Плазменный источник и способ генерирования лучей заряженных частиц

Изобретение относится к области плазменной техники, в частности к плазменным источникам для генерирования пучка заряженных частиц. Источник содержит: плазменную камеру, оборудованную впускным патрубком для впуска газа и отверстием для вывода заряженных частиц из плазменной камеры; радиочастотный модуль генерирования плазмы для генерирования плазмы внутри плазменной камеры, причем радиочастотный модуль генерирования плазмы содержит первый и второй резонансные контуры, каждый из которых настроен на, по существу, одну и ту же резонансную частоту, причем первый резонансный контур содержит первую антенну и первый, радиочастотный, источник питания, выполненный с возможностью приведения первого резонансного контура в действие на частоте, по существу, равной его резонансной частоте, а второй резонансный контур содержит вторую антенну, причем в рабочем режиме первый резонансный контур индуцирует во второй антенне радиочастотный сигнал благодаря наличию между ними резонансной связи, причем второй резонансный контур выполнен с возможностью подачи индуцированного радиочастотного сигнала в плазменную камеру для генерирования в ней плазмы; и модуль ускорения частиц для вывода заряженных частиц из плазмы и ускорения заряженных частиц для формирования пучка, причем модуль ускорения частиц содержит второй источник питания, выполненный с возможностью создания разности потенциалов между плазменной камерой и ускоряющим электродом, причем область, расположенная между плазменной камерой и ускоряющим электродом, образует ускорительную колонну. Второй источник питания выполнен с возможностью вывода напряжения, высокого по сравнению с выходным сигналом первого, радиочастотного, источника питания. 5 н. и 67 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области плазменных источников для генерирования пучков заряженных частиц, например, электронов или ионов, и способов такого генерирования. Пучки заряженных частиц используют, в частности, в приложениях, связанных с обработкой материалов, например, сваркой, изготовлением добавочных слоев, а также сверлением, резкой, отверждением, плавлением, испарением и другими видами обработки, в которых материал или заготовка могут быть изменены или обработаны при помощи такого пучка.

Уровень техники

В большинстве электронных пушек, применяемых в качестве сварочного или другого сходного оборудования для обработки материалов, в качестве источника электронов используют термоэлектронный излучатель. В излучателе такого типа тугоплавкий металл нагревают до температуры, при которой электроны могут покинуть поверхность металла и быть ускорены прилагаемым электрическим полем. Такой конструкции присущи некоторые недостатки. Например, геометрические размеры катода имеют жизненно важное значение, а его перегревание вызывает его искривление и испарение, что приводит к изменению этих размеров. Кроме того, срок службы катода может быть коротким (например, до 6 часов в режиме сварки в оборудовании промышленного применения), а стоимость его обслуживания может быть высокой. Помимо этого, возможные изменения параметров пучка в течение срока службы катода приводят к изменениям к.п.д. сварки и, следовательно, к возникновению необходимости подстройки параметров сварки. Кроме того, срок службы катода может быть сокращен в случае нарушения герметичности электронной пушки, а износ катода может быть ускорен в результате облучения ионами, возникающими в сварочной зоне и остаточных газов вакуумной камеры. Термоэлектронные излучатели другого типа представляют собой установки с обратной бомбардировкой, в которых нагреваемый катод выполнен с возможностью испускания электронов для облучения мишени, из которой происходит излучение основного пучка заряженных частиц. Пример установки такого типа описан в патентном документе WOA94/13006.

В качестве альтернативы термоэлектронным излучателям используют источники с фотоэлектронными катодами, электростатической («холодной эмиссией») или плазменные источники. В случае плазменных источников газ, например, гелий, аргон или воздух, ионизируют с образованием плазмы, после чего заряженные частицы (электроны или ионы) извлекают из плазмы и ускоряют, формируя из них пучок. Поскольку источником частиц является ионизированный газ, в системе отсутствует горячий металлический катод, что обеспечивает возможность упрощения эксплуатации и обслуживания такого источника по сравнению с термоэлектронными излучателями. Кроме того, плазменные источники сравнительно нечувствительны к проникновению газов и паров внутрь установки во время ее эксплуатации. Однако плазменные источники не получили широкого распространения в связи со своими недостатками, в число которых входит долгое время реакции источника, которое ограничивает минимальную возможную длительность импульса пучка, и высокие требования к источнику питания.

Например, в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) были разработаны и изготовлены электронные пушки с плазменным катодом, работающие с ускоряющим потенциалом до 60 кВ и мощностью 12 кВт. Некоторые примеры таких систем описаны в статье «Electron-beam facilities based on plasma-cathode guns» авторов N. Rempe et al, Welding and Cutting 11 (2012) No. 2, стр. 122. Для генерирования плазмы используют возбуждение постоянным током, например, применяемое с использованием методики отраженного низковольтного разряда в полом катоде, в соответствии с которой между каждым из двух катодов и расположенным между ними анодом, находящимися внутри плазменной камеры, устанавливают требуемую разность потенциалов. Для обеспечения ускорения заряженных частиц, поступающих из плазмы, до достаточной энергии к низковольтному разряду необходимо приложить высокое напряжение, обеспечивающее соответствующее ускорение (например, порядка 60 кВ). В связи с этим для получения напряжения, достаточного для возбуждения и ускорения плазмы необходимо использовать специально изготовленный источник высокого напряжения. Такой источник может быть сложным, дорогостоящим и громоздким в связи с большими размерами компонентов, обеспечивающих возможность работы с высокими напряжениями и управления ими.

Другой недостаток таких электронных пушек с плазменным катодом состоит в сложности изготовления источника питания для постоянноточного возбуждения плазмы с высокой скоростью нарастания сигнала, вызванной необходимостью зарядки и разрядки емкости кабелей и плазменной камеры. Это приводит к ограничению минимальной длительности каждого из импульсов пучка, а также времени изменения мощности пучка, причем характерные значения составляют не менее 35 микросекунд. Данное ограничение нежелательно, так как многие приложения в области обработки материалов требуют возможности более точного управления пучком частиц. Один из подходов к решению этой проблемы состоит в установке перед плазменным источником сеточного электрода (так называемая конструкция триодной электронной пушки). Сеточный электрод регулирует напряженность электрического поля на поверхности плазмы, что обеспечивает возможность регулирования испускания электронов, причем существует возможность сравнительно быстрого контроля и подстройки потенциала на нем. Такая конструкция может быть использована для формирования импульсного выходного пучка при непрерывном генерировании самой плазмы. Однако использование сеточных электродов обычно приводит к снижению качества пучка, так как они вызывают электронно-оптические аберрации. Кроме того, использование сеточных электродов усложняет конструкцию электронной пушки, источников питания и системы управления.

Другой пример плазменного источника описан в статье «High current, low pressure plasma cathode electron gun» авторов Goebel и Watkins Review of Scientific Instruments, 71, 388-398 (2000)). В данной конструкции генерирование плазмы происходит в результате термоэлектронной эмиссии электронов из горячей нити, помещенной в статический газ при крайне низком давлении. Однако данное решение также обладает сходными недостатками, связанными с минимальным временем, требуемым для создания на нити напряжения, достаточного для образования плазменного разряда, а также сложностью конфигурации источников питания. Кроме того, применение горячей нити связано с вышеописанными недостатками известных термоэлектронных излучателей.

