ИНЖЕКТОР ЭЛЕКТРОНОВ С ВЫВОДОМ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В СРЕДУ С ПОВЫШЕННЫМ ДАВЛЕНИЕМ И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ УСТАНОВКА НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 2009 года по МПК H01J37/30 H05H7/08 

Предлагаемая группа изобретений относится к электронике, в частности к устройствам, предназначенным для электронно-лучевой обработки, сварки и пучковой плазмохимической модификации конструкционных материалов в газовой среде и парах металлов при давлении в рабочей камере от 10² Па до 10^-2 Па.

Известен инжектор электронов, входящий с состав электронно-лучевой установки (патент РФ №2192687, МПК: H01J 37/30; С23С 14/30; В23K 15/00, от 29.11.2000 г., опубл. 10.11.2002 г. Бюл. №31, фиг.1, [1]) и содержащий вакуумный корпус, в котором последовательно размещены: установленная в торце триодная электронная пушка, секция транспортировки электронного пучка и формирующая выходящий из вакуумного корпуса электронный пучок фокусирующая магнитная линза с внешним и внутренним двухполюсными наконечниками и наружным магнитопроводом. В секции транспортировки пучка (лучеводе) вдоль его оси установлены юстировочная магнитная линза, заземленная вырезающая диафрагма, стигматор и датчики контроля тока и положения пучка.

Недостатком инжектора [1] является то, что в секции транспортировки электронного пучка, которая одновременно выполняет функцию первого участка системы дифференциальной откачки и имеет длину, значительно превышающую его диаметр, пролетный канал имеет переменное сечение. В зоне расположения вырезающей диафрагмы сечение пролетного канала равно сечению электронного пучка. На участках секции от вырезающей диафрагмы до торца фланца анода триодной пушки с одной стороны и до поверхности полого конусного полюсного наконечника фокусирующей магнитной линзы с другой ее стороны сечение пролетного канала равно миделевому сечению отверстия соответствующего функционального устройства. В связи с этим при установившемся на этом участке среднем давлении поступающий со стороны фокусирующей магнитной линзы газ движется навстречу электронному пучку в переменном от молекулярного до молекулярно-вязкостного режиме, при этом не исключена вероятность возникновения ударных волн (дисков Маха). В пролетном канале переменного сечения ударные волны, расширяясь в радиальном направлении, многократно отражаются от стенок и могут образовывать гибридные волны и зоны повышенного давления. Кроме этого из-за плотной упаковки секции элементами конструкции с развитой внешней поверхностью трудно обеспечить надлежащую откачку газа из области расположения электронно-оптической системы пушки и из секции транспортировки электронного пучка.

При воздействии электронного пучка на газ, давление которого на переднем фронте ударной волны может значительно превышать среднее давление, увеличиваются затраты энергии пучка на нагрев и ионизацию газа, увеличивается поток ионов, бомбардирующих катод и снижающих ресурс его работы. Одновременно растет температура близлежащих стенок секции, увеличивается выделение вредных газов, например углеродосодержащих, которые поступают через анод в электронную пушку. При этом на накаленном катоде образуются химические соединения, снижающие эмиссионные характеристики катода, а на холодных стенках пушки газ конденсируется в виде токопроводящего покрытия, снижающего электрическую прочность изоляции. Кроме этого в газе могут быть пары магнитомягких материалов, которые конденсируются на стенках секции и экранируют электромагнитные поля, создаваемые магнитными линзами. В результате уменьшаются ресурс работы катода электронной пушки, электрическая прочность изоляции, искажается конфигурация магнитных полей, а в целом снижается КПД и надежность работы инжектора [1]. Также недостатком инжектора [1] является то, что размещенные последовательно вдоль оси секции транспортировки электронного пучка юстировочная магнитная линза, стигматор и фокусирующая магнитная линза, корректирующие геометрические размеры сечения пучка, не позволяют осуществлять развертку, отклонение и динамическую подфокусировку электронного пучка. В связи с этим невозможно расширить пределы регулирования удельных энергетических параметров инжектора [1], например плотности мощности или дозы облучения, что ограничивает его функциональные возможности и сужает область применения в технологии.

Известен инжектор электронов, который используется в электронно-лучевых установках (патент РФ №2296038, МПК: В23K 15/06; H01J 37/315, от 15.04.2005 г., опубл. 27.03.2007 г. Бюл. №9, фиг.1 и 2, [2]) и содержит: триодную электронную пушку, анодный фланец которой выполнен в виде цилиндрического стакана; систему транспортировки электронного пучка, которая выполнена в виде корпуса лучевода, сопряженного с цилиндрическим стаканом анодного фланца; систему автономных откачных устройств. При этом в полости цилиндрического стакана анодного фланца между коническими диафрагмами установлена центрирующая магнитная линза, которая отделена дисковой перегородкой с закрепленной на ней одной из конических диафрагм от магнитных линз фокусировки и отклонения, установленных в корпусе лучевода. Полость триодной электронной пушки и ограниченная с торцов коническими диафрагмами полость цилиндрического стакана анодного фланца с функцией первого участка системы дифференциальной откачки сообщаются через соответствующие откачные патрубки с автономными откачными устройствами.

Недостатком инжектора [2] является то, что тракт транспортировки электронного пучка, который включает ограниченный конусными диафрагмами участок цилиндрического стакана анодного фланца и лучевод, имеет большую длину. В зоне расположения магнитных линз фокусировки и отклонения электронного пучка давление значительно выше, чем в электронной пушке, а индукция магнитного поля, созданного системой фокусировки, вначале возрастает до максимума, а затем убывает и далее изменяется по алгоритму, заданному системой отклонения. При воздействии электронного пучка на газ повышенного давления в области действия магнитных полей интенсифицируется процесс ионизации газа, и не исключено развитие пучково-плазменного разряда и генерация СВЧ-энергии. В результате дестабилизируется работа инжектора [2]. Из-за потерь энергии пучка на нагрев и ионизацию газа снижается его КПД. Увеличивается поток ионов, бомбардирующих катод, при этом растет термонапряженность конструкции, снижаются ресурс работы катода и электрическая прочность изоляции. К тому же в инжекторе [2] отсутствует возможность очистки внутренних поверхностей лучевода от конденсата, экранирующего магнитные поля линз. В результате снижается надежность работы инжектора [2]. Кроме этого недостатком является то, что магнитные линзы содержат большое количество газа и не подвергаются высокотемпературной обработке обезгаживания. В связи с этим велика вероятность выделения вредных, например углеродосодержащих, газов, которые попадают в электронную пушку, отравляют катод и снижают электрическую прочность изоляции, а в итоге уменьшается надежность работы инжектора [2] и использующей его электронно-лучевой установки в целом.

Известен инжектор для вывода электронного пучка в атмосферу (патент РФ №967251, МПК: Н01Н 5/02; H01J 29/48, от 11.12.1980 г., опубл. 27.03.1996 г. Бюл. №9 (II ч.), [3]), содержащий: электронную пушку; лучевод, который закреплен на анодном фланце и состоит из телескопической втулки, загерметизированной сильфоном и несущей фокусирующую и отклоняющую катушки, и шлюзовых камер, образованных плитами со встроенными дополнительными линзами для электромагнитной транспортировки пучка и разделенных конусными диафрагмами; газодинамический затвор на выходе устройства. При этом лучевод и шлюзовые камеры выполняют функции участков системы дифференциальной откачки (СДО), разделенных конусными диафрагмами. К лучеводу и шлюзовым камерам через откачные (переходные) патрубки подключены индивидуальные вакуумные насосы.

