CN104364873A - 用于生成等离子体和使电子束指向靶的设备 - Google Patents

用于生成等离子体和使电子束指向靶的设备 Download PDF

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Abstract

一种用于生成等离子体并且用于使电子束指向靶(3)的设备(2；2'；2″；2IV；2V；2VI；2VII；2VIII)；该设备(2；2'；2″；2IV；2V；2VI；2VII；2VIII)包括中空元件(5)；激活组(21)，其被设计为以使电子束指向与中空元件分离的另一元件的方式在中空元件(5)和所述分离元件之间施加电势差；以及具有至少一个渐细部分(13)的拉伐尔喷嘴(23)，该渐细部分朝着所述分离元件逐渐变细并且被设计为朝着所述分离元件使气体流加速。

Description

用于生成等离子体和使电子束指向靶的设备
技术领域
本发明涉及用于生成等离子体和使电子束指向靶的设备，以及所述设备的应用。
具体而言，提供了用于在支撑物上涂布一层材料的一种装置和方法以及用于焊接的一种装置和方法。
背景技术
存在被设计用来担当电子的源和等离子体的源的各种设备。一些这种设备使用由强电场或者加热管线的热发射引起的电子发射(这些源可被认定为是“场发射”或者“热发射”类型的)。电子束的生成和传输经常在具有极高真空的环境中发生。在这种情况下，电子不与残余气体的原子撞击并且具有极窄的能谱。然而，束的密度必须被保持相对低，这是因为空间放电效应必须低到足以避免电子包(electronpacket)的空间和能量分散，结果降低了密度和单色性。电子源的另一家族使用基于等离子体的存在的“虚”阴极，电子被从其表面发射。该等离子体阴极的形成需要相对高的(上至0.1毫巴)的残余气体压力。在这种情况下，电子束的传播伴随有由电子碰撞残余气体的原子而引起的次级等离子体的生成。这种碰撞一方面引起来自电子的能量分散，另一方面通过来自气体原子的电子的次级发射而引起电子束的强化。次级等离子体的存在还造成静电屏蔽效应，该效应允许电子包以紧凑而没有空间分散的方式行进。因此，电子束即使在能量方面是多分散(polydisperse)的也可以具有毫无疑问比“场发射”或“热发射”源更高的充电密度。
存在用于生成作为电子源的等离子体阴极的许多方法：“辉光放电”(例如在US7183564中描述)、“稳态直流放电”(例如在以下各项中描述的：H.Goktas、Hulya Kirkici、G.Oke和M.V.Udrea,Ieee等离子体学期刊，Vol.30,No.5,(2002),1837；以及Efim M.Oks和Peter M.Schanin；Phys.Plasmas 6,(1999),1649)、弧放电(例如在WO 2010/109297A2中描述)，乃至一种类型的潘宁(Penning)放电(例如在G.E.Ozur、S.A.Popov、V.F.Fedushchak和A.V.Saushkin；技术物理快报(Technical Physics Letters),第32卷,(2006),第928-931页中描述)，从而至少涵盖基本工作原理。甚至从阴极到阳极并且超过远到靶的电子束的传播和增加也可以以各种方式执行，从而创建两种主要类的电子源。在第一类中，电子束在静止残余气体的“背景”下在自由空间中传播，其中在包含电子源的真空室的整个空间中压力是平衡的(H.Goktas、Hulya Kirkici、G.Oke和M.V.Udrea,Ieee等离子体学期刊,第30卷,第5期,(2002),1837；以及在Efim M.Oks和Peter M.Schanin中；Phys.Plasmas 6,(1999),1649)。相比之下，在第二类中，由介电材料制成的毛细管被用来引导电子束(在该部分中术语“毛细管”指代直径在1.5与4mm之间的管。在所述尺寸范围之外，系统不再工作，这是因为直径小于1.5mm的毛细管具有过大的阻抗，这不允许等离子体在其内部传播，同时直径大于4mm的毛细管不允许足够的等离子体密度被维持，结果是所生成的电子数量的(以及因而所述用途的消融(ablation)效率的)减少。所述毛细管经常以高于剩余真空室的压力被残余气体流填充，从而形成压力和密度梯度。这种技术经常被称作“通道火花放电”(US7183564；WO 2010/109297A2；以及G.E.Ozur、S.A.Popov、V.F.Fedushchak和A.V.Saushkin；技术物理快报,第32卷,(2006),第928-931页)。
第一类的源可以以连续发射工作，或者在脉冲模式下工作。使用毛细管的第二类几乎总是在脉冲模式下工作以避免过热的潜在问题。事实上，作用于脉冲的占空比，可以将毛细管发射的平均功率保持相对低，以避免因过热而损坏其内表面。
束自由传播的电子源遭受电子包的引导和分散问题。相比之下，配备有毛细管的源由于毛细管的内部消融而在电子的平均能量方面受限，毛细管的内部消融继而导致靶材料的污染。另外，因为毛细管对源的形状施加了严格几何条件，因此毛细管本身构成了系统的工业“放大”的障碍。
还应当注意到，当毛细管被使用时，电子束包含(源自毛细管的)杂质并且这些组件的常规维护和替换即使对于极短暂的动作时段(从几小时到几天)也是必要的(它们倾向于变脏并且抑制设备生成电子束的能力)。
发明内容
