CN104520961A - 用于生成带电粒子束的等离子源装置和方法 - Google Patents

用于生成带电粒子束的等离子源装置和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104520961A
CN104520961A CN201380042202.6A CN201380042202A CN104520961A CN 104520961 A CN104520961 A CN 104520961A CN 201380042202 A CN201380042202 A CN 201380042202A CN 104520961 A CN104520961 A CN 104520961A
Authority
CN
China
Prior art keywords
plasma
resonant circuit
charged particle
antenna
plasma chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201380042202.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104520961B (zh
Inventor
C·黎布顿
A·桑德森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Welding Institute England
Original Assignee
Welding Institute England
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Welding Institute England filed Critical Welding Institute England
Publication of CN104520961A publication Critical patent/CN104520961A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104520961B publication Critical patent/CN104520961B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/06—Electron sources; Electron guns
    • H01J37/077—Electron guns using discharge in gases or vapours as electron sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/3002—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/321—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/061—Construction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/063—Electron sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/08—Ion sources
    • H01J2237/0815—Methods of ionisation
    • H01J2237/0817—Microwaves
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/083—Beam forming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/31—Processing objects on a macro-scale
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/31—Processing objects on a macro-scale
    • H01J2237/3104—Welding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32174—Circuits specially adapted for controlling the RF discharge
