UA60377C2 - Plasma electron gun and the method for controlling it - Google Patents

Abstract

The proposed plasma electron gun contains a cathode and a control electrode with an anode, which are arranged in line with the electron beam axis and originate a plasma ion source. The control electrode and the anode are made as magnetron electrodes and are connected to corresponding power sources. The cathode is made from inhomogeneous material and contains a working surface with varied geometrical characteristics. The proposed method for controlling the electron gun consists in varying the parameters of the plasma ion source by varying gas pressure, potential difference, and magnetic flux density.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до газорозрядних електронних приладів та пристроїв для вводу об'єктів або матеріалів, 2 які підпадають під дію розряду або електронного потоку, наприклад, з метою Їх дослідження або обробки, а більш конкретно - до способів керування та до конструкцій газорозрядних електронних гармат високовольтного тліючого розряду, що застосовуються в основному для електронної обробки матеріалів, отримання захистних та декоративних покриттів, наприклад, шляхом термічного випаровування, термічної модифікації поверхні або осадження плівок з пучкової плазми. 70 Відомі газоразрядна електронна гармата та спосіб керування вихідними параметрами газоразрядної електронної гармати шляхом подачі газу в розрядний проміжок гармати (Ас. СССР Мо222571, НО13/04, оп. 15.06.84, БИ, 1984, Мо22, с.1881І.The invention relates to gas-discharge electronic devices and devices for introducing objects or materials, 2 which are subject to the effect of a discharge or electronic flow, for example, for the purpose of their research or processing, and more specifically - to control methods and designs of gas-discharge electronic guns of high-voltage incandescent discharge, used mainly for electronic processing of materials, obtaining protective and decorative coatings, for example, by thermal evaporation, thermal modification of the surface or deposition of films from beam plasma. 70 A gas-discharge electron gun and a method of controlling the output parameters of a gas-discharge electron gun by supplying gas to the discharge gap of the gun are known (Ass. USSR Mo222571, НО13/04, op. 15.06.84, BY, 1984, Mo22, p. 1881I.

Їх недоліками є мала газова та енергетична ефективність через те, що іонізація газу в плазмовому джерелі іонів, який розташований в порожнині анода, здійснюється швидкими електронами катода основного розряду. 12 Відомі також пристрій та спосіб управління вихідними параметрами джерела електронів високовольтного тліючого розряду за допомогою зміни параметрів додаткового розряду в колі керуючих електродів від'ємної та позитивної полярності, які утворюють плазмове джерело іонів, що керується. (Злектрическое управление параметрами газоразрядного источника злектронов с прианодной плазмой. Г.Я. Лубинец, В.И. Мельник, А.А.Their disadvantages are low gas and energy efficiency due to the fact that gas ionization in the plasma source of ions, which is located in the anode cavity, is carried out by fast electrons of the cathode of the main discharge. 12 The device and method of controlling the output parameters of the high-voltage glow discharge electron source by changing the parameters of the additional discharge in the circuit of control electrodes of negative and positive polarity, which form a controlled plasma source of ions, are also known. (Electrical control of the parameters of a gas-discharge source of electrons with near-anode plasma. G. Ya. Lubynets, V. I. Melnyk, A. A.

Новиков, Злектронная обработка материалов, 1977, МО1, с.78).Novikov, Electronic processing of materials, 1977, MO1, p.78).

Недоліками даного способу є також порівняно малі газова та енергетична ефективність.The disadvantages of this method are also relatively low gas and energy efficiency.

Відомий спосіб керування вихідними параметрами газорозрядних електронних гармат (|Плазменнье процессьі в технологических злектронньїх пушках./М.А. Завьялов и др. 1989, М.: Знергоатомиздат, рис.4.5, с.102.) шляхом зміни тиску газу в газорозрядній гарматі та зміни потенціалу керуючого електрода.There is a known method of controlling the output parameters of gas-discharge electron guns (Plasma processes in technological zlektronnyi guns./M.A. Zavyalov et al. 1989, M.: Znergoatomizdat, fig. 4.5, p. 102.) by changing the gas pressure in the gas-discharge gun and changes in the potential of the control electrode.