本发明旨在提供用于生成等离子体的设备、包括所述设备的装置以及使用所述设备的方法，它们允许现有技术的缺点被至少部分地克服并且同时制造和实现起来容易且便宜。
该发明还旨在提供用于生成等离子体的设备、包括所述设备的装置以及使用所述设备的方法，它们具有每一种现有技术替代者的尽可能多的优点以及尽可能少的缺点。
因此，本发明提供了用于生成等离子体的设备、包括所述设备的装置以及使用所述设备的方法，如在下面的独立权利要求中以及优选地在直接或者间接地引用独立权利要求的权利要求中的任一个中描述的。
附图说明
下面参考附图描述了本发明，附图示出了若干非限制性实施例，其中：
图1是按照可以在根据本发明的一种方法中使用的装置的部分横截面的示意图；
图2至图8是部分按照图1中的装置的另外实施例的横截面的示意图。
具体实施方式
以下是对本发明的各种实施例的描述，它们必须被理解为全部适用于甚至通过提交任何单独的专利申请的方式独立保护。关于图7和图8中的实施例，应当明白没有加速通道的变形也可以是可能的独立保护的对象。
在图1中，数字1整体表示用于沉积预定材料的装置。装置1包括用于生成等离子体(就是说，稀薄气体的至少部分电离)并且用于使电子束指向靶3的设备2，该靶3以至少部分预定材料与靶3分离并且被沉积在支撑物4上的方式包括预定材料(具体而言由预定材料构成)。
根据替代实施例，预定材料可以由单种均质材料组成或者由两种或更多种不同材料组成。
有利地，靶3被接地。这样，靶3即使当电子已经撞上靶3时也不排斥(而是吸引)电子束。
设备2包括中空元件5，中空元件5被设计为担当阴极并且包括(外部地界定)内腔6。设备1还包括触发电极7，触发电极7包括(具体而言，由之组成)导电材料(具体而言，金属)。触发电极7位于(由中空元件5界定的)腔6内部。具体而言，中空元件5包括(更具体地说，由之组成)导电材料(更具体地说，金属材料)。触发电极7包括(更具体地说，由之组成)导电材料(更具体地说，金属材料)。
具体而言，术语导电材料指代(在20℃测量的)电阻率小于10-1欧姆米(Ohm m)的材料。有利地，导电材料具有小于10-3欧姆米的(在20℃测量的)电阻率。
在一些实施例中，中空元件5包括(具体而言，由之组成)从由钨、钼、热解石墨(及其组合)组成的组中选择的材料。在一些实施例中，触发电极7包括(具体而言，由之组成)从由钨、钼、不锈钢、铜、热解石墨(及其组合)组成的组中选择的材料。
根据图1中示出的实施例，触发电极7贯穿中空元件5的壁8。插入在触发电极7与壁8之间的是基本电绝缘的材料(具体而言，特氟龙、玻璃、石英、陶瓷)的环(未示出)。
具体而言，术语基本电绝缘的材料指代(在20℃测量的)电阻率大于103欧姆米的材料。有利地，不导电的材料具有大于107欧姆米的(在20℃测量的)电阻率(更有利地，大于109欧姆米)。根据一些实施例，基本电绝缘的材料是介电材料。
设备2还包括电阻器10，电阻器10将触发电极7接地并且具有至少100欧姆(Ohm)的电阻，有利地具有至少1千欧姆的电阻。具体而言，电阻器10具有约20千欧姆的电阻。
在其他实施例中，具有等价功能的另一电子设备被用来代替电阻器10。
有利地，电容器10a位于触发电极7与地之间(与电阻器10并联)。电容器10a具有0.5纳法(nF)与10纳法之间的电容，有利地具有1纳法与5纳法之间的电容。根据特定实施例，电容器19具有约3纳法的电容。
在腔6内部存在稀薄气体。根据一些实施例，腔6包含压力小于或者等于5x10-2毫巴(具体而言，小于10-2毫巴)的稀薄气体。具体而言，腔6中包含的稀薄气体具有大于或者等于10-5毫巴(更具体地说，大于或者等于10-4毫巴)的压力。
与此相关，应当注意到设备2包括被设计为将上面提到的压力限定(保持)在腔6内部的压力调节系统P。有利地，压力调节系统P被设计为在腔6内部限定(保持)大于外部(外室45)压力的压力。具体而言，压力调节系统P被设计为在腔6内部限定(保持)比外部压力大至少10倍(在一些情况下为至少15倍)的压力。
更准确的说，在外部(其中存在稀薄气体—根据一些实施例，无水的气体)，大于或者等于10-6毫巴的压力被保持。在一些情况下，在外部，小于或者等于10-5毫巴的压力被保持。
压力调节系统P包括用于在腔6内部提供气体(有利地为无水的)的气体提供单元(以与在任何情况下总是在沉积室内部的设备外部相比增加其压力)。具体而言，气体提供单元包括进入腔6的导管7'以及压力源P'(例如泵)。应当注意到，在示出的实施例中，在图1中导管7'还担当(如上所述的)触发电极7。换言之，导管7'和触发电极7重合。
在一些实施例中，调节系统P包括快速开闭阀，通常为能够在小于100毫秒内(尤其在小于500纳秒内)打开和/或关闭的阀。这样，可以在脉冲模式下产生等离子体，而无需管理下面描述的电势差的应用中的快速脉冲。
存在于腔6内和外部(在外室45中)的气体基本上相同。气体有利地是无水的。
在一些实施例中，气体基本上是惰性的。
在一些情况下，气体是从由氧气、氮气、氩气、一氧化氮、氦气、氙气、氢气(及其组合)组成的组中选择的。
根据一些实施例，气体是氩气以及必要情况下的0％到10％数量(按体积与气体总体积之比计)的氧气。可替代地，气体是氩气以及上至1％(按体积与气体总体积之比计)的从由H2、He、N2组成的组中选择的另一元素。
中空元件5包括用于使腔6与外部流体连通的开口11。
