УСТРОЙСТВО ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА Российский патент 2015 года по МПК H01J3/02 H01J37/77 H01J37/75 

Изобретение относится к устройству генерирования электронного луча. В частности, с помощью предлагаемого изобретением устройства может создаваться «тонкий» электронный луч с маленьким диаметром в фокусе и высокой плотностью мощности и использоваться для воздействия в заданном месте технологического процесса внутри вакуумной камеры, при этом генератор излучения и его модули питания отличаются компактной конструкцией, удобством технического обслуживания и относительно низкой стоимостью изготовления. Характерными технологическими областями применения предлагаемого изобретением генератора излучения являются покрытие субстратов функциональными слоями (такими как, например, слои для защиты от коррозии, декор, диффузионные барьеры, экранирование для электромагнитной совместимости, теплоизоляция и так далее) путем физического осаждения из газовой фазы (PVD), очистка и облагораживание металлов переплавкой в вакууме, а также неразъемное соединение конструктивных элементов посредством сварки плавлением.

Уровень техники

Обработка заготовок и продуктов посредством декоративных или функциональных тонкопленочных систем является важной областью применения технологии отделки наружных поверхностей. Большое распространение в производственных процессах приобрели при этом разнообразные, экологичные и экономичные способы физического осаждения из газовой фазы (PVD), при которых материал покрытия в вакууме сначала испаряется, а затем, иногда даже при добавлении реактивных газов, контролируемым образом конденсируется на соответствующих субстратах в виде пленки. Важными критериями выбора надлежащего способа нанесения покрытия среди разных имеющихся в распоряжении технологий, наряду с достигаемой морфологией, чистотой и адгезией подлежащего осаждению слоя, являются прежде всего также скорость нарастания, а также необходимые капиталовложения и эксплуатационные затраты на испаритель, так как от этих параметров решающим образом зависит экономичность технологического процесса.

Источники электронного луча различной конструкции применяются в течение многих десятилетий для осуществления промышленных высокоскоростных способов PVD. Электронно-лучевые испарители позволяют получить максимально достижимые в промышленности скорости нанесения покрытий одновременно при превосходной равномерности и чистоте осаждаемого слоя, даже для реактивных, ферромагнитных и тугоплавких материалов слоя. Эти характеристики являются результатом высокой плотности потока мощности, безинерционно задаваемой путем магнитной фокусировки и управления лучом, а также за счет непосредственного нагрева поверхности, образующей пар, благодаря чему тигли, необходимые для хранения материала покрытия, могут охлаждаться и при этом не вызывать загрязнений покрытия.

В качестве источников электронов для промышленных процессов PVD в настоящее время применяются исключительно нагреваемые до высокой рабочей температуры катоды, у которых генерирование свободных электронов основано на термоэлектрическом эффекте (GB 1 041 282 A). Принцип действия этих электродов, обозначаемых также «термоэлектронными катодами», приводит к тому, что традиционные излучатели электронов выполнены конструктивно сложно и с точки зрения источников их электропитания относительно затратно, и при этом определенные варианты осуществления изобретения могут покрывать только сильно ограниченную область технологического применения.

Широко распространенным источником пара для электронно-лучевого испарения (обозначаемого также «EB-PVD», Electron beam physical vapor deposition, электронно-лучевое физическое парофазное осаждение) являются, например, так называемые поперечные электронно-лучевые источники (называемые также «transverse EB guns», поперечные электронно-лучевые пушки), у которых генерирование луча, магнитное отклонение луча на 270° и тигель с испаряемым материалом чаще всего интегрированы в один компактный функциональный блок. Эти источники являются относительно недорогими, однако их максимальная мощность излучения (приблизительно 20 кВт), а также ускоряющее напряжение (приблизительно 20 кВ) и вместе с тем также генерируемая скорость испарения ограничены. Кроме того, собственный источник излучения (катод с нагревательным устройством) находится на уровне давления камеры для нанесения покрытия и подвержен непосредственному воздействию находящихся в ней паров и газов.

Вследствие этого значения давления в камере для нанесения покрытия должны оставаться низкими за счет выбора соответственно больших размеров вакуумных насосов, во избежание нестабильности при эксплуатации источника электронов. При высокоскоростном осаждении диэлектрических соединений, при котором осуществляют реактивное управление процессом для обеспечения удовлетворяющей требованиям стехиометрии, то есть установку относительно высокого парциального давления (примерно от 0,1 Па до 1,0 Па) реактивных газов внутри вакуумной камеры, «поперечные электронно-лучевые пушки», несмотря на многочисленные конструктивные или схемотехнические усовершенствования, не смогли зарекомендовать себя в частности, из-за их неприемлемо высокой в данных технологических условиях подверженности пробоям под действием высоких напряжений.

Технологически более эффективным лучевым инструментом для EB-PVD являются так называемые осевые источники электронного луча («axial EB guns» - осевые электронно-лучевые пушки), которые предназначаются для осуществления способа испарения с мощностями излучения до 300 кВт и ускоряющими напряжениями до 60 кВ (для особых случаев применения даже до 75 кВ). Катодную камеру подобных генераторов излучения отделяют от технологической камеры посредством диафрагм с небольшим, чаще всего круглым отверстием для прохода луча, которые с точки зрения вакуумной технологии выполняют функцию сопротивлений потоку, и вакуумируют отдельно с помощью дополнительных высоковакуумных насосов (в современных вариантах осуществления - посредством турбомолекулярных насосов). Тем самым процесс испарения также может осуществляться при еще более высоких давлениях и, в частности, даже с высокой долей реактивных газов в камере для нанесения покрытия. Кроме того, при этом достигаются более высокие скорости нанесения покрытий без потери стабильности. Однако, такого рода системы являются достаточно затратными в отношении необходимых капиталовложений, и поэтому в силу экономических причин также применяются предпочтительно только в узкой области применения.