Раскрытие изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается плазменный источник для генерирования пучка заряженных частиц, содержащий:

плазменную камеру, оборудованную впускным патрубком для впуска газа и отверстием для вывода заряженных частиц из плазменной камеры;

радиочастотный модуль генерирования плазмы для генерирования плазмы внутри плазменной камеры, причем радиочастотный модуль генерирования плазмы содержит первый и второй резонансные контуры, каждый из которых настроен на, по существу, одну и ту же резонансную частоту, причем первый резонансный контур содержит первую антенну и первый, радиочастотный, источник питания, выполненный с возможностью приведения первого резонансного контура в действие на частоте, по существу, равной его резонансной частоте, а второй резонансный контур содержит вторую антенну, причем в рабочем режиме первый резонансный контур индуцирует во второй антенне радиочастотный сигнал благодаря наличию между ними резонансной связи, причем второй резонансный контур выполнен с возможностью подачи индуцированного радиочастотного сигнала в плазменную камеру для генерирования в ней плазмы; и

модуль ускорения частиц для вывода заряженных частиц из плазмы и ускорения заряженных частиц для формирования пучка, причем модуль ускорения частиц содержит второй источник питания, выполненный с возможностью создания разности потенциалов между плазменной камерой и ускоряющим электродом, причем область, расположенная между плазменной камерой и ускоряющим электродом, образует ускорительную колонну;

причем второй источник питания выполнен с возможностью вывода напряжения, высокого по сравнению с выходным сигналом первого, радиочастотного, источника питания.

В соответствии с изобретением также предлагается способ генерирования пучка заряженных частиц, включающий в себя этапы, на которых:

впускают газ в плазменную камеру, причем плазменная камера оборудована впускным патрубком для впуска газа и отверстием для вывода заряженных частиц из плазменной камеры;

генерируют плазму внутри плазменной камеры при помощи радиочастотного модуля генерирования плазмы, содержащего первый и второй резонансные контуры, каждый из которых настроен на, по существу, одну и ту же резонансную частоту, причем первый и второй резонансные контуры содержат первую и вторую антенны, соответственно, причем первый, радиочастотный, источник питания, используют для приведения первого резонансного контура в действие на частоте, по существу, равной его резонансной частоте, а второй резонансный контур содержит вторую антенну, причем в рабочем режиме первый резонансный контур индуцирует во второй антенне радиочастотный сигнал благодаря наличию между ними резонансной связи, а второй резонансный контур подает индуцированный радиочастотный сигнал в плазменную камеру для генерирования в ней плазмы; и

выводят заряженные частицы из плазмы и ускоряют заряженные частицы для формирования пучка, используя второй источник питания для создания разности потенциалов между плазменной камерой и ускоряющим электродом, причем область, расположенная между плазменной камерой и ускоряющим электродом, образует ускорительную колонну;

причем напряжение выходного сигнала второго источника питания представляет собой высокое напряжение по сравнению с напряжением выходного сигнала первого, радиочастотного, источника питания.

Генерирование плазмы при помощи радиочастотного возбуждения обеспечивает возможность чрезвычайно быстрого изменения параметров плазмы (в том числе зажигания и затухания плазмы) по сравнению с постоянноточными системами генерирования плазмы. Это связано с принципиально меньшим количеством энергии, накапливаемой в контуре, и с хорошо известными широкими возможностями модулирования радиочастотных сигналов при помощи соответствующего контроллера. Таким образом, включение и выключение плазмы может быть осуществлено чрезвычайно быстро, например, в течение менее чем 1 микросекунды. Было показано, что пульсирование пучка на таком временном масштабе чрезвычайно предпочтительно с точки зрения управления подачей тепла при сварке, механической обработке и других процессах. Такое короткое время реакции выгодно и с точки зрения управления другими этапами технологического процесса, например, изменения мощности пучка (например, путем модулирования амплитуды радиочастотного сигнала), что может быть использовано, например, при сканировании для формирования электронного изображения заготовки (как более подробно описано ниже). Возможность управления состоянием плазмы на столь коротком временном масштабе устраняет необходимость в использовании сеточного электрода, в результате чего источник может быть выполнен в виде диодной электронной пушки, что позволяет получать пучки частиц высокой однородности.

Кроме того, предлагаемые устройства и способы устраняют существовавшую в известных решениях необходимость использования специально изготовленного источника высокого напряжения, сложность которого была бы еще более увеличена при необходимости выработки радиочастотного (а не постоянного) высоковольтного сигнала. Вместо этого для радиочастотного возбуждения используют сравнительно низковольтный (первый) источник питания, индуктивно связанный с плазменной камерой при помощи первого и второго резонансных контуров. В связи с этим первый радиочастотный источник питания может представлять собой стандартный, обычный радиочастотный источник питания, например, имеющийся в продаже радиочастотный генератор низкой мощности (например, 50 Вт). Такие компоненты сравнительно недороги и не громоздки. Высокое напряжение, требуемое для ускорения частиц, поступает от отдельного, второго источника питания, который создает разность потенциалов между плазменной камерой и ускоряющим электродом. Поскольку необходим всего один (как правило, постоянный) высоковольтный выходной сигнал, данный компонент также может быть осуществлен в виде стандартного, широко доступного высоковольтного источника питания. Высокое напряжение изолировано от первого низковольтного источника питания благодаря индуктивному характеру связи между первым и вторым резонансными контурами. В связи с этим первый резонансный контур может работать при потенциале, близком к потенциалу земли.

В целом, предлагаемая конструкция позволяет использовать два обычных источника питания, тем самым снижая стоимость и сложность по сравнению с известными конструкциями, требующими использования особых, специально изготовленных источников.

Следует отметить, что термины «высокое» и «низкое» в приложении к напряжению выходных сигналов первого и второго источников питания обозначают абсолютное значение их амплитуды, а не их знак (+ или -).

Дополнительное преимущество предлагаемых устройств и способов состоит в том, что физические соединения между двумя источниками питания и оборудованием, содержащим плазменную камеру и ускорительную колонну, могут быть выполнены в виде более гибких кабелей, чем в других источниках пучков частиц. Это повышает маневренность электронной пушки, что особенно важно в случае встроенных электронных пушек и электронных пушек со скользящим уплотнением. Увеличение гибкости связано с устранением необходимости использования многожильных высоковольтных кабелей, требуемых в случае вывода одной или нескольких высоковольтных линий из одного высоковольтного источника. В предлагаемом устройстве одножильный (и, следовательно, обладающий высокой гибкостью) кабель может быть использован для подачи потенциала, поступающего от второго (высоковольтного) источника питания, на ускорительную колонну, а еще один отдельный радиочастотный коаксиальный кабель может быть подведен от первого (низковольтного) источника питания для генерирования плазмы. Таким образом, использование громоздких многожильных высоковольтных кабелей крупного диаметра не требуется.

Как указано выше, индуктивная связь между первым и вторым резонансными контурами обеспечивает изоляцию первого источника питания от ускоряющего высокого напряжения. Электрическая изоляция между двумя контурами может быть обеспечена разными методами, однако в предпочтительных примерах осуществления такую изоляцию обеспечивают, по меньшей мере, частично при помощи вакуума, существующего внутри электронной пушки (ускорительную колонну в рабочем режиме вакуумируют для обеспечения возможности формирования пучка заряженных частиц, как и в известных решениях). В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения по меньшей мере плазменная камера, ускорительная колонна и вторая антенна расположены внутри корпуса, причем источник дополнительно содержит насос для вакуумирования корпуса, который, по существу, обеспечивает электрическую изоляцию второй антенны от первой антенны в рабочем режиме. Первая антенна может быть расположена вне корпуса и быть связана со второй антенной удаленно. В таком случае корпус может быть непроводящим и вносить свой вклад в электроизоляцию.

Однако в соответствии с особо предпочтительным вариантом осуществления изобретения по меньшей мере плазменная камера, ускорительная колонна, первая антенна и вторая антенна расположены внутри корпуса, причем источник дополнительно содержит насос для вакуумирования корпуса для обеспечения, по существу, взаимной электрической изоляции первой и второй антенн в рабочем режиме. Таким образом, первая и вторая антенны, по существу, образуют первичную и вторичную обмотки трансформатора с вакуумным сердечником (который может обеспечивать или не обеспечивать усиление сигнала). Размещение обеих антенн внутри корпуса позволяет получить особенно компактную конструкцию, причем антенны могут быть жестко закреплены одна относительно другой, что оптимизирует передачу энергии между ними. Одна из антенн предпочтительно расположена внутри другой, причем обе антенны имеют общую продольную ось.