设备2还包括用于使腔6中包含之物通过开口11朝外部的移动加速的加速通道12。更准确的说，加速通道被设计为使腔6中包含之物朝靶3(具体而言，朝交互元件18)加速。
加速通道12包括至少一个(连续的)渐细部分13。具体而言，部分13朝外部逐渐变细。
加速通道12还包括相对于腔6(并且相对于开口11)位于部分13下游的部分14。有利地，所述部分14朝部分13(连续地)逐渐变细。
换言之，加速通道12构成拉伐尔喷嘴(de Laval nozzle)。
根据示出的实施例，部分13大致具有截头圆锥形。部分14大致具有截头圆锥形。
具体而言，部分13包括具有至少大约14mm2通路面积(即管道或者自由截面)的面向外部(并且因而面向部分14)的末端15。所述通路面积上至大约25mm2。更准确的说，所述通路面积是从大约17mm2到大约22mm2(具体而言为大约20mm2)。
部分13包括具有至少300mm2(具体而言为至少350mm2)通路面积的面向腔6的末端16。所述通路面积上至大约2000mm2。
加速通道12位于腔6与外部之间。具体而言，腔6通过加速通道12与外部流体连通。
应当注意到加速通道12包括面向开口11的末端(具体而言为末端16)。
设备2还包括稳定单元17，稳定单元17继而包括位于中空元件5外部的交互元件18。
交互元件18包括(具体而言，由之组成)导电材料(金属)。有利地，所述材料具有高于1300℃的熔点。
根据一些实施例，所述材料是从由铁(尤其是不锈钢)、钨、钼、铬、热解石墨(及其组合)组成的组中选择的。具体而言，交互元件18包括(由之组成)从由钨、钼、热解石墨(及其组合)组成的组中选择的材料。
稳定单元17还包括与交互元件18电连接并且接地的电容器19。
渐细部分13朝交互元件18逐渐变细(并且被设计为使腔中包含之物朝交互元件18的移动加速)。
有利地，电容器19具有比与中空元件5相(电)连接的电容器的电容更小的电容。具体而言，所述电容器具有至少为电容器19的电容两倍的电容。
更具体地说，电容器19具有0.5纳法与10纳法之间的电容，有利地具有1纳法与5纳法之间的电容。根据特定实施例，电容器19具有约3纳法的电容。
相比之下，在其他实施例中，具有等价功能并且在可能情况下具有相同电容的另一电子设备被用来代替电容器19。
稳定单元还包括电阻器20，电阻器20将交互元件18接地。具体而言，电阻器20与电容器19并联放置。
根据一些实施例，电阻器20具有至少1千欧姆的电阻，并且有利地具有上至1百万欧姆的电阻。具体而言，电阻器20具有从大约5千欧姆到大约10千欧姆的电阻。
相比之下，在另外的实施例中，具有等价功能并且在可能情况下具有相同电阻的另一电子设备被用来代替电阻器20。
交互元件18包括通路通道18a，其通路面积大于(或者等于)加速通道12与腔6相反(即与开口11相反)的(具体而言为部分14的)一端26的通路面积。
设备2还包括激活组21，激活组21被设计为在中空元件5与交互元件18之间施加电势差。激活组21(还)被设计为在中空元件5与触发电极7之间施加电势差。
在一些实施例中，激活组21与在公开号为WO2010/109297、WO 2011/148251的专利申请中和/或在申请PCTIT2011000301、PCTIB2011054182中描述的激活组(具体见这些专利申请中描述的激活组11)相似。
具体而言，激活组21被设计为引起中空元件5的至少为2kV(具体而言为至少6kV)的电势降低(具体而言从大体等于零的电势开始)。更准确的说，激活组21引起中空元件5的至少为12kV(具体而言为至少18kV)的电势降低。激活组21引起中空元件5的上至25kV(具体而言为上至24kV；更准确的说上至20kV)的电势降低。中空元件5的电势降低在小于1000ns内发生，具体在小于20ns内发生。具体而言，这是通过使至少为0.16mC(上至0.5mC)的电荷脉冲指向中空元件5来完成的。有利地，激活组21被设计为在小于15ns内(更准确的说在小于10ns内)对中空元件5施加势降低；在一些情况下在小于约4ns内对中空元件5施加势降低。这样，等离子体(在中空元件5内部)被创建。应当注意到在下文中其中形成等离子体的整个空间(其在刚描述的情况下至少对应于腔6)将被整体称作生成空间。
因此，在使用中，激活组21根据上面描述的参数在中空元件5与触发电极7之间施加电势差。结果，等离子体在腔6内被生成(就是说，存在稀薄气体的至少部分电离)。
当腔6中形成的电子进入加速通道12时，利用交互元件18建立的电势差允许电子被沿着加速通道12朝靶3加速。在它们的移动期间，这些电子撞击气体的另外分子并且因而引起次级电子的发射，次级电子继而被朝靶3加速。
除此之外，应当注意到腔6中包含的气体进入加速通道12(拉伐尔(de Laval)喷嘴)并且将其填充。此时，穿过加速通道12的所述气体(由于加速通道12的特殊几何配置)被加速。气体的分子的横向自由度被转化为与加速通道12的轴平行的运动。分子(沿着通路通道18a)穿过交互元件18并且继续其朝靶3的旅程。作为一个整体，系统以这种方式被有利地构造：其在帕邢曲线(Paschen curve)的最小值的左侧的条件下(F.Paschen,Wied.Ann.,37(1889)69)，以使得(在加速通道12中)被加速的气体喷射中的气体相对于邻近空间的更大密度引起喷射自身内部的中空元件5(其担当阴极)与交互元件18(其担当阳极)之间的优选放电，从而避免了系统的其他部件之间的放电。这样，系统的部件被更少磨损并且电子束具有相对少量的杂质。另外，这样，放电在设备1外部(即在加速通道12外部)不被触发。