Чтобы преодолеть это ограничение, созданы разные генераторы излучения с холодным катодом, снабженные плазменным анодом, в которых высвобождение электронов основано не на термоэлектрическом эффекте, а является результатом обстрела ионами металлического электрода с большой площадью поверхности. Тлеющий разряд высокого напряжения, поддерживаемый в источнике излучения, производит при этом ионы и ускоряет их к катоду. Электроны, баллистически перенесенные в данном случае из твердого тела в вакуум, при катодном падении плазмы ускоряются и за счет соответствующих контуров электрода формируются в гомоцентрический луч, который может фокусироваться с помощью традиционных электронно-оптических модулей и направляться к испарителю.

В то время как для термоэлектрических эмиттеров необходим высокий вакуум более, чем в 10^-3 Па в катодной камере, рабочее давление холодного катода, стимулированного плазмой, в зависимости от рабочего напряжения, рабочего газа плазмы и от получаемого в данный момент разрядного тока, находится в диапазоне от 2 до 10 Па. Поэтому можно обойтись без дифференциального вакуумирования источника излучения до давления, равного приблизительно 1 Па, в камере для нанесения покрытия, не отказываясь от существенных преимуществ осевых излучателей, таких как технологическая универсальность, а также пространственное и вакуумно-техническое разделение испарителя и источника излучения и связанное с этим преимущество в увеличении надежности. Регулирование мощности излучения происходит при этом путем варьирования плотности плазмы в катодной камере посредством быстрого регулирования газового потока. Вместо многожильных проводов высокого напряжения, использующихся до сих пор в случае термоэлектронных катодов, достаточно одного однополюсного кабеля, и для подачи питания высоким напряжением также не требуется дополнительного блока питания, находящегося под плавающим высоким потенциалом. В качестве экономически эффективного результата следует подчеркнуть, что изготовление систем, реализованных на основе излучателей с холодным катодом, состоящих из источника излучения, включая компоненты его питания и управления, по сравнению с традиционными системами осевых излучателей возможно со значительно более низкими затратами.

Итак, упомянутые осевые излучатели с холодным катодом обладают по сравнению с традиционными излучателями с накаливаемым катодом рядом преимуществ, однако при определенных технических параметрах или в особых случаях применения обладают также некоторыми недостатками. Так, относительно низкая достигаемая плотность тока эмиссии холодного катода (100 мА/см² по сравнению с достигающей 10 А/см² у вольфрамового накаливаемого катода) требует для высоких токов имплементации катодов с большой поверхностью. Результатом этого являются как правило увеличенный диаметр луча и более низкая плотность мощности в месте осуществления процесса. Конструктивный размер источника излучения, тем самым, нежелательным образом снова увеличивается в диапазоне высокой мощности. Кроме того, электронная оптика становится более затратной, в то время как скорость испарения, в общем, несколько меньше, чем у традиционных систем с такой же номинальной мощностью.

Рабочий газ, необходимый для поддержания тлеющего разряда высокого напряжения в катодной камере, постоянно течет в технологическую камеру через осевое отверстие, необходимое для отвода излучения, так как для регулирования разряда в самом излучателе должно всегда поддерживаться слегка избыточное давление по сравнению с технологической камерой. Это количество газа должно откачиваться вакуумной системой технологической камеры дополнительно к технологически обусловленному выходу газа.

Для обеспечения приемлемого коэффициента полезного действия (отношение между исходящей мощностью излучения и запитываемой в разряд общей мощностью, целевое значение: >90%) в рабочем газе плазмы необходимы, кроме того, реактивные компоненты, такие как, например, кислород или двуокись углерода, которые служат для образования и стабилизации диэлектрических отложений на поверхности катода и вместе с тем для повышения выхода его вторичных электронов (количество эмитированных электронов на один падающий ион). С технологической точки зрения, однако, этот метод проблематичен для технологических процессов, предъявляющих высокие требования к инертизации или, соответственно, чистоте, а в отношении системотехники он приводит во время применения к дополнительным затратам, так как по сравнению с металлически чистыми поверхностями электродов частота пробоев при высоком напряжении значительно повышается.

Конкурирующие требования по разгрузке силы поля для катода (для этого стремятся к большим расстояниям между электродами) и надежному экранированию темного поля (для этого предпочтительны небольшие расстояния между электродами) все больше затрудняют стабильное в течение продолжительного времени поддержание высоких ускоряющих напряжений в основанных на плазме источниках излучения с возрастающим рабочим давлением. До сих пор рабочие напряжения, составляющие примерно 30 кВ, и достигаемые в диапазоне высокого напряжения с помощью излучателей с холодным катодом, являлись достаточными для способов нанесения покрытия в высоком вакууме, таких как, например, металлизация (при приблизительно от 0,001 до 0,01 Па). Но для реактивных высокоскоростных процессов нанесения покрытия с обычно значительно более высоким давлением в технологической камере (приблизительно от 0,1 до 1 Па) из-за улучшенной при этом возможности передачи энергии луча были бы более целесообразны напряжения в диапазоне от 40 до 60 кВ.

