устройство для генерации и вывода частиц

Формула изобретения

Устройство для генерации и вывода частиц, содержащее источник частиц в виде катода и полого анода, пролетную камеру с электродом и патрубками для вывода частиц, в котором между катодом и электродом введен элемент связи, причем электрод выполнен в виде кольца, соосного с патрубками диаметром, соизмеримым с диаметром полости анода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронно-лучевой и плазменной технике и может использоваться в технологиях обработки материалов выведенными из вакуума в газ сфокусированными электронными пучками.

Известны устройства для генерации и вывода корпускулярных частиц через соосные отверстия, выполненные в последовательно расположенных камерах дифференциальной откачки, из которых отдельными насосами откачивается газ. Таким образом, создается ступенчатое уменьшение давления до величины, при которой может работать источник частиц (см. Пат. США 358534, кл. 219-121, опубл. 15.06.71, пат ГДР 75106, опубл. 20.07.72, АС СССР 126204, кл. Н 05 В 07/00, опубл. БИ 4, 1960).

В последнее время находят применение газоразрядные устройства для генерации и вывода пучков, работающие в отличие от вышеуказанных аналогов не на высоком вакууме, а на форвакууме (АС СССР 1047371, кл. Н 05 Н 7/00, АС СССР 999948, кл. H 01 J 3/00).

Однако применение таких устройств сдерживается технологическими возможностями системы к стабильной генерации пучка без пробоев (под стабильностью понимается отношение времени генерации пучка к общему времени работы системы). В ряде производств из-за кратковременного прекращения пучка в генераторе частиц вследствие короткого замыкания ускоряющего промежутка, проводимый процесс может остановиться [1] с.136. Это накладывает ограничения на технологические возможности применения газоразрядных устройств из-за возможных пробоев в катодно-анодном пространстве.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является устройство для вывода частиц по АС СССР 1281141. Известное устройство содержит источник частиц в виде холодного алюминиевого катода и анода, пролетную камеру промежуточной откачки газа с патрубками, в которых выполнены отверстия для вывода частиц. В патрубке, ближнем к источнику частиц, выполнены боковые отверстия, против которых расположен электрод. При обеспечении стартового вакуума и подаче на катод отрицательного потенциала между катодом и анодом зажигается высоковольтный тлеющий разряд. Ионы из плазмы разряда устремляются на катод, бомбардируя который выбивают электроны. Электронный пучок фокусируется магнитной линзой в отверстия патрубков и выводится через пролетную камеру в газовую среду. Далее зажигается дополнительный низковольтный разряд против отверстий в патрубках, что способствует поддержанию перепада давления между источником электронов и газовой средой.

Основным недостатком прототипа является ограничение его технологических возможностей применительно к конвейерным технологиям: сварка, плазмохимия, и др. Это связано с присутствием характерных для разряда пробоев и высокочастотных колебаний. Полость между катодом и анодом, а также сама пролетная камера промежуточной откачки являются резонаторами, в которой перехватывается энергия, кратная длинам волн. При выводе пучка распределение давления вдоль и поперек струи газа, стремящегося в вакуум через отверстия вывода пучка, согласовано с температурой от нагрева газа пучком и производительностью откачных средств (см. [2] таблицы параметров газового потока, с.857-878). При пробое в источнике частиц пучок временно не генерируется. За это время форма струи мгновенно перестраивается согласно ее новой температуре, что ведет к резкому повышению давления в источнике и невозможности быстро зажечь разряд из-за необходимости затрат времени на откачку газа. Особенно неблагоприятна форма струи в виде факела с фокусом на отверстие вывода частиц, когда весь газ пролетает камеру промежуточной откачки не откачиваясь в ней. Это ограничивает технологические возможности газоразрядных систем в ряде технологий (возбуждение лазерных сред, рост кристаллов, термохимический синтез).

Задача изобретения - расширение технологических возможностей устройства.

Эта задача достигается тем, что в устройстве для генерации и вывода частиц, содержащем источник частиц в виде катода и полого анода, пролетную камеру с электродом и патрубками для вывода частиц, между катодом и электродом введен элемент связи, причем электрод выполнен в виде кольца, соосного с патрубками диаметром, соизмеримым с диаметром полости анода.

