізу електронного променя. Як вже описувалося вище, поверхня емітера складає тільки частину поверхні катода, завдяки чому у випадку генераторів електронного променя з гібридним катодом можуть генеруватися електронні промені з невеликим поперечним перерізом променя, на відміну від генераторів електронного променя з холодним катодом, у якого зі всієї поверхні відповідного плоского катода електрони емітуються і таким чином генеруються електронні промені великого поперечного перерізу.

Зазвичай у осьових випромінювачів з холодним катодом поверхні, що емітують електрони, мають круглу, вогнуто викривлену форму, щоб формувати електронний промінь з круглим поперечним перерізом. Гібридний катод також переважно виконаний круглим. В цьому випадку матеріал емітера виконаний у вигляді круглого диска, а другий матеріал, який охоплює емітер, кільцеподібно з увігнутим викривленням. Альтернативно емітер може також мати будь-яку іншу геометричну форму.

Поверхня емітера, эмитирующая електрони, може бути виконана плоскою, опукло або вогнуто викривленою, крім того, вона може битѽо його поверхні на певну відстань проти або в напрямку емісії. Для оптимізації теплоізоляції емітера доцільний щонайменше один вакуумированний зазор між задньою стороною катода і охолоджуваними суміжними конструктивними елементами, ще більш переважно доцільний розташований з задньої сторони екран для захисту від випромінювання, виконаний у вигляді багатошарового відбивача з плаваючою температурою.

Другий матеріал, який охоплює емітер, поряд з функцією фіксації матеріалу емітера, повинен виконувати по суті три завдання.

По-перше, з допомогою другого матеріалу збільшується поверхня катода. А саме, якщо має генеруватися електронний промінь з невеликим діаметром променя, і відповідно эмитирующая електрони поверхню емітера занадто мала, то одна тільки поверхню емітера може бути занадто мала для того, щоб підтримувати стабільний тліючий розряд між емітером і анодом. Другий матеріал з цієї причини повинен бути також електрично проводять і має такий же електричний потенціал, що і емітер, для збільшення поверхні катода. Тому в одному варіанті здійснення поверхню другого матеріалу, що піддається бомбардуванні іонами, щонайменше в три рази більше поверхні емітер�елементів. Другий матеріал, який охоплює матеріал емітера, утворює при цьому першу сходинку теплової ізоляції емітера, дуже сильно нагрівається щодо суміжних модулів при бомбардуванні іонами. Тому другий матеріал, нагріваючи в результаті бомбардування іонами, а також в результаті теплопередачі, що виходить від емітера, повинен мати погану теплопровідність. Для утворення теплового бар'єру емітер може також бути дестанцирован допомогою зазору від навколишнього другого матеріалу. В цьому випадку цей зазор діє одночасно як температурний шов для нагрівається і за рахунок цього розширення матеріалу емітера. Причому розміри цього зазору переважно повинні бути вибрані таким чином, щоб він навіть при максимально нагрітому матеріалі емітера не повністю закривався розширюється матеріалом емітера. З допомогою відповідного контактування (наприклад, за допомогою стопорного кільця) завжди повинно забезпечуватися, щоб емітер і другий матеріал мали однаковий електричний потенціал, і щоб продовжувала забезпечуватися передача струму до емітером.

По-третє, шляхом варіювання геометричної форми другого матеріалу можна впливати на�про променя переважно сферично-вогнуто або конусоподібна викривлена і формує, таким чином, (квазі-) сферичний характер електричних еквіпотенційних поверхонь в області осі випромінювача, що потім призводить до радіально-конвергентному прискорення електронів. Такого роду гомоцентрические електронні промені особливо добре піддаються електронно-оптичному управління та перенесення з високою щільністю потужності до місця технологічного процесу. Контур поверхні другого матеріалу, зокрема, вибирається таким чином, щоб діаметр електронного променя в області вихідного отвору з корпусу катодної камери був якомога менше. При цих умовах поперечний переріз вихідного отвору може також бути невеликим, що дозволяє підтримувати тліючий розряд в катодній камері при відносно низькій витраті робочого газу.