Недостатком инжектора [3] является то, что в лучеводе и в шлюзовых камерах, образующих систему дифференциальной откачки в виде расположенных вдоль оси и разделенных коническими диафрагмами участков, каждый из которых охвачен магнитной линзой, не исключена вероятность возникновения пучково-плазменного разряда. Это связано с тем, что в инжекторе [3] указанный перепад давления между соседними участками более критического и газ, поступающий со стороны газодинамического затвора, движется со сверхзвуковой скоростью навстречу электронному пучку. При этом на выходе каждой конической диафрагмы газовый поток имеет конфигурацию газодинамической «бочки» с дискообразными зонами повышенного давления (дисками Маха). При одновременном воздействии электрического поля, созданного электронным пучком, и продольного магнитного поля, созданного распределенными вдоль оси магнитными линзами, интенсифицируется ионизация газа, образуется плазма и возбуждаются СВЧ-волны, амплитуда и частота которых зависят от мощности электромагнитных полей и давления газа. В результате увеличиваются потери энергии электронного пучка, поток ионов, бомбардирующих катод, и температура устройства, а в целом снижается КПД и надежность.

Кроме этого недостатком является то, что в инжекторе [3] устройство электромагнитной транспортировки пучка не позволяет осуществлять развертку и отклонение электронного пучка и, как следствие, невозможно расширить пределы регулирования удельных энергетических параметров инжектора [3], например плотности мощности или дозы облучения. К тому же отсутствует возможность очистки стенок СДО от конденсата, экранирующего поля магнитных линз. В связи с этим инжектор [3] имеет ограниченные функциональные возможности и область применения в технологии.

Кроме того, известен инжектор электронов для вывода пучка в атмосферу (патент РФ №1098513, МПК: Н05Н 5/00; H01J 29/48, от 11.01.1982 г., опубл. 27.03.1996 г. Бюл. №9 (II ч.), [4]), содержащий: электронную пушку; устройство для проводки пучка (лучевод), который закреплен на анодном фланце и снабжен управляющими магнитными линзами; выполненный в форме параллелепипеда газодинамический тракт, в центральный цилиндрический канал которого встроены и делят его на участки съемные конусные диафрагмы; газодинамический затвор, который установлен на выходе инжектора. Участки газодинамического тракта посредством отверстий в диафрагмах и переходников на его боковых гранях соединены с индивидуальными вакуумными насосами.

Недостатком инжектора [4] является то, что лучевод с управляющими магнитными линзами, т.е. первый участок системы дифференциальной откачки от анода электронной пушки до первой конусной диафрагмы газодинамического тракта, имеет длину, значительно превышающую длину газодинамической «бочки». На этом участке образуется несколько зон волнообразного движения газа. Давление газа на переднем фронте каждой волны значительно превышает среднее давление в рассматриваемом участке. При указанном в [4] перепаде давления не исключен молекулярно-вязкостный режим движения газа, который движется со сверхзвуковой скоростью навстречу электронному пучку с периодическими ударными волнами. При воздействии электронного пучка на газ, особенно в зонах повышенного давления, увеличиваются потери энергии пучка на нагрев и ионизацию газа, увеличивается поток ионов, бомбардирующих катод. Одновременно увеличиваются термонапряженность и десорбция газов. На накаленном катоде образуют химические соединения, снижающие его эмиссионные характеристики. На холодных стенках пушки некоторые конденсирующиеся газы, например углеродосодержащие, осаждаются в виде токопроводящего покрытия, которое снижает электрическую прочность изоляции. Кроме этого в газе могут быть пары магнитомягких материалов, которые конденсируются на стенках лучевода и экранируют поле магнитных линз. В результате снижается КПД и надежность инжектора [4].

Кроме того, недостатком инжектора [4] является то, что устройство электромагнитной транспортировки пучка не позволяет осуществлять развертку, отклонение и динамическую подфокусировку электронного пучка и, как следствие, невозможно расширить пределы регулирования удельных энергетических параметров инжектора, например плотности мощности или дозы облучения, что ограничивает его функциональные возможности и сужает область применения в технологии.

Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является инжектор электронов с выводом пучка в газовую среду (патент РФ №1340567, МПК: Н05Н 7/00; H01J 29/48, от 02.01.1986 г., опубл. 10.05.1996 г. Бюл. №13, [5]), который содержит: снабженную откачным патрубком вакуумную камеру; триодную электронную пушку, размещенную в вакуумной камере; цилиндрический полый лучевод, соединенный с анодным фланцем электронной пушки; систему дифференциальной откачки с конусными диафрагмами; газодинамический затвор на выходе устройства. На лучеводе размещена, по меньшей мере, одна магнитная линза. При этом СДО размещена в лучеводе, а полость между корпусом СДО и лучеводом разделена перегородками на секторы, соединенные через переходники с индивидуальными вакуумными насосами.

Недостатком инжектора [5] является то, что в лучеводе на участке от анода электронной пушки до большего основания первой конической диафрагмы СДО пролетный канал электронов расположен в области слабого магнитного поля, созданного, по меньшей мере, одной магнитной линзой. При этом давление на этом - первом участке, как правило, на порядок выше, чем в электронной пушке. На втором участке, т.е. в СДО, расположенном между меньшим основанием первой конической диафрагмы и большим основанием второй конической диафрагмы, пролетный канал электронов расположен там, где индукция магнитного поля достигает максимума. При этом давление на этом участке, как правило, на два порядка больше, чем в электронной пушке. На третьем участке лучевода пролетный канал электронов расположен в области убывающего магнитного поля. При этом давление на этом - третьем участке выше, чем на втором. При указанных в [5] перепадах давления в смежных участках СДО газ, поступающий со стороны газодинамического затвора, движется навстречу электронному пучку со сверхзвуковой скоростью, и на выходе из каждой конической диафрагмы СДО газовый поток образует газодинамическую «бочку», виртуальное дно которой образовано слоем газа повышенного давления - диском Маха. При воздействии электронного пучка на газ, особенно в слое газа повышенного давления, в области сильного магнитного поля, т.е. на втором участке СДО, интенсифицируется процесс ионизации газа, и не исключено развитие пучково-плазменного разряда и генерация СВЧ-энергии. В результате дестабилизируется работа инжектора [5]. Из-за потерь энергии пучка на нагрев и ионизацию газа снижается КПД. Увеличиваются поток ионов, бомбардирующих катод, термонапряженность конструкции и снижаются ресурс работы катода и электрическая прочность изоляции. В результате снижается надежность работы инжектора [5].

Кроме этого недостатком инжектора [5] является то, что для обеспечения заданных энергетических параметров магнитной линзы, которые пропорциональны энергии электронного пучка и ее геометрическим размерам, требуется повышенная мощность. К тому же в указанном инжекторе отсутствует возможность очистки внутренних поверхностей лучевода и СДО от конденсата, экранирующего поле магнитной линзы. В результате снижается надежность.