Сущность работы состоит в том, что система с выводом пучка является согласованной. Для определенной энергии пучка и производительности откачки устанавливается определенная форма струи потока газа в пролетной камере, при которой перепад давления между газовой средой и источником электронов максимален. При горении газового разряда возникает гамма плазменных сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний, интенсивность которых возрастает с ростом давления. Разрядная полость катод-анод является резонатором, выделяющим СВЧ колебания с длинной волны, кратной ее размерам. Энергия волн, кратных длине окружности межэлектродного пространства между катодом и анодом, вызывает пробои между катодом и анодом. В случае пробоя, если пучок прекратится, то поток газа остынет и его форма изменится (струя укоротится и сожмется к оси). Вся мощность разряда тратится на формирование плазмы дуги, на свечение, тепловые процессы, СВЧ колебания. Мощность, теряемая разрядом на генерацию СВЧ колебаний, достигает 25% ([3] , с.7, абзац 1). Через введенную гальваническую развязку (конденсатор, петлю связи, трансформатор или дроссель) СВЧ напряжение передается на возбуждение объемного разряда в пролетной камере. При пробое между патрубками и введенным электродом возникает объемный разряд. Струя газа в области между патрубками при прекращении пучка не остывает от прекращения нагрева пучком, а сразу нагревается разрядом. Этим достигается сохранение геометрической формы струи и газодинамических эжектирующих эффектов, способствующих сохранению перепада давления между источником и камерой с газом. Это позволяет расширить технологические возможности газоразрядных систем в различных применениях.

Таким образом, при введении электрода и гальванической развязки в момент пробоя энергия пучка перебрасывается в пролетную камеру на сохранение параметров потока. В итоге сокращается время, затрачиваемое на перезапуск системы. Это расширяет технологические возможности применения газоразрядных систем в тяжелых условиях эксплуатации при резкой смене параметров газа. Кроме того, разряд между патрубками оказывает запорное действие для газа, поступающего из патрубков. Это связано с тем, что для плазмы разряда показатель адиабаты "k" меньше и постоянство расхода газа достигается при меньшем отношении давлений. Это отношение подчиняется выражению [1] с.199:

P₁/Р₀ = [2/(k+1)]^k/(k-1), (1)

где k - показатель адиабаты газа (для воздуха при нормальных условиях к= 1,4; для горячих или ионизованных газов k=1,3-1,1 [2] с.238 абзац 3 снизу).

Новым в предлагаемом устройстве является новый по физике процесса способ расширения технологических возможностей (за счет СВЧ энергии). В прототипе эта энергия теряется.

Новым является введение элемента гальванической связи и перевод энергии в область поддержания параметров струи газа. Введение элемента связи способствует сокращению времени на запуск источника после пробоя. В итоге общее время генерации пучка, отнесенное ко времени работы системы, повышается, что расширяет технологические возможности по применению устройства.

Наиболее простой гальванической развязкой является конденсатор. Емкость конденсатора рассчитывается, исходя из минимального сопротивления на частоте приоритетных колебаний. Сопротивление конденсатора Х_с рассчитывается через круговую частоту и емкость конденсатора С по соотношению:

X_C = 1/C (2)

где = 2f - круговая частота; (f=1/ - частота колебаний, - длина волны (в нашем случае длина окружности, соответствующая диаметру полости анода). Для практических применений, исходя из собственной емкости системы, наиболее предпочтительные частоты в единицы мегагерц.

Введение электрода в пролетной камере позволяет предотвратить перестройку потока газа при прекращении пучка посредством зажигания разряда. Таким образом предотвращается фокусировка потока газа в отверстие патрубка, ближнего к источнику. В итоге не происходит активного натекания газа в источник. Для источника сохраняются условия по рабочему давлению, и он сохраняет вольт-амперную характеристику после пробоя. В итоге общее время генерации пучка, а соответственно и технологические возможности системы повышаются по сравнению с прототипом.

Выполнение электрода кольцевым, соосным патрубкам, необходимо для согласования системы. Диаметр кольца электрода должен быть соизмеримым с диаметром полости анода. В этом случае электрод исполняет роль антенны, настроенной на приоритетную частоту колебаний.

Сооcность патрубка и электрода необходима для сосредоточения СВЧ напряжения на струе газа в пространстве патрубок-электрод. Функция соосности реализует расширение технологических возможностей независимо от конструкции патрубка.