Один з пропонованих винаходом генераторів електронного променя під час його застосування переважно прифланцован до стінок вакуумної технологічної камери, так що її вакуум поширюється через отвір для виходу променя всередину камери. Генератор електронного променя не потребує, таким чином, у власному вакуумному насосі для вакуумування катодної камери, а це здійснюється в даному випадку за допомогою вакуумногже, ніж робочий тиск тліючого розряду в катодній камері.

Регулює величиною для регулювання струму емісії гібридного катода, як і у холодного катода, є обсяг потоку робочого газу плазми. На відміну від холодного катода управління емісією електронів, втім, здійснюється не тільки безпосередньо за рахунок щільності потоку іонів та безпосередньо залежить від неї генерування вторинних електронів, але і опосередковано за рахунок регулювання температури поверхні емісії і за рахунок залежного від цього вивільнення термоемісійних електронів.

Винахід дозволяє реалізувати генератор електронного променя осьового типу, який поєднує в собі переваги традиційних випромінювачів електронів з накаливаемим катодом (висока щільність струму емісії і щільність потужності випромінювання, високі прискорюють напруги, відсутність навантаження технологічної камери реактивним газом, циркуляційні контури охолодження під потенціалом землі) і переваги випромінювачів з холодним катодом, забезпечених плазмовим анодом (менш дорога і компактна конструкція, відсутність власної вакуумної системи, спрощене харчування високою напругою, регулювання потужно�однаковому струмі і порівняно простий конструкції можуть генеруватися істотно більш тонкі електронні промені (з більшою щільністю потужності), ніж з допомогою холодного алюмінієвого катода з великою поверхнею, і застосовуватися в місці здійснення технологічного процесу (наприклад, на тиглі випарника) більш ефективно, ніж досі. Експериментально з гібридного катода з емітером з LaB6з діаметром 17 мм і з відповідним графітовим кільцем із зовнішнім діаметром, рівним 90 мм, виходив струм >3 А при ускоряющем напрузі 25 кВ. Для порівняння: застосовувався досі алюмінієвий холодний катод з діаметром 90 мм дозволяє отримати цей струм при приблизно в п'ять разів більшому діаметрі променя.

У відповідності з отриманим раніше аналізом концепції гібридного катода, що базується на нагреваемом розрядом газу емітер з LaB6у пристрої згідно винаходу (в протилежність пристроїв з холодним катодом) можливе застосування інертного робочого газу плазми, такого, як, наприклад, всі благородні гази, в катодній камері. Підмішування реактивних газів, в принципі, можливо, однак може призводити до так званого «хімічного отруєння катода», тому що, наприклад, кисень і водяний пар знижують роботу виходу у емітера з LaB6. Переважно повинні застосовуватися легкі робочі гази внаслідок уменьш�зкого розсіювання електронів. З урахуванням економічних крайових умов як технічно адекватних і одночасно оптимальних фінансових рішень пропонуються, наприклад, технічно чистий гелій або водень.

Регулювання потужності гібридного катода здійснюється, як уже згадано, за допомогою варіювання потоку робочого газу в катодну камеру. Правда, в термоелектричному режимі емісії воно діє лише опосередковано через регулювання температури емісійної поверхні, але порівняно з імпульсним нагріванням блоку катода з задньої сторони, характерним для традиційного випромінювача високої потужності, все ще є динамічні переваги, так як теплова інерція корпусу катода при нагріванні з боку емісії, яка здійснюється при бомбардуванні іонами, виявляється менш сильно.

