ИСТОЧНИК ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ С ЛАЗЕРНЫМ ПОДОГРЕВОМ КАТОДА, УСТРОЙСТВО ПОВОРОТА ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА Российский патент 2023 года по МПК H01J37/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области вакуумной электроники, а именно к оборудованию для электронно-лучевых технологий.

Уровень техники

Известно устройство, представленное в «ПРОТОТИП ИСТОЧНИКА ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ С ЛАЗЕРНЫМ ПОДОГРЕВОМ КАТОДА» / Алякринский О.Н., Губин К.В., Косачев М.Ю., Купер Э.А., Логачев П.В., Медведев A.M., Овчар В.К., Репков В.В., Семенов Ю.И., Сизов М.М., Старостенко А.А., Федотов М.Г., Цыганов А.С. // Научное приборостроение. - 2018. - Т. 28. - №4. - С. 8-14, где описан «прототип источника пучка электронов с лазерным подогревом катода» не со стороны эмитирующей поверхности катода, а с тыльной стороны катода. Этому аналогу присуща совокупность признаков, близкая к совокупности существенных признаков представленного изобретения.

В качестве прототипа выбран наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению патент US 6781300 B1, H01J 63/04, опубл. 24.08.2004 г., где представлены различные схемы электронных пушек с лазерным подогревом катода не со стороны эмитирующей поверхности катода, а со стороны, противоположной к эмитирующей поверхности катода, то есть с тыльной стороны катода. При этом для передачи лазерного луча использовано оптоволокно, помещенное в электропроводящий волновод, который служит для подвода к катоду как луча лазера, так и высоковольтного ускоряющего напряжения электронной пушки. При этом имеется сложный и дорогостоящий узел соединения волновода к жиле высоковольтного кабеля подвода ускоряющего напряжения пушки.

Представленные аналоги отличаются от предлагаемого изобретения тем, что подогрев катода осуществляется с тыльной стороны катода. При этом луч лазера подводится к катоду сквозь узлы электронной пушки, находящиеся под потенциалом ускоряющего напряжения пушки. Это усложняет конструкцию пушки и соответственно удорожает стоимость пушки.

Что касается предлагаемого изобретения «Устройство для поворота электронного пучка», то известен источник электронного пучка, описанный в «Прототип источника электронов с магнитным поворотом пучка для электронно-лучевых технологий», Алякринский О.Н., Болховитянов Д.Ю., Косачев М.Ю., Логачев П.В., Медведев A.M., Семенов Ю.И., Сизов М.М., Старостенко А.А., Федотов М.Г., Цыганов А.С., Научное приборостроение. - 2019. - Т. 29. - №1. - С. 26-32, где поворот пучка осуществлен магнитным зеркалом с однородным магнитным полем.

Также известно устройство, которое описано в Кельмап В.М., Корсунский М.И., Ланге Ф.Ф. Магнитное электронное зеркало //ЖЭТФ. 1939. Т. 9, Вып. 6. С. 681-684.

Прототипом предлагаемого изобретения является «Устройство поворота электронного пучка для электронно-лучевых технологий», патент на изобретение РФ №2623578. Опубл. 28.06.2017. Бюл. №19, где для поворота электронного пучка источника на 270° также использовано магнитное зеркало с однородным магнитным полем.

Недостатками этих аналогов является то, что электронный пучок описывает петлеобразную траекторию в однородном магнитном поле электронного зеркала, которое не обладает фокусирующими свойствами в плоскости траектории пучка. Из-за этого круглая форма поперечного сечения пучка перед зеркалом после выхода из зеркала трансформируется в овальную форму и, в отличие от предлагаемого устройства, для компенсации разницы фокусирующих свойств в разных плоскостях между электронной пушкой и магнитным зеркалом устанавливается один или более магнитных квадруполей, что существенно увеличивает габариты устройства.

Технической задачей представляемого изобретения является создание более компактного и упрощенного в отношении конструкции и технологии изготовления источника электронного пучка с лазерным подогревом катода.

Раскрытие сущности изобретения

В настоящем изобретении в качестве источника косвенного подогрева катода электронной пушки служит мощность лазерного излучения. В отличие от приведенных прототипов, луч лазера направляется на поверхность катода, с которой эмитируются электроны, образующие рабочий электронный пучок. При этом луч лазера вводится в вакуум через окно из кварцевого радиационно стойкого стекла. К аноду электронной пушки луч подводится не сквозь узлы электронной пушки, находящиеся под потенциалом ускоряющего напряжения пушки, а проходит через пространство без высокого электрического поля. Далее луч через анодное отверстие электронной пушки попадает на катод.