    • H01J37/32183—Matching circuits

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Apparatus For Disinfection Or Sterilisation (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

本发明公开一种用于生成带电粒子束的等离子源装置。该装置包括：等离子室，设有用于气体进入的入口和用于从该等离子室引出带电粒子的孔；射频(RF)等离子生成单元，用于在所述等离子室内部生成等离子，所述射频等离子生成单元包括第一谐振电路和第二谐振电路，每个谐振电路被调谐成在基本相同的谐振频率下谐振，所述第一谐振电路包括第一天线和适于在大体所述第一谐振电路的谐振频率下驱动所述第一谐振电路的第一RF电源，所述第二谐振电路包括第二天线，由此在使用时由于谐振耦合所述第一谐振电路在所述第二天线中感应出RF信号，所述第二谐振电路被配置成向所述等离子室施加感应的RF信号以在所述等离子室内生成等离子；和粒子加速单元，用于从所述等离子中引出带电粒子并使所述带电粒子加速以形成束，所述粒子加速单元包括被配置成在所述等离子室和加速电极之间施加电势的第二电源，所述等离子室和所述加速电极之间的区域构成加速管。所述第二电源适于输出相对于所述第一RF电源输出的电压高的电压。

Description

用于生成带电粒子束的等离子源装置和方法
本发明涉及用于生成带电粒子(诸如电子或离子)束的等离子源装置，以及这样的生成带电粒子束的方法。带电粒子束的用途包括材料处理应用，诸如焊接、加层制造(additive layer manufacturing)、和钻孔、切割、固化、熔化、蒸发或其它处理，藉此使用带电粒子束改良或处理材料或工件。
被用作焊接设备和用于类似处理工具的大多数电子枪使用热离子发射器作为它们的电子源。对于这种类型的发射器，将耐高温金属加热到电子能从表面逸出的温度，然后通过施加电场使电子加速。这种设计存在许多固有问题。例如，阴极(cathode)尺寸非常关键，阴极随着发热而变形并且蒸发使得阴极尺寸变化。而且阴极寿命可能短(例如在工业应用设备上6小时的焊接时间)且维护成本可能高。此外，在阴极的使用期间束质量会变化，改变了焊接性能且因而需要重新调整焊接参数。此外，如果枪真空受损则阴极的寿命被缩短，并且离子轰击(这些离子源自真空容器中的熔池和残余气体)可加速阴极的磨损。热离子发射器的另一种变体是反轰设备，其中热阴极被布置成将电子发射到一个目标，主带电粒子束从该目标发射出。在WO-A-94/13006中给出这样的设备的实施例。
作为热离子发射器的备选包括光电阴极、冷发射或等离子源。在等离子源的情形中，气体诸如氦、氩或空气被离子化以形成等离子并且带电粒子(电子或离子)被从该等离子中引出并被加速以形成束。由于粒子源自离子化的气体，因此没有热金属阴极，并因此该源的操作和维护比热离子发射器简单。此外，等离子源对于在使用期间可进入装置的气体和蒸气相对不敏感。然而，等离子源的采用并未普及，原因在于多种困难，包括：慢的源响应时间限制了可达到的最小束脉冲持续时间；复杂的电源要求。
例如，托木斯克控制系统与放射电子国立大学(TUSUR)已经设计并制造了工作于至多60kV加速电势和12kW功率的等离子阴极电子枪。N.Rempe等人在“Electron-beam facilities based onplasma-cathode guns”(Welding and Cutting 11(2012)No.2,122页)中描述了某些实施例。该等离子是由使用例如中空阴极低电压反射放电技术施加的直流激发生成的，在所述放电技术中在该等离子室内的两个阴极中的每一个和居间的一个阳极(anode)之间建立电势。为了使带电粒子能够以足够的能量加速逸出等离子，施加放电的低电压必须在适合加速的高电压(例如-60kV)处浮动。因此，必须使用专门定制的高电压电源以提供等离子激发和加速电压。由于适于处理和操纵高电压的组件的尺寸大，因此该电源复杂、昂贵并且体积庞大。