喷射的气体被中空元件5与交互元件18之间的放电所电离，电子和等离子体在该区域中传播并且越过交互元件18朝靶3传播(因此，整个等离子体形成区是称为生成空间者的一部分)。此时，交互元件18改变角色，从而担当阴极(因为同时其杂散电容被完全充电为电离前端所携带的阴极电势)并且靶3担当阳极。等离子体中的电子由交互元件18与靶3之间的电势差而被加速。所述电子撞击靶3，从而使其融化或者引起其消融。
因为靶3担当阳极，因此靶3被(利用适合于承受大于或者等于1kA的高电流脉冲的导线)接地是有利的。这样，靶3即使当电子已经撞上靶3时也不排斥(而是吸引)电子束。另外，在该实施例中，靶3无需由导电材料制成，就是说，靶3可以由绝缘材料和/或介电材料制成。
有利地，靶3被在没有插入电阻器的状态下接地。换言之，靶3以最小可能电阻被接地。
被加速到靶上的电子脉冲的密度和效率可以通过改变被提供给中空元件5的电势的脉冲来控制，或者通过修改电容器19的电容、加速通道12与靶3之间的气体压力、距离来控制。
设备2还包括由基本绝缘材料(如上面定义的—通常为玻璃)制成的管状元件22(套筒)。所述管状元件22允许在中空元件5与交互元件18之间实现结构稳定性。根据未示出的一些实施例，管状元件22不存在。
管状元件22由(如上面定义的)基本绝缘材料制成。根据一些实施例，管状元件22由介电材料制成，有利地由玻璃或者陶瓷制成。
设备2还包括操作者接口单元(已知类型的并且未被示出)，其允许操作者调节设备2的操作(例如工作参数的用途和/或编辑)。
当以为了创建电子脉冲序列的方式工作时，脉冲的频率必须基于包括预期用途(例如如果旨在执行消融或焊接)和靶3的类型(例如考虑到用于制造靶3的材料的类型)在内的各种要素来选择。在一些情形下，(等离子体被生成并且)电子束被以至少为2Hz(在一些情况下至少为30Hz；更准确的说至少为100Hz)的频率指向靶3。
图2示出了被标记为2’的设备2的另一实施例。设备2'与设备2在几何方面不同(相同元件但是具有不同形状)。设备2'还包括作为不同部件的触发电极7和导管7'(就是说它们不重合)。
另外，设备2'没有交互元件18。更准确的说，在这种情况下，交互元件18所履行的功能被靶3执行。换言之，靶3和交互元件18重合。同时(相比之下)，在设备2中，交互元件18和靶是不同的部件(就是说，它们不重合)。
有利地(在设备2'中)，靶3被电连接到地。靶3(另外)由导电材料(诸如上面针对交互元件7定义的)制成。有利地，靶3被在没有插入电阻器的状态下接地。换言之，靶3以最小可能电阻被接地。
靶3和与地的连接应当有利地以它们可以承受(1kA或者以上的)高电流脉冲的方式来选择。
设备2'允许在使电子束指向靶3的特定点时的特定精度。具体而言，应当注意到存在极少的电子束的分散(横向地—变宽)。人们认为这是由于电子在由加速元件23与靶3之间的正离子界定的一种通道中移动的事实。
设备2'在希望执行焊接(而非消融)的情况下特别有用。
图3示出了被标记为2”的设备2的另一实施例。设备2”基本上由于在加速通道12(具体而言为加速元件23)与中空元件5之间存在管状元件24的事实而与设备2’不同。管状元件24被设计为使腔6与加速通道12流体连通。
管状元件24包括两个开口端24a和24b以及内部管道24c(其使腔6与加速通道12流体连通)。管状元件24和相关内部管道24c具有相应的大体圆形的横截面。
管状元件24由(如在上面定义的)电绝缘材料制成。根据一些实施例，管状元件24由介电材料制成，介电材料有利地为玻璃、石英或者陶瓷。
在实验期间曾观察到在中空元件5—加速元件23系统内部生成并且被气体喷射(jet of gas)朝靶3传输的电子的密度取决于在中空元件5内部创建的等离子体的密度。所述密度受各种参数(例如：腔6内部的气体压力、被提供给所生成的等离子体的电流、生成等离子体的电势差，等等)控制，但是其还可能受设备自身内部的等离子体柱(column)的几何结构控制。
在引入管状元件24的情况下，等离子体柱的几何结构(长度和横截面)限定了等离子体的电感，并因而限定了在等离子体的源内部携带的电流的最大值。相比之下，电流限定了等离子体的温度和密度，由之得出从等离子体中提取并且由源提供的电子数量。
因此，通过修改管状元件24(更准确的说是相关管道24c)的长度和横截面(直径)，可以调节离开加速通道12的电流(换言之，电子束；就是说，每时间单位的电子数目)。更准确的说，管状元件24内部的通路面积越小(就是说，管道24c的横截面越小)，电流越小(电阻和电感越大)；管状元件24越短，电流越大(电阻和电感越小)。
以简单方式(通过改变管状元件24的尺寸)调节(具体而言为增加)离开加速通道12的电流的可能性较之现有技术是显著优点。
图4示出了被标记为2IV的设备2的另一实施例。设备2IV(因为以下事实而与设备2'不同)包括交互元件18(除了靶3之外)。交互元件18包括通路通道18a并且与加速通道12流体连通。通路通道18a包括面向加速通道12的出口端26的入口端25。端26与端16相反。