Ток пучка электронов устанавливается регулировкой мощности лазера. При этом электронная пушка работает по диодной схеме. Поэтому при заданных ускоряющем напряжении, расстояниях между катодом 10 и фокусирующим электродом 21 и катод-анодом ток пушки устанавливается температурой катода, то есть эффективно управляется регулированием мощности подогрева лазером. При дальнейшем повышении температуры катода достигается область ограничения плотности тока эмиссии пространственным зарядом в области катода и снижается эффективность управления током пушки регулированием мощности подогрева. График зависимости тока электронной пушки с танталовым катодом от мощности лазерного подогрева показан на фиг. 5. Эта проблема решается применением сменных фокусирующих электродов пушки для конкретного диапазона рабочего тока, оптимизируя расстояния катод - фокусирующий электрод и катод-анод или регулируя ускоряющее напряжение пушки, то есть оптимизируя первеанс электронной пушки для заданного диапазона рабочего тока источника электронного пучка.

Для подвода к электронной пушке ее ускоряющего напряжения становится возможным использование одножильного кабеля вместо четырехжильного кабеля, жилы которого изолированы друг от друга на несколько киловольт.

Таким образом конструкция и технология изготовления источника электронного пучка с лазерным подогревом катода пушки упрощаются в результате:

• упрощения конструкций ввода луча лазера в вакуумную камеру и системы наведения луча лазера в центр катода;

• проведения лазерного луча не свозь узлы, находящиеся под потенциалом ускоряющего напряжения электронной пушки, а со стороны нулевого потенциала корпуса вакуумной камеры;

• использования одножильного кабеля подвода ускоряющего напряжения пушки.

Неотъемлемой частью источника электронного пучка с лазерным подогревом катода электронной пушки со стороны эмитирующей поверхности катода является устройство для поворота электронного пучка с градиентным магнитным полем, которое осуществляет отворот электронного пучка от системы ввода лазерного луча в вакуумную камеру и от оптического блока формирования пятна лазерного луча на катоде. Устройство представляет собой магнитное электронное зеркало, выполненное в виде дипольного магнита, в котором магнитное поле создается постоянными магнитами. Зеркало ориентировано так, что электронный пучок описывает в нем петлеобразную траекторию и отличается тем, что для получения градиента магнитной индукции в зеркале в каждом полюсе зеркала выфрезирован паз, параллельный кромке полюса со стороны входа электронного пучка. График распределения магнитной индукции в зеркале представлен на фиг. 4, где 24 - точка, лежащая в плоскости, проходящей через торцевые плоскости полюсов зеркала со стороны входа электронного пучка, 25 - точка, лежащая в середине паза полюса зеркала, 26 - точка, лежащая в плоской части полюса зеркала, 27 - точка, лежащая за плоской частью полюса зеркала.

Размеры паза рассчитываются для заданного диапазона энергии электронов.

После выхода из анодного отверстия пушки электронный пучок попадает в устройство поворота, где описывает петлеобразную траекторию, изменяя свое направление на 270°, и при этом форма поперечного сечения электронного пучка на выходе из магнитного зеркала сохраняется такой же, как на входе зеркала, что нами экспериментально подтверждено. Поэтому, в отличие от своих аналогов, перед зеркалом не устанавливаются квадрупольные линзы.

Таким образом устройство поворота электронного пучка в виде электронного зеркала с градиентным магнитным полем позволяет:

• упростить конструкцию и технологию изготовления источника электронного пучка с лазерным подогревом катода;

• обеспечить компактность источника электронного пучка;

• предотвратить прямое попадание паров и микрокапель на катод при термической обработке материалов, тем самым увеличить ресурс работы катода.

Элементы источника, за исключением лазера с оптоволоконным кабелем, коллиматора, объектива и видеокамеры, помещены в вакуумную камеру, откачиваемую до 10^-5 миллибар.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Блок-схема источника пучка электронов с лазерным подогревом катода.

Фиг. 2 - Чертеж зеркала видеонаблюдения.

Фиг. 3 - Чертеж магнитного зеркала.

Фиг. 4 - График распределения магнитной индукции В вдоль линии 20, лежащей на плоскости антисимметрии 19 магнитного зеркала.

Фиг. 5 - График зависимости тока электронной пушки с танталовым катодом от мощности лазерного подогрева.

Фиг. 6 - Чертеж примера осуществления источника пучка электронов с лазерным подогревом катода электронной пушки со стороны эмитирующей поверхности катода.