Использование вакуума, имеющегося внутри электронной пушки, для изоляции антенн обладает тем преимуществом, что исключает повреждение изолятора (вакуума) в случае неисправности, а поскольку обеспечение вакуума необходимо для ускорительной колонны, его использование для обеспечения электроизоляции не требует применения какого-либо дополнительного оборудования. Однако в альтернативных вариантах осуществления между первой второй антеннами может быть предусмотрен электроизолирующий материал, обеспечивающий их взаимную изоляцию. Например, для этого может быть использована эпоксидная смола или масло.

Первый, радиочастотный, источник питания в оптимальном варианте представляет собой низковольтны источник, выполненный с возможностью вывода сигнала с амплитудой мощности до 300 Вт, предпочтительно до 100 Вт, более предпочтительно до 50 Вт. Таким образом, может быть использован имеющийся в продаже радиочастотный генератор с разъемом для стандартного коаксиального кабеля. В особо предпочтительных вариантах осуществления один из концов первой антенны в составе первого резонансного контура имеет потенциал земли. Например, один из концов антенны может быть физически заземлен на стенке колонны электронной пушки. Однако заземление антенны не является необходимым.

В предпочтительном варианте осуществления источник дополнительно содержит контроллер для модулирования радиочастотного выходного сигнала первого источника питания. Он может быть использован для включения и выключения плазмы путем соответствующего модулирования радиочастотного сигнала с коротким временем реакции или для изменения мощности пучка, например, путем модулирования амплитуды радиочастотного сигнала. В предпочтительном варианте осуществления контроллер дополнительно выполнен с возможностью изменения амплитуды радиочастотного сигнала между первой амплитудой, при которой мощность генерируемого пучка обеспечивает возможность обработки материалов, и второй амплитудой, при которой мощность генерируемого пучка обеспечивает возможность получения изображения заготовки, причем первая амплитуда превышает вторую амплитуду.

В оптимальном варианте осуществления второй источник питания выполнен с возможностью вывода сигнала постоянного тока, предпочтительно имеющего напряжение в диапазоне от 10 кВ до 200 кВ, более предпочтительно от 25 кВ до 175 кВ, еще более предпочтительно от 60 кВ до 150 кВ. Напряжение выходного сигнала определяет ускорение заряженных частиц, выводимых из плазменной камеры, и, следовательно, его величину подбирают в соответствии с энергией пучка, требуемой для каждого конкретного приложения. Если заряженные частицы представляют собой электроны, второй источник питания, как правило, используют в режиме подачи на плазменную камеру высокого отрицательного напряжения (например, -60 кВ) при заземленном ускоряющем электроде, в результате чего между плазменной камерой и ускоряющим электродом получают положительный градиент напряжения для вывода электронов из плазмы и их ускорения.

В оптимальном варианте осуществления второй источник питания может представлять собой импульсный источник питания, предпочтительно выполненный с возможностью вывода импульсов мощности длительностью 10 микросекунд или менее. Каждый из импульсов мощности создает краткий ускоряющий потенциал и, следовательно, импульс пучка заряженных частиц. Такой метод управления может быть использован вместо модулирования радиочастотного сигнала иди в дополнение к нему.

Напряжение второго источника питания предпочтительно превышает напряжение первого, радиочастотного, источника питания (по амплитуде) по меньшей мере в 100 раз, предпочтительно по меньшей мере в 1000 раз. Второй источник питания предпочтительно представляет собой постоянноточный источник питания.

В оптимальном варианте осуществления каждый из первого и второго резонансных контуров содержит набор параллельных LC- или RLC-контуров (где L = индуктивность, C = емкость, R = сопротивление), причем первая и вторая антенны образуют индукторы первого и второго резонансных контуров, соответственно. В особо предпочтительном варианте осуществления второй резонансный контур содержит конденсатор, параллельно присоединенный непосредственно ко второй антенне.

Первая и/или вторая антенны могут иметь любую требуемую форму, включая многовитковые катушки, петли квадратной или другой формы, а также линейные элементы, необходимые для получения требуемых значений индуктивности. Однако в предпочтительных вариантах осуществления первая и/или вторая антенны содержат один виток каждая. Например, вторая антенна может представлять собой медное или алюминиевое кольцо с радиальным разрывом, в который может быть вставлен конденсатор для образования LC-контура.

Индуктивная связь между первым и вторым резонансными контурами может не вызывать какого либо изменения (повышении или понижения) индуцированного напряжения (или силы тока) по сравнению с параметрами выходного сигнала первого источника питания. Однако в зависимости от того, как плазменная камера соединена со вторым резонансным контуром, может быть желательная соответствующая подстройка параметров сигнала. Например, если контур выполнен с возможностью непосредственного приложения индуцированного сигнала к плазменной камере, желательно более высокое напряжение, в связи с чем второй резонансный контур предпочтительно имеет коэффициент добротности (Q), достаточно высокий для того, чтобы напряжение индуцированного радиочастотного сигнала было выше напряжения выходного сигнала первого, радиочастотного, источника питания. Например, амплитуда напряжения индуцированного радиочастотного сигнала может составлять от 1 кВ до 10 кВ, предпочтительно от 1 кВ до 5 кВ. Однако если контур выполнен с возможностью индуцирования плазмы внутри камеры (например, при помощи обмотки, окружающей камеру), необходим высокий ток, и компоненты контура должны быть подобраны так, чтобы обеспечить получение высокого вторичного тока. В предпочтительных вариантах осуществления коэффициент добротности второго резонансного контура составляет по меньшей мере 500, более предпочтительно по меньшей мере 750. Такое положение может быть обеспечено конструкцией контура и подбором соответствующих значений L, С (и R) контура. Первый резонансный контур предпочтительно согласован по импедансу с первым, радиочастотным, источником питания на резонансной частоте в соответствии с известными технологиями, что само по себе приводит к обеспечению высокого коэффициента добротности первого контура.

Первый и второй резонансные контуры могут быть настроены на любую резонансную частоту, соответствующую частоте первого, радиочастотного, источника питания, путем соответствующего подбора компонентов. Однако в предпочтительных вариантах осуществления индуктивность и емкость первого и второго резонансных контуров подбирают так, чтобы резонансная частота каждого из резонансных контуров лежала в диапазоне от 1 МГц до 160 МГц, предпочтительно от 27 МГц до 100 МГц, а наиболее предпочтительно составляла около 84 МГц.

Как уже было указано, индуцированный радиочастотный сигнал может быть приложен к плазменной камере несколькими разными методами. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления второй резонансный контур выполнен с возможностью приложения индуцированного радиочастотного сигнала к плазменной камере между электродами, находящимися в контакте с внутренней частью камеры, причем данные электроды предпочтительно образованы электропроводящими участками стенок, образующих плазменную камеру, разделенными электроизолирующими участками тех же стенок. В соответствии с особо предпочтительным вариантом осуществления плазменная камера образована боковой стенкой, выполненной из электроизолирующего материала, верхней стенкой, выполненной из электропроводящего материала и содержащей впускной патрубок для ввода газа внутрь камеры, и диафрагмой, выполненной из электропроводящего материала и содержащей отверстие для вывода заряженных частиц из камеры, причем второй резонансный контур выполнен с возможностью приложения индуцированного радиочастотного сигнала между верхней стенкой и диафрагмой. Таким образом, плазменная камера образует составную часть второго резонансного контура, причем изолирующий материал предпочтительно содержит диэлектрик (например, нитрид бора или керамический материал на основе оксида алюминия), в результате чего плазменная камера вносит свой вклад в емкость второго резонансного контура. При зажигании плазмы внутри камеры нагрузка вторичного контура возрастает, что приводит к снижению коэффициента добротности контура и уменьшению напряжения на плазме, но обеспечивает наличие более высокого тока для поддержания плазмы.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления второй резонансный контур может быть выполнен с возможностью приложения индуцированного радиочастотного сигнала к плазменной камере через катушку индуктивности, расположенную вокруг плазменной камере. В таком случае стенки камеры предпочтительно выполнены из непроводящего материала или по меньшей мере содержат разрыв проводящего покрытия во избежание индуцирования вихревых токов, способных нейтрализовать магнитное поле катушки индуктивности.