这样的等离子阴极电子枪的另一个缺点是，由于电缆和等离子室的电容必须充电和放电，因此DC等离子激发电源不易改动成具有快速的压摆率(slew rate)。这导致用于每束脉冲以及用于改变束功率的时间最短，通常至少35微秒。这是不期望的，因为许多材料处理应用需要对粒子束的更大的控制。用于解决该问题的一个方法是在该等离子源(“三极管枪”布局)的前面增加一个栅电极。该栅电极控制等离子的表面处的电场强度，从而控制电子发射，并且该栅电极的电势可被控制和相对快速地调整。这可用于实现脉冲束输出，同时连续地生成该等离子本身。然而，栅电极通常会使束质量恶化，因为栅电极具有畸变的电子光学质量。此外，使用栅电极使得枪结构、电源和控制系统复杂化。
由Goebel和Watkins在“High current,low pressure plasmacathode electron gun”(Review of Scientific Instruments,71,388-398(2000))中公开了等离子源的另一个实施例。这里，通过来自非常低压的静态气体内部的热丝的电子的热离子发射来生成等离子。然而，这同样面临相似的问题，即：需要以所要求的最短时间使丝达到所需的电压以触发等离子放电；以及复杂的电源电路系统。此外，热丝的使用随之带来了上述标准热离子发射器的缺点。
根据本发明，提供一种用于生成带电粒子束的等离子源装置，该装置包括：
等离子室，设有用于气体进入的入口和用于从该等离子室引出带电粒子的孔；
射频(RF)等离子生成单元，用于在该等离子室内部生成等离子，该射频等离子生成单元包括第一谐振电路和第二谐振电路，每个谐振电路被调谐成在基本相同的谐振频率下谐振，该第一谐振电路包括第一天线和适于在大体该第一谐振电路的谐振频率下驱动该第一谐振电路的第一RF电源，该第二谐振电路包括第二天线，由此在使用中由于谐振耦合该第一谐振电路在该第二天线中感应出RF信号，该第二谐振电路被配置成向该等离子室施加感应的RF信号以在该等离子室内生成等离子；和
粒子加速单元，用于从所述等离子中引出带电粒子并使所述带电粒子加速以形成束，该粒子加速单元包括被配置成在该等离子室和加速电极之间施加电势的第二电源，该等离子室和该加速电极之间的区域构成加速管(acceleration column)；
其中，该第二电源适于输出相对于该第一RF电源输出的电压高的电压。
本发明还提供一种生成带电粒子束的方法，包括：
允许气体进入等离子室，该等离子室具有用于气体进入的入口和用于从该等离子室引出带电粒子的孔；
使用射频(RF)等离子生成单元在该等离子室内部生成等离子，该射频(RF)等离子生成单元包括第一谐振电路和第二谐振电路，每个谐振电路被调谐成在基本相同的谐振频率下谐振，所述第一谐振电路包括第一天线，所述第二谐振电路包括第二天线，通过使用第一RF电源以在大体该第一谐振电路的谐振频率下驱动该第一谐振电路，使得由于谐振耦合该第一谐振电路在该第二天线中感应出RF信号，该第二谐振电路向该等离子室施加感应的RF信号以在该等离子室内生成等离子；和
通过使用第二电源在该等离子室和加速电极之间施加电势，从该等离子中引出带电粒子并使所述带电粒子加速以形成束，该等离子室和该加速电极之间的区域构成加速管；
其中，相对于该第一RF电源输出的电压，该第二电源输出的电压高。
与直流等离子相比，通过使用RF激发生成等离子，等离子参数可以非常快地变化(包括等离子的引发和消失)。这是因为存储在电路中的能量的量固有地较低并且因为能够以公知的方式用合适的控制器轻易地调制RF信号。因此，可以非常快速(例如小于1微秒)地接通和关断等离子。已经发现以这样的时间尺度的束脉冲非常有益于在焊接、机械加工和其它处理期间控制热输入。如此短的响应时间还有益于其它的处理控制步骤诸如束功率的变化(通过调制RF幅度)，其可例如在使用光栅生成工件的电子图像期间使用(在下文进一步描述)。由于等离子本身能够被控制在如此短的时间尺度，因此不需要栅电极，使得源可被实施成二极管枪配置，从而实现高完整性的粒子束。
所公开的装置和方法还消除了前述对专门定制的高电压电源的需求，如果需要提供高电压RF(而不是直流)，则专门定制的高电压电源的复杂性会进一步增加。相反，RF激发是由相对低电压的(第一)电源驱动的，通过使用第一谐振电路和第二谐振电路将该电源感应耦合至该等离子室。因此该第一RF电源可以是成品常规RF电源，诸如市售的低功率(例如50W)RF发电机。这样的部件相对便宜且结构紧凑。同时，用于加速该粒子的高电压由分立的第二电源提供，该第二电源在该等离子室和加速电极之间施加电势。由于仅需要单个高电压输出(通常是直流)，还可以通过常规的、容易得到的高电压电源来实现。由于第一谐振电路和第二谐振电路之间的耦合的感应本质，高电压与第一电源的低电压隔离。因此，该第一谐振电路可接近于接地电势运行。