Получаемая в результате бомбардировки ионами мощность потерь на катоде с порядком величины, составляющей приблизительно 5% от выходной мощности излучения, относительно высока. Поэтому непосредственное водяное охлаждение катода при высоких мощностях излучения неизбежно. Но это непредпочтительно по двум причинам. С одной стороны, охлаждающую воду приводят в контакт с электродом, проводящим высокое напряжение. Поэтому для уменьшения этой разности потенциалов с малым током потерь (ориентировочное значение: >1 м/5 кВ, соответственно для прямого и обратного направления), а также для обеспечения достаточной защиты персонала должны прокладываться несколько метров шлангов, снабженных специальной защитной изоляцией. С другой стороны, при каждой замене катода необходимо трудоемкое перекрытие, продувка и открытие циркуляционного контура воды.

Постановка задачи

В основу изобретения положена техническая задача создания устройства, предназначенного для генерирования электронного луча, посредством которого могут быть преодолены недостатки уровня техники. В частности, с помощью этого устройства должна обеспечиваться возможность генерирования узкого электронного луча с маленьким диаметром в фокусе и высокой плотностью мощности при одновременно простой конструкции и конфигурации системы.

Решение технической задачи осуществляется с помощью устройства с признаками п.1 формулы изобретения. Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрываются в зависимых пунктах формулы изобретения.

Предлагаемое изобретением устройство включает в себя корпус, который по меньшей мере в одной области ограничивает вакуумируемое пространство. Через впуск в корпусе рабочий газ впускается в вакуумируемое пространство, чтобы между плоским катодом и соответствующим анодом, которые расположены в вакуумируемом пространстве (обозначаемом в нижеследующем описании также катодной камерой), могла образовываться плазма тлеющего разряда. Для этого между катодом и анодом посредством устройства электропитания включается электрическое напряжение. В качестве устройства электропитания могут применяться все известные из уровня техники приборы высокого напряжения, которые могут обеспечивать требуемые по технологии напряжения (обычно <10³ кВ) и токи (обычно <25 А). Ионы из плазмы тлеющего разряда ускоряются в направлении катода и при попадании на поверхность катода высвобождают вторичные электроны, которые при катодном падении ускоряются и формируют электронный луч, который через выходное отверстие для электронного луча направляется из корпуса и затем дальше к месту технологического процесса. Поэтому предлагаемое изобретением устройство похоже на генератор электронного луча с холодным катодом, в котором электронный луч генерируется на основе тлеющего разряда.

Существенный признак предлагаемого изобретением устройства основан на особом исполнении плоского катода. Этот катод включает в себя по меньшей мере две части, которые состоят из электрически проводящих, но в остальном различных материалов. В центральной первой области поверхности катод предлагаемого изобретением устройства состоит по меньшей мере из одного первого материала, который обладает как сравнительно высоким выходом вторичных электронов (γ>5; более точное значение зависит от энергии бомбардирующих ионов) (как это необходимо в случае источника излучения с холодным катодом и соответствующим плазменным анодом), так и более низкой работой выхода электронов (ϕ<4 эВ) и высокой точкой плавления (Ts>1750 K) (как это предпочтительно в случае накаливаемого катода). Имеющиеся в распоряжении материалы, которые удовлетворяют этим критериям, могут быть выбраны, например, из группы боридов редкоземельных элементов. В одном варианте осуществления первая часть катода, которая образует центральную область поверхности, состоит из массивной, дискообразной таблетки гексаборида лантана (LaB₆). В другом варианте осуществления первая часть катода состоит из составного элемента, который в области поверхности, эмитирующей электроны, включает в себя слой LaB₆, который посредством высокотемпературного клеящего вещества или припоя был закреплен на термостойкой подложке. Альтернативно слой из LaB₆ может быть также осажден на подложке посредством других способов, таких как, например, способ PVD, спекание, сварка или способ порошкового напыления.

Вторая часть катода, включающая в себя область поверхности, которая охватывает среднюю, первую область поверхности, состоит из второго материала. Второй материал обладает высокой термостойкостью (Ts>1750 К) и как можно более низкой теплопроводностью и имеет только небольшой выход вторичных электронов (γ<5) при высокой работе выхода (ϕ>4 эВ). Для этого, например, особенно подходит графит. Но альтернативно для этого могут также применяться такие материалы, как тугоплавкие металлы, такие как, например, W, Ta, Mo, Ti, сплавы этих материалов или, для небольших мощностей излучения, также нержавеющая сталь.

Известные генераторы электронного луча с холодным катодом обычно содержат устройство охлаждения, посредством которого, с одной стороны, охлаждается сам катод, чтобы его материал (например, алюминий) не плавился вследствие подвода энергии при бомбардировке ионами, а с другой стороны, с помощью такого устройства охлаждения охлаждаются также граничащие с холодным катодом конструктивные элементы во избежание их повреждения.

Предлагаемое изобретением устройство может быть также снабжено устройством охлаждения. С его помощью, однако, не охлаждается катод, потому что в соответствии с изобретением по меньшей мере нагрев первой части, включающей в себя среднюю область поверхности катода, вследствие бомбардировки ионами желателен или, соответственно, даже необходим, как это будет пояснено ниже. Так как у предлагаемого изобретением устройства посредством устройства охлаждения должны охлаждаться только смежные конструктивные элементы катода, предпочтительно, термически изолировать катод от смежных конструктивных элементов. Это относится, в частности, к конструктивным элементам, которые расположены за катодом относительно электронного луча.