Недоліком цього газодимічного та електричного способів керування є низька газова та енергетична с ефективність керування. Ге)The disadvantage of this gas and electric control methods is the low gas and energy control efficiency. Gee)

Найближчим по технічній сутності є газоразрядна електронна гармата |(Плазменнье процессь! в технологических злектронньїх пушках. /М.А. Завьялов и др. - М.; Знергоатомиздат, 1989, стр. 138, рис. 4.19 |, яка містить катод та анод, які охолоджуються водою, поділяючий їх ізолятор, керуючий електрод, променевід та магнітну фокусуючу систему. Анод та керуючий електрод утворюють плазмове джерело іонів, що керується. -The closest in terms of technical essence is the gas-discharge electron gun |(Plasma process! in technological zelectron cannons. / M.A. Zavyalov et al. - M.; Znergoatomizdat, 1989, p. 138, fig. 4.19 |, which contains a cathode and an anode, which are cooled by water, an insulator separating them, a control electrode, a beam guide and a magnetic focusing system. The anode and the control electrode form a controlled plasma ion source.-

Її недоліком є малі газова та енергетична ефективність. -Its disadvantage is low gas and energy efficiency. -

Близьким до заявляемого способу за технічною сутністю є спосіб керування газорозрядною гарматою А. с.Close to the proposed method in terms of technical essence is the method of controlling the gas-discharge gun A. p.

СССР Мо 356977, Н 01 В 77/00, Н 01 у) 37/00, оп. 15.11.82, БИ Мо42, с. 291). Керування струмом променя о газорозрядної гармати ведуть шляхом зміни різниці потенціалів (електричного поля) як за величиною, так і за Га») полярністю за межами області прискорення електронного променя між катодом і анодом в області плазмового 325 джерела іонів. ке,USSR Mo 356977, H 01 B 77/00, H 01 y) 37/00, op. 11/15/82, BI Mo42, p. 291). Control of the beam current of the gas discharge gun is carried out by changing the potential difference (electric field) both in magnitude and in polarity outside the area of electron beam acceleration between the cathode and anode in the plasma 325 ion source. what

Недоліком цього відомого способу є мала газова та енергетична ефективність, що пов'язано з низькою іонізаційною здатністю швидких електронів.The disadvantage of this known method is the low gas and energy efficiency, which is associated with the low ionization capacity of fast electrons.

В основу винаходу поставлена задача розробки газоразрядної електронної гармати, в якій шляхом введення « нових елементів досягається підвищення Її газової та енергетичної ефективності. З 70 Поставлена задача вирішується тим, що газорозрядна електронна гармата, яка містить розташовані уздовж с осі електронного пучка катодний вузол, керуючий електрод та анодний вузол, які утворюють плазмове джерелоThe basis of the invention is the task of developing a gas-discharge electronic gun, in which, by introducing new elements, it is possible to increase its gas and energy efficiency. With 70 The problem is solved by the fact that a gas-discharge electron gun, which contains a cathode node, a control electrode and an anode node located along the axis of the electron beam, which form a plasma source

Із» іонів, керуючий електрод та анодний вузол виконані у вигляді електродів магнетронної розрядної системи, які підключені до джерел електричного живлення. Крім того, катод магнетронної розрядної системи може бути виконаний неоднорідним по складу матеріалу і геометрії робочої поверхні, а також з емісійного матеріалу катода електронної гармати. б В основу винаходу поставлена також задача вдосконалення способу керування газорозрядною електронною ав | гарматою-шляхом введення нових операцій з метою підвищення Її газової та енергетичної ефективності.From" ions, the control electrode and the anode node are made in the form of electrodes of the magnetron discharge system, which are connected to sources of electrical power. In addition, the cathode of the magnetron discharge system can be made heterogeneous in material composition and geometry of the working surface, as well as from the emissive material of the electron gun cathode. b The invention is also based on the task of improving the method of controlling a gas-discharge electronic av| by way of introduction of new operations aimed at increasing its gas and energy efficiency.

Поставлена задача вирішується тим, що спосіб керування газорозрядною електронною гарматою шляхом о зміни параметрів плазмового джерела іонів здійснюється тим, що керування її вихідними параметрами -і 20 виконують шляхом зміни тиску газу, різниці потенціалів та магнітної індукції в магнетронній розрядній системі.The problem is solved by the fact that the method of controlling the gas-discharge electron gun by changing the parameters of the plasma ion source is carried out by the fact that its output parameters are controlled by changing the gas pressure, potential difference and magnetic induction in the magnetron discharge system.

Використання магнетронного розряду в якості керуємого плазмового джерела іонів газорозрядної т електронної гармати дозволяє досягнути вказаного технічного результату, так ж магнетронні розряди мають високу газову та енергетичну ефективність. Це забезпечується тим, що повільні електрони, які емітуються катодом магнетронної розрядної системи, здійснюють азимутальний дрейф уздовж периметра: цього катода, що 29 забезпечує ефективну іонізацію атомів газу при його низькому тискові. При цьому використовуються електричніThe use of a magnetron discharge as a controllable plasma source of ions of a gas discharge and electron gun allows to achieve the specified technical result, and magnetron discharges have high gas and energy efficiency. This is ensured by the fact that the slow electrons emitted by the cathode of the magnetron discharge system carry out an azimuthal drift along the perimeter of this cathode, which ensures effective ionization of gas atoms at its low pressure. At the same time, electric ones are used