Експерименти показали, що комбінований механізм емісії гібридного катода порівняно з відомими холодними катодами супроводжується також зниженим (при однаковому струмі) тиском робочого газу в катодній камері і, крім того, позитивно коррелированной потужністю втрат. Це призводить до трьох переваг: по-перше, що надходить з катодної камери в технологічну камеру количествм чином, зменшуються вимоги до вибору розмірів вакуумної системи. По-друге, відпадає необхідність у безпосередньому водяному охолодженні катода (завдяки чому відсутні складні, ізольовані від високої напруги шланги системи рідинного охолодження і більше не потрібно відкривати контур охолодження при заміні катода). По-третє, необхідне екранування методом темного поля держателя катода має більш просту конфігурацію, а також більш високі прискорюють напруги (наприклад, в діапазоні від 40 до 60 кВ) можуть додаватися з меншими витратами.

Слід також згадати, що в пропонованому винаходом пристрої також, як і у відомому з рівня техніки, можуть застосовуватися різні рішення по реалізації анода. У найпростішому випадку корпус катодної камери може електрично включатися в якості анода. Можливо також встановити окремий анод в катодній камері, який електрично ізольований від заземленого корпусу і, таким чином, може також проводити інший потенціал. Такого роду окремий електрод може бути, наприклад, виконаний кільцеподібно, при цьому отвір кільця виконує функцію отвори для виходу електронного променя.

Приклад здійснення

Нижче изобреѸе пропонованого винаходом пристрої для генерування електронного променя;

фіг.2: схематичне зображення головки катода джерела електронного випромінювання, забезпеченого термоелектричним нагрівається імпульсом блоковим катодом;

фіг.3: схематичне зображення головки катода джерела електронного випромінювання, забезпеченого безпосередньо охолоджується холодним катодом, що стимулюється тліючим розрядом;

фіг.4: схематичне зображення головки катода пропонованого винаходом пристрою у варіанті здійснення безпосередньо з охолоджуваним монтажним підставою;

фіг.5: схематичне зображення головки катода пропонованого винаходом пристрою у варіанті здійснення опосередковано з охолоджуваним монтажним підставою і екраном для захисту від випромінювання з плаваючою температурою.

Графічні елементи в межах однієї фігури з однаковим заповнюють поверхню структуруванням утворюють один конструктивний елемент. На фіг.1 схематично зображено пропоноване винаходом пристрій. На вакуумній камері 10 закріплений генератор 11 електронного променя, який включає в себе корпус 12. Корпус 12 обмежує зі сторони виходу променя вакуумируемое простір 13, виконане у вигляді катодної камери. В катодній камері 13 розташований складається �тром диска, рівним 17 мм, виконує функцію центральної області катода 14. Емітер 14a оточений графітовим кільцем 14b із зовнішнім діаметром, рівним 90 мм, проте механічно відділений від нього окружним зазором. Тим не менш, як кільце графітове 14b, так і диск 14a емітера, завдяки не зображеним на фіг.1 елементам контактування, мають однаковий електричний (катодний) потенціал. Навпаки катода 14 розташований анод 15, який виконаний у вигляді кільцеподібного диска і осьовий отвір кільця якого виконує функцію отвори для виходу електронного променя в вакуумну камеру 10. Вакуумні насоси 10a вакуумної камери 10 вакуумируют як саму вакуумну камеру 10, так і катодну камеру 13, в яку через отвір кільця анода 15 поширюється вакуум вакуумної камери 10.

Для запалення тліючого розряду між катодом 14 і анодом 15 через впуск 16 газу у вакуумовану катодну камеру 13 впускається гелій, і одночасно включається електричне висока напруга, рівне -30 кВ, характерне для генераторів електронного променя, і яке служить в якості напруги горіння між катодом 14 і анодом 15, при цьому анод 15, механічно відокремлений від корпусу 12, за вибором, може знаходитися під потенціал землі або отличающимѾго променя, може бути також доцільно, прикладати висока напруга не у вигляді постійної напруги, а у вигляді швидко наступних один за одним імпульсів напруги. На підставі цього між катодом 14 і анодом 15 утворюється плазма тліючого розряду, іони якої прискорюються на поверхню катода 14, після чого переважно з матеріалу емітера 14a емітуються вторинні електрони. Внаслідок відносно невеликої поверхні емітера 14a, емітує електрони, і увігнутої форми графітового кільця 14b емітовані електрони збираються у вузький електронний промінь 17.