Когда у предлагаемого изобретением устройства зажигают тлеющий разряд, при этом между катодом и анодом прикладывают обычное для генератора электронного луча электрическое высокое напряжение, а рабочий газ через впуск направляют в вакуумированую катодную камеру, происходит следующее: состоящая из первого материала средняя, первая область вначале холодного катода при воздействии на нее ускоренными ионами сначала выполняет только функцию эмиттера вторичных электронов. При продолжающейся бомбардировке ионами и в отсутствие охлаждения эта область, впрочем, непрерывно нагревается, пока первый материал в конечном итоге не достигнет некоторой температуры поверхности, при которой дополнительно выходят еще и эмитируемые при накаливании электроны вследствие термоэлектрического эффекта и повышают плотность потока электронов электронного луча. Начиная с этой температуры поверхности, оба механизма эмиссии действуют, сосуществуя, при этом усиливается термоэлектрический эффект с продолжающей повышаться температурой поверхности первого материала. Поэтому с помощью предлагаемого изобретением устройства достигаются плотности потока электронов, которые обычно известны только в случае генераторов электронного луча с накаливаемым катодом. Так как у катода предлагаемого изобретением устройства действуют оба механизма эмиссии, для такого катода в данной заявке вводится термин «гибридный катод».

Однако в обоих режимах эмиссии свободные электроны у гибридного катода являются электронами преимущественно из первой части катода, которая состоит из первого материала. Поэтому эта часть катода ниже также называется эмиттером. Небольшое количество вторичных электронов, которые эмитируются вторым материалом, напротив, является несущественным для профиля плотности мощности электронного луча. Так как электроны электронного луча по существу испускаются по существу только эмиттером, его форма и размер также являются решающими для формы и размеров поперечного сечения электронного луча. Как уже описывалось выше, поверхность эмиттера составляет только часть поверхности катода, благодаря чему в случае генераторов электронного луча с гибридным катодом могут генерироваться электронные лучи с небольшим поперечным сечением луча, в отличие от генераторов электронного луча с холодным катодом, у которого со всей поверхности соответствующего плоского катода эмитируются электроны и таким образом генерируются электронные лучи большого поперечного сечения.

Обычно у осевых излучателей с холодным катодом поверхности, эмитирующие электроны, имеют круглую, вогнуто искривленную форму, чтобы формировать электронный луч с круглым поперечным сечением. Гибридный катод также предпочтительно выполнен круглым. В этом случае материал эмиттера выполнен в виде круглого диска, а второй материал, который охватывает эмиттер, кольцеобразно с вогнутым искривлением. Альтернативно эмиттер может также иметь любую другую геометрическую форму.

Поверхность эмиттера, эмитирующая электроны, может быть выполнена плоской, выпукло или вогнуто искривленной, кроме того, она может быть расположена на одной прямой с окружающей поверхностью второго материала или с осевым смещением относительно его поверхности на определенное расстояние против или в направлении эмиссии. Для оптимизации теплоизоляции эмиттера целесообразен по меньшей мере один вакуумированный зазор между задней стороной катода и охлаждаемыми смежными конструктивными элементами, еще более предпочтительно целесообразен расположенный с задней стороны экран для защиты от излучения, выполненный в виде многослойного отражателя с плавающей температурой.

Второй материал, который охватывает эмиттер, наряду с функцией фиксации материала эмиттера, должен выполнять по существу три задачи.

Во-первых, с помощью второго материала увеличивается поверхность катода. А именно, если должен генерироваться электронный луч с небольшим диаметром луча, и соответственно эмитирующая электроны поверхность эмиттера слишком мала, то одна только поверхность эмиттера может быть слишком мала для того, чтобы поддерживать стабильный тлеющий разряд между эмиттером и анодом. Второй материал по этой причине должен быть также электрически проводящим и имеет такой же электрический потенциал, что и эмиттер, для увеличения поверхности катода. Поэтому в одном варианте осуществления поверхность второго материала, подвергаемая бомбардировке ионами, по меньшей мере в три раза больше поверхности эмиттера.

Во-вторых, выше уже была изложена концепция теплоизоляции катода относительно смежных конструктивных элементов. Второй материал, который охватывает материал эмиттера, образует при этом первую ступень тепловой изоляции эмиттера, очень сильно нагревающегося относительно смежных модулей при бомбардировке ионами. Поэтому второй материал, нагревающийся в результате бомбардировки ионами, а также в результате теплопередачи, исходящей от эмиттера, должен иметь плохую теплопроводность. Для образования теплового барьера эмиттер может также быть дестанцирован посредством зазора от окружающего второго материала. В этом случае этот зазор действует одновременно как температурный шов для нагревающегося и за счет этого расширяющегося материала эмиттера. Причем размеры этого зазора предпочтительно должны быть выбраны таким образом, чтобы он даже при максимально нагретом материале эмиттера не полностью закрывался расширяющимся материалом эмиттера. С помощью соответствующего контактирования (например, посредством стопорного кольца) всегда должно обеспечиваться, чтобы эмиттер и второй материал имели одинаковый электрический потенциал, и чтобы продолжала обеспечиваться передача тока к эмиттеру.

В-третьих, путем варьирования геометрической формы второго материала можно оказывать влияние на электростатическое формирование луча. Поверхность второго материала для генерирования осевого электронного луча предпочтительно сферически-вогнуто или конусообразно искривлена и формирует, таким образом, (квази-) сферический характер электрических эквипотенциальных поверхностей в области оси излучателя, что затем приводит к радиально-конвергентному ускорению электронов. Такого рода гомоцентрические электронные лучи особенно хорошо поддаются электронно-оптическому управлению и проецированию с высокой плотностью мощности к месту технологического процесса. Контур поверхности второго материала, в частности, выбирается таким образом, чтобы диаметр электронного луча в области выходного отверстия из корпуса катодной камеры был как можно меньше. При этих условиях поперечное сечение выходного отверстия может также быть небольшим, что позволяет поддерживать тлеющий разряд в катодной камере при относительно низком расходе рабочего газа.