交互元件18还包括内室27，内室27与通路通道18a流体连通并且横向地由至少一个壁28界定。内室27包括两个开口端29和30。具体而言，内室27在横向于通路通道18a延伸方向的方向上在端29和30之间延伸。应当注意到靶3面向交互元件18的表面大体垂直于室27在端29和30之间延伸的方向。
在一些实施例中，内室27具有大体圆柱形形状。
根据示出的实施例，设备2IV还包括附加电极31。有利地，附加电极31被接地。具体而言，附加电极通过电阻器R被接地。通常该电阻器R具有至少100欧姆的电阻，有利地具有至少1千欧姆的电阻。具体而言，电阻器R具有大约20千欧姆的电阻。
有利地，附加电极31包括被横向地界定的内部通路31'。在使用中，电子束通过内部通路31'移动。具体而言，附加电极具有大体环形形状。
具体而言，靶3通过具有最低可能电阻的导线而被直接接地。有利地，在示出的所有实施例中，靶3被在没有插入电阻器的状态下接地。换言之，靶3被以最小可能电阻接地。
根据未示出的实施例，附加电极31不存在。在这些情况下，靶3被(直接)接地(而没有插入电阻器)。
根据一些实施例，交互元件18被接地。具体而言，交互元件18通过电阻器32(或者等价装置)被接地。该电阻器32通常具有至少100欧姆的电阻，有利地具有至少1千欧姆的电阻。具体而言，电阻器32具有大约20千欧姆的电阻。
有利地，电容性装置33也存在(具体而言为电容器)。所述电容性装置33与电阻器32并联。电容性装置33通常具有0.5纳法与10纳法之间的电容，有利地具有1纳法与5纳法之间的电容。根据特定实施例，电容性装置33具有约3纳法的电容。
有利地(具体而言，为了保证机械稳定性)，加速元件23和交互元件18通过如在上面定义的管状元件22(尽管在这种情况下其被安装在加速元件下游)而相互连接。根据一些实施例，所述管状元件22不存在。
在使用中，等离子体和电子通过中空元件5(其电势被突然使得下降，如先前针对设备2说明的)与触发电极7的交互而被产生。等离子体和电子(还)由于加速通道12而被朝交互元件18传送。此时，由交互元件18和附加电极31(和/或靶3)构成的系统担当使电子加速并且将其朝靶传送的电子提取器和加速器。
室27在横向于来自腔6的电子(和等离子体)的出料(outfeed)方向的方向上延伸的事实允许电子束被使得以相对于靶3的最佳方向(通常为垂直)撞击。基于上面所指出的，电子束对靶3的撞击效率被提高。
另外，在使用中，由消融材料组成的羽状物(plume)36(羽状物36在图5至图10中被示意性地示出)在垂直于靶3表面的方向上传播，所述方向贯穿开口端29和30，朝着支撑物4。再一次，在这种情况下，沉积的质量和效率被显著提高。这样，传播通过交互元件18的室的羽状物的材料被存在于所述室中的等离子体重新处理。该效果对沉积的质量具有正面影响，从而精确地影响所沉积的材料的颗粒尺寸(减少其值)。
由于上面指出的优点，其中通路通道18a横向于室27的延伸的交互元件18的所述特殊形状在没有加速元件的实施例中也可以是有利的。因此，其应当被认为是通过单独申请进行独立保护的可能对象。
图5示出了被标记为2V的设备2的另一实施例。设备2V(由于以下事实而与设备2IV不同)包括与交互元件18相连的另一激活组21'。激活组21'的结构和操作类似于激活组21的那些并且被设计为放大整体效果。然而，激活组21'被设计为对交互元件18施加负电势，其在绝对值上比激活组21'被设计为对中空元件5施加的负电势更低。
在使用中，连续地或者使用脉冲(在脉冲的情况下，提供给交互元件18的脉冲必须与提供给中空元件5的脉冲同步；在这种情况下，电容性装置33可被省略)使交互元件18达到负电势(上面参考关于图1中的实施例的中空元件5而被描述)。系统在帕邢曲线的最小值左侧的区域中工作，因此，系统相对于主放电的自发火花是稳定的。中空元件5上的绝对值更大的负电势的脉冲通过管状元件22(管状元件22主要支撑系统的机械刚度并且可被自由空间替代)激发阴极与交互元件18之间的放电(由于加速通道12的存在)。腔6中创建的等离子体朝交互元件18传播并且用作交互元件18内部的等离子体的创建过程的发起者。所述等离子体中包含的电子通过交互元件18与附加电极31之间的电势差而被提取。附加电极31与地面(地)电势之间的电阻限制了被附加电极31指向靶3的电子束所转移的电流。所述电阻在交互元件18与靶3之间的放电期间引起附加电极31上的负电势的增加。因此，附加电极31变成由附加电极31和靶3组成的系统的虚阴极。电子的加速在附加电极31与靶3之间的间隙中发生。高能电子使靶的材料消融并且生成等离子体的爆炸性喷射以及朝交互元件18传播的靶的中性材料的颗粒的爆炸性喷射，它们在交互元件18处遇到主放电的等离子体。两个等离子体之间的交互作用引起靶3的等离子体的进一步电离以及靶3(其被直接接地—在没有插入的电阻器的状态下)的中性材料的颗粒的电离。
图6示出了被标记为2VI的设备2的另一实施例。设备2VI(因为以下事实而与设备2v不同)不包括与中空元件5相连的激活组21。中空元件5被接地。具体而言，中空元件5通过电阻器34(或者等价装置)而被接地。该电阻器34通常具有至少100欧姆的电阻，有利地具有至少1千欧姆的电阻。具体而言，电阻器34具有大约20千欧姆的电阻。有利地，还存在电容性装置35(具体而言为电容器)。所述电容性装置35与电阻器34并联。电容性装置35通常具有0.5纳法与10纳法之间的电容，有利地具有1纳法与5纳法之间的电容。根据特定实施例，电容器19具有约3纳法的电容。