Внаслідок тривалої бомбардування іонами не охолоджуваної поверхні емітера вона нагрівається до певної температури, починаючи з якої додатково до вторинних електронів емітуються також електрони внаслідок теплової емісії матеріалу емітера, які підвищують щільність потужності електронного променя 17. Таким чином, виникає електронний промінь з невеликим поперечним перерізом променя і дуже високою густиною потужності, який виходить з катодної камери 13 через отвір для виходу електронного променя анода 15, а потім за допомогою відомих електронно-оптичних модулів 11a (модулі лінз і відхиляючих котушок) генера�ься відповідно до передбаченої технічним завданням (наприклад нагрівання, плавлення або випаровування матеріалу).

Поза катодної камери 13, наприклад, на половині відстані між катодом 14 і анодом 15, розташована додаткова система 11b магнітних котушок, яка складається з двох перехрещених пар седлообразних котушок. Завдяки цьому можна створювати в катодній камері 13 магнітне поле змінною напруженості поля з перпендикулярним осі випромінювача, але азимутально вільно ориентируемого ходом ліній поля. На відміну від відомих систем магнітних котушок для осьових розрядників, у яких іноді осьове магнітне поле застосовується для ущільнення плазми або для стабілізації розряду, система 11b магнітних котушок, описана в даному прикладі здійснення винаходу, служить для генерування проходить поперек осі електронного променя магнітного поля, за допомогою якого можна впливати на напрям розповсюдження електронного променя 17. При цьому завжди можна точно центрувати електронний промінь 17 по отвору для виходу електронного променя анода 15 навіть під впливом зовнішніх полів завад або незважаючи на кілька невірну регулювання катода 14. На відміну від відомих систем випромінювачів, в яких центруючий блок є частиною електронно-оптичної �тодной камері 13, тобто вже під час прискорення електронів, і при цьому особливо ефективно. За допомогою цього допоміжного засобу можна встановлювати особливо вузькі (≤20% діаметра катода) допуски діаметра отвору для виходу електронного променя і таким чином додатково зменшувати витрату робочого газу плазми. Хоча система 11b магнітних котушок описана в даній заявці на одному конкретному прикладі здійснення, проте вона може також застосовуватися у всіх інших варіантах здійснення пропонованих винаходом пристроїв, при цьому вона розташовується поза катодної камери на висоті між гібридним катодом і відповідним анодом.

Високі температури, до яких нагрівається емітер 14a при бомбардуванні іонами, потребують теплової захисту для суміжних конструктивних елементів. З цією метою на задній стороні катода 14 розташований теплової ізолятор 18, який, у свою чергу, закріплений на електричному ізоляторі 19. Останній одночасно виконує функцію стінок для катодної камери 13 і включає в себе також канали 19a охолодження, а також вакуумонепроницаемий підведення 19b високої напруги в катодну камеру 13. Канали 19a охолодження виконані у формі труб. Охолоджуюча середовище тече всередині цих труб в направЅ, які розташовуються між трубами і електричним ізолятором 19, знову в напрямку вгору, що пояснюється з допомогою більш тонких і спрямованих вгору стрілок. З метою поліпшення теплової ізоляції емітера 14a він дистанційований допомогою зазору а як від теплового ізолятора 18, так і від графітового кільця 14b.

Для порівняння з рівнем техніки на фіг.2 схематично зображено відомий катодний штекер, з вольфрамовим накаливаемим катодом, а на фіг.3 також відома катодна головка, обладнана алюмінієвим холодним катодом.

