ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА, УПРАВЛЯЕМАЯ ИСТОЧНИКОМ ИОНОВ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ
GAS-DISCHARGE ELECTRON GUN CONTROLLED BY AN ION SOURCE WITH CLOSED ELECTRON DRIFT

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для создания газоразрядных электронных пушек, применяемых в таких вакуумных технологиях термической обработки материалов, как плавка, сварка и размерная обработка тугоплавких металлов.
Известны электронные пушки, в которых используется вторичная эмиссия электронов с поверхности холодного катода под действием ионной бомбардировки.
Известна электронная пушка с плазменным анодом [1], состоящая из: катода изготовленного из материала с большим коэффициентом ионно-электронной эмиссии по отношению к ионам плазмы и подключенного к высоковольтному источнику напряжения отрицательной полярности; полого кольцевого анода, имеющего центральное отверстие для вывода электронного пучка возникающего при ионной бомбардировке катода. Для создания плазмы к одному или нескольким тонким электродам, установленным внутри источника ионов, прикладывается импульс положительной полярности относительно заземленного анода. Для ограничения утечки ионов в источнике используется сетка под небольшим положительным потенциалом.
Недостатком электронной пушки [1] является низкая эффективность ионно-плазменного источника орбитронного типа, так как значительная доля ионного тока уходит на внутреннюю поверхность полости источника, а также трудность получения азимутальной однородности потока ионов и соответственно электронного пучка. Кроме того, ионно-плазменный источник обладает низкой надежностью из-за высокой конструктивной сложности с использованием сеток в апертуре потока плазмы и тонких анодных электродов, которые могут перегорать в разряде при увеличении давления газа.
Широкое применение в технологиях термообработки материалов находят газоразрядные электронные пушки на основе высоковольтного тлеющего разряда с полым анодом. Управление мощностью формируемого электронного пучка при постоянном напряжении осуществляется воздействием на концентрацию плазмы посредством изменения давления газа или потенциала управляющего электрода, расположенного в плазме разряда. Однако первый способ управления обладает большой инерционностью с характерной постоянной времени изменения давления порядка 0.1 с, что неприемлемо для современных технологий. Поэтому чаще используются электронные пушки с управляющим электродом, обеспечивающим возможность изменения тока за счет изменения его потенциала.
Известен способ управления газоразрядной электронной пушкой [2] путем изменения величины и полярности потенциала лучевода за счет автономного источника, включенного между мишенью и лучеводом электронной пушки. При этом изменяется концентрация плазмы в анодной полости пушки и соответственно поток ионов, бомбардирующих катод и ток вторичных электронов, из которых формируется пучок, осуществляющий технологическое воздействие на обрабатываемый материал.
Недостатком способа, предложенного в [2], является небольшой диапазон изменения тока, нелинейная зависимость тока пучка от управляющего напряжения и низкая надежность технологической установки, использующей такой способ, поскольку при пробоях между катодом и анодом электронной пушки к незаземленным аноду и лучеводу прикладывается импульс высокого напряжения, что, как правило, приводит к выходу из строя автономного источника, управляющего пушкой.
-5
Известна триодная газоразрядная электронная пушка [3], в которой управляющий электрод установлен непосредственно в анодной полости высоковольтного тлеющего разряда. Ток электронного пучка изменяется в зависимости от величины и полярности потенциала на управляющем электроде относительно анода пушки. Характерное время изменения тока электронного пучка для триодных пушек составляет 10 с, что значительно меньше, чем при газодинамическом управлении.
Недостатком триодных газоразрядных пушек, предложенных в [3], является то, что высоковольтный тлеющий разряд между катодом и анодом пушки является самостоятельным, и для его поддержания требуются высокие давления газа. При этом степень ионизации газа как электронами пучка, так и вторичными электронами анодной плазмы, мала. Поэтому, несмотря на низкие величины управляющего напряжения и высокое быстродействие, энергетическая и газовая эффективность не превосходит значений характерных для диодных пушек. Кроме того, технологические системы с такими пушками имеют низкую надежность, поскольку при повышенных давлениях рабочего газа весьма высока вероятность пробоя с катода на управляющий электрод, что приводит к выходу из строя источника питания дополнительного разряда и системы управления током электронного пучка.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является выбранная в качестве прототипа газоразрядная электронная пушка [4] для получения осевого электронного пучка, состоящая из катодного узла, управляющего электрода и анодного узла, которые образуют плазменный источник ионов, отличающаяся тем, что управляющий электрод и анодный узел выполнены как электроды магнетронной разрядной системы, которые подключены к источникам электропитания. Управление параметрами электронного пучка осуществляется изменением давления газа, напряжения на управляющем электроде и величины индукции магнитного поля.