Блок-схема представляемого источника показана на фиг. 1. По оптоволоконному кабелю 1 луч лазера подводится к коллиматору 2, где расходящийся при выходе из оптоволокна луч лазера преобразуется в параллельный луч. Далее длиннофокусный объектив 3, установленный на корпус вакуумной камеры через устройство в виде двух координатной качалки для наведения луча лазера 6 в центр катода 10, сжимает диаметр луча в свой фокус в размер меньше чем 0.1 мм. Луч лазера в вакуумный объем электронной пушки вводится через окно из кварцевого стекла. Катод 10 электронной пушки 9 помещается между объективом и точкой фокуса или дальше точки фокуса в направлении от объектива. Диаметр пятна луча на катоде увеличивается пропорционально расстоянию от катода до точки фокуса луча.

Попадание луча лазера в центр катода контролируется системой видеонаблюдения, состоящей из цилиндрического полого металлического зеркала 4 и видео камеры 5. Чертеж зеркала показан на фиг. 2. Зеркало имеет полированную зеркальную поверхность 16 в виде скоса. Окно видеонаблюдения изготавливается из рентгенозащитного стекла. Между окном видеонаблюдения и видеокамерой ставится оптический фильтр, отсекающий излучение с длиной волны излучения лазера с ослаблением не более 70 децибел. Каналы «окно видеонаблюдения - видеокамера 5» и «окно ввода луча лазера - объектив 3» должны быть оптически герметизированы в целях защиты обслуживающего персонала от воздействия излучения лазера.

Соосность траектории электронного пучка и магнитной оптики выставляется юстировочным магнитным корректором 11. Далее электронный пучок отворачивается от оптического блока формирования пятна лазерного луча на катоде градиентным магнитным зеркалом 7, где пучок, описывая петлеобразную траекторию 8, поворачивается на 270°. Чертеж магнитного зеркала с градиентным магнитным полем показан на фиг. 3. Зеркало состоит из двух полюсов 18 и постоянного магнита 17, изготовленного из сплава на основе редкоземельных металлов химического состава Nd₂Fe₁₄B. Далее пучок, проходя через систему магнитной оптики, попадает в технологическую камеру 15. Система магнитной оптики состоит из следующих элементов:

• квадрупольной линзы 12, который служит для корректировки формы пятна электронного пучка на обрабатываемом объекте;

• аксиальной фокусирующей линзы 13 в магнитном экране, регулирующей размер пятна электронного пучка на обрабатываемом объекте;

• отклоняющей линзы 14, которая перемещает пятно электронного пучка по обрабатываемому объекту.

Если на размер и форму электронного луча не предъявляются повышенные требования, то юстировочный магнитный корректор 11 и квадрупольная линза 12 могут не устанавливаться.

Осуществление изобретения

Пример осуществления источника пучка электронов с лазерным подогревом катода электронной пушки со стороны эмитирующей поверхности катода приведен на Фиг. 6. По оптоволоконному кабелю 1 луч лазера подводится к коллиматору 2, где расходящийся при выходе из оптоволокна луч лазера преобразуется в параллельный луч. Далее длиннофокусный объектив 3, установленный на корпус вакуумной камеры через устройство в виде двух координатной качалки для наведения луча лазера 6 в центр катода 10, сжимает диаметр луча в свой фокус в размер меньше чем 0.1 мм. Луч лазера в вакуумный объем электронной пушки вводится через окно 23 из радиационно стойкого кварцевого стекла. Катод 10 электронной пушки помещается между объективом и точкой фокуса или дальше точки фокуса в направлении от объектива. Диаметр луча на катоде увеличивается пропорционально расстоянию от катода до точки фокуса луча. Наиболее подходит для применения волоконный лазер. Оптическая система подвода и ввода в вакуум луча лазера должна быть помещена в обеспыленную зону для предотвращения попадания на рабочую поверхность оптических элементов пылинок, которые под воздействием лазерного луча могут расплавиться и испортить рабочую поверхность оптических элементов.

Попадание луча лазера в центр катода контролируется системой видеонаблюдения, состоящей из цилиндрического полого металлического зеркала 4 и видео камеры 5. Зеркало имеет полированную поверхность 16 в виде скоса под углом 45° к оси зеркала. Окно видеонаблюдения изготавливается из рентгенозащитного стекла ТФ-5. Между окном видеонаблюдения и видеокамерой ставится оптический фильтр, отсекающий излучение с длиной волны излучения лазера с ослаблением не более 70 децибел. Каналы «окно видеонаблюдения - видеокамера 5» и «окно ввода луча лазера - объектив 3» должны быть оптически герметизированы в целях защиты обслуживающего персонала от воздействия излучения лазера.