另外，设备2VI没有电阻器32和电容性装置33。
在这种情况下，在使用中，生成等离子体和电子束的过程以负电势的脉冲到达交互元件18开始。加速通道12以及交互元件18与中空元件5之间的电势差将电子从内室27推向中空元件5并且快速地给电容性装置35充电。此时，在交互元件18内部(在室27中)，相对于壁28的正电势被创建并且空心阴极效应被引发，从而使存在的电子数目放大(电容性装置35已被充电为交互元件的电势，因而电子不再被从中空元件5中移开)。交互元件18与附加电极31之间的电势差(要记得，如关于图4的实施例所述，附加电极31通过如在上面定义的电阻器而被以电方式接地)使在交互元件18内部生成的电子移开并且朝靶3(其被直接接地)加速。
应当注意到交互元件18和中空元件5在图6的实施例中担当触发电极。
图7示出了被标记为2VII的设备2的另一实施例。设备2VII(因为以下事实而与设备2不同)包括在触发电极7内的中空元件5。中空元件5包括两个开口端5a和5b。中空元件5还包括横向地界定腔6的侧壁5c。
触发电极7包括两个开口端7a和7b。触发电极7还包括限定通路7d的侧壁7c。
中空元件5(具体而言为侧壁5c)包括至少一个(在讨论中的情况下为四个—其中的三个被示出)开口37。开口37使通路7d与腔6流体连通。具体而言，在使用中，电子束穿过开口37。在中空元件5与触发电极7之间引起的电势差决定了离开加速通道12(其具有更高压力—考虑到帕邢曲线)的加速气体流中的等离子体的形成。
在示出的实施例中，中空元件5具有大体环形形状(具有圆形横截面)。触发电极7具有大体环形形状(具有圆形横截面)。
有利地，中空元件5和触发电极7大体上是同轴的。具体而言，开口端5a和5b分别面朝与开口7a和7b相同的方向。
另外，加速通道12(并且因而加速元件23)被插入在气体提供单元(具体而言为导管7')与中空元件5之间。具体而言，加速通道12(并且因而加速元件23)被插入在气体提供单元(具体而言为导管7')与触发电极7之间。
设备2VII还包括交互元件18。
根据一些实施例，交互元件18被接地。具体而言，交互元件18通过电阻器41(或者等价装置)而被接地。
设备2VII的操作类似于针对设备2描述的操作并且基本由于从中空元件5到靶3的电子束不穿过加速通道12的事实而与设备2区分开(除了上面所述内容之外)。应当注意到，在任何情况下，电子束都穿过交互元件18。
虽然设备2VII即使没有加速元件23也可以工作，但是实验已经表明加速通道12显著地改善了设备2VII的工作。
图8示出了被标记为2VIII的设备2的另一实施例。设备2VIII(因为以下事实而与设备2VII不同)不包括触发电极7并且其不包括开口37。
设备2VIII包括具有腔6以及两个开口端5a和5b的中空元件5。腔6被侧壁5c横向地界定。中空元件5具有大体圆柱形(中空)形状。具体而言，中空元件5具有大体环形形状。
中空元件5被电连接到激活组21(如在上面定义的)。
设备2VIII还包括管状元件38(被设计为担当潘宁阳极，E.H.Hirsch、Br.J.Appl.Phys.15(1964)1535)。
根据一些实施例，管状元件38被接地。具体而言，管状元件38通过电阻器39(或者等价装置)而被接地。该电阻器39具有至少100欧姆的电阻，并且有利地具有至少1千欧姆的电阻。具体而言，电阻器34具有大约20千欧姆的电阻。有利地，还存在电容性装置40(具体而言为电容器)。所述电容性装置40与电阻器39并联。电容性装置40通常具有0.5纳法与10纳法之间的电容，有利地具有1纳法与5纳法之间的电容。根据特定实施例，电容器19具有约3纳法的电容。
管状元件38位于中空元件5内部(具体而言在腔6中)。具体而言，管状元件38与中空元件5大体上是同轴的。
设备2VIII还包括交互元件18。
根据一些实施例，交互元件18被接地。具体而言，交互元件18通过电阻器41(或者等价装置)而被接地。该电阻器41通常具有至少100欧姆的电阻，并且有利地具有至少1千欧姆的电阻。具体而言，电阻器34具有大约20千欧姆的电阻。有利地，还存在电容性装置42(具体而言为电容器)。所述电容性装置42与电阻器41并联。电容性装置42通常具有0.5纳法与10纳法之间的电容，有利地具有1纳法与5纳法之间的电容。根据特定实施例，电容器19具有约3纳法的电容。
设备2VIII还包括加速通道12(具体而言为加速元件23)。
加速通道12(如在上面定义)被设计为将无水气体推送到管状元件38中。加速通道12(并且因而加速元件23)被插入在气体提供单元(具体而言为导管7')与中空元件5(具体而言为管状元件38)之间。
设备2VIII还包括至少一个(在讨论的情况下为两个)磁场源44。具体而言，源44被设计为在通过开口端5a和5b的通路的方向上创建磁场。具体而言，磁场应当与交互元件18的轴大体平行。源44可以是永磁体或者电磁源(包括线圈，可变电流沿着该线圈通过)。
源44产生与中空元件5的轴平行的磁场。
在负电势脉冲通过激活组21到达中空元件5的情况下，大量等离子体在管状元件38(潘宁阳极)内部被创建，这些等离子体处于比中空元件5的电势略微更加正(positive)但是比潘宁阳极的电势明显更加负(negative)的电势，从而创建电势梯度并且因而创建径向电场(垂直于中空元件5的轴)。源44产生与中空元件5的轴平行的磁场。在交叉的场中，电子被从系统的中央朝潘宁阳极快速地加速，从而围绕磁场的线执行进动(precession)并且产生存在气体的强电离。交互元件18被用来使用上面提到的处理从所创建的等离子体中移开电子。