ГФ) поля, при яких переріз зіткнень для іонізації електронним ударом максимальний. юю Використання азимутального дрейфу електронів та умов, при яких переріз іонізації атомів електронами максимальний, дозволяє підвищити газову та енергетичну ефективність керування вихідними параметрами газорозрядної електронної гармати, шляхом керування параметрами плазмового джерела іонів, який виконано у 60 вигляді магнетронної розрядної системи.HF) fields at which the cross section of collisions for electron impact ionization is maximal. The use of azimuthal drift of electrons and conditions under which the ionization cross-section of atoms by electrons is maximal allows to increase the gas and energy efficiency of controlling the output parameters of the gas-discharge electron gun by controlling the parameters of the plasma source of ions, which is made in the form of a magnetron discharge system.

На кресленні наведена схема газорозрядної електронної гармати.The drawing shows a diagram of a gas-discharge electron gun.

Вона містить катодний вузол 1 з встановленим в ньому катодом 2, керуючий електрод 3, катодний вузол магнетронної розрядної системи, що включає магнітопроводи 4,5, катод 6 магнетронної розрядної системи та магнітну катушку 7, анодний вузол 8, променевід 9 та магнітну лінзу 10. Керуючий електрод 3, та катодний 62 вузол магнетронної розрядної системи утворюють плазмове джерело іонів, яке керується й розташоване перед анодним вузлом 8 та променеводом 9. Між катодним 1 та анодним 8 вузлами через баластний опір 11 включено високовольтне джерело живлення 12, а між керуемим електродом З та катодним вузлом магнетронної розрядної системи через баластний опір 13 підключено джерело живлення 14, яке керується. В коло магнітної катушки 7It contains a cathode assembly 1 with a cathode 2 installed in it, a control electrode 3, a cathode assembly of a magnetron discharge system, which includes magnetic wires 4,5, a cathode 6 of a magnetron discharge system and a magnetic coil 7, an anode assembly 8, a beam guide 9 and a magnetic lens 10. The control electrode 3 and the cathode node 62 of the magnetron discharge system form a plasma source of ions, which is controlled and located in front of the anode node 8 and the beam 9. Between the cathode node 1 and the anode node 8, a high-voltage power source 12 is connected through the ballast resistor 11, and between the control electrode Z and the cathode node of the magnetron discharge system is connected to the power source 14, which is controlled, through the ballast resistor 13. In the circle of the magnetic coil 7

Включено джерело живлення 15, а в коло магнітної лінзи 10 - джерело живлення 16. Електрондий пучок 17 та плазма 18 утворюються при роботі газорозрядної електронної гармати.The power source 15 is included, and the power source 16 is in the circle of the magnetic lens 10. The electron beam 17 and the plasma 18 are formed during the operation of the gas-discharge electron gun.

Газорозрядна електронна гармата працює таким чином. За допомогою вакуумних насосів та регуляторів мікропотоків газу (на кресленні не показані) у внутрішній порожнині газорозрядної електронної гармати і порожнини катода 6 магнетронної розрядної системи створюється робочий тиск газу 10 2-10 Па. На магнітну 70 катушку 7 магнетронної розрядної системи подають електричний струм від джерела живлення 15 і в зазорі між магнітопроводами 4-5 отримують магнітне поле з індукцією 0,1-0,5Гс, яке направлене поздовж поверхні катода б магнетронної розрядної системи.A gas discharge electron gun works like this. With the help of vacuum pumps and gas microflow regulators (not shown in the drawing), an operating gas pressure of 10 2-10 Pa is created in the internal cavity of the gas discharge electron gun and the cavity of the cathode 6 of the magnetron discharge system. An electric current is supplied to the magnetic coil 70 of the magnetron discharge system from the power source 15 and in the gap between the magnetic conductors 4-5 a magnetic field with an induction of 0.1-0.5H is obtained, which is directed along the surface of the cathode b of the magnetron discharge system.

При прикладенні між керуючим електродом З і катодом 6 магнетронної розрядної системи різниці потенціалів 100-5008 в їх колі запалюється магнетронний розряд і утворюється плазма 18, яка служить джерелом іонів в колі 75 катод 2 - анодний вузол 8. Іони плазми, які прискорюються в проміжку катод 2 - анодний вузол 8 високовольтного тліючого розряду, попадають на катод 2 та вибивають з його поверхні електрони, які формуються в електронний промінь 17, фокусуються магнітною лінзою 10 та виводяться через променевід 9 в технологічну камеру (на кресленні не зображено).When a potential difference of 100-5008 is applied between the control electrode C and the cathode 6 of the magnetron discharge system in their circuit, a magnetron discharge is ignited and a plasma 18 is formed, which serves as a source of ions in the circuit 75 of the cathode 2 - anode node 8. Plasma ions that are accelerated in the gap between the cathodes 2 - the anode node 8 of a high-voltage glow discharge, electrons fall on the cathode 2 and are knocked out from its surface, which are formed into an electron beam 17, focused by a magnetic lens 10 and output through a beam guide 9 into the technological chamber (not shown in the drawing).