Модуль ускорения частиц предпочтительно выполнен с возможностью приложения ускоряющего напряжения между диафрагмой, выполненной из электропроводящего материала, в которой предусмотрено отверстие для вывода заряженных частиц, и ускоряющим электродом, тем самым образуя диодный ускоритель. Как описано выше, такая конфигурация позволяет получить пучок высокой однородности. Однако при необходимости обеспечения дополнительных возможностей управления пучком источник может дополнительно содержать сеточный электрод, расположенный в ускорительной колонне между диафрагмой и ускоряющим электродом, и модуль для приложения к сеточному электроду сеточного напряжения для корректировки пучка частиц, тем самым образуя триодный ускоритель. Как уже было отмечено, источник может быть использован для формирования пучков из заряженных частиц любого типа, включая (положительно заряженные) ионы. Однако в предпочтительном варианте заряженные частицы, выводимые из плазмы, представляют собой электроны, а ускоряющий электрод представляет собой анод, предпочтительно имеющий потенциал земли или близкий к нему.

В оптимальном варианте осуществления источник дополнительно содержит модуль магнитной ловушки для удержания плазмы внутри плазменной камеры. Это обеспечивает повышение качества плазмы благодаря увеличению числа столкновений между частицами, тем самым увеличивая интенсивность генерируемого пучка. В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления модуль магнитной ловушки содержит один или несколько постоянных магнитов или электромагнитов, расположенных вдоль радиальной периферии плазменной камере и выполненных с возможностью формирования аксиального магнитного поля внутри плазменной камеры. Например такие магниты могут образовывать конфигурацию ловушки Пеннинга. Использование электромагнитных средств обладает дополнительным преимуществом, связанным с тем, что источник питания электромагнита (т.е. стандартный третий источник питания) легко может быть включен или выключен, что обеспечивает дополнительные возможности управления состоянием плазмы. Например, электромагнит может быть использован для обеспечения испускания коротких импульсов пучка путем регулирования интенсивности плазмы. Магнитное поле предпочтительно имеет индуктивность магнитного поля, составляющую приблизительно от 0,01 до 0,1 Тесла.

Длительность существования плазмы представляет собой еще один фактор, способный повлиять на минимальную длительность импульса пучка. В воздухе при атмосферном давлении плазма может существовать лишь в течение чрезвычайно короткого периода времени (например, 20 не) в связи с быстрой рекомбинацией ионизированных частиц с молекулами окружающего газа. Однако в вакууме (или при крайне низком давлении), например, в условиях плазменной камеры, время существования плазмы возрастает до нескольких миллисекунд. Это приводит к возникновению задержки между отключением радиочастотного сигнала (или снижением интенсивности плазмы) и собственно затуханием плазмы (и, следовательно, испускаемого пучка), что порождает ограничение на достижимую минимальную длительность импульса. Стенки плазменной камеры предпочтительно используют для минимизации времени существования плазмы путем обеспечения высокой частоты соударений ионов со стенками камеры, что приводит к быстрой потере ими заряда и затуханию плазмы при прекращении возбуждения. Для этого диаметр камеры (т.е. ее средний поперечный размер: строго циркулярная форма камеры не является необходимой) должен быть меньше средней длины пробега ионов.

Длина пробега ионов зависит от типа газа (поскольку ионы более тяжелых газов имеют больший импульс и, следовательно, более прямую траекторию движения несмотря на воздействие силы Лоренца, порождаемой магнитным полем, чем ионы более легких газов), а также от величины магнитного поля (которая влияет на величину силы Лоренца). Например, если используемый газ представляет собой гелий, а индукция магнитного поля составляет приблизительно от 0,01 до 0,1 Тл, было показано, что диаметр плазменной камеры, приблизительно равный от 2 до 3 мм, способствует сокращению времени существования плазмы. В более общем случае плазменная камера предпочтительно имеет диаметр 12 мм или менее, предпочтительно от 1 до 5 мм, более предпочтительно от 2 до 3 мм. Такие размеры также обладают теми же преимуществами при использовании более тяжелых газов и/или более слабого магнитного поля, т.к. оба этих фактора приводят к увеличению длины пробега ионов. В то же время, в случае увеличения длины пробега может быть целесообразно использовать камеру меньших размеров.

Комбинацию типа газа, размеров плазменной камеры и индуктивности магнитного поля в случае его использования предпочтительно подбирают так, чтобы время существования плазмы в камере после прекращения радиочастотного возбуждения составляло менее 10 микросекунд, предпочтительно менее 1 микросекунды.

Отверстие для вывода заряженных частиц предпочтительно предусмотрено в диафрагме, содержащей ферромагнитный материал, предпочтительно сталь или мягкое железо. Это обеспечивает возможность экранирования любого магнитного поля, существующего внутри плазменной камеры, от ускорительной колонны во избежание его влияния на форму пучка.

Размер отверстия имеет важное значение, поскольку важно по существу полностью исключить попадание газа или плазмы в ускорительную колонну, которое может привести к возникновению разрядов между плазменной камерой и ускоряющим электродом. Соответствующие размеры отверстий зависят от типа используемого газа и параметров плазмы, однако в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления отверстие для вывода заряженных частиц имеет диаметр 2 мм или менее, предпочтительно от 0,1 до 1 мм, наиболее предпочтительно около 0,5 мм.

Поступление газа в плазменную камеру может быть обеспечено с использованием любых соответствующих систем подачи газа, однако в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления впускной патрубок для впуска газа содержит клапан для управления впуском газа в плазменную камеру, предпочтительно представляющий собой игольчатый клапан. Такая конструкция позволяет обеспечить устойчивый низкий расход газа, подаваемого в плазменную камеру. В рабочем режиме происходит утечка частиц из плазменной камеры через отверстие, а кроме того одновременно может происходить вывод заряженных частиц из камеры. Поэтому расход через впускной патрубок и через отверстие предпочтительно устанавливают таким образом, чтобы давление в камере оставалось, по существу, постоянным. В соответствии с альтернативным вариантом осуществления подача газа в плазменную камеру может быть обеспечена из периодически заменяемого локального газового резервуара. Для управления расходом газа из такого резервуара предпочтительно предусматривают клапан, например, игольчатый или подобный ему. Резервуар может представлять собой, например, баллон со сжатым газом или пропитанный газом материал.

Плазменные источники по настоящему изобретению выполнены с возможностью особенно эффективного использования в приложениях, связанных с обработкой материалов, а которых материал (в том числе газообразный материал) изменяют путем воздействия на него пучком заряженных частиц. В связи с этим в соответствии с настоящим изобретением дополнительно предлагается оборудование для обработки материалов, содержащее вышеописанный плазменный источник.

В число частных примеров такого оборудования входят:

- оборудование для сварки электронным пучком, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность сварки материалов;

- оборудование для нанесения добавочного слоя, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность обработки порошкообразных материалов, предпочтительно их сплавления;

- сверлильное оборудование, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность сверления заготовок;

- оборудование для отверждения, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность отверждения заготовок;

- режущее оборудование, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность резки материалов;

- оборудование для плавления или испарения, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность плавления и/или испарения материалов;

- оборудование для обработки газов, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность обработки газообразных веществ, предпочтительно газов сгорания; или

- оборудование для стерилизации, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность стерилизации твердых или жидких материалов.