Недостатком газоразрядной электронной пушки-прототипа [4] является то, что на катодной вставке магнетронной разрядной системы, расположенной между полюсами электромагнита, происходит потеря ионов за счет их ускорения объемным зарядом замагниченных электронов в активной области магнетронного разряда, расположенной в зоне наибольшего магнитного поля. Это приводит к уменьшению газовой и энергетической эффективности, а также к ограничению ресурса работы пушки в результате эрозии катода магнетронной разрядной системы. Кроме того, в прототипе пушки низка эффективность действия магнитного поля на создание плазмы магнетронного разряда, так как наибольшая величина индукции магнитного поля в зазоре между полюсами электромагнита находится в теле катодной вставки. Управляющий электрод, который одновременно является анодом магнетронного разряда, установлен в сильном электрическом поле основного катода пушки, которое снижает эффективность управления параметрами пушки, воздействуя на электрическое поле магнетронной разрядной системы. Также в пушке отсутствует возможность создания газодинамической системы, позволяющей управлять током магнетронного источника ионов независимо от потока газа из нагреваемой электронным пучком мишени, так как магнетрон и ускоритель электронов находятся в разрядной области при одном и том же давлении газа. Это снижает диапазон давлений рабочего газа и, как следствие, уменьшает эффективность управления параметрами газоразрядной пушки.
Целью предлагаемого технического решения является создание конструкции газоразрядной электронной пушки, обеспечивающей быстродействующее управление и возможность модуляции тока пучка при относительно небольших расходах газа и мощности управляющего источника, а также высокую газовую и энергетическую эффективность.
Техническим эффектом от реализации поставленной задачи является:
- увеличение энергетической и газовой эффективности;
- уменьшение рабочего давления и расхода газа;
- расширение диапазона управляемых параметров пушки;
- увеличение КПД устройства за счет уменьшения потерь;
- увеличение ресурса работы пушки.
Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигается тем, что газоразрядная электронная пушка, предназначенная для получения осевого электронного пучка, состоящая из катодного узла, управляющего электрода и анодного узла, которые выполнены как электроды магнетронной разрядной системы, подключенные к источникам электропитания, снабжена дополнительной кольцевой камерой, встроенной между полюсами электромагнита, так что образуется кольцевая щель между дополнительной и основной камерами электронной пушки; внутри кольцевой камеры размещена разрядная система плазменного ускорителя ионов с замкнутым дрейфом электронов, образованная кольцевым анодом, установленным внутри вакуумно-плотного изолятора, и полюсами электромагнита в качестве катода, формирующего радиально сходящийся поток ионов в основную камеру электронной пушки, который отклоняется в направлении катода пушки, находящегося под высоким отрицательным потенциалом, вызывая вторичную эмиссию электронов с катода, формирующихся в электронный пучок, проходящий через лучевод, снабженный фокусирующими и отклоняющими электромагнитными системами, причем рабочий газ подается в камеру ионно-плазменного ускорителя через газораспределительную систему.
Выполнение разрядной камеры ионного источника в виде полости, расположенной внутри магнитопровода и отделенной от основной камеры газоразрядной пушки кольцевой щелью, обеспечивает перепад давления газа между технологической камерой, основной газоразрядной камерой и камерой ионно-плазменного источника, что уменьшает влияние рабочего газа, подаваемого в камеру ионного источника, на процессы в технологической камере и влияние газоотделения из обрабатываемой электронным пучком детали на работу ионно-плазменного источника, и создает распределение магнитного поля, которое обеспечивает зажигание самостоятельного разряда в ионно-плазменном источнике и несамостоятельного высоковольтного разряда в основной газоразрядной камере пушки. При этом в области сильного магнитного поля между полюсами электромагнита, практически у их среза, формируется слой пространственного заряда замагниченных электронов, создающий электрическое поле, ускоряющее ионы, в котором вероятность ионизации нейтральных частиц газа максимальна. В результате обеспечивается наиболее эффективное использование рабочего газа и магнитного поля, а также значительно уменьшаются потери ионов на стенках разрядной камеры ионно-плазменного источника из-за радиальной направленности ионно-плазменного потока к оси основной газоразрядной камеры электронной пушки. За счет этого диапазон рабочих давлений в технологической камере может быть значительно расширен по сравнению с использованием традиционной схемы электронной пушки, в которой используется высоковольтный тлеющий разряд.