Керування вихідними параметрами газорозрядної електронної гармати здійснюють зміною тиску газу в полості катодай б магнетронної розрядної системи, прискорюючої напруги між електродами магнетронної розрядної системи (електрод З - електроди 4,5,6) за допомогою джерела живлення 14 та магнітної індукції у внутрішній поверхні катода б магнетронної розрядної системи шляхом зміни струму в магнітній катушці 7 за допомогою джерела живлення 15.The output parameters of the gas-discharge electron gun are controlled by changing the gas pressure in the cavity of the magnetron discharge system cathode b, the accelerating voltage between the electrodes of the magnetron discharge system (electrode Z - electrodes 4,5,6) using the power source 14 and magnetic induction in the inner surface of the magnetron cathode b discharge system by changing the current in the magnetic coil 7 using the power source 15.

Оптимальними режимами роботи магнетронної розрядної системи, що керується, будуть умови: тиск газу с (повітря, водень та ін.) - 102-107Па, напруга розряду - 100-5008, магнітна індукція - 0,1-0,5Гс. оThe optimal operating modes of the controlled magnetron discharge system will be the following conditions: gas pressure (air, hydrogen, etc.) - 102-107Pa, discharge voltage - 100-5008, magnetic induction - 0.1-0.5H. at

Виконання катода - б неоднорідним по формі робочої поверхні і складу матеріалу дозволяє підвищити ефективність роботи магнетронної розрядної системи.Making the cathode - b heterogeneous in terms of the shape of the working surface and the composition of the material allows to increase the efficiency of the magnetron discharge system.

Порівняння систем керування прототипу та заявленої системи показують, що по газовій ефективності, яка дорівнює відношенню робочого тиску газу в прототипі і пропонованій системі, складає порядка 100, а по - енергетичній ефективності, яка дорівнює відношенню потужності керування в прототипі та заявленій системі складає порядка 10. - соA comparison of the control systems of the prototype and the proposed system shows that the gas efficiency, which is equal to the ratio of the working gas pressure in the prototype and the proposed system, is about 100, and the energy efficiency, which is equal to the ratio of the control power in the prototype and the proposed system, is about 10. - co

Claims (4)

Формула винаходу | «в) (Се)The formula of the invention "c) (Se) 1. Газорозрядна електронна гармата, що містить розташовані уздовж осі електронного пучка катодний вузол, керуючий електрод та анодний вузол, які утворюють плазмове джерело іонів, яка відрізняється тим, що керуючий електрод та анодний вузол виконані як електроди магнетронної розрядної системи, які підключені до « джерел електричного живлення.1. A gas-discharge electron gun containing a cathode node, a control electrode, and an anode node located along the axis of the electron beam, which form a plasma source of ions, which is characterized by the fact that the control electrode and the anode node are designed as electrodes of a magnetron discharge system, which are connected to " sources electrical power. 2. Гармата за п. 1, яка відрізняється тим, що катод магнетронної розрядної системи виконаний неоднорідним - с по складу матеріалу і геометрії робочої поверхні.2. The gun according to claim 1, which differs in that the cathode of the magnetron discharge system is made of non-homogeneous material composition and geometry of the working surface. ц 3. Гармата за п. 1, яка відрізняється тим, що катод магнетронної розрядної системи виконаний з емісійного "» матеріалу катода електронної гармати.3. The gun according to claim 1, which differs in that the cathode of the magnetron discharge system is made of the emissive "" material of the cathode of the electron gun. 4. Спосіб керування газорозрядною електронною гарматою, що полягає в зміні параметрів плазмового джерела іонів, який відрізняється тим, що керування її вихідними параметрами виконують шляхом зміни тиску Ге) газу, різниці потенціалів та магнітної індукції в магнетронній розрядній системі. («в) (95) - 50 що Ф) іме) 60 б54. The method of controlling a gas-discharge electron gun, which consists in changing the parameters of a plasma source of ions, which is distinguished by the fact that its output parameters are controlled by changing the pressure of Ge) gas, the potential difference and magnetic induction in the magnetron discharge system. ((c) (95) - 50 that F) has) 60 b5