Один из предлагаемых изобретением генераторов электронного луча во время его применения предпочтительно прифланцован к стенкам вакуумной технологической камеры, так что ее вакуум распространяется через отверстие для выхода луча внутрь камеры. Генератор электронного луча не нуждается, таким образом, в собственном вакуумном насосе для вакуумирования катодной камеры, а это осуществляется в данном случае посредством вакуумного насоса (насосов) вакуумной камеры, поэтому технологическое давление в вакуумной камере может выбираться ниже, чем рабочее давление тлеющего разряда в катодной камере.

Регулирующей величиной для регулирования тока эмиссии гибридного катода, как и у холодного катода, является объем потока рабочего газа плазмы. В отличие от холодного катода управление эмиссией электронов, впрочем, осуществляется не только непосредственно за счет плотности потока ионов и непосредственно зависящего от нее генерирования вторичных электронов, но и опосредствованно за счет регулирования температуры поверхности эмиссии и за счет зависящего от этого высвобождения термоэмиссионных электронов.

Изобретение позволяет реализовать генератор электронного луча осевого типа, который объединяет в себе преимущества традиционных излучателей электронов с накаливаемым катодом (высокая плотность тока эмиссии и плотность мощности излучения, высокие ускоряющие напряжения, отсутствие нагрузки технологической камеры реактивным газом, циркуляционные контуры охлаждения под потенциалом земли) и преимущества излучателей с холодным катодом, снабженных плазменным анодом (менее дорогая и компактная конструкция, отсутствие собственной вакуумной системы, упрощенное питание высоким напряжением, регулирование мощности под потенциалом земли).

Так как диаметр эмиттера сравнительно мал, посредством гибридного катода при одинаковом токе и сравнительно простой конструкции могут генерироваться существенно более тонкие электронные лучи (с большей плотностью мощности), чем с помощью холодного алюминиевого катода с большой поверхностью, и применяться в месте осуществления технологического процесса (например, на тигле испарителя) более эффективно, чем до сих пор. Экспериментально из гибридного катода с эмиттером из LaB₆ с диаметром 17 мм и с соответствующим графитовым кольцом с наружным диаметром, равным 90 мм, получался ток >3 А при ускоряющем напряжении 25 кВ. Для сравнения: применявшийся до сих пор алюминиевый холодный катод с диаметром 90 мм позволяет получить этот ток при примерно в пять раз большем диаметре луча.

В соответствии с полученным ранее анализом концепции гибридного катода, базирующейся на нагреваемом разрядом газа эмиттере из LaB₆, в устройстве согласно изобретению (в противоположность устройствам с холодным катодом) возможно применение инертного рабочего газа плазмы, такого, как, например, все благородные газы, в катодной камере. Подмешивание реактивных газов, в принципе, возможно, однако может приводить к так называемому «химическому отравлению катода», потому что, например, кислород и водяной пар снижают работу выхода у эмиттера из LaB₆. Предпочтительно должны применяться легкие рабочие газы вследствие уменьшаемой с их помощью распылительной эрозии эмиссионной поверхности («физическое отравление катода») и более низкого рассеяния электронов. С учетом экономических краевых условий в качестве технически адекватных и одновременно оптимальных по затратам решений предлагаются, например, технически чистый гелий или же водород.

Регулирование мощности гибридного катода осуществляется, как уже упомянуто, посредством варьирования потока рабочего газа в катодную камеру. Правда, в термоэлектрическом режиме эмиссии оно действует только опосредствованно через регулирование температуры эмиссионной поверхности, но по сравнению с импульсным нагревом блока катода с задней стороны, характерным для традиционного излучателя высокой мощности, все еще имеются динамические преимущества, так как тепловая инерция корпуса катода при нагреве со стороны эмиссии, который осуществляется при бомбардировке ионами, проявляется менее сильно.

Эксперименты показали, что комбинированный механизм эмиссии гибридного катода по сравнению с известными холодными катодами сопровождается также пониженным (при одинаковом токе) давлением рабочего газа в катодной камере и, кроме того, положительно коррелированной мощностью потерь. Это приводит к трем преимуществам: во-первых, поступающее из катодной камеры в технологическую камеру количество газа уменьшается, благоприятно воздействуя на достигаемое в ней рабочее давление или, соответственно, таким образом, уменьшаются требования к выбору размеров вакуумной системы. Во-вторых, отпадает необходимость в непосредственном водяном охлаждении катода (благодаря чему отсутствуют сложные, изолированные от высокого напряжения шланги системы жидкостного охлаждения и больше не требуется открывать контур охлаждения при замене катода). В-третьих, необходимое экранирование методом темного поля держателя катода имеет более простую конфигурацию, а также более высокие ускоряющие напряжения (например, в диапазоне от 40 до 60 кВ) могут прилагаться с меньшими затратами.

Следует также упомянуть, что в предлагаемом изобретением устройстве также, как и в известном из уровня техники, могут применяться разные решения по реализации анода. В простейшем случае корпус катодной камеры может электрически включаться в качестве анода. Возможно также установить отдельный анод в катодной камере, который электрически изолирован от заземленного корпуса и, таким образом, может также проводить другой потенциал. Такого рода отдельный электрод может быть, например, выполнен кольцеобразно, при этом отверстие кольца выполняет функцию отверстия для выхода электронного луча.