Катодний штекер, показаний на фіг.2, включає в себе, поряд з накаливаемим катодом 21 з вольфраму, також нагрівальну спіраль 22, за допомогою якої катод 21 із задньої сторони нагрівається електронним імпульсом, так що при досягненні відповідної температури на передній стороні катода внаслідок 21 термоелектричного ефекту електрони емітуються. Внаслідок відносно невеликого поперечного перерізу катода 21 пристрої такого роду виникає електронний промінь 23 з невеликим поперечним перерізом променя. На такий катодний штекер повинні, однак, подаватися три електричних потенціалу, два електричних потенціалу для накаливаемой спіралі і катод�ения і взаємної електричної ізоляції декількох потенціалів в обмеженому просторі зумовлюють порівняно складну механічну конструкцію катодного штекера, результатом якої є трудомістке виготовлення, а також високі вимоги до монтажу і юстирування.

Катодна головка, показана на фіг.3, включає в себе монтажне підстава 31, на якому за допомогою гвинтових з'єднань закріплений дископодібний холодний катод 32 з алюмінію із зовнішнім діаметром, рівним 90 мм, причому обидва ці елементи утворюють порожнину 33, через яку протікає охолоджуюча середовище. Охолоджуюча середовище протікає, таким чином, безпосередньо на задній стороні катода 32 і охолоджує його. Між катодом 32 і не зображеним на фіг.3 анодом може створюватися тліюча плазма, з якої іони прискорюються на поверхню катода 32, внаслідок чого з матеріалу катода вивільняються вторинні електрони. Так як ці вторинні електрони емітуються зі всієї поверхні катода 32, а інші механізми емісії, які могли б вивільняти додаткові електрони, не діють, виникає електронний промінь 44 з відносно великим поперечним перерізом променя і невеликою щільністю потужності по відношенню до електронних променів 17 і 23, показаним на фіг.1 і фіг.2. Порівняно з витратною катодного головкою для вольфрамового розжарюваного катода, показаної на фіг.2, катодна головка холодного кя головка пропонованого винаходом пристрою в першому варіанті здійснення схематично зображено кілька більш детально. Катодна головка включає в себе монтажне підстава 40 з алюмінію і монтажне підстава 41 з високоякісної сталі, які за допомогою гвинтових з'єднань притиснуті один до одного. За допомогою накидної гайки 42 кільце графітове 43b із зовнішнім діаметром, рівним 90 мм, притискається до монтажного основи 40. При цьому кільце графітове 43b, в отворі якого вставлений плоский диск 43a емітера з LaB6із зовнішнім діаметром 17 мм, виконано таким чином, що кільце графітове 43b з метою теплової ізоляції на великій поверхні знаходиться на відстані зазору 44 від монтажного підстави 40. Емітер 43a і кільце графітове 43b разом утворюють гібридний катод 43, у якого електрони для електронного променя 45 емітуються головним чином емітером 43a. На іншій стороні монтажного підстави 40 розташована фасонна деталь 46, яка утворює, таким чином, порожнини 47 в напрямку монтажного підстави 40 і 41. Через ці порожнини 47 протікає охолоджуючий засіб, при цьому фасонна деталь 46 забезпечує спрямований приплив і інтенсивне охолодження монтажного підстави 40. Катодна головка включає в себе також корпус 48 ізолятора з полімерного матеріалу, який електрично ізолює від катодного головкия пропонованого винаходом пристрою при порівняно простому конструктивному виконанні і використанні недорогих матеріалів для конструкції катодного головки вже може генеруватися електронний промінь 45, який по своєму діаметру і щільності своєї потужності відповідає вольфрамовому накаливаемому катода, показаному на фіг.2. Бажано також, що відпадає необхідність в розмиканні циркуляційного контуру охолодження при заміні гібридного катода 43, як це вимагається у випадку холодного катода у відповідності з фіг.3. Втім, недоліком в описаному вище варіанті здійснення винаходу є те, що ще існує безпосередній електричний контакт охолоджуючої середовища з катодним потенціалом, що призводить до підвищеної трудомісткості захисної ізоляції циркуляційного контуру охолодження для катодного головки.

