УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВОРОТА ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
DEVICE FOR TURNING THE ELECTRON BEAM FOR ELECTRON BEAM TECHNOLOGIES

Изобретение относится к области электронно-лучевых технологий и физики пучков заряженных частиц и предназначено для улучшения вакуумных условий в объеме электронной пушки электронно-лучевых установок.
Известно устройство для плазменной экранировки области электронно-лучевой сварки (патент на изобретение RU 2047445). Недостатками устройства являются сложность эксплуатации и ограничение функциональности электронно-лучевых установок за счет требований к выбору режима.
Известны системы дипольных и квадрупольных магнитов, применяющиеся в ускорительной технике для поворота пучков заряженных частиц (например, W.K.H. Panofsky, J.A. McIntyre. Rev. Sci. Instr., 25, 287, 1954), но эти системы неоправданно сложны и дорогостоящи для применения в электронно-лучевых установках.
Известно устройство для поворота электронного пучка, состоящее из двух магнитных зеркал без образования петлевых траекторий (Брязгин А.А., Нехаев В.Е., Радченко В.М., Штарклев Е.А. Устройство для поворота ахроматических пучков заряженных частиц // Патент на изобретение №2463749, заявка №2011115741, приоритет изобретения 20 апреля 2011 г. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10 октября 2012 г.). Устройство требует выполнения сложных обмоток для обеспечения требуемого распределения магнитного поля, кроме того, в случае помещения устройства в вакуумный объем требуется обеспечить охлаждение обмоток.
Прототипом предлагаемого изобретения является магнитное зеркало, в котором пучок описывает петлевую траекторию (В.М. Кельман, М.И. Корсунский, Ф.Ф. Ланге. «Магнитное электронное зеркало», ЖЭТФ 1939, т. 9, вып. 6, 1939). Магнитное зеркало не обладает фокусирующими свойствами в плоскости поворота и при образовании петлевой траектории обладает фокусирующими свойствами, которые зависят от энергии пучка и магнитного поля в плоскости, перпендикулярной плоскости поворота.
В настоящем изобретении используется магнитное зеркало в виде дипольного магнита, в котором магнитное поле создается постоянными магнитами. Такая конструкция позволяет помещать дипольный магнит непосредственно в рабочую вакуумную камеру, за счет чего упрощается конструкция устройства. Устройство допускает поворот вокруг оси входящего электронного пучка, что позволяет ориентировать пучок в нужное место внутри вакуумной камеры. Для компенсации разницы фокусирующих свойств в разных плоскостях перед дипольным магнитом устанавливается один или более магнитных квадруполей. Такая схема позволяет использовать различные типы магнитных зеркал, в том числе ахроматическое.
Схема устройства представлена на фиг. 1. Электронный пучок 1 проходит через систему магнитных квадруполей 2, которые формируют его размеры и углы схождения при входе в магнитный диполь 3, магнитное поле в котором направлено так, чтобы пучок описал петлевую траекторию, далее пучок направляется на обрабатываемую деталь 4, которая при необходимости может быть отделена от остального объема защитными экранами 5.
Угол, на который устройство поворачивает пучок, равен удвоенному углу входа пучка в дипольный магнит. Например, для поворота на 90° угол между осью пучка и полюсами должен составлять 45°.
Величина магнитного поля выбирается из соображений компактности устройства и сохранения фокусирующих свойств дипольного магнита в плоскости, перпендикулярной плоскости поворота, для чего достаточная часть петлевой траектории должна располагаться в области однородного магнитного поля и в типичном случае составляет несколько сотен гаусс. Ширина полюсов выбирается из соображений достаточности для образования петлевой траектории в области однородного магнитного поля, достаточной шириной является величина в 4-5 магнитных радиусов электрона. Форма полюсов выбирается исходя из технических требований к установке. Например, может быть использован плоский дипольный магнит. В этом случае при изменении энергии электронов пучка происходит сдвиг траектории после поворота. Если по каким-то причинам это неудобно, может использоваться ахроматическое магнитное зеркало с магнитным экраном и специальной формой полюсов.
Конструкция с одним квадруполем может применяться для приложений, которые не требовательны к плотности, мощности и форме профиля пучка, например наплав металла. Такая конструкция позволяет совместить кроссоверы пучка в обеих плоскостях, но профиль пучка будет иметь эллиптическую форму. Расстояние между дипольным магнитом и квадруполем выбирается из соображений компактности, но таким образом, чтобы краевые поля квадруполя не искажали электронный пучок на выходе дипольного магнита. Для большей компактности устройства краевые поля элементов могут быть ограничены магнитными экранами. Если требуется обеспечить круглый профиль пучка, используется конструкция с двумя или более квадруполями. Параметры квадруполей определяются с помощью численного моделирования и уточняются под задачу экспериментально.