Пример осуществления

Ниже изобретение поясняется более подробно на примерах осуществления. На фиг. показано:

фиг.1: схематичное изображение предлагаемого изобретением устройства для генерирования электронного луча;

фиг.2: схематичное изображение головки катода источника электронного излучения, снабженного термоэлектрическим нагреваемым импульсом блочным катодом;

фиг.3: схематичное изображение головки катода источника электронного излучения, снабженного непосредственно охлаждаемым холодным катодом, стимулируемым тлеющим разрядом с;

фиг.4: схематичное изображение головки катода предлагаемого изобретением устройства в варианте осуществления с непосредственно охлаждаемым монтажным основанием;

фиг.5: схематичное изображение головки катода предлагаемого изобретением устройства в варианте осуществления с опосредствованно охлаждаемым монтажным основанием и экраном для защиты от излучения с плавающей температурой.

Графические элементы в пределах одной фигуры с одинаковым заполняющим поверхность структурированием образуют один конструктивный элемент. На фиг.1 схематично изображено предлагаемое изобретением устройство. На вакуумной камере 10 закреплен генератор 11 электронного луча, который включает в себя корпус 12. Корпус 12 ограничивает со стороны выхода луча вакуумируемое пространство 13, выполненное в виде катодной камеры. В катодной камере 13 расположен состоящий из двух материалов, круглый, плоский катод 14. Дискообразно и плоско выполненный эмиттер 14a из LaB₆ с диаметром диска, равным 17 мм, выполняет функцию центральной области катода 14. Эмиттер 14a окружен графитовым кольцом 14b с наружным диаметром, равным 90 мм, однако механически отделен от него окружным зазором. Тем не менее, как графитовое кольцо 14b, так и диск 14a эмиттера, благодаря не изображенным на фиг.1 элементам контактирования, имеют одинаковый электрический (катодный) потенциал. Напротив катода 14 расположен анод 15, который выполнен в виде кольцеобразного диска и осевое отверстие кольца которого выполняет функцию отверстия для выхода электронного луча в вакуумную камеру 10. Вакуумные насосы 10a вакуумной камеры 10 вакуумируют как саму вакуумную камеру 10, так и катодную камеру 13, в которую через отверстие кольца анода 15 распространяется вакуум вакуумной камеры 10.

Для зажигания тлеющего разряда между катодом 14 и анодом 15 через впуск 16 газа в вакуумированную катодную камеру 13 впускается гелий, и одновременно включается электрическое высокое напряжение, равное -30 кВ, характерное для генераторов электронного луча, и которое служит в качестве напряжения горения между катодом 14 и анодом 15, при этом анод 15, механически отделенный от корпуса 12, по выбору, может находиться под потенциал земли или отличающимся от него электрическим потенциал. В зависимости от технологической цели применения генератора 11 электронного луча, может быть также целесообразно, прикладывать высокое напряжение не в виде постоянного напряжения, а в виде быстро следующих друг за другом импульсов напряжения. На основании этого между катодом 14 и анодом 15 образуется плазма тлеющего разряда, ионы которой ускоряются на поверхность катода 14, после чего преимущественно из материала эмиттера 14a эмитируются вторичные электроны. Вследствие относительно небольшой поверхности эмиттера 14a, эмитирующей электроны, и вогнутой формы графитового кольца 14b эмитируемые электроны собираются в узкий электронный луч 17.

Вследствие продолжающейся бомбардировки ионами не охлаждаемой поверхности эмиттера она нагревается до некоторой температуры, начиная с которой дополнительно к вторичным электронам эмитируются также электроны вследствие тепловой эмиссии материала эмиттера, которые повышают плотность мощности электронного луча 17. Таким образом, возникает электронный луч с небольшим поперечным сечением луча и очень высокой плотностью мощности, который выходит из катодной камеры 13 через отверстие для выхода электронного луча анода 15, а затем посредством известных электронно-оптических модулей 11a (модули линз и отклоняющих катушек) генератора 11 электронного луча направляется к мишени 10b, расположенной в вакуумной камере 10, и там может использоваться в соответствии с предусмотренной технической задачей (например нагрев, плавление или испарение материала).

Вне катодной камеры 13, например, на половине расстояния между катодом 14 и анодом 15, расположена дополнительная система 11b магнитных катушек, которая состоит из двух перекрещенных пар седлообразных катушек. Благодаря этому можно создавать в катодной камере 13 магнитное поле варьируемой напряженности поля с перпендикулярным оси излучателя, но азимутально свободно ориентируемым ходом линий поля. В отличие от известных систем магнитных катушек для осевых разрядников, у которых иногда осевое магнитное поле применяется для уплотнения плазмы или для стабилизации разряда, система 11b магнитных катушек, описанная в данном примере осуществления изобретения, служит для генерирования проходящего поперек оси электронного луча магнитного поля, с помощью которого можно воздействовать на направление распространения электронного луча 17. При этом можно всегда точно центрировать электронный луч 17 по отверстию для выхода электронного луча анода 15 даже под воздействием внешних полей помех или несмотря на несколько неверную регулировку катода 14. В отличие от известных систем излучателей, в которых центрирующий блок является частью электронно-оптической колонны под анодом, система 11b магнитных катушек, описанная в данном примере осуществления, действует уже в катодной камере 13, то есть уже во время ускорения электронов, и при этом особенно эффективно. С помощью этого вспомогательного средства можно устанавливать особенно узкие (≤20% диаметра катода) допуски диаметра отверстия для выхода электронного луча и таким образом дополнительно уменьшать расход рабочего газа плазмы. Хотя система 11b магнитных катушек описана в данной заявке на одном конкретном примере осуществления, однако она может также применяться во всех других вариантах осуществления предлагаемых изобретением устройств, при этом она располагается вне катодной камеры на высоте между гибридным катодом и соответствующим анодом.