На фіг.5 схематично зображено катодна головка пропонованого винаходом пристрою у другому, додатково удосконаленому варіанті здійснення. Катодна головка знову включає в себе монтажне підстава 50, в даному прикладі здійснення складається з молібдену, утворене з двох частин, які за допомогою гвинтових з'єднань притиснуті один до одного і до корпусу 58 електричного ізолятора, що складається в даному випадку з нітриду алюмінію. Альтернативно корпус 58 ізолятора може складатися з оксидної кераміки. За допомогою накидної гайки 52 графитЃжний діаметр 17 мм), притиснуто до монтажного основи 50. Емітер 53a і кільце графітове 53b разом утворюють гібридний катод 53, у якому електрони для електронного променя 55 емітуються головним чином емітером 53a. При цьому монтажне підстава 50 виконано таким чином, що між гібридним катодом 53 корпусом 58 ізолятора на великій поверхні виникає вакуумований проміжний простір 54 заввишки 10 мм, в який вбудований багатошаровий екран 56 для захисту від випромінювання з плаваючою температурою, утворений трьома паралельними дисками з високоякісної листової сталі, з'єднаними між собою заклепками, і розділеними дистанційним елементом. Внаслідок поліпшеної (порівняно з можливістю теплоізоляції окремого проміжного простору, як це реалізовано за допомогою зазору 44, показаного на фіг.4) при цьому теплової ізоляції гібридного катода 53 монтажне підстава 50 не має більше безпосередньо обтекаться охолодним засобом. Більш того, порожнини 57 для направлення охолоджуючого засобу в даному випадку більше інтегровані в корпус 58 електричного ізолятора, завдяки чому досягається бажана сепарація охолоджуючого засобу і катодного потенціалу. Також через корпус�е для експлуатації відповідного електронного випромінювача, подається на багатошаровий екран 56 для захисту від випромінювання і через нього на катод 53.

1. Пристрій генерування електронного променя, що включає в себе корпус (12), який обмежує вакуумируемое простір (13) і має отвір для виходу електронного променя; впуск (16) для подачі робочого газу в вакуумируемое простір (13); плоский катод (14) і анод (15), які розташовані в вакуумируемом просторі (13) і між якими допомогою прикладеного електричного напруги створюється плазма тліючого розряду, при цьому іони з плазми тліючого розряду прискорюються на поверхню катода (14), а емітовані катодом електрони в плазму тліючого розряду, відрізняється тим, що
a) перша частина (14а) катода (14), яка утворює центрально розташовану першу область поверхні катода (14), щонайменше з боку емісії складається з першого матеріалу;
b) друга частина (14b) катода, яка утворює другу область поверхні катода (14), що охоплює першу область поверхні, складається з другого матеріалу;
c) перший матеріал є електрично проводять і має роботою виходу електронів менше 4 ев;
d) другий матеріал є електрично проводять і має роботою виходу елект�ри, при якій електрони виходять з першого матеріалу переважно за рахунок термоелектронної емісії.

2. Пристрій п. 1, яке відрізняється тим, що перша область поверхні виконана плоскою.

3. Пристрій п. 1, яке відрізняється тим, що перша область поверхні виконана увігнутою.

4. Пристрій п. 1, яке відрізняється тим, що друга область поверхні, що охоплює першу область, виконана увігнутою.

5. Пристрій п. 1, яке відрізняється тим, що перший матеріал включає в себе борид рідкоземельних елементів.

6. Пристрій п. 1, яке відрізняється тим, що перша область поверхні утворена масивним формованим елементом (14а), що складається з першого матеріалу.

7. Пристрій п. 1, яке відрізняється тим, що перша область поверхні є складовою частиною складеного елемента.

8. Пристрій п. 1, яке відрізняється тим, що другий матеріал включає в себе графіт.

9. Пристрій п. 1, яке відрізняється тим, що другий матеріал включає в себе метал.

10. Пристрій п. 1, яке відрізняється тим, що перша і друга області поверхні розділені зазором, що проходить навколо першої області поверхні.

11. Пристрій п. 1, яке відрізняється тим, що принаймні перший матеріал т�ееся тим, що тепловий бар'єр включає в себе щонайменше один вакуумируемий зазор (44; 54) та/або теплової ізолятор (18; 56).