虽然设备2VIII即使没有加速元件23也可以工作，但是实验已经表明加速通道12显著地改善了设备2VIII的工作。
装置1因而包括设备2-2VIII中的至少一个设备以及一个外室45，靶3和支撑物4位于外室45中。外室45中存在的条件(例如所包含的气体的压力和类型)是上面参照(设备2的)外部描述的那些。
应当注意到，根据本发明的一个方面，一种方法被提供用于在支撑物4上涂布预定材料。该方法包括发射步骤，在发射步骤期间设备2-2VIII中的至少一个以从靶3中移开至少部分预定材料并且使其指向支撑物4的方式使电子束指向包括预定材料的靶3。
除了上面描述的优点之外，所有实施例都具有作为现有技术的改进的各种方面。
尤其应当注意到，所获得的电子束具有极低的分散(其相对于行进方向极少横向地传播)。这不仅提高了精度，而且允许预定点处的更大能量集中(增加的密度)。另外，还应当强调，尽管在一些实施例中由介电材料(通常为玻璃)制成的管状元件的存在仍被提议，但是所述管状元件的存在不是必要的。没有玻璃毛细管的所提议设备(2-2VIII)可以实现(乃至超过)当前配备有这种毛细管的设备的性能。
换言之，根据所描述的，可以避免玻璃毛细管的使用。这允许：
-制造成本的降低(迄今为止使用的毛细管具有相当大的成本)；
-维护需求的下降(玻璃毛细管必须被定期替换，这是因为它们变脏并且因为由相对易碎材料制成的它们变得磨损并且/或者损坏)；
-脉冲频率的增大(以及因而在单位时间内提供给靶3的能量的增大—对于玻璃毛细管，高频率无法被达到，这是因为毛细管将融化)。
如在上面指出，附图中示出之物与用于沉积预定材料的装置有关。然而，应当注意到设备2-2VIII(部分由于上面指出的其相对于现有技术的优点)也适用于其他类型的应用。对此，重要的是强调设备2-2VIII也可以被用于焊接。
因此，根据本发明的另一方面，提供了一种焊接装置。在这种情况下，装置与装置1大体相同并且在结构上与之不同之处仅在于支撑物4的不存在以及不同类型的靶3。
具体而言，焊接装置包括设备2-2VIII中的至少一个、外室45以及靶3，其该靶位于外室45中(并且焊接被在其上执行)。
根据本发明的另一方面，一种用于在靶3上焊接的方法也被提供。该方法包括发射步骤，在发射步骤期间，设备2-2VIII中的至少一个以执行焊接的方式使电子束对准(包括预定材料的)靶3。
除非另外明确指出，否则本文中指出的参考文献(文章、书、专利申请等)的内容被整体引用。具体而言，提到的参考文献通过引用而被结合于此。

Claims (27)

1.一种用于生成等离子体和使电子束指向靶(3)的设备；该设备(2)包括：
中空元件(5)，其具有腔(6)；
激活组(21)，其被设计为在使用中在所述中空元件(5)和与所述中空元件(5)分离的另一元件之间施加电势差，以在使用中使来自等离子体生成空间的电子束指向所述与所述中空元件(5)分离的另一元件；
所述设备(2)的特征在于其包括与所述生成空间流体连通的加速通道(12)以及压力调节系统(P)，所述压力调节系统(P)被设计为在所述加速通道(12)的上游承载比所述加速通道(12)的下游的压力更大的压力，以在使用中在所述生成空间中并且在从所述加速通道(12)的上游到所述加速通道(12)的下游的方向上沿着同一所述加速通道(12)生成气体流，并且所述加速通道(12)被设计为使所述气体流的移动加速。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述加速通道(12)具有延伸轴并且被设计为将气体分子的任何横向运动分量转换为与同一所述轴平行的运动。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述加速通道(12)包括至少一个渐细部分(13)，该渐细部分(13)具有沿着所述气流的方向减小的横截面。
4.根据在先权利要求中任一个所述的设备，其中，所述加速通道(12)包括拉伐尔喷嘴。
5.根据在先权利要求中任一个所述的设备，还包括与所述中空元件(5)分离的交互元件(18)。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述与所述中空元件(5)分离的另一元件是所述交互元件(18)。
7.根据权利要求1至5中任一个所述的设备，其中，所述与所述中空元件(5)分离的另一元件是所述靶(3)。
8.根据在先权利要求中任一个所述的设备，其中，所述生成空间包括所述腔(6)。
9.根据在先权利要求中任一个所述的设备，其中，所述生成空间位于所述加速通道(12)相对于所述气体流的上游或者下游。
10.根据权利要求3和其他在先权利要求中任一个所述的设备，其中，所述加速通道(12)的渐细部分(13)具有减少到至少二十分之一的通路面积。
11.根据权利要求3和其他在先权利要求中任一个所述的设备，其中，所述加速通道的渐细部分(13)包括指向所述与所述中空元件(5)分离的另一元件的末端(15)，该末端(15)具有大约14mm2与大约25mm2之间的通路面积。