Расширение технологических возможностей позволяет генерировать частицы на более высоком давлении, чем в прототипе, т.к. с увеличением давления пробои и СВЧ колебания возрастают.

Из вышесказанного видно, что каждый из вновь введенных элементов - электрод и элемент гальванической развязки, способствует достижению цели - расширению технологических возможностей устройства.

На основании вновь введенных признаков заявляемое устройство отвечает критерию "новизна".

Существенные отличия предлагаемого устройства от прототипа состоят в следующем.

Пробой в прототипе порождает мощнейшую СВЧ волну, поскольку при пробое в нее вкладывается почти вся мощность источника. Прекращение пучка ведет к резкой перестройке струи потока газа (в течение единиц микросекунд) и повышению давления в источнике. Для запуска системы необходимо потратить время на обеспечение стартового вакуума, на запуск разряда, на отладку процесса и т.д.

В предлагаемом же устройстве при пробое вся мощность источника вкладывается через введенный электрод в разряд, который оказывает запорное действие для газа. Поэтому давление в источнике сохраняется, и генерация пучка после пробоя сразу продолжается. Предлагаемое решение не требует времени перезапуска системы.

Отличия предлагаемого решения от известного заключаются в более глубоком уровне понимания физических процессов, ответственных за работу устройства. На основании вышеизложенного предлагаемое решение отвечает критерию "существенные отличия".

Величина полезного эффекта может быть оценена из времени откачки Т объема устройства V в режиме натекания газа от начального (P₁) до конечного (Р₂) давления (см. Королев Б.И., Кузнецов В.И., Пипко А.И., Плисковский В.Я. Основы вакуумной техники. М.: Энергия. 1975, с.339, формула 17-5)

Т=V/S ln(P₁/P₂),

где S - производительность откачных средств.

При объеме камер 0,1 м³ и использовании вакуумных насосов средней производительности типа НВПР-16 при S=16 л/с время паузы пучка составит Т=6 с на один пробой. За время непрерывной работы в течение 8 ч (480 мин) число пробоев достигает нескольких десятков. Например, в прототипе при числе пробоев 50 время паузы составит Т=650=300 с=5 мин, а время работы составит 475 мин. Отношение времени работы прототипа к времени работы предлагаемого устройства равно 475/480=98,9%.

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство состоит из газоразрядного источника электронов, образованного катодом 1 и анодом 2. Источник установлен на пролетной камере 3, содержащей патрубок 4, ближний к источнику , кольцевой электрод 5, патрубок 6, дальний от источника. Между катодом 1 и электродом 5 подсоединен элемент гальванической развязки 7 (конденсатор).

Устройство работает следующим образом. При откачке пролетной камеры 3 в ней понижается давление от Р_о до P₁. В устройство поступает газ потоком Q. Часть потока Q₁ откачивается из пролетной камеры. Остальной поток газа Q₂ откачивается из источника электронов.

Перед патрубком 4 формируется поток 8, оказывающий эжектирующее действие у отверстий вывода (см. Орликов Л.Н., Чикин Е.В. О повышении эффективности газодинамического окна для вывода электронных пучков ПМТФ. 1985, с.3-5). При достижении в источнике рабочего давления Р₂ на катод источника подается отрицательный высокий потенциал (более 3 кВ). В полости источника зажигается высоковольтный тлеющий разряд. Ионы из плазмы разряда бомбардируют катод и выбивают из него электроны. Электроны формируются в пучок 9, покидают пределы анодной полости 10 и выводятся через патрубки в газовую среду. Поток газа нагревается выводимым пучком и у него устанавливается форма, соответствующая максимальному перепаду давления Р₀/Р₂. Часть частиц из источника, не прошедшая в отверстия вывода, отражается и может вызвать локальное выделение газа из элементов устройства. В силу закона Пашена (напряжение зажигания разряда пропорционально произведению давления на расстояние между электродами) разряд может переброситься в область локального газовыделения. В этом случае в источнике возникнет пробой. В системе возникает переходный процесс и генерируется высокочастотный импульс. Переменная составляющая проходит гальваническую развязку и выделяется на электроде 5. С электрода 5 в пролетной камере зажигается разряд на патрубки 4, 6. Действие разряда аналогично действию пучка. Разряд поддерживает температуру втекающего газа на прежнем допробойном уровне. Для работоспособности системы важен не ток разряда, а само его существование, поскольку сохраняется показатель адиабаты ионизованного газа. Относительное постоянство параметров газа в пролетной камере, реализованное разрядом, обеспечивает постоянство пропускной способности для газа патрубков 4, 6. Таким образом, пробой в системе не приводит к изменению перепада давления Р₀/Р₂ и источник частиц далее работает как обычно. Кольцевой электрод выступает в роли антенны. Длина волны, возникающая при пробое, кратна длине окружности диаметра анодной полости 10.