Также недостатком является то, что в инжекторе [5] устройство электромагнитной транспортировки пучка не позволяет осуществлять развертку, отклонение электронного пучка и, как следствие, невозможно расширить пределы регулирования удельных энергетических параметров описанного инжектора, например плотности мощности или дозы облучения, что ограничивает его функциональные возможности и сужает область применения в технологии.

Известна электронно-лучевая установка (патент РФ №2192687, МПК: Н01J 37/30; С23С 14/30; В23K 15/00, от 29.11.2000 г., опубл. 10.11.2002 г. Бюл. №31, фиг.2 и 3, [6]), содержащая: инжектор, который выполнен согласно [1] в вакуумном корпусе с откачным патрубком; рабочую камеру, которая снабжена координатным столом и выполнена с откачным патрубком; систему дифференциальной откачки. При этом вход рабочей камеры сопряжен с выходом вакуумного корпуса инжектора через систему дифференциальной откачки, которая совмещена с рабочей камерой и содержит на входе образованную внешней частью корпуса рабочей камеры и внешним полюсным наконечником магнитной линзы инжектора промежуточную камеру с индивидуальным откачным патрубком.

Помимо указанных выше недостатков используемого в электроннолучевой установки [6] инжектора [1], которые влияют на КПД и надежность всей установки в целом, недостатком установки [6] также является наличие потерь электронов пучка в рабочей камере, т.к. в ней не предусмотрено использование рассеянных, в том числе отраженных, электронов пучка. Учитывая, что потери энергии пучка на нагрев и ионизацию газа при транспортировке в среде повышенного давления и неиспользуемая энергия электронов, отраженных от объекта облучения, превышают 30%, КПД установки достаточно невысокий. Кроме этого в рабочую камеру через СДО выводится концентрированный пучок электронов, траектория которого не может быть изменена, т.к. в инжекторе [1] отсутствует система отклонения и развертки пучка. В связи с этим ограничены возможности регулирования удельных энергетических параметров (плотности мощности или дозы облучения). Недостатком электронно-лучевой установки [6] является также и то, что конструкция рабочей камеры не позволяет контролировать выходные параметры пучка, регулировать режимы работы установки в целом, напускать рабочий газ (смесь газов), эффективно использовать энергию электронного пучка для создания плазмы в области воздействия на объект облучения и реализовать в среде рабочего газа повышенного давления плазмохимические технологические процессы. В результате область технологического применения электронно-лучевой установки [6] ограничена.

Наиболее близкой по технической сущности и выбранной в качестве прототипа является электронно-лучевая установка (патент РФ №2296038, МПК: В23K 15/06; H01J 37/315, от 15.04.2005 г., опубл. 27.03.2007 г. Бюл. №9, фиг.2, [7]), содержащая: инжектор электронов, который выполнен согласно [2]; вакуумный корпус (рабочую камеру) с откачным патрубком и координатным столом. При этом корпус лучевода инжектора с фокусирующей и отклоняющей магнитными линзами расположен в рабочей камере.

Аналогично с установкой [6] недостатком электронно-лучевой установки [7] является то, что конструкцией рабочей камеры не предусмотрено использование рассеянных, в том числе отраженных, электронов пучка. Учитывая, что потери энергии пучка на нагрев и ионизацию газа при транспортировке в среде повышенного давления, а также неиспользуемая энергия электронов, отраженных от объекта облучения, превышают 30%, КПД установки [7] невысок. С учетом отмеченных выше недостатков инжектора [2] и отсутствия возможности напускать и регулировать давление газа в рабочей камере область технологического применения установки [7] достаточно ограничена.

В основу предлагаемой группы технических решений положена задача создания конструкций инжектора электронов и использующей его электронно-лучевой установки, позволяющих одновременно:

- уменьшить потери энергии пучка электронов в лучеводе инжектора, связанные с ионизацией газа встречной сверхзвуковой струи, что увеличит полезную мощность пучка, выведенного в среду с повышенным давлением рабочей камеры установки;

- уменьшить поток ионов, бомбардирующих элементы ЭОС пушки, в частности ее катод, и влияющих на теплонапряженность и формоустойчивость ЭОС;

- обеспечить возможность периодической очистки лучевода в зонах расположения систем фокусировки, развертки и отклонения от напиленного магнитопроводящего покрытия, экранирующего эти системы;

- обеспечить эффективное использование энергии вторичных электронов в технологических процессах, в том числе плазмохимических, в контроле параметров пучка инжектора, параметров систем фокусировки, отклонения и развертки пучка электронов и технологических параметров установки, а также управление ими.

Техническим результатом от реализации и использования предлагаемой группы устройств является:

- повышение надежности инжектора и электронно-лучевой установки в целом за счет повышения ресурса катода и электрической прочности изоляции электронной пушки, устранения возможности экранирования систем фокусировки, отклонения и развертки пучка, возможности контроля и регулировки параметров пучка инжектора и технологических параметров электронно-лучевой установки;

- повышение КПД инжектора и электронно-лучевой установки в целом за счет уменьшения тока утечки на стенки лучевода, снижения потерь энергии электронного пучка на нагрев и ионизацию газа при транспортировке в СДО, использования рассеянных (в том числе отраженных) электронов пучка в рабочей камере в целях контроля и регулировки параметров инжектора и установки в целом;

- расширение области применения устройств за счет одновременного регулирования энергетических параметров инжектора и установки при дозированной подачи газа или смеси газов в рабочую камеру.

Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигаются тем, что:

- в предлагаемом инжекторе электронов с выводом электронного пучка в среду с повышенным давлением, содержащем вакуумный корпус, размещенные осесимметрично на оси пролетного канала триодную электронную пушку с датчиком контроля тока пучка, аксиально-симметричную систему фокусировки, систему развертки и отклонения электронного пучка, систему дифференциальной откачки с охватывающими пролетный канал диафрагмами, выполненными в виде усеченных полых конусов и направленными меньшими основаниями в сторону движения электронного пучка, и вакуумный затвор, вакуумный корпус содержит две полые плиты с осевыми сквозными отверстиями, которые сопряжены с их полостями, причем плиты соединены соосно полой проставкой из немагнитного материала, в которой участок в виде полого цилиндра одним концом соосно сопряжен с участком в виде полого конуса по его меньшему основанию, при этом проставка большим основанием участка полого конуса вакуумно-плотно присоединена к первой плите, на которой с противоположного конца ее осевого отверстия установлена электронная пушка, а другим концом участка полого цилиндра - ко второй плите с пристыкованной с противоположного конца ее осевого отверстия втулкой из немагнитного материала, на которой закреплен вакуумный затвор, кроме того, полость первой плиты разделена перегородкой, которая охватывает по посадке скольжения корпус электронной пушки, на соединенные с соответствующими откачными патрубками коллинеарные откачные каналы, а полость второй плиты разделена перегородкой, которая имеет соосное с электронной пушкой сквозное отверстие, на соединенные с соответствующими откачными патрубками коллинеарные откачные каналы, причем диаметры соосных отверстий цилиндрического участка проставки, перегородки второй плиты и втулки равны, на проставке закреплена система фокусировки электронного пучка, а на втулке - система развертки и отклонения электронного пучка, при этом система дифференциальной откачки имеет короткий и длинный полые цилиндры из немагнитного материала, торцы которых соединены друг с другом упругими стойками, причем длинный цилиндр, свободный торец которого плотно прижат к седлу вакуумного затвора, сопряжен по посадке скольжения (с возможностью скольжения) с отверстиями в перегородке второй полой плиты, участке полого цилиндра проставки и втулке, а свободный торец короткого цилиндра плотно прижат к фланцу анода триодной электронной пушки, на котором закреплен датчик контроля тока электронного пучка, кроме того, первая по направлению движения электронного пучка диафрагма системы дифференциальной откачки большим основанием закреплена на коротком цилиндре, а вторая и третья диафрагмы большими основаниями закреплены в ее длинном цилиндре и делят систему дифференциальной откачки на участки, при этом меньшее основание первой диафрагмы расположено в зоне кроссовера электронного пучка, а диаметр отверстия в нем равен диаметру пролетного канала, при этом меньшее основание третьей диафрагмы расположено вне зоны размещения системы развертки и отклонения электронного пучка со стороны электронной пушки, кроме того, на участках длинного полого цилиндра системы дифференциальной откачки, в которых размещены третья и вторая диафрагмы, выполнены радиальные отверстия в зонах сопряжения этих участков с соответствующими коллинеарными откачными каналами второй полой плиты, при этом в корпусе триодной электронной пушки выполнены отверстия в зоне сопряжения ее с одним из коллинеарных откачных каналов первой полой плиты, а другой ее коллинеарный откачной канал сопряжен с областью, которая ограничена по оси пролетного канала фланцем анода триодной электронной пушки и большим основанием второй диафрагмы системы дифференциальной откачки;