总之，所公开的布置使得利用两个常规电源成为可能，从而相对于需要专门的、定制的电源的现有设计降低了成本和复杂性。
应注意，对第一电源和第二电源的输出的引述“高”或“低”指的是电压的绝对幅度而不是它们的符号(+/-)。
所公开的装置和方法的另一个优势可由比在其它粒子束源中的电缆更软的电缆形成两个电源与容纳该等离子室和加速管的设备之间的物理连接。这改进了该束枪的可操纵性，这对于室内枪(in-chamber gun)和滑动密闭枪尤其重要。由于消除了在从一个HV电源输出不只一条HV线路的情况下对于多芯HV电缆的需求，因此改进了柔软性。在所公开的装置中，可使用单芯(且因此是高柔软性的)电缆在该加速管两端施加由第二(HV)电源提供的电势并且可使用分立的单RF同轴电缆从第一(低电压)电源生成等离子。因此不需要大直径、笨重的多芯HV电缆。
如上所述，该第一谐振电路和第二谐振电路之间的感应耦合将该第一电源与高加速电压隔离。可以多种方式实现第一谐振电路和第二谐振电路之间的电气隔离，然而，在优选的实施例中，通过利用真空枪可至少部分实现隔离(在使用中将该加速管排空以允许形成带电粒子束，如同在常规设备中一样)。在一个优选的实施方案中，至少该等离子室、加速管和第二天线被布置在一个壳体内，该装置还包括用于排空该壳体的泵，使得在使用中第二天线与第一天线基本电绝缘。该第一天线可被布置在该壳体的外部并将功率远程地耦合到第二天线。这种情况下的壳体将会是非导电的并且它本身可有助于电气隔离。
然而，在尤其优选的实施方案中，至少该等离子室、加速管、第一天线和第二天线被布置在壳体内，该装置还包括用于排空该壳体的泵，使得在使用中第一天线与第二天线基本上彼此电绝缘。以此方式，第一天线与第二天线实际上形成了真空芯变压器(可能有或没有任何增益)的初级线圈和次级线圈。通过将两个天线都放置在该壳体内，可实现尤其紧凑的布局，并且可以相对于彼此固定的关系布置两个天线，从而优化功率传递。优选地，一个天线被布置在另一个天线的内部，两个天线共有一个公共纵轴。
由于在击穿的情况下对绝缘体(真空)没有伤害，因此使用枪真空来隔离天线是有益的，并且考虑到真空的提供对于加速管是必要的，因此还使用枪真空来提供电绝缘，以避免使用任何附加的组件。然而，在替代的实施方式中，在第一天线和第二天线之间设有电绝缘材料，优选地是陶瓷或者聚合物，以使天线彼此绝缘。例如，可使用环氧树脂或油。
第一RF电源有利地是低电压源且优选地适于输出功率幅度至多300W的信号，更优选地至多100W，还优选地至多50W。因此，市售的RF发电机可和标准的同轴电缆连接器一起使用。在尤其优选的实施方案中，第一谐振电路中的第一天线的一端处于接地电势。例如，该天线的一端可在枪管壁处被物理附着到接地。然而，将天线接地不是必要的。
优选地，该装置还包括用于调制由第一电源输出的RF信号的控制器。这可被用于通过适当调制RF以快速的响应时间将等离子接通或关断，或者用于例如通过调制RF幅度来改变束的功率。在一个优选的实施例中，该控制器还适于将该RF信号的幅度控制第一幅度(在该幅度下生成的束的功率适合材料处理)和第二幅度(在该幅度下生成的束的功率适合对工件进行成像)之间，第一幅度大于第二幅度。
有利地，第二电源适用于输出直流信号，优选地该直流信号具有的电压幅度在10kV到200kV范围内，更优选地25kV到175kV，还优选地60kV到150kV。输出电压将确定从等离子室逸出的带电粒子的加速，因此将根据任何具体应用所期望的束的能量选择输出电压的幅度。在待引出的带电粒子是电子的场合，通常将安排第二电源向等离子室施加负高电压(例如-60kV)并将加速电极接地，从而从等离子室到加速电极呈现正的电梯度，以加速来自等离子的电子。
第二电源可以有利地是脉冲电源，优选地适于输出具有10微秒或更少的持续时间的功率脉冲。每个功率脉冲引起短暂加速电势并因此引起带电粒子束脉冲。这种控制方式可被用作RF电源的调制的替代或补充。
优选地，第二电源的电压(就幅度而言)是第一RF电源的电压的至少100倍，更优选地至少1000倍。第二电源优选地是直流电源。
有利地，第一谐振电路和第二谐振电路均包括串联或并联的LC或RLC电路(L＝电感，C＝电容，R＝电阻)，第一天线和第二天线分别形成了第一谐振电路和第二谐振电路的电感器。在一个尤其优选的实施方案中，该第二谐振电路包括直接耦合在第二天线两端的电容器。