В соответствии с изобретением также предлагаются соответствующие способы генерирования пучка заряженных частиц, включающие в себя любые из вышеописанных характеристик. Такие способы могут быть использованы аналогичным образом в методах обработки материалов, в связи с чем в соответствии с изобретением также предлагается способ изменения заготовки при помощи пучка заряженных частиц, генерируемого в соответствии с вышеописанными способами. Пучок заряженных частиц может быть использован (в частности):

- для сварки заготовок;

- для сплавления заготовок, содержащих порошкообразный материал;

- для сверления заготовок;

- для отверждения заготовок;

- для резки заготовок;

- для плавления и/или испарения заготовок;

- для обработки газообразных заготовок, предпочтительно газов сгорания; или

- для стерилизации твердых или жидких веществ.

В соответствии с другим вариантом осуществления возможность быстрого изменения параметров пучка может быть использована для формирования изображения заготовки в процессе ее изменения или обработки. Способ формирования изображения заготовки в процессе изменения заготовки с использованием пучка заряженных частиц, генерируемого вышеописанным образом, предпочтительно включает в себя выполняемые в произвольном порядке этапы, на которых:

пучок заряженных частиц используют для изменения заготовки; и

пучок заряженных частиц используют для формирования изображения заготовки,

причем между данными двумя этапами амплитуду радиочастотного сигнала изменяют с первой амплитуды, при которой пучок заряженных частиц обеспечивает возможность изменения заготовки, на вторую амплитуду, при которой пучок заряженных частиц обеспечивает возможность формирования изображения заготовки, или наоборот, причем первая амплитуда превышает вторую амплитуду.

Краткое описание чертежей

Примеры осуществления плазменных источников и способов генерирования пучков заряженных частиц описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:

На фиг. 1 схематически представлены некоторые из компонентов устройства для генерирования пучка заряженных частиц по первому варианту осуществления изобретения;

На фиг. 2 представлена принципиальная схема устройства для генерирования пучка заряженных частиц по второму варианту осуществления изобретения; и

На фиг. 3 схематически представлено в разрезе устройство для генерирования пучка заряженных частиц по второму варианту осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Нижеследующее описание в основном охватывает примеры устройств и способов для генерирования пучка заряженных частиц, в которых заряженные частицы, составляющие такой пучок, представляют собой электроны, и, следовательно, такое устройство в общем случае может быть отнесено к электронным пушкам. Однако следует отметить, что описываемые устройства и способы легко могут быть применены для генерирования пучков положительно заряженных ионов путем обращения поляризации ускорительной колонны.

На фиг. 1 представлена колонна 1 электронной пушки, представляющая собой часть устройства для генерирования пучков заряженных частиц по первому варианту осуществления изобретения. Колонна электронной пушки содержит зону 9 источника, в которой происходит генерирование заряженных частиц, и ускорительную колонну 11, в которой происходит формирование пучка из заряженных частиц, выведенных из зоны 9 источника. В рабочем режиме пучок P заряженных частиц может быть направлен на заготовку W, например, для сварки, плавления или другого изменения ее материала. Зона 9 источника содержит плазменную камеру 2, в которую через впускной патрубок 6, содержащий в данном случае игольчатый клапан, расположенный в полом электроде 4, подают газ G. Полый электрод 4 образует один край плазменный камеры 2, причем второй ее край образует диафрагма 8, содержащая по меньшей мере одно отверстие 8а, через которое заряженные частицы могут быть выедены из плазменной камеры 2. В описываемом примере полый электрод 4 и диафрагма 8 выполнены из электропроводящих материалов (как правило, металлов) и отделены один от другой изолирующим материалом 2а, например, таким как нитрид бора или оксид алюминия, образующим боковые стенки плазменной камеры. Вместе полый электрод 4, изолятор 2а и диафрагма 8 образуют так называемый «полый катод» (в предположении, что источник предназначен для испускания электронов, а не положительно заряженных ионов).

Как будет более подробно описано ниже, для генерирования плазмы внутри камеры 2 обеспечивают подачу в камеру через впускной патрубок 6 газа (например, гелия, аргона или воздуха) низкого давления. Как правило, подачу газа в электронную пушку осуществляют под умеренным давлением (например, 1 бар), причем игольчатый клапан или другой регулятор ограничивает расход газа так, чтобы обеспечить установление в камере требуемого низкого давления (например, 1 миллибар). Давление газа в плазменной камере 2 постоянно, так как газ выходит из плазменной камеры в ускорительную колонну через отверстие 8а с расходом, по существу, равным расходу газа через игольчатый клапан. Радиочастотный электрический сигнал подают в камеру по линиям (i) и (ii), т.е. между полым электродом 4 и диафрагмой 8. Этот радиочастотный сигнал возбуждает и ионизирует газ, находящийся внутри камеры 2, формируя ионно-электронную плазму. В ускорительной колонне 11 между диафрагмой 8 и ускоряющим электродом 10, расположенным на удалении от плазменной камеры, создают высокое ускоряющее напряжение, подаваемое, соответственно, по линиям (ii) и (iii). Для формирования электронного пучка на ускорительном электроде создают высокий положительный потенциал относительно диафрагмы 8. Электроны выводят из плазмы через отверстие 8а и ускоряют по направлению к ускоряющему электроду 10, после чего они проходят через предусмотренное в нем отверстие 10а, образуя пучок P. В соответствии с известными технологиями между плазменной камерой и ускоряющим электродом и/или между ускоряющим электродом и зоной расположения заготовки могут быть предусмотрены дополнительные элементы формирования пучка, такие как наборы магнитных линз и/или формующие электроды, для корректировки формы генерируемого пучка.

Плазменная камера 2 и ускорительная колонна расположены внутри корпуса 15, который на время эксплуатации вакуумируют при помощи насоса 16 (например, турбомолекулярного насоса) до низкого давления, как правило, составляющего менее 5⋅10^-4 миллибар, во избежание возмущений пучка заряженных частиц атмосферными газами.

В необязательном, но предпочтительном варианте вокруг плазменной камеры 2 предусмотрен кольцевой магнит 12, обеспечивающий магнитное удержание плазмы в пределах камеры. Например, магнит 12 может быть выполнен в конфигурации ловушки Пеннинга, в которой внутри плазменной камеры создают аксиальное магнитное поле (обозначенное стрелкой B). Такое аксиальное поле создает силу Лоренца, воздействующую на движущиеся заряженные частицы, в результате чего они следуют по искривленным траекториям, тем самым обеспечивая удержание частиц внутри камеры. Это также приводит к увеличению числа столкновений между частицами, что вызывает увеличение интенсивности. Магнит 12 может представлять собой постоянный магнит или электромагнит.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема источника заряженных частиц по второму варианту осуществления изобретения. Источник включает в себя электронную пушку 1, которая функционально идентична описанной выше со ссылками на фиг. 1, вследствие чего аналогичные компоненты обозначены одинаковыми ссылочными номерами, а их описание заново не приводится. В данном случае магнит 12 расположен непосредственно над материалом, образующим стенки плазменной камеры, а не непосредственно вокруг него.

Для подачи энергии в плазменную камеру предусмотрен модуль генерирования плазмы, содержащий контуры 21 и 26. Контуры 21 и 26 представляют собой резонансные контуры, в данном случае выполненные в виде параллельных LC-контуров, настроенных на, по существу, одинаковые резонансные частоты путем соответствующего подбора значений их индуктивности и емкости.