- в электронно-лучевой установке, содержащей инжектор электронов с выводом электронного пучка в среду с повышенным давлением и рабочую камеру с откачным патрубком, устройством подачи рабочего газа и соосным с инжектором электронов координатным столом, инжектор электронов выполнен по п.1 формулы изобретения, при этом в рабочей камере, которая одним торцом присоединена к инжектору электронов со стороны вакуумного затвора, над координатным столом размещены и снабжены соответствующими токовводами аксиально-симметричные, соосные с инжектором электронов и электрически изолированные относительно рабочей камеры и друг от друга перфорированная трубка с бортиками на торцах, по меньшей мере часть которой выполнена из магнитомягкого материала, диски с осевыми отверстиями, один из которых расположен между перфорированной трубкой и вакуумным затвором инжектора электронов, а другой диск - между перфорированной трубкой и координатным столом, цилиндрическая кассета, которая выполнена из немагнитного материала и охватывает перфорированную трубку, соленоид, который выполнен с внутренним экраном из немагнитного материала и охватывает цилиндрическую кассету с перфорированной трубкой внутри и диски, кроме того, на координатном столе закреплен и электрически изолирован от него приемник электронов с токовводом, при этом диск между перфорированной трубкой и вакуумным затвором закреплен в рабочей камере на ее торце, который совмещен с торцом инжектора электронов, а диск между перфорированной трубкой и координатным столом, перфорированная трубка, цилиндрическая кассета, соленоид с внутренним экраном, координатный стол и токоввод приемника электронов закреплены в рабочей камере на ее съемном фланце противоположного инжектору электронов торца.

Предложенное выполнение конструктивных элементов вакуумного корпуса инжектора и СДО, позволяющее разместить элементы СДО в тракте транспортировки электронного пучка (лучеводе), обеспечит уменьшение длины лучевода, что снизит ток утечки на его стенках. При этом конструкция лучевода за счет рационального выбора его диаметра и разделения диафрагмами СДО на части малой протяженности, которые сообщаются через коллинеарные откачные каналы в плитах вакуумного корпуса с выполняющими функции ресиверов откачными патрубками, увеличит эффективность откачки. Указанное в совокупности позволит снизить потери энергии пучка и, следовательно, увеличить его полезную мощность. Кроме того, так как диаметр пролетного канала на первом участке СДО определяется диаметром отверстия в меньшем основании первой диафрагмы, а диаметр электронного пучка имеет наименьшее поперечное сечение в зоне кроссовера, то предложенное расположение меньшего основания первой диафрагмы и размер его отверстия обеспечат наибольшее сопротивление движению газового потока со стороны рабочей камеры установки, что позволит уменьшить поток ионов, воздействующих на узлы электронной пушки. Расположение меньшего основания третьей диафрагмы вне зоны размещения системы развертки и отклонения электронного луча, работающей, как правило, на высоких частотах, позволит снизить влияние наведенных магнитных полей в указанной диафрагме на управляющее магнитное поле системы развертки и отклонения. А выполнение частей вакуумного корпуса и СДО из немагнитного материала в зонах размещения систем управления электронным пучком и закрепление цилиндров СДО по посадке скольжения с возможностью очистки от экранирующих систем управления покрытий обеспечит эффективное и надежное управление пучком.

Использование предлагаемого инжектора в электронно-лучевой установке при одновременном снабжении ее рабочей камеры системой соосных с инжектором, аксиально-симметричных, электрически изолированных друг от друга и от рабочей камеры электродов (перфорированная трубка, диски с обеих ее торцевых сторон, кассета), выполненной соответственно и помещенной в магнитное поле размещенного в рабочей камере соленоида, обеспечит возможность использования энергии рассеянных, в том числе отраженных, электронов в технологических процессах. При этом наличие датчика тока пучка на фланце анода пушки в инжекторе и дисков с двух сторон от перфорированной трубки в рабочей камере установки обеспечивает возможность проведения контроля и регулирования параметров пучка и технологических параметров в рабочей камере, что обеспечит надежную работу устройств. Кроме того, рассеянные электроны используются в технологическом процессе для возбуждения и поддержания различных видов разряда в газе или смеси газов, что позволит расширить функциональные возможности установки.

Сравнение заявленной группы устройств с уровнем техники в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемой группы устройств критерию "новизна".

Заявленная группа устройств характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлено схематическое изображение инжектора электронов с выводом электронного пучка в среду с повышенным давлением и использующая его электронно-лучевая установка.

Представленный на чертеже инжектор электронов выполнен с системой дифференциальной откачки, размещенной в тракте транспортировки электронного пучка (лучеводе), и содержит на оси пролетного канала осесимметричные: триодную электронную пушку 1 с катодом 2, управляющим электродом 3 и анодом 4, на фланце которого закреплен датчик 5 контроля тока электронного пучка; аксиально-симметричную систему фокусировки 6 электронного пучка, которая может быть выполнена со стигматором 7; систему развертки и отклонения 8 электронного пучка; систему дифференциальной откачки (СДО), имеющую выполненные из немагнитного материала и с равными внутренними диаметрами D короткий 9 и длинный 10 полые цилиндры, торцы которых соединены друг с другом упругими стойками 11, и диафрагмы 12, 13 и 14, охватывающие пролетный канал и выполненные в виде направленных меньшими основаниями в сторону движения электронного пучка усеченных полых конусов, кроме того, первая по направлению движения электронного пучка диафрагма 12 большим основанием закреплена на коротком цилиндре 9, а вторая и третья диафрагмы 13, 14 большими основаниями закреплены в длинном цилиндре 10 и делят систему дифференциальной откачки на участки, при этом свободный торец короткого цилиндра 9 плотно прижат к фланцу анода 4 триодной электронной пушки 1; вакуумный затвор 15, к седлу 16 которого плотно прижат свободный конец длинного цилиндра 10 системы дифференциальной откачки.