13. Пристрій п. 1, яке відрізняється тим, що робочий газ
тліючого розряду являє собою інертний газ або водень.

14. Пристрій п. 1, яке відрізняється тим, що потужність його випромінювання при постійному або імпульсному напрузі горіння регулюється за допомогою варіювання потоку робочого газу тліючого розряду.

15. Пристрій п. 1, яке відрізняється тим, що має корпус (19; 48; 58) електричного ізолятора, який має відокремлені від катодного потенціалу канали (19a) охолодження і вакуумонепроницаемий введення (19b) високої напруги.

16. Пристрій п. 1, яке відрізняється тим, що керування напрямком поширення електронного променя (17) в катодній камері (13) здійснюється з допомогою поперечного магнітного поля, створюваного за допомогою системи (11b) магнітних котушок в області між катодом (14) та анодом (15).

17. Пристрій п. 15, відрізняється тим, що корпус ізолятора складається з полімерного матеріалу (48), з оксидної кераміки або з нітриду алюмінію (58).



 

Схожі патенти:

Спосіб фазової модуляції світлової хвилі

Винахід відноситься до області оптичної спектроскопії і може бути застосований при розробці нових методів нестаціонарної оптичної спектроскопії, що дозволяють досліджувати властивості неоднорідної плазми в області аномальної дисперсії. Технічний результат винаходу - отримання всередині плазмового хвилеводу регулярної просторової структури оптичного показника заломлення в спектральній області аномальної дисперсії поблизу довжини хвилі, відповідної вузькою спектральної лінії поглинання в плазмі високошвидкісних хвиль іонізації. Лазерне випромінювання наносекундної тривалості пропускають через плазмовий хвилевід під кутом до оптичної осі хвилеводу, де в вузькою спектральної області аномальної дисперсії поблизу фіксованої спектральної лінії поглинання плазми створюється розподіл оптичного показника заломлення з циліндричним профілем з максимумом показника заломлення вздовж кордону і мінімумом вздовж центру трубки. 6 іл.

Спосіб визначення аномальної дисперсії

Винахід відноситься до способів реєстрації аномальної дисперсії неоднорідного протяжного плазмового стовпа і може бути використане в спектроскопії в неоднорідних газових і плазмових середовищах, у лазерній спектроскопії і в спектральному аналізі газоподібних речовин. Технічний результат - можливість спостереження аномальної дисперсії в різних газах, причому поблизу вузьких спектральних ліній поглинання в плазмово-пучкових розрядах. Спосіб визначення аномальної дисперсії полягає в тому, що на основі поперечного наносекундного плазмово-пучкового розряду з щілинним катодом створюють двошарову неоднорідну плазмову середу з двошаровим розподілом оптичного показника заломлення, через яку похило пропускають широкосмугове лазерне випромінювання зі спектром поблизу спектральних ліній поглинання плазми, і після розкладання за допомогою спектрографа спектру лазера, що пройшов плазмовий шар, на виході спектрографа визначають аномальну дисперсію поблизу спектральних ліній поглинання плазми. 3 іл.

Фокусатор газорозрядної плазми

Винахід відноситься до мікроелектроніці і може бути використане при виробництві інтегральних мікросхем на активних і пасивних підкладках і елементів дифракційної оптики на криволінійних поверхнях

Катод плазмового прискорювача

Винахід відноситься до області електрореактивних двигунів, а саме до класу плазмових прискорювачів (холлівських, йонних), що використовують у своєму складі катоди

Плазмовий катод-компенсатор

Винахід відноситься до плазмової техніки, а саме до катодів-компенсаторів, які працюють на газоподібних робочих тілах, і може бути використане в електрореактивних двигунів для нейтралізації іонного пучка, а також у технологічних джерелах плазми, призначених для іонно-плазмової обробки поверхонь матеріалів

Плазмовий електронний джерело стрічкового пучка

Винахід відноситься до області плазмової техніки і може бути застосований при розробці електронно-променевих пристроїв і використана електронно-променевої технології, експериментальної фізики, плазмохимической технології