Первый резонансный контур 21 содержит радиочастотный источник 22 питания, выходной сигнал которого поступает на первую антенну 23. Параллельно с первой антенной подключен (предпочтительно переменный) конденсатор, причем индуктивность первой антенны обеспечивает образование LC-резонатора. Настройку контура производят путем подбора значений индуктивности и емкости так, чтобы резонансная частота по существу совпадала с частотой выходного сигнала источника 22. В необязательном, но предпочтительном варианте может быть предусмотрен согласующий дроссель 24, обеспечивающий соответствие импеданса антенны 23 импедансу источника 22 питания. В предпочтительном варианте осуществления выходной сигнал источника питания имеет частоту, приблизительно равную 84 МГц, а первый контур 21 настроен на такую же резонансную частоты, хотя в других случаях может быть использован источник с другой частотой (например, 27 МГц, 49 МГц), причем контур настраивают соответствующим образом. В одном из предпочтительных вариантов осуществления индуктивность согласующего дросселя 24 может быть равна приблизительно 600 нГн, индуктивность антенны 23 - приблизительно 235 нГн, а емкость конденсатора 25 - приблизительно 15 пФ. Однако для получения требуемой настройки могут быть использованы и другие комбинации параметров компонентов. Первый источник 22 питания предпочтительно работает вблизи потенциала земли, а один из концов антенны 23 в большинстве предпочтительных вариантов осуществления заземлен, например, путем его физического соединения с корпусом электронной пушки. Величина напряжения выходного сигнала первого источника питания предпочтительно составляет от ±15 В до ±3 кВ в зависимости от конкретного варианта осуществления контура. Источник 22 питания приводит в действие первый контур и вызывает резонанс антенны 23.

Второй резонансный контур 26 также содержит систему индуктивностей и емкостей, содержащую вторую антенну 27 и подключенный параллельно ей конденсатор 28. Поскольку контур 26 соединен с плазменной камерой вышеописанным образом, сама плазменная камера представляет собой емкость в составе этого контура и вносит свой вклад в его суммарную емкость. Значения индуктивности и емкости устанавливают таким образом, что резонансная частота данного контура совпадала с резонансной частотой первого контура, в результате чего получают индуктивную связь между двумя контурами. Например, для получения резонансной частоты, приблизительно равной 84 МГц, суммарная емкость второго контура 26 может быть равна приблизительно 72 пФ, а индуктивность второго контура - приблизительно 50 нГн. В альтернативном варианте емкость может быть равна приблизительно 144 пФ, а индуктивность- приблизительно 25 нГн. В предпочтительном варианте осуществления постоянная емкость конденсатора 28 может быть равна приблизительно 40 пФ, а недостающая емкость может быть обеспечена плазменной камерой в сочетании с паразитной емкостью конструкции. В предпочтительном варианте осуществления предусмотрен элемент 33 (пример осуществления которого описан ниже), при помощи которого индуктивность второй антенны 27 может быть изменена так, чтобы обеспечить требуемую подстройку резонансной частоты второго контура 26. Таким образом, первый контур индуцирует радиочастотный сигнал на вторую антенну 27. Второй контур прилагает индуцированный в нем сигнал между полым катодом 4 по линии (i) и диафрагмой 8 по линии (ii) для генерирования плазмы в плазменной камере.

Для обеспечения эффективной передачи энергии между первым и вторым контурами второй резонансный контур 26 предпочтительно имеет коэффициент добротности (Q) не менее 500, чего также достигают путем подбора соответствующих значений индуктивности и емкости. Коэффициент добротности предпочтительно должен быть достаточно высок для увеличения напряжения радиочастотного сигнала, индуцируемого на антенне 27, по сравнению с выходным сигналом первого радиочастотного источника 22 питания. При этом на конденсаторе 28 предпочтительно генерируют высокое напряжение величиной до 3 кВ.

Ускорение частиц для формирования пучка обеспечивает ускорительный контур 30. Он содержит второй источник 31 питания, который выдает высоковольтный, как правило, постоянный, сигнал для создания высокой разности потенциалов между плазменной камерой и ускоряющим электродом 10. В данном примере на диафрагму 8 подают большой отрицательный потенциал (например, -60 кВ), в то время как ускоряющий электрод заземлен. В других случаях высокое напряжение может быть подано на дополнительный электрод, предусмотренный рядом с диафрагмой 8 (описан ниже). Это обеспечивает вывод электронов из плазмы и их ускорение в направлении ускоряющего электрода с образованием пучка высокой энергии.

Представленная конструкция представляет собой диодную электронную пушку, в которой для ускорения пучка используют всего два электрода (диафрагму 8 и ускоряющий электрод 10). Такое решение предпочтительно, так как оно обеспечивает возможность формирования пучка с высокой однородностью. Однако при необходимости дополнительных возможностей управления пучком в ускорительной колонне вблизи диафрагмы может быть предусмотрен сеточный электрод (не представлен).

Индуктивное соединение между двумя резонансными контурами обеспечивает изоляцию первого контура 21 и первого источника 22 питания от ускоряющего высокого напряжения, вырабатываемого источником 31. Для обеспечения электрической изоляции между двумя антеннами обе антенны размещены в предпочтительных вариантах осуществления внутри корпуса 15, вакуумированного, как было описано выше. Вакуум обеспечивает взаимную изоляцию антенн 23 и 27. В альтернативных вариантах осуществления первая антенна может быть размещена вне корпуса. В других случаях в дополнение к вакуумной изоляции или вместо нее могут быть использованы изоляционные материалы, такие как масло, эпоксидная смола, керамика и т.п.

Осуществленная таким образом передача радиочастотного соединения через индуктивную связь позволяет использовать в качестве источника 22 обычный низковольтный радиочастотный генератор. Аналогичным образом, обычный высоковольтный источник 31 постоянного напряжения может быть использован для выработки ускоряющего высокого напряжения, необходимого для формирования пучка. Это позволяет образовать блок питания из двух обычных, стандартных источников питания и избавляет от необходимости использования многожильных высоковольтных кабелей, так как необходим всего один высоковольтный источник (источник 31). В связи с этим электронная пушка может быть соединена с источниками питания гибкими проводами, что позволяет сохранить ее высокую маневренность.

Электронная пушка, генерирующая плазму с использованием радиочастотного сигнала вышеописанным образом, обладает значительно меньшим временем реакции, чем постоянноточные плазменные и термоэлектронные источники. Управление состоянием плазмы может быть осуществлено, например, путем модуляции радиочастотного сигнала источника, что позволяет получить время реакции порядка 1 микросекунды или менее. Это обеспечивает возможность получения импульсов пучка соответствующей малой длительности, что чрезвычайно выгодно с точки зрения многих практических приложений, так как расширяет возможности управления пучком. Быстрая пульсация пучка такого рода также может быть использована для изменения эффективного уровня мощности пучка: например, пучок, пульсирующий с коэффициентом заполнения, равным 50%, передает заготовке в два раза меньше мощности (и тепла), чем непрерывный пучок равной энергии (ускорения частиц).

Параметры пучка также могут быть изменены путем модуляций амплитуды радиочастотного сигнала, которые изменяют число заряженных частиц в плазме и, следовательно, мощность выводимого пучка со столь же малыми временами реакции. Это может быть использовано, например, для отображения заготовки при помощи электронного пучка: в общем случае пучки низкой мощности могут быть использованы для формирования изображения поверхности заготовки путем сканирования такой поверхности пучком и регистрации отраженных электронов по методике, аналогичной принципу работы электронного микроскопа. Однако пучки высокой мощности, пригодные, например, для сварки, не могут быть использованы для формирования изображений, так как такое сканирование приводит к расплавлению заготовки; кроме того, увеличение мощности пучка приводит к снижению разрешения. Описываемые в настоящей заявке технологии обеспечивают возможность быстрого изменения мощности пучка между разными уровнями при помощи модуляций амплитуды радиочастотного сигнала. Например, мощность сварочного пучка может быть быстро уменьшена так, чтобы обеспечить возможность сканирования поверхности заготовки пучком вышеописанным образом для формирования изображения без расплавления заготовки, с последующим повторным повышением мощности пучка для продолжения сварки. Таким образом, устройство по изобретению может быть использовано, например, для контроля технологического процесса или проверки качества швов в процессе сварки электронным пучком. В соответствии с одним из примеров осуществления мощность пучка в режиме сварки может составлять около 5 кВт, в то время как в режиме формирования изображений его мощность может быть уменьшена до приблизительно 150 Вт.