Кроме этого инжектор электронов имеет вакуумный корпус, состоящий из первой 17 и второй 18 плит, которые выполнены полыми и с осевыми сквозными отверстиями, сопряженными с их полостями, при этом плиты 17 и 18 соединены соосно проставкой 19, которая выполнена полой из немагнитного материала и имеет участки в виде полого цилиндра 20 и полого конуса 21, соосно сопряженных друг с другом по меньшему основанию конуса 21, при этом проставка 19 большим основанием конуса 21 вакуумно-плотно присоединена к плите 17, на которой с противоположного конца ее осевого отверстия установлена триодная электронная пушка 1, а другим концом цилиндра 20 - к плите 18 с пристыкованной с противоположного конца ее осевого отверстия втулкой 22 из немагнитного материала, кроме того, полость плиты 17 разделена перегородкой 23, охватывающей по посадке скольжения корпус электронной пушки 1, на коллинеарные откачные каналы 24, 25, которые соединены с автономными откачными патрубками 26, 27, а полость плиты 18 разделена перегородкой 28 на коллинеарные откачные каналы 29, 30, соединенные с автономными откачными патрубками 31, 32 соответственно, при этом перегородка 28 плиты 18 имеет соосное с электронной пушкой 1 отверстие, причем диаметры отверстий втулки 22, перегородки 28 плиты 18 и цилиндрического участка 20 проставки 19 равны.

Соединенные упругими стойками 11 короткий 9 и длинный 10 цилиндры СДО имеют равные внутренние диаметры D и размещены в вакуумном корпусе инжектора между фланцем анода 4 электронной пушки 1 и седлом 16 вакуумного затвора 15, причем длинный цилиндр 10 сопряжен по посадке скольжения, т.е. с возможностью скольжения, с отверстиями во втулке 22, перегородке 28 полой плиты 18, участке полого цилиндра 20 проставки 19.

При этом система фокусировки 6 электронного пучка закреплена на проставке 19, а система развертки и отклонения 8 электронного пучка закреплена на втулке 22.

В СДО меньшее основание первой диафрагмы 12 расположено в зоне кроссовера электронного пучка, которая совпадает с плоскостью изображения Р_i, а диаметр отверстия в нем d₁ равен диаметру пролетного канала d_i на первом участке СДО. При этом расположение большего основания второй диафрагмы 13 может совпадать с плоскостью объекта Р_о, а меньшее основание третьей диафрагмы 14 расположено вне зоны расположения системы развертки и отклонения 8 электронного пучка со стороны триодной электронной пушки 1.

Кроме того, на участках длинного полого цилиндра 10 системы дифференциальной откачки, в которых размещены вторая 13 и третья 14 диафрагмы, выполнены радиальные отверстия 33, 34 в зонах сопряжения этих участков с соответствующими коллинеарными откачными каналами 29, 30 полой плиты 18. В корпусе триодной электронной пушки 1 выполнены отверстия 35 в зоне сопряжения его с коллинеарным откачным каналом 24 полой плиты 17, при этом другой коллинеарный откачной канал 25 плиты 17 сопряжен с областью, ограниченной по оси пролетного канала фланцем анода 4 электронной пушки 1 и большим основанием второй диафрагмы 13 СДО.

Представленная на чертеже электронно-лучевая установка содержит: описанный выше инжектор электронов, который полностью соответствует п.1 формулы; рабочую камеру 36 с откачным патрубком 37, устройством подачи рабочего газа (например, натекателем) 38 и соосным с инжектором электронов координатным столом 39.

Рабочая камера 36 одним торцом присоединена к инжектору электронов со стороны вакуумного затвора 15. При этом в рабочей камере 36 над координатным столом 39 и соосно пролетному каналу инжектора электронов размещены электрически изолированные друг от друга и от рабочей камеры 36 аксиально-симметричные: перфорированная трубка 40 с бортиками на торцах, по меньшей мере часть которой выполнена из магнитомягкого материала; диски 41, 42 с осевыми отверстиями, при этом диск 41 расположен между перфорированной трубкой 40 и вакуумным затвором 15, а диск 42 - между перфорированной трубкой 40 и координатным столом 39; цилиндрическая кассета 43 из немагнитного металла, расположенная коаксиально перфорированной трубке 40; соленоид 44 с электрически соединенным с рабочей камерой 36 внутренним экраном 45 из немагнитного материала, которые расположены коаксиально кассете 43, перфорированной трубки 40 и охватывают диски 41, 42. Кроме того, на координатном столе 39 закреплен и электрически изолирован от него приемник электронов 46 с токовводом 47. Диски 41, 42, перфорированная трубка 40, цилиндрическая кассета 43 снабжены токовводами 48, 49, 50, 51 соответственно, а соленоид 44 имеет токовводы 52 и 53. Причем токовводы 48, 49, 50, 51, 52 и 53 электрически изолированы от рабочей камеры 36 и друг от друга. Диск 41 закреплен на торце рабочей камеры 36 со стороны вакуумного затвора 15. При этом диск 42, перфорированная трубка 40, цилиндрическая кассета 43 и соленоид 44 с экраном 45 закреплены в рабочей камере 36 вместе с координатным столом 39 и токовводом 47 приемника электронов 46 на съемном фланце 54 противоположного инжектору электронов торца.

Электронно-лучевая установка с инжектором электронов с выводом электронного пучка в среду с повышенным давлением работает следующим образом.

При включении установки и достижении давлений 10^-1 Па в рабочей камере 36 и 10^-2 Па в области генерации электронного пучка триодной электронной пушкой 1 подключают катод 2, систему фокусировки 6 и систему развертки и отклонения 8 электронного пучка к соответствующим источникам питания (не показаны). После нагрева катода 2 до заданной температуры и подключения электронной пушки 1 к источнику высокого напряжения (не показан) в электростатическом электрическом поле между катодом 2 и анодом 4 электронной пушки 1 формируется сходящийся пучок электронов, который ускоряется в указанном электростатическом электрическом поле и движется по инерции вдоль оси СДО, ограниченной в радиальном направлении полыми цилиндрами 9, 10 с внутренним диаметром D. При этом за анодом 4 электронной пушки 1 измеряют ток пучка встроенным датчиком тока 5. Полученная информация используется для оценки качества формирования пучка при его вхождении в СДО, а также позволяет определить токи утечки на электроды электронно-оптической системы пушки 1, оценить температурный режим ее работы и оптимизировать алгоритм управления электронной пушкой 1.

На первом участке СДО при вхождении в него пучок проходит через отверстие в закрепленной на коротком цилиндре 9 первой диафрагме 12, меньшее основание которой расположено в зоне кроссовера пучка, а затем через отверстие во второй диафрагме 13. При этом на электронный пучок воздействует магнитное поле, возбуждаемое при подключении системы фокусировки 6 и стигматора 7 к соответствующим источникам питания (не показаны).

На втором участке СДО электронный пучок движется вдоль участка пролетного канала, ограниченного по его оси меньшим основанием диафрагмы 13 и большим основанием диафрагмы 14.