Кроме того, использование кольцевой газораспределительной камеры на внутренней торцевой поверхности магнитопровода электромагнита, связанной с разрядной камерой ионного источника посредством радиальной кольцевой щели, способствует повышению азимутальной однородности потока плазмы и формируемого электронного пучка, а также более эффективному использованию рабочего газа за счет его равномерного распределения.
Кроме того, для создания магнитного поля в ионном источнике может быть использована магнитная система с постоянным кольцевым магнитом изготовленным, например, из сплавов самарий-кобальт или неодим-железо-бор, вставленным вместо катушки электромагнита внутрь магнитопровода, который в этом случае должен иметь кольцевой воздушный зазор на внешней цилиндрической части для регулирования индукции магнитного поля в разрядной области путем изменения высоты этого зазора, например, при помощи ферромагнитного кольца, встроенного снаружи магнитопровода. При этом кольцевой магнит может быть вмонтирован в анод, что значительно уменьшает габаритные размеры ионного источника.
Наличие магнитного поля рассеяния, создаваемого электромагнитом ионного источника в разрядной камере электронной пушки, позволяет использовать его в качестве фокусирующего для формирования электронного пучка. При этом если разрядная камера электронной пушки заполнена плазмой с замагниченными электронами, совершающими замкнутый азимутальный дрейф, то силовые линии магнитного поля будут эквипотенциальными и может быть сформирована плазменная фокусирующая линза, эффективность которой значительно выше по сравнению с магнитной линзой, обычно применяемой для фокусировки пучков заряженных частиц.
Совокупность указанных признаков обеспечивает: увеличение энергетической и газовой эффективности, повышение к.п.д. газоразрядной электронной пушки и ресурса ее работы при рациональном использовании рабочего газа и магнитного поля, расширяет функциональные возможности пушки за счет увеличения диапазона управления ее выходными параметрами и обеспечения ее полной управляемости.
Сопоставительный анализ предлагаемой газоразрядной электронной пушки с устройствами подобного рода, известными из источников информации, и отсутствие описания аналогичного устройства позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
Заявляемое устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
На фигуре 1, поясняющей предлагаемое техническое решение, схематически изображена газоразрядная электронная пушка с элементами питания и управления.
Предлагаемая электронная пушка обладает аксиальной симметрией и содержит катодный и анодный узлы. Катодный узел состоит из охлаждаемого фокусирующего электрода 1 и катода 2 с вогнутой сферической рабочей поверхностью, изготовленного из материала, имеющего высокий коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии, подключаемого к отрицательному полюсу высоковольтного источника питания 11.
Анодный узел является ионно-плазменным ускорителем с замкнутым дрейфом электронов и состоит из следующих составных частей:
электромагнита, образованного кольцевым магнитопроводом 3 с цилиндрической катушкой 4, расположенной внутри магнитопровода;
вакуумно-плотного кольцевого полого изолятора 5, закрепленного в полости электромагнита;
кольцевого анода 6, установленного внутри полости изолятора 5 симметрично относительно средней плоскости электромагнита и подключенного через изолированный от магнитопровода 3 вакуумно-плотный электрический ввод к источнику электропитания 8, второй вывод которого подключен к заземленному магнитопроводу 3.
Кольцевой магнитопровод электромагнита замкнут по внешней цилиндрической поверхности, и имеет радиальный кольцевой зазор на внутренней. Катушка электромагнита подключена к источнику питания 7. Для создания более однородного по азимуту потока газа, управляемого регулятором расхода газа 9, в торцевой стенке магнитопровода 3 имеется кольцевая газораспределительная камера С, связанная с рабочей камерой ионного источника В через узкую радиальную щель S, образованную внутренней торцевой стенкой магнитопровода 3 и изолятором 5.