Катод-компенсатор

Винахід відноситься до плазмової техніки, а саме до катодів-компенсаторів на газоподібних робочих тілах, і може бути використане при розробці електрореактивних двигунів для нейтралізації іонного пучка, а також у технологічних джерелах прискорених потоків для іонно-плазмової обробки поверхні матеріалів у вакуумі

Катод-компенсатор

Винахід відноситься до плазмової техніки, а саме до накальним катодів-компенсаторів на газоподібних робочих тілах, і може бути використане при розробці електрореактивних двигунів для нейтралізації іонного пучка, а також у технологічних джерелах плазми для ионноплазменной обробки поверхні матеріалів у вакуумі

Катодний вузол

Винахід відноситься до області потужнострумових вакуумних електродугових пристроїв

Взривоэмиссионний джерело іонів

Винахід відноситься до потужнострумової електроніки, зокрема до імпульсних джерел іонів, може знайти застосування в прискорювальної техніки, фізики плазми, у дослідженнях з керованого термоядерного синтезу, промислової технології

Спосіб формування багатошвидкісних неламинарних електронних пучків

Винахід відноситься до області НВЧ-електроніки і призначене для формування багатошвидкісних неламинарних електронних пучків. Технічний результат - збільшення розкиду електронів за швидкостями в області електронної гармати за рахунок керованого гальмування частини електронного пучка, зокрема його периферійній частині. Спосіб формування електронного пучка включає емісію електронів з катода, прискорення електронів з допомогою прискорюючого електрода з потенціалом U0, гальмування електронів. Гальмування здійснюють за допомогою сітки з потенціалом U1<U0, перекриває частину електронного пучка, за рахунок чого в електронному пучку створюється розкид електронів за швидкостями. 2 з.п. ф-ли, 6 іл.

Спосіб отримання пучка атомів або молекул в тліючому розряді і пристрій для його здійснення

Винахід відноситься до електроніки і може бути використане у фізичній електроніці, квантовій електроніці, для імплантації атомів на поверхню твердого тіла, плазмохімії, діагностичних вимірах

Потужнострумова електронна гармата

Винахід відноситься до техніки генерування потужнострумових електронних пучків і може бути використане для створення імпульсних потужнострумових електронних прискорювачів, а також для поверхневої обробки матеріалів і виробів цими пучками

Пристрій для отримання електронних пучків і пучків рентгенівських променів для внутрішньотканинний та інтраопераційної променевої терапії

Винахід відноситься до медичної техніки, а саме до пристроїв для отримання електронних пучків або пучків рентгенівських променів для внутрішньотканинний та інтраопераційної променевої терапії

Спосіб виготовлення многоострийного емісійного катода

Винахід відноситься до електронної техніки і може знайти застосування в якості джерел електронних потоків променевих приладах

Електронно-променева гармата з плазмовим джерелом електронів

Винахід відноситься до електронно-променевих пристроїв і може бути використане для електронно-променевого зварювання (ЕЛС) виробів у вакуумі

Джерело електронів

Винахід відноситься до техніки генерування потужнострумових електронних пучків з великою площею поперечного перерізу і може бути використане для збудження потужних газових лазерів, а також у технологічних процесах: модифікація поверхні виробів, радіаційна технологія, газоочистка

Многолучевая електронна гармата

Винахід відноситься до електронної техніки, зокрема до многолучевим електронних гармат для потужних багатопроменевих електровакуумних НВЧ-приладів О-типу, наприклад для потужних імпульсних багатопроменевих клістронів і ЛБВ

Катодний вузол для електронної гармати з протяжним електронним потоком

Винахід відноситься до електронної техніки, а саме до катодних вузлів для електронних гармат з протяжним електронним потоком, призначених для роботи в електровакуумних приладах (ЕВП), або для електронних отпаянних гармат з протяжним електронним потоком, призначених для виведення електронного потоку з вакуумної області в атмосферу або іншу газову середу
Up!