На третьем участке СДО электронный пучок движется вдоль участка пролетного канала, ограниченного расположенным вне зоны размещения системы развертки и отклонения 8 электронного пучка меньшим основанием диафрагмы 14 со стороны электронной пушки 1 и торцом седла 16 вакуумного затвора 15. На этом участке СДО на электронный пучок воздействует магнитное поле, возбуждаемое при подключении системы развертки и отклонения 8 к источнику питания (не показан). При этом диафрагма 14 не экранирует управляющее магнитное поле.

Далее электронный пучок проходит через отверстие в седле 16 вакуумного затвора 15 в рабочую камеру 36, со стороны которой в СДО навстречу электронному пучку поступает газ. Известно (Б.Н.Королев и др. «Основы вакуумной техники», изд-во Энергия, Москва, 1975, с.329, [8]), что при соотношении давлений между двумя любыми смежными участками СДО, превышающем критическое значение, газ движется со скоростью звука и более. При этом структура и геометрические размеры газовой струи на выходе из каждой диафрагмы зависят от степени нерасчетности n_н участка СДО, которая определяется из соотношения:

где: P_n, P_n-1 - среднее давление в любых двух смежных участках СДО, Па.

Также известно («Методика расчета системы дифференциальной откачки», Завьялов М.А., Зверев В.В., Шапиро А.Л. «Приборы и техника эксперимента», №4, 1983, с.162-164, [9]), что давление газа в любых двух смежных участках СДО связаны между собой соотношением:

где: F_n - проводимость диафрагмы, с/л,

S_n - скорость откачки, л/с.

При этом на первом участке СДО со средним давлением P₁ между диафрагмами 12, 13 и диаметром пролетного канала d₁ газовый поток движется в молекулярном режиме (К.М.Овсянников «Расчет вакуумных систем в литейном производстве», Машиностроение, Ленинград, 1971, с.20, [10]) при условии: P₁·D<15 см · мкм рт.ст.

Диаметр D отверстий в цилиндрах 9, 10 СДО и расстояние H₁ между меньшим основанием диафрагмы 12 и большим основанием диафрагмы 13 определяются при расчете структуры и конфигурации газового потока из известных (Абрамович Г.П. «Прикладная газовая динамика», Москва, Наука, 1976, [11]) соотношений:

где: D_max - максимальный диаметр газодинамической бочки маховской конфигурации, огибающей дискообразные ударные волны (диски Маха), м;

где: Н_i - расстояние между двумя смежными диафрагмами СДО, м;

d_i - диаметр пролетного канала электронов (наименьший диаметр отверстия в полой конической диафрагме на участке СДО, м;

М - число Маха;

к - показатель адиабаты.

Результаты расчета показывают, что внутренний диаметр D полых цилиндров 9, 10 СДО приблизительно равен D_max (D˜D_max), а расстояние H₁ между диафрагмами 12 и 13 СДО может меняться в пределах от 4d₁ до 5d₁.

Эффективная откачка газа из объемов электронной пушки 1 и первого участка СДО, разделенных первой диафрагмой 12, достигается за счет того, что из каждого объема газ откачивается через соответствующие коллинеарные каналы 24 и 25 в плите 17 вакуумного корпуса, который снабжен откачными патрубками 26 и 27 соответственно. При этом объем каждого патрубка 26 и 27 примерно в 20 раз больше объема пушки 1 и объема первого участка СДО. В связи с этим каждый патрубок 26, 27 выполняет функцию ресивера, сглаживающего колебание давления в откачиваемых объемах. Это позволяет стабилизировать давление, уменьшить вероятность возникновения ударных волн (дисков Маха) и интенсивность ионизации газа при воздействии электронного пучка. При этом влияние ионов на компрессию пучка уменьшается, а электрическое поле между катодом 2 и анодом 4 становится более однородным и глубже проникает в область дрейфа пучка. Это обеспечивает бриллюэновские условия равновесия, при которых пульсации пучка сглаживаются (И.В.Алямовский «Интенсивные электронные потоки», Москва, 1991, с.37, [12]). Ионы, поступающие в ускоряющий промежуток, не оказывают значительного влияния на эмиссионный ток катода 2. Интенсивность ионной бомбардировки электродов пушки 1 снижается и, как следствие, уменьшается температура электродов и изоляторов, повышается формоустойчивость термонапряженных узлов и электрическая прочность изоляции.

Если величина H₁ превышает 5d₁, то образование ударных волн имеет периодический характер, количество волн на участке между диафрагмами 13 и 12 увеличивается. На переднем фронте каждой ударной волны давление значительно выше расчетного и при воздействии электронного пучка на плотные слои газа в области существования магнитного поля системы фокусировки 6 могут возникать высокочастотные пучково-плазменные колебания, дестабилизирующие режим работы. При величине H₁ менее 4d₁ происходит преждевременное отражение ударных волн газового потока от встречной диафрагмы 12 и образование гибридных волн повышенного давления. Диаметр газодинамической бочки увеличивается, растет ток утечки электронного пучка на стенки СДО и снижается КПД. При воздействии электронного пучка на газ, особенно на переднем фронте ударной волны, интенсифицируется процесс образования ионов газа, которые движутся навстречу электронному пучку и бомбардируют катод. В результате увеличивается температура электронно-оптической системы пушки 1, снижается формоустойчивость электродов и электрическая прочность изоляции, а в итоге снижается надежность.

Полученные расчетным путем параметры использованы для решения комплексной задачи формирования электронного пучка и его электромагнитной транспортировки вдоль СДО, в которой от участка к участку по ходу электронного пучка давление увеличивается. При этом установлены оптимальные геометрические параметры системы фокусировки 6 пучка, в которой расстояние между главными плоскостями объекта Р_о (катода 2) и изображения Р_i (приемника электронов 46), примерно равное ширине зазора S между полюсами системы фокусировки 6, принято равным расстоянию H₁ между диафрагмами 12 и 13, а диаметр полюсного отверстия D_f системы фокусировки 6 принят примерно равным диаметру D отверстия в СДО. Параметры S и D_f являются базовыми при определении энергетической характеристики системы фокусировки 6 электронного пучка, а ее фокусное расстояние f определяется (З.Шиллер и др. «Электронно-лучевая технология», Москва, Э., с.80, [13]) соотношением:

где: aK(S,D_f) - параметр, характеризующий геометрию полюсных наконечников системы фокусировки;

U - ускоряющее напряжение. В;

N·I - магнитодвижущая сила (МДС), А·виток.

Оптимальная ширина зазора между полюсами системы фокусировки 8 S определяется из известного (Б.Э.Бонштедт, М.Г.Маркович «Фокусирование и отклонение пучков в электронно-лучевых приборах», Москва, 1967, с.83-86, [14]) соотношения:

На втором участке СДО со средним давлением Р₂ между диафрагмами 13 и 14 и диаметром пролетного канала d₂, который может отличаться от диаметра полетного канала первого участка d₁ СДО, газ движется навстречу пучку со сверхзвуковой скоростью в вязкостно-молекулярном режиме с условием:

15 см · мкм рт.ст. < P₂ · D < 500 см · мкм рт.ст.