第一天线和/或第二天线可采用任何适当的形式，包括多匝线圈、方形或其它形状的回路或有必要时的线性元件，以实现期望的电感值。然而在优选的实施方案中，第一天线和/或第二天线包括单匝。例如，第二天线可包括具有径向缺口的铜或铝的环，电容器可被耦合在该缺口的两端以形成LC组合。
第一谐振电路和第二谐振电路之间的感应耦合不会导致感应电压(或电流)相对于第一电源的输出电压的任何步进(向上或向下)。然而，取决于等离子室如何耦合到第二谐振电路，可能期望据此调整信号参数。例如，如果该电路被布置成直接向该等离子室施加感应信号，则期望更高的电压，并且因此优选地，该第二谐振电路具有足够高的品质(Q)因子使得感应的RF信号的电压高于由第一RF电源输出的电压。例如，感应的RF信号的电压的幅度可在1kV到10kV之间，优选地在1kV到5kV之间。然而，如果该电路被配置成在该室内感应等离子(例如通过设置围绕该室的线圈)，则需要高电流，在此情况下将选择电路部件来提供高的副电流。在优选的实施方案中，第二谐振电路的Q因子是至少500，更优选地至少750。可通过电路设计和选择用于该电路的适当的L,C(和R)值来配置该因子。根据标准技术，第一谐振电路将优选地在谐振频率处与第一RF电源阻抗匹配，这将固有地导致第一电路的高Q因子。
第一谐振电路和第二谐振电路可被配置为通过适当选择部件在对应于第一RF电源的频率的任何频率处谐振。然而，在优选的实施方案中，选择第一谐振电路和第二谐振电路的电感和电容使得每个谐振电路具有在1MHz到160MHz范围内的谐振频率，优选地27MHz到100MHz，更优选地约84MHz。
如已经提到的，可以多种方式将感应的RF信号耦合到等离子室。在一个优选的实施方案中，第二谐振电路被配置成在等离子室两端在与等离子室的内部接触的电极之间施加感应的RF信号，该电极优选地由限定该等离子室的壁的导电部分形成、被该壁的绝缘部分隔开。在尤其的优选实施方案中，等离子室是由如下三部分限定的：由绝缘材料形成的侧壁、由导电材料形成且在其中限定有用于气体进入的入口的上壁、以及由导电材料形成且在其中限定有用于引出带电粒子的孔的隔膜，所述第二谐振电路适于在上壁和隔膜之间施加感应的RF信号。该等离子室因此形成了第二谐振电路的必不可少的部分并且优选地绝缘材料包括电介质(例如，氮化硼或氧化铝陶瓷)使得该等离子室贡献于第二谐振电路的电容。在这种情况下，当调谐电路时将需要考虑该等离子室自身的电容。当在该等离子室内引发等离子时，次级电路的负载将增加并且这将降低该电路的Q因子，降低该等离子的电压但使得更多的电流可用于维持该等离子。
在一个替代的实施方式中，第二谐振电路可被配置成通过围绕着等离子室布置的电感线圈向该等离子室的两端施加感应的RF信号。在这样的情况下，室壁优选地为非导电的或至少在任何导电表层有中断，以避免感应涡电流，否则涡电流将抵消感应线圈的磁场。
优选地，粒子加速单元适于在由导电材料形成的隔膜(其中限定了用于引出带电粒子的孔)和加速电极之间施加加速电压，从而构成二极管加速器。如上所述，该配置促成了高完整性的束。然而如果需要对该束的额外控制，该装置还可包括：一个栅电极，位于所述加速管中在隔膜和加速电极之间；以及用于向该栅电极施加栅极电压以调整粒子束的模块，从而构成三极管加速器。
如已经指出的，该装置可被用于形成任何类型带电粒子——包括(正)离子——的束。然而，优选地，从等离子引出的带电粒子是电子并且加速电极是阳极(anode)，优选地处于接地电势或接近接地电位。
有利地，该装置还包括用于将等离子局限在等离子室内的磁捕获组件。通过增加粒子之间的碰撞次数增强了等离子，并且从而改进了生成的束的强度。在优选的实施例中，该磁捕获组件包括围绕着在等离子室的径向周缘布置、被配置成在等离子室内产生轴向磁场的一个或多个永磁体或电磁体。例如，所述一个或多个磁体可被配置成形成彭宁阱(Penning trap)。电磁体配置的使用提供了额外的益处：由于可以轻易地接通或关断提供给电磁体的电源(即，常规的第三电源)，从而提供了额外的方法来控制等离子。例如，电磁体可被用来通过控制等离子强度实现短束脉冲的发射。优选地，该磁场具有约0.01到0.1特斯拉的磁场强度。