В конкретном случае устройство представляет собой электронный источник на основе высоковольтного разряда в комплексе с газодинамическим окном на основе дифференциальной откачки газа [4].

Источник электронов состоит из холодного алюминиевого катода диаметром 20 мм и полого анода. Анодом служит корпус устройства. Диаметр полости анода составляет 60 мм. Источник установлен на пролетной камере (газодинамическом окне с дифференциальной откачкой газа) объемом 0,01 м³. Источник и пролетная камера откачиваются двумя автономными насосами НВПР-16. Диаметр отверстий в патрубках по 1 мм. В пролетную камеру помещен кольцевой электрод диаметром кольца 50 мм. Электрод подключен к катоду источника электронов через конденсатор КОБ 30 кВ, 4000 пФ, выполняющий функцию связи с катодом и отделяющий высокочастотное напряжение от напряжения источника питания. Полость катод-анод и полость патрубок-электрод представляет собой колебательную систему с приоритетными колебаниями на частоте =5 МГц. Для индикации протекания тока в цепи конденсатора последовательно включена газоразрядная лампа ТН-0,3. Число пробоев за определенный промежуток времени фиксировалось с помощью пересчетного устройства ПС 200.

При обеспечении в объеме источника давления 10 Па в пролетной камере устанавливается давление 100 Па. При подаче на катод высокого напряжения 15 кВ от блока питания ПУР5-50 источник генерирует электронный луч током 30 мА, который через пролетную камеру выводится в газ с давлением ₀, равным 15 кПа.

При проведении технологического процесса по отделению металла от металлополимерных изделий наблюдаются нестационарные выбросы газа из обрабатываемого материала, что вызывает пробои в источнике электронов. Введение кольцевого электрода в пролетную камеру и соединение его через конденсатор с катодом способствует быстрому восстановлению электронного луча при пробое в источнике электронов. Оказалось возможным расширить технологические возможности газоразрядной пушки и не применять дорогостоящие устройства с выводом пучков на основе источников с термокатодом.

Во время пробоя возникающие высокочастотные наводки в отсутствие электрода в пролетной камере вызывают мощное искрение даже между заземленными частями, что является опасным для измерительных приборов и персонала. Предлагаемое решение имеет дополнительное достоинство в том, что с целью повышения яркости пучка можно уменьшать диаметр выводного отверстия патрубка, не боясь увеличения пробоев в источнике из-за отраженных частиц. Благодаря введенным элементам технологические возможности предлагаемого устройства расширяются. Следует отметить, что пробой чаще возникает вследствие резонанса напряжений контура генератора плазмы и контуров блока питания на определенных частотах. Напряжения высокочастотных наводок могут кратно превышать напряжение питания, вызывая пробои кабелей и элементов схем управления. В предлагаемом решении повышение СВЧ напряжения ограничено возникновением разряда в пролетной камере, что очень благоприятно для расширения технологических возможностей устройства. Таким образом, предлагаемое решение обладает элементами новизны, существенно отличается от известных, и является полезным для производства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

1. Новичков Д.Н., Глебов В.В., Коваленко Ю.А., Завьялов М.А. Плазмохимический реактор на основе разряда в полом катоде стимулированного электронным пучком для нанесения алмазоподобных пленок. Тез. докл. 3 конф. "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц". Томск, ИСЭ СО РАН, 1994, Т2.

2. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика М.: Наука, 1976.

3. Березин А. К. , Файнберг Я.Б., Болотин Л.И. и др. О высокочастотных колебаниях, возбуждаемых при взаимодействии электронного пучка с плазмой. //Сб. Взаимодействие пучков заряженных частиц с плазмой под ред. К.Д. Синельникова. Киев, 1965.

4. Чикин Е.В., Орликов Л.Н., Минина И.В. Газоразрядная электронная пушка с газодинамическим окном. ПТЭ 1984, 6, с.137.