Катодный и анодный узлы вакуумно-плотно закреплены к торцам цилиндрического высоковольтного изолятора 10, в результате чего образуется газоразрядная камера А для формирования электронного пучка, эмитируемого с поверхности катода, который выводится в технологическую камеру через присоединенный к анодному узлу лучевод 12, снабженный фокусирующей 13 и отклоняющей 14 электромагнитными системами. Геометрические размеры лучевода и кольцевой щели ионно-плазменного ускорителя (источника ионов) обеспечивают при заданной производительности вакуумного насоса необходимый перепад давления между технологической камерой, газоразрядной камерой электронной пушки и ионно-плазменным ускорителем.
-4
-2
1
н
1
2
3
2
3
H
3
H
1
2
3
2
1
2
1
2
Газоразрядная электронная пушка, представленная на фигуре 1, работает следующим образом. Сначала технологическая камера и газоразрядная пушка откачиваются вакуумными насосами до давления остаточного газа ~10 Па. Затем включается источник высокого напряжения 11 и на катод пушки поступает напряжение отрицательной полярности относительно заземленных лучевода 12 и магнитопровода фокусирующей системы 13. При помощи системы подачи рабочего газа с управляемым регулятором расхода газа 9 в разрядной камере источника ионов, в зависимости от требуемой величины тока электронного пучка, создается давление P в диапазоне 1-10Па. Так как параметр Кнудсена К=λ/D>0.33, где λ ~ 1/Nσ - длина свободного пробега молекул газа, N и σ - их концентрация и сечение столкновений соответственно, а D - средний диаметр разрядной камеры, то в молекулярном режиме течения газа устанавливается его поток, в котором Р>Р>P, где Р и Р - давление в основной разрядной камере пушки и в технологической камере, соответственно. Используя закон сохранения потока газа и заданные величины производительности насоса S, расхода газа q и давления в технологической камере - Р ≈ q/S - определяют оптимальное соотношение между P и Р, которое необходимо для нормальной работы пушки при заданных геометрических параметрах газодинамической системы: диаметре d и длине  лучевода; ширине **а и высоте h кольцевой щели между источником ионов и газоразрядной камерой электронной пушки. Если Р<<Р, то: , где К и К - коэффициенты Клаузинга для потоков газа в лучеводе и кольцевой щели [5]. При этом P и Р выбирают такими, чтобы разряд по Пашену без магнитного поля не зажигался во всем диапазоне рабочих напряжений электронной пушки и ионного источника.
r
z
zmin
zmin
z
z
После того как установится необходимый поток газа включается источник питания электромагнита 7, создающего аксиально-симметричное магнитное поле B(r,z)=(B, 0, B), индукция которого должна быть больше некоторой минимальной величины B, необходимой для зажигания разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях в разрядной камере источника ионов. При этом зажигания самостоятельного разряда в основной разрядной камере электронной пушки происходить не должно. Величина Bопределяется из условия зажигания самостоятельного разряда Таунсенда и составляет в зависимости от вида газа, материала электродов и геометрии разрядного промежутка 0.02-0.03 Т. На фигуре 1 в качестве примера изображены силовые линии магнитного поля и распределение его индукции B(r) в средней плоскости электромагнита. Силовые линии магнитного поля имеют арочную конфигурацию, а величина B максимальна в зазоре между полюсами электромагнита и быстро уменьшается как в направлении к оси электронной пушки, так и к аноду источника ионов. Так как электроны источника ионов замагничены и совершают замкнутый дрейф в азимутальном направлении, то возникают условия фокусировки как ионного потока на выходе источника, так и электронного пучка.