При необходимости для регулировки параметров пучка в подобных приложениях могут быть использованы как импульсная структура (включая регулировку коэффициента заполнения), так и амплитудная модуляция.

Также было показано, что генерирование электронного пучка при помощи описываемого устройства требует чрезвычайно низкой мощности радиочастотного сигнала. Так, для генерирования пучка с силой тока 35 мА и напряжением 3 кВ в устройстве по фиг.2 был использован источник радиочастотных колебаний мощностью 50 Вт. Это составляет менее 10% мощности, необходимой для нагревания катода термоэлектронного излучателя при генерировании сравнимого электронного пучка. Плазменные источники типа, описываемого Rempe et al., также требуют использования источника питания мощностью около 400 Вт.

Источник 22 радиочастотного сигнала предпочтительно выполнен с возможностью управления им контроллером 22а в соответствии с хорошо известными технологиями. Модулирование радиочастотного сигнала может быть использовано для быстрого изменения радиочастотного сигнала, подаваемого в плазменную камеру, и, следовательно, плазмы, в результате чего могут быть получены короткие, составляющие порядка 1 мкс, значения времени переключения мощности пучка. Дополнительное или альтернативное управление пучком также может быть обеспечено путем регулирования ускоряющего напряжения, подаваемого источником 31 питания, и/или путем корректировки удерживающего магнитного поля, создаваемого магнитом 12, в случае, если последний представляет собой электромагнит. В соответствии с одним из вариантов осуществления источник 31 ускоряющего напряжения может представлять собой импульсный источник питания.

Размеры плазменной камеры предпочтительно подбирают так, чтобы они были меньше средней длины пробега ионов в плазме. Это обеспечивает возможность поддержания короткого времени существования плазмы, так как после прекращения радиочастотного возбуждения оставшиеся ионы быстро приходят в соударения со стенками камеры и теряют заряд. Средняя длина пробега ионов зависит, в частности, от вида используемого газа и величины магнитного поля. Чем крупнее ион газа, тем больше его масса и тем в меньшей степени его траектория может быть искривлена магнитным полем, что приводит к увеличению средней длины пробега. Ослабление магнитного поля также приводит к тому же результату. Было показано, что при индукции В магнитного поля, равной 0,1 Тл, и использовании газообразного гелия хорошие результаты могут быть получены в плазменной камере с диаметром d до 5 мм, предпочтительно от 2 до 3 мм. Высота h плазменной камеры составляет в данном примере около 3 мм. Те же размеры могут быть использованы с более тяжелыми газами (например, аргоном) и/или меньшей индуктивностью магнитного поля. Плазменные камеры меньших размеров могут быть оптимально использованы с более легкими газами и/или более сильными магнитными полями.

Размеры отверстия 8а также имеют существенное значение, так как хотя вывод электронов (или ионов) должен быть произведен через такое отверстие, самопроизвольный выход плазмы через отверстие в ускорительную колонну нежелателен, поскольку он может привести к возникновению разряда между плазменной камерой и ускоряющим электродом. В предпочтительных вариантах осуществления диаметр отверстия 8а составляет 1 мм или менее. Диафрагма 8 предпочтительно изготовлена из ферромагнитного материала, например, железа или мягкой стали, чтобы обеспечить экранирование ускорительной колонны от магнитного поля, образуемого в плазменной камере, которое в противном случае могло бы искажать форму пучка.

На фиг. 3 схематически представлен в разрезе генератор пучка заряженных частиц по третьему варианту осуществления изобретения.

Колонна 1 электронной пушки расположена в корпусе 15, вакуумированном при помощи насоса 16 вышеописанным образом. Корпус заземлен, в результате чего он образует ускоряющий электрод 10, описанный ниже. Внутри корпуса дополнительно размещена первая антенна 23, предпочтительно образованная из монолитного металлического кольца. Вторая антенна 27 также предпочтительно выполнена из металла (например, алюминия или меди) и имеет в данном случае форму единого проводящего кольца с разрывом, расположенного вблизи первой антенны 23. Первая антенна 23 расположена вблизи со второй антенной 27, причем обе антенны размещены приблизительно концентрически.

К одному из концов 27b антенны 27 присоединен элемент 33. В данном примере осуществления элемент 33 содержит диск, установленный на резьбовом стержне (или другой конструкции регулируемой высоты) 29, что позволяет регулировать расстояние между диском и второй антенной 27, тем самым изменяя индуктивность антенны 27 для корректировки настроек контура.

Второй конец 27а антенны 27 соединен (линией (i)) с полым электродом 4 (который может, например, иметь форму проводящего параллелепипеда, содержащего канал для прохождения через него плазменного газа G).

Между двумя концами антенны 27 установлен конденсатор 28.

Наконец, первый конец 27b соединен с формующим электродом 32, прилегающим к диафрагме 27 и окружающим ее. В результате антенна 27 и конденсатор 28 соединены параллельно через плазменную камеру 2 аналогично вышеописанной конфигурации по фиг. 2.

Как показано на фиг. 3, газ G подают через игольчатый клапан 6 в верхнюю часть полого электрода 4, который направляет газ в плазменную камеру 2, заключенную внутри изолирующего блока 2а. Первая антенна 23 индуцирует радиочастотный сигнал во второй антенне 27, как описано выше, и этот сигнал подают в плазменную камеру 2 между полым катодным блоком 4 и диафрагмой 8 для формирования плазмы.

Второй, высоковольтный источник 31 питания создает напряжение между электродом 32 и ускоряющим электродом 10, образованным заземленным корпусом 15, для извлечения электронов из плазмы и образования пучка В. Формующий электрод 32 выполнен с возможностью придания пучку требуемой формы в соответствии с известными технологиями.

В одном из примеров осуществления в качестве первого источника питания, приводящего в действие первый резонансный контур и антенну 23, расположенные внутри колонны электронной пушки, используют радиочастотный источник питания с частотой 84 МГц и потенциалом, близким к потенциалу земли. Вторая антенна 27, настроенная на ту же частоту, принимает радиочастотный сигнал и генерирует радиочастотную волну напряжением до 3 кВ, возникающую в плазменной камере для возбуждения газа и образования плазмы. Корпус электронной пушки, как правило, поддерживают при давлении менее 5⋅10^-4 мбар, а давление газа в плазменной камере поддерживают на уровне менее 1 мбар. К ускоряющему электроду прикладывают ускоряющее высокое напряжение (например, +3 кВ), поступающее от второго источника питания, в результате чего получают электронный пучок с силой тока 25 мА.

В альтернативных вариантах осуществления радиочастотная плазма может быть получена с использованием индукционных технологий, причем второй резонансный контур содержит обмотку, окружающую плазменную камеру, вместо прямого соединения с плазменной камерой.

Плазменные источники описанного типа применимы во многих приложениях, в частности, в области обработки материалов, в которых пучок заряженных частиц используют для изменения материала или заготовки. Соответственно, в предпочтительных вариантах осуществления изобретения такой плазменный источник представляет собой часть оборудования для обработки материалов, такого как оборудование для сварки электронным пучком или оборудование для нанесения добавочных слоев. Пучок заряженных частиц может быть использован для сварки, отверждения, плавки, пайки, испарения, резки или других видов обработки заготовок или материалов. В число конкретных примеров применения входят сплавление порошкообразных материалов при изготовлении добавочных слоев, экстракция или очистка металлов, а также обработка газов сгорания.