Высокие температуры, до которых нагревается эмиттер 14a при бомбардировке ионами, требуют тепловой защиты для смежных конструктивных элементов. С этой целью на задней стороне катода 14 расположен тепловой изолятор 18, который, в свою очередь, закреплен на электрическом изоляторе 19. Последний одновременно выполняет функцию стенок для катодной камеры 13 и включает в себя также каналы 19a охлаждения, а также вакуумонепроницаемый подвод 19b высокого напряжения в катодную камеру 13. Каналы 19a охлаждения выполнены в форме труб. Охлаждающая среда течет внутри этих труб в направлении вниз, что поясняется с помощью более толстых направленных вниз стрелок, а в промежуточных пространствах, которые располагаются между трубами и электрическим изолятором 19, снова в направлении вверх, что поясняется с помощью более тонких и направленных вверх стрелок. С целью улучшения тепловой изоляции эмиттера 14a он дистанцирован посредством зазора а как от теплового изолятора 18, так и от графитового кольца 14b.

Для сравнения с уровнем техники на фиг.2 схематично изображен известный катодный штекер, снабженный вольфрамовым накаливаемым катодом, а на фиг.3 также известная катодная головка, снабженная алюминиевым холодным катодом.

Катодный штекер, показанный на фиг.2, включает в себя, наряду с накаливаемым катодом 21 из вольфрама, также нагревательную спираль 22, посредством которой катод 21 с задней стороны нагревается электронным импульсом, так что при достижении соответствующей температуры на передней стороне катода 21 вследствие термоэлектрического эффекта эмитируются электроны. Вследствие относительно небольшого поперечного сечения катода 21 у устройства такого рода возникает электронный луч 23 с небольшим поперечным сечением луча. На такой катодный штекер должны, однако, подаваться три электрических потенциала, два электрических потенциала для накаливаемой спирали и катодный потенциал. Высокая рабочая температура вольфрамового накаливаемого катода, а также необходимость подведения и взаимной электрической изоляции нескольких потенциалов в ограниченном пространстве обусловливают сравнительно сложную механическую конструкцию катодного штекера, результатом которой являются трудоемкое изготовление, а также высокие требования к монтажу и юстировке.

Катодная головка, показанная на фиг.3, включает в себя монтажное основание 31, на котором посредством винтовых соединений закреплен дискообразный холодный катод 32 из алюминия с наружным диаметром, равным 90 мм, причем оба этих элемента образуют полость 33, через которую протекает охлаждающая среда. Охлаждающая среда протекает, таким образом, непосредственно по задней стороне катода 32 и охлаждает его. Между катодом 32 и не изображенным на фиг.3 анодом может создаваться тлеющая плазма, из которой ионы ускоряются на поверхность катода 32, вследствие чего из материала катода высвобождаются вторичные электроны. Так как эти вторичные электроны эмитируются со всей поверхности катода 32, а другие механизмы эмиссии, которые могли бы высвобождать дополнительные электроны, не действуют, возникает электронный луч 44 с относительно большим поперечным сечением луча и небольшой плотностью мощности по отношению к электронным лучам 17 и 23, показанным на фиг.1 и фиг.2. По сравнению с затратной катодной головкой для вольфрамового накаливаемого катода, показанной на фиг.2, катодная головка холодного катода, впрочем, выполнена конструктивно проще и более удобна в техническом обслуживании.

На фиг.4 катодная головка предлагаемого изобретением устройства в первом варианте осуществления схематично изображена несколько более детально. Катодная головка включает в себя монтажное основание 40 из алюминия и монтажное основание 41 из высококачественной стали, которые посредством винтовых соединений прижаты друг к другу. Посредством накидной гайки 42 графитовое кольцо 43b с наружным диаметром, равным 90 мм, прижимается к монтажному основанию 40. При этом графитовое кольцо 43b, в отверстии которого вставлен плоский диск 43a эмиттера из LaB₆ с наружным диаметром 17 мм, выполнено таким образом, что графитовое кольцо 43b с целью тепловой изоляции на большой поверхности находится на расстоянии зазора 44 от монтажного основания 40. Эмиттер 43a и графитовое кольцо 43b вместе образуют гибридный катод 43, у которого электроны для электронного луча 45 эмитируются главным образом эмиттером 43a. На другой стороне монтажного основания 40 расположена фасонная деталь 46, которая образует, таким образом, полости 47 в направлении монтажного основания 40 и 41. Через эти полости 47 протекает охлаждающее средство, при этом фасонная деталь 46 обеспечивает направленный приток и интенсивное охлаждение монтажного основания 40. Катодная головка включает в себя также корпус 48 изолятора из полимерного материала, который электрически изолирует от катодной головки конструктивные элементы, расположенные за катодной головкой. С помощью этого первого варианта осуществления предлагаемого изобретением устройства при сравнительно простом конструктивном исполнении и использовании недорогих материалов для конструкции катодной головки уже может генерироваться электронный луч 45, который по своему диаметру и плотности своей мощности соответствует вольфрамовому накаливаемому катоду, показанному на фиг.2. Предпочтительно также, что отпадает необходимость в размыкании циркуляционного контура охлаждения при замене гибридного катода 43, как это требуется в случае холодного катода в соответствии с фиг.3. Впрочем, недостатком в описанном выше варианте осуществления изобретения является то, что еще существует непосредственный электрический контакт охлаждающей среды с катодным потенциалом, что приводит к повышенной трудоемкости защитной изоляции циркуляционного контура охлаждения для катодной головки.