可影响最短束脉冲持续时间的另一个因素是等离子寿命。在大气压下的空气中，因为离子化的粒子会迅速与环境气体分子再结合，所以等离子仅会存在很短一段时间(例如20ns)。然而，在真空(或非常低压环境)中，诸如在等离子室内遇到的真空，等离子的寿命将延长到若干微秒。这导致关掉RF源(或降低等离子密度)和等离子(以及因此发射的束)的实际消失之间的延迟，而这限制了可实现的最小脉冲持续时间。优选地，通过确保等离子的离子频繁冲击等离子室的壁，利用该等离子室的壁将等离子的寿命保持在最小，因此如果已经停止了激发则离子的电荷很快丢失并导致等离子消失。这可以通过将该室直径(即，其平均横向尺寸；这对于环形的室不必要)布置成小于离子的平均路径长度来实现。
该离子路径长度将取决于气体的类型(原因在于，不管磁场施加的洛伦兹力如何，与较轻气体相比，较重的气体种类会具有更大的动量因此会更易于沿着较直的轨迹行进)和磁场的幅度(其将影响洛伦兹力)。例如，在使用的气体是氦并且磁场具有约0.01到0.1T的强度的场合，已经发现约2mm到3mm的等离子室直径有助于缩短等离子的寿命。更一般地，优选地等离子室具有12mm或更小的直径，优选地在1mm和5mm之间，更优选地在2mm和3mm之间。这样的尺寸还将为使用较重气体和/或磁场强度弱的场合提供相同的益处，原因在于二者都会趋向于增加离子的路径长度。另一方面，如果路径长度减小，则较小的室尺寸可能更适合。
优选地，组合选择气体类型、等离子室的尺寸和磁场强度(如果施加了磁场)，使得一旦停止了RF激发则等离子室内的等离子寿命小于10微秒，还优选地小于1微秒。
用于引出带电粒子的孔优选地被限定在隔膜中，该隔膜包括铁磁体材料，优选地是钢或软铁。这使得能够将加速管与该等离子室中建立的任何磁场屏蔽开，否则所述磁场将影响束的形状。
该孔的大小很重要，因为使得基本上没有气体或等离子到达加速管很重要，否则会导致等离子室和加速电极之间的放电。适当的孔大小取决于使用的气体和等离子参数，但在优选的实施例中，用于引出带电粒子的孔具有2mm或更小的直径，优选地直径在0.1mm到1mm之间，最优选地直径约0.5mm。
可使用任何适当的气体流动系统实现气体进入等离子室，但在优选的实施方式中，用于气体进入的入口包括用于控制气体进入等离子室的阀，优选地是针阀。这种设置允许稳定低流量的气体被许可进入等离子室。在使用期间，粒子会通过孔从等离子室泄漏，并且，此外，可同时从等离子室引出带电粒子。因此经过入口和孔的质量流速优选地被设置成使得室压保持基本恒定。在替代的实施方式中，可由周期性更换的本地气体储藏器向等离子室提供气体。优选地用阀(诸如针阀等)控制来自气体储藏器的气体流动。该储藏器可以例如是压缩气筒或充满气体的材料。
根据本发明的等离子源尤其适用于材料处理应用，其中通过施加带电粒子束来改动工件或材料(包括气态材料)。因此，本发明还提供一种包括如上所述等离子源的材料处理工具。
在特定的实施例中，该工具是：
·电子束焊接工具，带电粒子束适于焊接材料；
·加层制造工具，带电粒子束适于处理粉状材料，优选地适于熔融粉状材料；
·钻孔工具，带电粒子束适于给工件钻孔；
·固化工具，带电粒子束适于固化工件；
·切割工具，带电粒子束适于切割材料；
·熔化或蒸发工具，带电粒子束适于熔化和/或蒸发材料；
·气体处理工具，带电粒子束适于处理气态物质，优选地，适于处理燃烧烟气；或
·消毒工具，带电粒子束适于固体或液体的消毒。
本发明还提供相应的生成带电粒子束的方法，包含在上文讨论的任一特征。所述方法可类似地用于材料处理方法并且因此本发明还提供一种使用根据上述方法生成的带电粒子束改动工件的方法。带电粒子束可被用来(不限于以下列出的)：
·焊接工件；
·熔融工件，其中该工件包含粉状材料；
·给工件钻孔；
·使工件固化；
·切割工件；
·熔化和/或蒸发工件；
·处理气态工件，优选地处理燃烧烟气；或
·给固体或液体消毒。
在另一个实施例中，可利用易于改变束参数的能力使得在改动或处理过程期间能够对工件进行成像。优选地，在使用如上所述生成的带电粒子束来改动工件的过程中对工件进行成像的方法，包括，以任意顺序：
使用带电粒子束来改动工件；以及
使用带电粒子束来对工件进行成像。
其中，在这两步骤之间，RF信号的幅度被从第一幅度调制到第二幅度，或者从第二幅度调制到第一幅度，在所述第一幅度下生成的束功率适于改动工件，在所述第二幅度下生成的束功率适于对工件进行成像，第一幅度大于第二幅度。
现在将参照附图描述用于生成带电粒子束的等离子源装置和方法的实施例，其中：
图1示意性示出根据第一实施方案的带电粒子束生成装置的所选的部件；
图2是例示了带电粒子束装置的第二实施方案的电路图；
图3是根据第三实施方案的带电粒子束生成装置的示意性截面图。