1. Плазменный источник для генерирования пучка заряженных частиц, содержащий:

плазменную камеру, оборудованную впускным патрубком для впуска газа и отверстием для вывода заряженных частиц из плазменной камеры;

радиочастотный модуль генерирования плазмы для генерирования плазмы внутри плазменной камеры, причем радиочастотный модуль генерирования плазмы содержит первый и второй резонансные контуры, каждый из которых настроен на, по существу, одну и ту же резонансную частоту, причем первый резонансный контур содержит первую антенну и первый, радиочастотный, источник питания, выполненный с возможностью приведения первого резонансного контура в действие на частоте, по существу, равной его резонансной частоте, а второй резонансный контур содержит вторую антенну, причем в рабочем режиме первый резонансный контур индуцирует во второй антенне радиочастотный сигнал благодаря наличию между ними резонансной связи, причем второй резонансный контур выполнен с возможностью подачи индуцированного радиочастотного сигнала в плазменную камеру для генерирования в ней плазмы; и

модуль ускорения частиц для вывода заряженных частиц из плазмы и ускорения заряженных частиц для формирования пучка, причем модуль ускорения частиц содержит второй источник питания, выполненный с возможностью создания разности потенциалов между плазменной камерой и ускоряющим электродом, причем область, расположенная между плазменной камерой и ускоряющим электродом, образует ускорительную колонну; причем второй источник питания выполнен с возможностью вывода высокого напряжения относительно выходного сигнала первого, радиочастотного, источника питания.

2. Плазменный источник по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере плазменная камера, ускорительная колонна и вторая антенна расположены внутри корпуса, причем плазменный источник дополнительно содержит насос для вакуумирования корпуса для обеспечения, по существу, электрической изоляции второй антенны от первой антенны в рабочем режиме.

3. Плазменный источник по п. 1, отличающийся тем, что первый, радиочастотный, источник питания выполнен с возможностью вывода сигнала с амплитудой мощности до 300 Вт, предпочтительно до 100 Вт, более предпочтительно до 50 Вт.

4. Плазменный источник по п. 1, отличающийся тем, что второй источник питания выполнен с возможностью вывода сигнала постоянного тока, предпочтительно имеющего напряжение в диапазоне от 10 кВ до 200 кВ, более предпочтительно от 25 кВ до 175 кВ, еще более предпочтительно от 60 кВ до 150 кВ.

5. Плазменный источник по п. 1, отличающийся тем, что второй резонансный контур имеет коэффициент добротности, достаточно высокий для того, чтобы напряжение индуцированного радиочастотного сигнала было выше напряжения выходного сигнала первого, радиочастотного, источника питания.

6. Плазменный источник по п. 1, отличающийся тем, что второй резонансный контур выполнен с возможностью приложения индуцированного радиочастотного сигнала к плазменной камере между электродами, находящимися в контакте с внутренней частью камеры, причем данные электроды предпочтительно образованы электропроводящими участками стенок, образующих плазменную камеру, разделенными их электроизолирующим участком.

7. Плазменный источник по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит контроллер для модулирования радиочастотного выходного сигнала первого источника питания.

8. Плазменный источник по п. 7, отличающийся тем, что контроллер дополнительно выполнен с возможностью изменения амплитуды радиочастотного сигнала между первой амплитудой, при которой мощность генерируемого пучка обеспечивает возможность обработки материалов, и второй амплитудой, при которой мощность генерируемого пучка обеспечивает возможность получения изображения заготовки, причем первая амплитуда превышает вторую амплитуду.

9. Оборудование для обработки материалов, отличающееся тем, что содержит плазменный источник по п. 1.

10. Оборудование для обработки материалов по п. 9, отличающееся тем, что оборудование представляет собой одно из:

оборудование для сварки электронным пучком, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность сварки материалов;

оборудование для нанесения добавочного слоя, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность обработки порошкообразных материалов, предпочтительно их сплавления;

оборудование для отверждения, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность отверждения заготовок;

режущее оборудование, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность резки материалов;

оборудование для плавления или испарения, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность плавления и/или испарения материалов;

оборудование для обработки газов, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность обработки газообразных веществ, предпочтительно продуктов сгорания;

оборудование для стерилизации, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность стерилизации твердых или жидких материалов;

сверлильное оборудование, причем пучок заряженных частиц обеспечивает возможность сверления заготовок.

11. Способ генерирования пучка заряженных частиц, включающий в себя этапы, на которых:

впускают газ в плазменную камеру, причем плазменная камера оборудована впускным патрубком для впуска газа и отверстием для вывода заряженных частиц из плазменной камеры;

генерируют плазму внутри плазменной камеры при помощи радиочастотного модуля генерирования плазмы, содержащего первый и второй резонансные контуры, каждый из которых настроен на, по существу, одну и ту же резонансную частоту, причем первый и второй резонансные контуры содержат первую и вторую антенны соответственно, используют первый, радиочастотный, источник питания для приведения первого резонансного контура в действие на частоте, по существу, равной его резонансной частоте таким образом, что первый резонансный контур индуцирует во второй антенне радиочастотный сигнал благодаря наличию между ними резонансной связи, причем второй резонансный контур подает индуцированный радиочастотный сигнал в плазменную камеру для генерирования в ней плазмы; и

выводят заряженные частицы из плазмы и ускоряют заряженные частицы для формирования пучка, используя второй источник питания для создания разности потенциалов между плазменной камерой и ускоряющим электродом,

причем область, расположенная между плазменной камерой и ускоряющим электродом, образует ускорительную колонну;

причем напряжение выходного сигнала второго источника питания представляет собой высокое напряжение по сравнению с напряжением выходного сигнала первого, радиочастотного, источника питания.

12. Способ по п. 11, в котором выходной сигнал первого, радиочастотного, источника питания имеет амплитуду мощности до 300 Вт, предпочтительно до 100 Вт, более предпочтительно до 50 Вт.

13. Способ по п. 11, в котором выходной сигнал второго источника питания представляет собой сигнал постоянного тока, предпочтительно имеющий напряжение в диапазоне от 10 кВ до 200 кВ, более предпочтительно от 25 кВ до 175 кВ, еще более предпочтительно от 60 кВ до 150 кВ.

14. Способ по п. 11, в котором комбинацию типа газа, размеров плазменной камеры и индуктивности магнитного поля, в случае его использования, подбирают так, чтобы время существования плазмы в камере после прекращения радиочастотного возбуждения составляло менее 10 мкс, предпочтительно менее 1 мкс.

15. Способ изменения заготовки при помощи пучка заряженных частиц, генерируемого способом по п. 11.

16. Способ по п. 15, в котором пучок заряженных частиц используют для одного из:

для сварки заготовки.

для сплавления заготовки, причем заготовка содержит порошкообразный материал;

для отверждения заготовки;

для резки заготовки;

для плавления и/или испарения заготовки;

для обработки газообразной заготовки, предпочтительно продуктов сгорания;

для стерилизации твердого или жидкого вещества;

для сверления заготовки.

17. Способ формирования изображения заготовки в процессе изменения заготовки с использованием пучка заряженных частиц, генерируемого способом по п. 11, отличающийся тем, что включает в себя выполняемые в произвольном порядке этапы, на которых:

пучок заряженных частиц используют для изменения заготовки; и

пучок заряженных частиц используют для формирования изображения заготовки,

причем между данными двумя этапами амплитуду радиочастотного сигнала изменяют с первой амплитуды, при которой пучок заряженных частиц обеспечивает возможность изменения заготовки, на вторую амплитуду, при которой пучок заряженных частиц обеспечивает возможность формирования изображения заготовки, или наоборот, причем первая амплитуда превышает вторую амплитуду.