Соосность траектории электронного пучка и магнитной оптики настраиваются юстировочным магнитным корректором 11.

Электронный пучок отворачивается от оптического блока формирования пятна лазерного луча на катоде градиентным магнитным зеркалом 7, где пучок, описывает петлеобразную траекторию 8. Чертеж магнитного зеркала с градиентным магнитным полем показан на фиг. 3. Зеркало состоит из двух полюсов 18 и постоянного магнита 17, изготовленного из сплава на основе редкоземельных металлов.

Вакуумная камера 22 откачивается до уровня порядка 10^-5 миллибар.

Далее пучок, проходя через систему магнитной оптики, попадает в технологическую камеру 15. Система магнитной оптики состоит из следующих элементов:

• квадрупольной линзы 12, которая служит для корректировки формы пятна электронного пучка на обрабатываемом объекте;

• аксиальной фокусирующей линзы 13 в магнитном экране, регулирующей размер пятна электронного пучка на обрабатываемом объекте;

• отклоняющей линзы 14, которая перемещает пятно электронного пучка по обрабатываемому объекту.

Рабочие параметры этих устройств задаются токами в их обмотках.

Если на размер и форму электронного луча не предъявляются повышенные требования, то анодный юстировочный магнитный корректор 11 и квадрупольная линза 12 могут не устанавливаться.

Изобретение относится к области вакуумной электроники, а именно к оборудованию для электронно-лучевых технологий. Технический результат - упрощение конструкции и технологии изготовления источника электронного пучка с лазерным подогревом катода пушки. Для подогрева катода луч лазера направляется на поверхность катода, с которой эмитируются электроны, образующие рабочий электронный пучок источника. Луч лазера проходит не свозь узлы, находящиеся под потенциалом ускоряющего напряжения электронной пушки, а со стороны нулевого потенциала корпуса вакуумной камеры. Ток источника задается мощностью подогрева катода. Электронная пушка работает в диодном режиме. Ускоряющее напряжение к электронной пушке подводится одножильным высоковольтным кабелем. Устройство формирования петлеобразной траектории электронного пучка для отворота электронного пучка от системы ввода лазерного луча в вакуумную камеру и от оптического блока формирования пятна лазерного луча на катоде выполнено в виде магнитного зеркала с градиентным магнитным полем. При прохождении электронного пучка через него форма поперечного сечения электронного пучка сохраняется. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Источник пучка электронов с лазерным подогревом катода, включающий электронную пушку, устройство поворота электронного пучка, средство формирования пятна лазерного луча на катоде и окно ввода лазерного луча в вакуум, элементы магнитной оптики для формирования пятна электронного пучка на обрабатываемом объекте в технологическом объеме, отличающийся тем, что для подогрева катода луч лазера направляют на поверхность катода, с которой эмитируются электроны, образующие рабочий электронный пучок источника, и тем, что ускоряющее напряжение к электронной пушке подводится одножильным кабелем, а величина тока пучка электронов устанавливается регулированием мощности лазерного подогрева катода, и состоящего из окна ввода лазерного луча в вакуумную камеру, средства наведения луча в центр катода, устройства формирования петлеобразной траектории электронного пучка для отворота электронного пучка от системы ввода лазерного луча в вакуумную камеру и от оптического блока формирования пятна лазерного луча на катоде, а также размещенных вдоль траектории движения электронов пучка аксиальной фокусирующей магнитной линзы для регулирования размеров пятна электронного луча на обрабатываемом объекте и сканирующего элемента для перемещения электронного пучка по обрабатываемому объекту.

2. Источник пучка электронов с лазерным подогревом катода по п. 1, отличающийся тем, что для улучшения поперечных размеров и формы электронного пучка снабжен анодным юстировочным корректором и квадрупольной линзой, установленной между устройством поворота пучка и фокусирующей линзой.

3. Устройство поворота электронного пучка, состоящее из магнитного зеркала, представляющего собой дипольный магнит и ориентированного так, чтобы электронный пучок описывал в нем петлеобразную траекторию, отличающееся тем, что для создания градиента магнитной индукции в зеркале в полюсах магнитного зеркала выфрезерованы пазы, вследствие чего форма поперечного сечения пучка не деформируется при прохождении магнитного зеркала.