12.根据权利要求3和其他在先权利要求中任一个所述的设备，其中，所述中空元件(5)包括用于使所述腔(6)与外部流体连通的开口(11)；所述加速通道(12)位于所述分离元件与所述腔(6)之间并且被设计为使所述气流通过所述开口(11)的移动加速；所述压力调节系统(P)被设计为使所述腔(6)达到比外部压力更大的压力；所述与所述中空元件(5)分离的另一元件位于所述中空元件(5)外部；所述渐细部分(13)朝着所述与所述中空元件(5)分离的另一元件逐渐变细并且被设计为朝着所述与所述中空元件(5)分离的另一元件使所述气流的移动加速。
13.根据在先权利要求中任一个所述的设备，并且包括触发电极(7)，该触发电极(7)被至少部分地放置在所述腔(6)内；所述激活组(21)还被设计为在所述触发电极(7)与所述中空元件(5)之间施加电势差以使得在所述腔(6)内形成电子；具体而言，所述激活组(21)被电连接到所述中空元件(5)并且被设计为在少于40ns内使所述中空元件(5)的电势减小至少2kV。
14.根据在先权利要求中任一个所述的设备，其中，所述腔(6)和所述加速通道(12)相对于外部液密地相互连接。
15.根据在先权利要求中任一个所述的设备，其中，所述压力调节系统(P)包括气体提供单元和快速开闭阀，所述气体提供单元被设计为将气体提供到所述腔(6)内以将所述腔(6)中的压力保持在比外部的压力至少高10倍的值。
16.根据在先权利要求中任一个所述的设备，并且包括加速元件(23)，该加速元件(23)界定所述加速通道(12)并且与所述中空元件(5)直接相连。
17.根据从1到15的权利要求中的任一个所述的设备，并且包括加速元件(23)，该加速元件(23)界定所述加速通道(12)并且利用插入在其间的由介电材料制成的管状元件(22)而被连接到所述中空元件(5)。
18.根据权利要求4和其他在先权利要求中任一个所述的设备，其中，所述交互元件(18)包括通路通道(18a)，在使用中所述电子束在该通路通道(18a)中通过。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述通路通道(18a)包括大体面向所述加速通道(12)的出口端(26)的入口端(25)。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述通路通道(18a)和所述加速通道(12)大体相互同轴。
21.根据权利要求18、19或20所述的设备，其中，所述交互元件(18)包括与所述通路通道(18a)流体连通并且被横向界定的内室(27)；所述内室(27)包括两个开口端(29，30)并且相对于所述通路通道(18a)横向地在所述开口端(29，30)之间延伸。
22.一种用于生成等离子体和使电子束指向靶(3)的设备；该设备(2)包括：中空元件(5)，其具有腔(6)；交互元件(18)，其与所述中空元件(5)分离；激活组(21)，其被设计为在所述中空元件(5)与所述交互元件(18)之间施加电势差以使所述电子束指向所述交互元件(18)；
所述设备(2)的特征在于所述交互元件(18)包括在使用中所述电子束在其中通过的通路通道(18a)并且包括面向所述腔(6)以在使用中接收所述电子束的入口端(25)以及与所述通路通道(18a)流体连通并且被横向界定的内室(27)；所述内室(27)包括两个开口端(29，30)并且相对于所述通路通道(18a)横向地在所述开口端(29，30)之间延伸。
23.一种用于在支撑物(4)上沉积预定材料的装置，该装置(1)包括：
外室(45)和包括所述预定材料的靶(3)，在使用中可以将所述支撑物(4)放置在所述外室(45)中，所述沉积在所述支撑物(4)上发生；
所述装置(1)的特征在于其包括如在在先权利要求中的一个中定义的设备(2；2'；2″；2IV；2V；2VI；2VII；2VIII)，该设备中的腔(6)与所述外室(45)相互连通；所述外室(45)包含压力小于10-3毫巴的气体；所述设备(2；2'；2″；2IV；2V；2VI；2VII；2VIII)被设计为使电子束指向所述靶(3)以使得至少部分所述预定材料被从所述靶(3)中移开并被沉积在所述支撑物(4)上。
24.一种用于在支撑物(4)上涂布预定材料的方法，该方法包括发射步骤，在该发射步骤期间，根据从1到22的权利要求中的任一个所述的设备(2；2'；2″；2IV；2V；2VI；2VII；2VIII)使所述电子束指向包括所述预定材料的靶(3)，以使至少部分所述预定材料被从所述靶(3)中移开并且使其指向所述支撑物(4)。
25.一种用于生成电子束的方法，包括以下操作步骤：
利用稀薄可电离气体来填充生成空间和与其连通的加速通道(12)；
通过所述生成空间和所述加速通道(12)并且朝外部来生成所述气体的流；
沿着所述加速通道(12)的轴使所述气体流加速并且将气体分子的相对于所述轴的任何横向运动分量转换为与同一所述轴平行的运动；
使得在所述生成空间中并且至少部分地在加速气体流中形成等离子体；以及
使来自以这种方式形成的等离子体的电子束指向靶(3)。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述气体流是在朝所述靶(3)的方向上生成的。
27.根据权利要求25或26所述的方法，其中，所述加速气体流被用来引导所述等离子体和所述电子束。
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