A
З
zmin
A
i
i
i
0
A
i
0
0
i
0
A
i
0
i
1
i
i
1
i
A
1кр
i
0
i
e
i
e
i
e
1кр
1кр
i
l/2
3
7
2
-15
1/2(
2
-6
При включении источника питания 8 на анод ускорителя ионов подается напряжение U положительной полярности относительно заземленного магнитопровода электромагнита большее напряжения зажигания разряда U, которое в зависимости от вида газа и материала электродов составляет 200-500 В, и практически не зависит от давления газа и величины индукции магнитного поля при В>B. При этих условиях в разрядной камере происходит интенсивная ионизация газа электронами, совершающими замкнутый дрейф в азимутальном направлении. На анод они попадают только в результате диффузии поперек магнитного поля за счет столкновений. Ионы не испытывают действия магнитного поля и ускоряются электрическим полем слоя объемного заряда замагниченных электронов в направлении кольцевой щели между полюсами электромагнита. Их энергия на выходе ионного источника достигает 0.8eU, а плотность тока J зависит от анодного напряжения, индукции магнитного поля и давления газа: J=νεB(2Uνe/νm), где е и m - заряд и масса электрона, ε - диэлектрическая проницаемость вакуума, ν и ν - частота ионизации и транспортная частота столкновений электронов с частицами газа [6]. Для характерных параметров разряда U~ 10 В, ν/ν ~ 0.1, В ~ 0.1 Т и ν ~ 6⋅10 P получаем оценку величины ионного тока I=J⋅F ~ 0.1 А при P ~ 0.1 Па и F=πD⋅h ~ 20 см. Если предположить, что все ионы бомбардируют катод электронной пушки, вызывая ионно-электронную эмиссию, то электронный ток составит величину ~γ⋅I ~ 1А, где γ - коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии при кинетическом механизме выбивания электронов с поверхности. Например, для катода из алюминия и ионов водорода при энергии ~ 30 кэВ величина γ ~ 10. Таким образом, изменяя U, можно варьировать ток электронного пучка от 0 до максимального значения при фиксированном потенциале на катоде пушки. При этом диапазон изменения тока пучка задается расходом газа и величиной индукции магнитного поля. Кроме этого, ионы компенсируют объемный заряд электронного пучка, что приводит к его самофокусировке и увеличению первеанса пушки. Если расход газа достаточно большой, так что устанавливается давление P ~ 4⋅10 (mν/Mν)eB/m)l/<σν>(Па) (здесь σ - сечение ионизации, ν - скорость электрона, a <σν> - усреднение по функции распределения электронов), то имеет место квазинейтральный режим разряда в ионном источнике. Например, для аргона величина Р≈0.5Па, а для водорода - Р≈2.2 Па. В этом режиме вероятность ионизации близка к 1, так что наблюдается практически полное превращение потока нейтрального газа q в поток плазмы с плотностью ионного тока J ~ eNV/4, где N и V - концентрация и скорость частиц газа. В случае использования водорода плотность ионного тока может достигать 10А/см, но при этом выделяется большое количество энергии на аноде и полюсах электромагнита и требуется их эффективное охлаждение. Более экономичным может оказаться частотно-импульсный режим работы газоразрядной пушки. Для этого достаточно снабдить источник питания 8 соответствующим частотно-импульсным модулятором, а на катод электронной пушки по-прежнему подавать постоянное напряжение. Характерное минимальное время изменения тока электронного пучка определяется частотой ионизации и пролетным временем ионов до катода пушки и составляет величину порядка 10 с. Это значительно расширяет функциональные возможности применения газоразрядных пушек в современных технологиях и в экспериментальной физике.
A
A
п
A
zmin
A
З
Изготовлен экспериментальный образец описанной выше электронной пушки и проведены ее предварительные испытания. В результате установлено, что при ускоряющем напряжении -30 кВ и давлении водорода 0.1 Па в ионном источнике зажигается разряд при В ~0.03Т, U=1 кВ и I=0.1 А, а ток электронного пучка Iдостигает 2 А. Наблюдается полное управление величиной тока пучка при изменении I и индукции магнитного поля В. Причем ток пучка полностью прекращается при погасании разряда в ионном источнике при B<B или U<U.
Источники информации
1. Патент US 4,707,637. Plasma-Anod Electron Gun / R.J. Harvey, Nov. 17, 1987.
2. A.C. СССР №356977. Способ управления газоразрядной электронно-лучевой установкой / Я.Я. Удрис, В.А. Чернов. - 15.11.1982. Бюл. №42.
3. Мельник В.И., Новиков А.А. Газоразрядные источники электронов с прианодной плазмой и применение их в электронно-лучевой технологии. - Электронная обработка материалов, 1973, №1, с. 22.
4. Патент UA 60377 С2, МПК: H01J 3/04, 37/00. Газоразрядный электронный прожектор и способ управления прожектором / ЗАО «ГЕКОНТ», UA. Опубл. 15.10.2003.
5. Вакуумная техника: Справочник / Е.С.Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова и др.: Под общ. ред. Е.С.Фролова, В.Е. Минайчева. - М.: Машиностроение, 1992. - 480 с.: ил.
6. Плазменные ускорители и ионные инжекторы. М.: Наука,1984, с. 82-138.