Перепад давления между вторым и третьим участками СДО определяет выбор протяженности H₂ второго участка, которая, как известно, («Методика расчета системы дифференциальной откачки», Завьялов М.А., Зверев В.В., Шапиро А.Л. «Приборы и техника эксперимента», №4, 1983, с.162-164, [15]) с учетом проводимости диафрагмы 14 и проводимостей откачных элементов 29, 31, соединенных посредством радиального отверстия 33 с указанным участком СДО, может выбираться в пределах от 2-х до 3-х диаметров пролетного канала на втором участке (d₂) СДО.

На третьем участке СДО со средним давлением Р₃ между диафрагмой 14 и седлом 16 вакуумного затвора 15 и диаметром пролетного канала d₃, который может отличаться от диаметров пролетных каналов на первом d₁ и втором d₂ участках СДО, газ движется навстречу пучку со сверхзвуковой скоростью в вязкостном режиме с условием: Р₃·D>500 см · мкм рт.ст.

Перепад давления между третьим участком СДО и рабочей камерой 36 согласно [15] с учетом проводимости отверстия в седле 16 вакуумного затвора 15, проводимостей откачных элементов 30, 32, сопряженных посредством радиального отверстия 34 с третьим участком СДО, определяет протяженность Н₃ третьего участка. При этом величина протяженности Н₃ третьего участка может быть выбрана в пределах от 1,2-х до 1,5-х диаметров пролетного канала на третьем участке (d₃) СДО.

Идентичный характер движения газа на втором и третьем участках позволяет описать общие закономерности возникновения колебания давления на втором и третьем участках СДО. При входе сверхзвукового газового потока в третий, а затем во второй участки СДО происходит радиальное расширение газа с образованием трубчатой структуры потока газа. Возникает ударная волна в виде диска Маха большого диаметра, которая отражается от стенки полого цилиндра 10, сходится к его оси и, отражаясь от внешней поверхности соответствующих диафрагм 14 и 13, вновь расходится в радиальном направлении. Внутри трубчатой структуры газового потока образуется зона разряжения, в которую из рабочей камеры поступает дополнительная порция газа, возбуждающая пульсации давления. При этом интенсивная откачка отраженного трубчатого потока газа из объемов второго и третьего участков СДО, ограниченных сравнительно короткими расстояниями Н₂ и Н₃ и стенкой длинного цилиндра 10, осуществляется соответственно через отверстия 33 и 34 коллинеарными каналами 29 и 30 второй плиты 18 вакуумного корпуса, который снабжен откачными патрубками 31 и 32 соответственно. Причем каждый патрубок 31 и 32 имеет объем, значительно превышающий откачиваемые объемы второго и третьего участков СДО, и выполняет функцию ресивера. В результате пульсации давления сглаживаются и при воздействии электронного пучка на газ снижаются потери энергии электронного пучка на нагрев и ионизацию газа, уменьшается вероятность пучково-плазменного разряда с характерным СВЧ-излучением, повышаются КПД и надежность.

Третья коническая диафрагма 14 закреплена в длинном цилиндре 10 СДО так, что ее меньшее основание удалено на расстояние Н₃ от торцевой поверхности вакуумного затвора 15, в котором выполнено отверстие с диаметром не менее диаметра пролетного канала. При этом диафрагма 14 не экранирует управляющее магнитное поле системы развертки и отклонения 8 электронного пучка, так как ее меньшее основание размещено вне зоны расположения системы развертки и отклонения 8 электронного пучка со стороны электронной пушки 1.

Кроме этого выполнение СДО в виде съемного узла, содержащего соединенные упругими стойками 11 короткий 9 и длинный 10 полые цилиндры со встроенными диафрагмами 12, 13 и 14, и сопрягающегося по посадке скольжения с вакуумным корпусом, позволяет производить демонтаж СДО для очистки от загрязнений, экранирующих магнитное поле, создаваемое системой фокусировки 6, 7 и системой развертки и отклонения 8 электронного пучка, а затем вновь устанавливать СДО с высокой точностью.

При использовании предлагаемого инжектора в электронно-лучевой установке, показанной на чертеже, электронный пучок от инжектора движется под воздействием магнитных полей системы фокусировки 6, 7 и системы развертки и отклонения 8 пучка через отверстие в седле 16 вакуумного затвора 15 и через перфорированную трубку 40 с бортиками на торцах к приемнику электронов 46, который в данном устройстве выполнен в виде конуса. Возможны и другие варианты выполнения приемника электронов 46, например на координатном столе 39 вместо приемника электронов 46 в виде конуса можно установить другой объект, на поверхность которого необходимо воздействовать пучком электронов. Объектом облучения может быть поверхность детали, поверхность модифицируемого вещества в тигле, коллектор-рекуператор энергии и т.д.

При движении электронного пучка вдоль перфорированной трубки 40 в среде с повышенным давлением его энергия затрачивается на нагрев рабочего газа, который подается в рабочую камеру 39 через натекатель газа 38, на нагрев поверхности приемника электронов 46 и, при определенных условиях, на возбуждение и развитие пучково-плазменного разряда. Часть энергии пучка рассеивается на стенках перфорированной трубки 40, а часть отражается от облучаемой поверхности приемника электронов 46.

При подключении приемника электронов 46, перфорированной трубки 40 и диска 42, расположенного над координатным столом 39, к соответствующим измерительным приборам (не показаны) определяют распределение токов пучка и долю энергии рассеянных, в том числе отраженных, электронов. Сравнивая полученные значения токов с показаниями датчика тока 5 пучка, установленного на фланце анода 4 электронной пушки 1, регулируют параметры всех узлов установки.

При подключении перфорированной трубки 40 к отрицательному полюсу источника питания (не показан), заземлении дисков 41 и 42, электрически изолированных от перфорированной трубки 40, и создании заданного давления напуском газа в рабочую камеру 36 под воздействием электронного пучка возбуждается пучково-плазменный разряд (ППР), в котором происходит диссоциация молекул газа и их осаждение на внутреннюю поверхность перфорированной трубки 40.

При подключении перфорированной трубки 40 к отрицательному, а дисков 41, 42 к положительным полюсам соответствующих источников питания (не показаны), заземлении приемника электронов 46 и кассеты 43 и включении соленоида 44, охватывающего систему электродов (перфорированную трубку 40, диски 41 и 42, кассету 43 и приемник электронов 46), возбуждается и поддерживается электронным пучком газовый разряд Пеннинга. Контур движущегося в магнитном поле пучка представляет собой волнистую линию с амплитудой и пространственным периодом, зависящими от энергии электронов и величины индукции магнитного поля. При этом большая часть энергии пучка преобразуется на поверхности приемника электронов 46 в тепловую энергию и может использоваться для нагрева его поверхности до заданных температур, вплоть до испарения. Вследствие неоднородности электрического поля между перфорированной трубкой 40 и дисками 41, 42, выполняющими соответственно функции катода и анода магнетрона, и неоднородности магнитного поля, особенно в зазорах между торцами перфорированной трубки 40 и близкорасположенными поверхностями дисков 41 и 42, плазма газового разряда сосредоточена непосредственно у распыляемой поверхности приемника электронов 46. Вследствие этого в плазме существует центробежное и градиентное движение, интенсифицированное воздействием прошедших сквозь перфорации трубки 40 и отраженных от поверхности приемника 46 электронов пучка. Для изменения конфигурации магнитного поля возможно использование перфорированной трубки 40, состоящей по меньшей мере из двух частей, выполненных из немагнитного и магнитомягкого материала, экранирующего магнитное поле соленоида 44. В общем случае плазма принимает форму, близкую к тороидальной, и наиболее плотная плазма образуется в зоне распыления материала приемника электронов 46 в виде конуса или другого объекта облучения. В результате плазмохимической реакции образуется композит, который осаждается на внутренней цилиндрической поверхности кассеты 43, на которой устанавливаются модифицируемые образцы.