На фиг.5 схематично изображена катодная головка предлагаемого изобретением устройства во втором, дополнительно усовершенствованном варианте осуществления. Катодная головка снова включает в себя монтажное основание 50, в данном примере осуществления состоящее из молибдена, образованное из двух частей, которые посредством винтовых соединений прижаты друг к другу и к корпусу 58 электрического изолятора, состоящему в данном случае из нитрида алюминия. Альтернативно корпус 58 изолятора может состоять из оксидной керамики. Посредством накидной гайки 52 графитовое кольцо 53b (наружный диаметр 90 мм), в отверстие которого вставлен плоский диск 53a эмиттера из LaB₆ (наружный диаметр 17 мм), прижато к монтажному основанию 50. Эмиттер 53a и графитовое кольцо 53b вместе образуют гибридный катод 53, в котором электроны для электронного луча 55 эмитируются главным образом эмиттером 53a. При этом монтажное основание 50 выполнено таким образом, что между гибридным катодом 53 и корпусом 58 изолятора на большой поверхности возникает вакуумированное промежуточное пространство 54 высотой в 10 мм, в которое встроен многослойный экран 56 для защиты от излучения с плавающей температурой, образуемый тремя параллельными дисками из листовой высококачественной стали, соединенными между собой заклепками, и разделенными дистанционным элементом. Вследствие улучшенной (по сравнению с возможностью теплоизоляции отдельного промежуточного пространства, как это реализовано посредством зазора 44, показанного на фиг.4) при этом тепловой изоляции гибридного катода 53 монтажное основание 50 не должно больше непосредственно обтекаться охлаждающим средством. Более того, полости 57 для направления охлаждающего средства в данном случае больше интегрированы в корпус 58 электрического изолятора, благодаря чему достигается желательная сепарация охлаждающего средства и катодного потенциала. Также через корпус 58 изолятора ведет вакуумоплотный подвод 51 высокого напряжения, через который высокое напряжение, необходимое для эксплуатации соответствующего электронного излучателя, подается на многослойный экран 56 для защиты от излучения и через него на катод 53.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройстве генерирования электронного луча. Техническим результатом является обеспечение возможности генерирования узкого электронного луча с малым диаметром в фокусе и высокой плотности мощности при одновременно простой конструкции и конфигурации устройства. Устройство содержит корпус (12), который ограничивает вакуумируемое пространство (13) и имеет отверстие для выхода электронного луча; впуск (16) для подачи рабочего газа в вакуумируемое пространство (13); плоский катод (14) и анод (15), которые расположены в вакуумируемом пространстве (13) и между которыми посредством прилагаемого электрического напряжения может создаваться плазма тлеющего разряда, при этом ионы из плазмы тлеющего разряда могут быть ускорены на поверхность катода (14). Технический результат достигается за счет того, что катод имеет первую часть (14a),состоящую из первого материала, которая образует центрально расположенную первую область поверхности катода (14), а также вторую часть (14b), состоящую из второго материала, которая образует вторую область поверхности катода (14), охватывающую первую область поверхности катода (14). Первый материал при воздействии на него ускоренных ионов может нагреваться до температуры, при которой электроны выходят из первого материала преимущественно за счет термоэлектронной эмиссии. 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство генерирования электронного луча, включающее в себя корпус (12), который ограничивает вакуумируемое пространство (13) и имеет отверстие для выхода электронного луча; впуск (16) для подачи рабочего газа в вакуумируемое пространство (13); плоский катод (14) и анод (15), которые расположены в вакуумируемом пространстве (13) и между которыми посредством прилагаемого электрического напряжения создается плазма тлеющего разряда, при этом ионы из плазмы тлеющего разряда ускоряются на поверхность катода (14), а эмитированные катодом электроны в плазму тлеющего разряда, отличающееся тем, что
a) первая часть (14a) катода (14), которая образует центрально расположенную первую область поверхности катода (14), по меньшей мере со стороны эмиссии состоит из первого материала;
b) вторая часть (14b) катода, которая образует вторую область поверхности катода (14), охватывающую первую область поверхности, состоит из второго материала;
c) первый материал является электрически проводящим и обладает работой выхода электронов менее 4 эВ;
d) второй материал является электрически проводящим и обладает работой выхода электронов более 4 эВ;
e) первый материал при воздействии на него ускоренных ионов может нагреваться до температуры, при которой электроны выходят из первого материала преимущественно за счет термоэлектронной эмиссии.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая область поверхности выполнена плоской.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая область поверхности выполнена вогнутой.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вторая область поверхности, охватывающая первую область, выполнена вогнутой.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый материал включает в себя борид редкоземельных элементов.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая область поверхности образована массивным формованным элементом (14a), состоящим из первого материала.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая область поверхности является составной частью составного элемента.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что второй материал включает в себя графит.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что второй материал включает в себя металл.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая и вторая области поверхности разделены зазором, проходящим вокруг первой области поверхности.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере первый материал теплоизолирован от охлаждаемых частей устройства задним тепловым барьером.

12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что тепловой барьер включает в себя по меньшей мере один вакуумируемый зазор (44; 54) и/или тепловой изолятор (18; 56).

13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочий газ
тлеющего разряда представляет собой инертный газ или водород.

14. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мощность его излучения при постоянном или импульсном напряжении горения регулируется посредством варьирования потока рабочего газа тлеющего разряда.

15. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что имеет корпус (19; 48; 58) электрического изолятора, который имеет отделенные от катодного потенциала каналы (19a) охлаждения и вакуумонепроницаемый ввод (19b) высокого напряжения.

16. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что управление направлением распространения электронного луча (17) в катодной камере (13) осуществляется с помощью поперечного магнитного поля, создаваемого посредством системы (11b) магнитных катушек в области между катодом (14) и анодом (15).

17. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что корпус изолятора состоит из полимерного материала (48), из оксидной керамики или из нитрида алюминия (58).