Таким образом, функциональные технологические возможности установки расширены при одновременном повышении КПД за счет использования рассеянных электронов пучка, в том числе отраженных от выполненного в виде конуса приемника 46 электронов в процессе возбуждения и поддержания плазмы газового разряда.

Группа изобретений относится к электронике, в частности к устройствам, предназначенным для электронно-лучевой обработки, сварки и пучковой плазмохимической модификации конструкционных материалов в среде при давлении в рабочей камере от 10² Па до 10^-2 Па. Инжектор электронов предусматривает конструкцию вакуумного корпуса и размещенной в нем на оси пролетного канала с возможностью скольжения системы дифференциальной откачки (СДО), которая разделена на короткие участки полыми конусными диафрагмами, что позволит уменьшить длину тракта транспортировки электронного пучка, обеспечить эффективную откачку объемов электронной пушки и участков СДО, устранить возможность экранирования системы управления электронным пучком и влияния наведенных магнитных полей на управляющее магнитное поле. Выбор места расположения первой по направлению движения электронного пучка диафрагмы и размера отверстия в ее меньшем основании позволяет уменьшить воздействие потока ионов на узлы электронной пушки. Указанное в совокупности позволяет увеличить полезную мощность электронного пучка, обеспечить надежную работу электронной пушки и инжектора в целом, обеспечить эффективное и надежное управление пучком. Конструктивные особенности рабочей камеры электронно-лучевой установки в сочетании с предлагаемым инжектором позволят расширить функциональные возможности установки за счет использования энергии пучка для нагрева, возбуждения и поддержания различных видов разряда в среде при одновременном использовании рассеянных электронов в технологических процессах, а также обеспечить надежную работу устройств за счет возможности проведения контроля и регулирования параметров электронного пучка и технологических параметров в рабочей камере. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Инжектор электронов с выводом электронного пучка в среду с повышенным давлением, содержащий вакуумный корпус, размещенные осесимметрично на оси пролетного канала триодную электронную пушку с датчиком контроля тока пучка, аксиально-симметричную систему фокусировки, систему развертки и отклонения электронного пучка, систему дифференциальной откачки с охватывающими пролетный канал диафрагмами, выполненными в виде усеченных полых конусов и направленными меньшими основаниями в сторону движения электронного пучка, и вакуумный затвор, отличающийся тем, что вакуумный корпус содержит две полые плиты с осевыми сквозными отверстиями, которые сопряжены с их полостями, причем плиты соединены соосно полой проставкой из немагнитного материала, в которой участок в виде полого цилиндра одним концом соосно сопряжен с участком в виде полого конуса по его меньшему основанию, при этом проставка большим основанием участка полого конуса вакуумно-плотно присоединена к первой плите, на которой с противоположного конца ее осевого отверстия установлена триодная электронная пушка, а другим концом участка полого цилиндра - ко второй плите с пристыкованной с противоположного конца ее осевого отверстия втулкой из немагнитного материала, на которой закреплен вакуумный затвор, кроме того, полость первой плиты разделена перегородкой, которая охватывает по посадке скольжения корпус триодной электронной пушки, на соединенные с соответствующими откачными патрубками коллинеарные откачные каналы, а полость второй плиты разделена перегородкой, которая имеет соосное с триодной электронной пушкой сквозное отверстие, на соединенные с соответствующими откачными патрубками коллинеарные откачные каналы, причем диаметры соосных отверстий цилиндрического участка проставки, перегородки второй плиты и втулки равны, на проставке закреплена система фокусировки электронного пучка, а на втулке - система развертки и отклонения электронного пучка, при этом система дифференциальной откачки имеет короткий и длинный полые цилиндры из немагнитного материала, торцы которых соединены друг с другом упругими стойками, причем длинный цилиндр, свободный торец которого плотно прижат к седлу вакуумного затвора, сопряжен по посадке скольжения с отверстиями в перегородке второй полой плиты, участке полого цилиндра проставки и втулке, а свободный торец короткого цилиндра плотно прижат к фланцу анода триодной электронной пушки, на котором закреплен датчик контроля тока электронного пучка, кроме того, первая по направлению движения электронного пучка диафрагма системы дифференциальной откачки большим основанием закреплена на коротком цилиндре, а вторая и третья диафрагмы большими основаниями закреплены в ее длинном цилиндре и делят систему дифференциальной откачки на участки, при этом меньшее основание первой диафрагмы расположено в зоне кроссовера электронного пучка, а диаметр отверстия в нем равен диаметру пролетного канала, при этом меньшее основание третьей диафрагмы расположено вне зоны размещения системы развертки и отклонения электронного пучка со стороны триодной электронной пушки, кроме того, на участках длинного полого цилиндра системы дифференциальной откачки, в которых размещены третья и вторая диафрагмы, выполнены радиальные отверстия в зонах сопряжения этих участков с соответствующими коллинеарными откачными каналами второй полой плиты, при этом в корпусе триодной электронной пушки выполнены отверстия в зоне сопряжения ее с одним из коллинеарных откачных каналов первой полой плиты, а другой ее коллинеарный откачной канал сопряжен с областью, которая ограничена по оси пролетного канала фланцем анода триодной электронной пушки и большим основанием второй диафрагмы системы дифференциальной откачки.2. Электронно-лучевая установка, содержащая инжектор электронов с выводом электронного пучка в среду с повышенным давлением и рабочую камеру с откачным патрубком, устройством подачи рабочего газа и соосным с инжектором электронов координатным столом, отличающаяся тем, что инжектор электронов выполнен по п.1, при этом в рабочей камере, которая одним торцом присоединена к инжектору электронов со стороны вакуумного затвора, над координатным столом размещены и снабжены соответствующими токовводами аксиально-симметричные, соосные с инжектором электронов и электрически изолированные относительно рабочей камеры и друг от друга перфорированная трубка с бортиками на торцах, по меньшей мере часть которой выполнена из магнитомягкого материала, диски с осевыми отверстиями, один из которых расположен между перфорированной трубкой и вакуумным затвором инжектора электронов, а другой диск - между перфорированной трубкой и координатным столом, цилиндрическая кассета, которая выполнена из немагнитного материала и охватывает перфорированную трубку, соленоид, который выполнен с внутренним экраном из немагнитного материала и охватывает цилиндрическую кассету с перфорированной трубкой внутри и диски, кроме того, на координатном столе закреплен и электрически изолирован от него приемник электронов с токовводом, при этом диск между перфорированной трубкой и вакуумным затвором закреплен в рабочей камере на ее торце, который совмещен с торцом инжектора электронов, а диск между перфорированной трубкой и координатным столом, перфорированная трубка, цилиндрическая кассета, соленоид с внутренним экраном, координатный стол и токоввод приемника электронов закреплены в рабочей камере на ее съемном фланце противоположного инжектору электронов торца.