下面的描述将主要关注于带电粒子束生成装置和方法的实施例，其中形成束的带电粒子是电子并且因此该设备通常被称作电子枪。然而，应理解，通过反转加速管的极性，所公开的装置和方法可容易地适用于生成正离子的束。
图1示出在本发明的第一实施方案中形成用于生成带电粒子束的装置的一部分的电子枪管1。该枪管包括源区域9和加速管11，在源区域9中生成带电粒子，从源区域9引出的带电粒子在加速管11中形成束。在使用中，带电粒子束P可被导向至工件W上，以例如焊接、熔融或其它方式改动材料。
源区域9包括等离子室2，允许气体G通过入口6进入等离子室2，入口6这里包括布置在中空电极4中的针阀。中空电极4限定了等离子室2的一侧，而相对的一侧由具有至少一个孔8a的隔膜8限定，通过孔8a可从等离子室2引出带电粒子。在此实施例中，中空电极4和隔膜8是由导电材料(通常是金属)形成，其被绝缘材料2a(诸如形成等离子室侧壁的氮化硼或氧化铝)彼此分开。中空电极4、绝缘体2a和隔膜8形成了通常被称作“中空阴极”(假设该源适于发射电子而不是正离子)。
下面将更详细地进行描述，为了在室2内生成等离子，允许低压气体(例如氦气、氩气或空气)通过入口6进入该室。通常，适中压力(例如1巴)的气体被送入枪，并且该针阀或其它控制设备限制流动，使得在室内建立适当的低压(例如1毫巴)。由于气体通过孔8a从等离子室泄漏进入加速管的质量流速与通过针阀泄漏进入加速管的质量流速基本相同，因此等离子室2中的气体压力稳定。在线路(i)和(ii)上(即，在中空电极4和隔膜8之间)向等离子室施加射频(RF)功率信号。该RF信号激发室2内的气体并且使其离子化，形成离子和电子的等离子。
在加速管11中，分别在线路(ii)和(iii)上向与等离子室分开的隔膜8和加速电极10之间施加高加速电压。为了形成电子束，加速电极被放置在相对于隔膜8的强正电势处。通过孔8a从等离子引出的电子朝向加速电极10加速并穿过该加速电极中的孔10a以形成束P。可以已知的方式在等离子室和加速电极之间和/或在加速电极和工件区域之间设置其它的束成形设备(诸如磁透镜装置和/或成形电极)，以调整生成的束的形状。
等离子室2和加速管被布置在壳体15之内，在使用中壳体15被泵16(例如涡轮分子泵)排空到低压(通常小于5x10-4毫巴),使得该带电粒子束不会被大气破坏。
可选地但优选地，环形磁体12被布置在等离子室2的周围，环形磁体12的作用是以磁方式将等离子局限在等离子室内。例如，磁体12可被配置成彭宁阱，由此在等离子室内建立轴向磁场(用箭头B表示)。该轴向场对移动的带电粒子引起洛伦兹力，使得带电粒子遵循曲线轨迹，并因此将粒子局限在该室内。这还导致粒子之间碰撞次数的增加，从而增大其强度。磁体12可以是永磁体或电磁体。
图2示出根据第二实施方案的用于带电粒子束装置的示意性电路图。其包括与关于图1所描述的电子枪管功能相同的电子枪管1，因此使用相同的参考数字标识相同的部件，相同的部件将不再复述。在这种情况下，磁体12被定位在形成等离子室壁的材料的正上方而不是直接定位在该材料的周围附近。
由包括电路21和电路26的等离子生成单元向等离子室供应电力。电路21和电路26是谐振电路，在这种情况下被配置成并联LC电路，通过适当地选择它们的电感值和电容值将它们调谐成以彼此基本相同的谐振频率谐振。
第一谐振电路21包括RF电源22，该RF电源的输出置于第一天线23的两端。在提供电感的第一天线的两端并联放置一个电容器(优选地，可变电容器)从而形成LC谐振器。通过选择电感值和电容值来调谐该电路，以基本在源22输出的信号的频率下谐振。可选地但优选地，可设置匹配电感器24以帮助将天线23的阻抗匹配于电源22的阻抗。在一个优选的实施例中，电源输出近似84MHz的信号并且将第一电路21调谐到在该频率下谐振，尽管在其它情况下可替代地利用不同频率(例如27MHz，49MHz)的源，同时电路被适当地调谐。在一个优选的实施例中，匹配电感器24的电感可以是约600nH，天线23的电感约235nH并且电容器25的电容约15pF。然而，可使用其它数值集合用于部件以实现期望的调谐。
第一电源22优选地运行在接近接地电势并且在最优选的实施方案中，天线23的一端接地，例如通过物理附着至枪外壳。根据电路实施方式，第一电源输出的电压的幅度优选地在+/-15V到+/-3kV范围内。电源22驱动第一电路，使天线23谐振。
第二谐振电路26也包括电感器和电容器的布置，包括并联的第二天线27和电容器28。在电路26以上文所述的方式耦合到等离子室时，等离子室本身在电路中充当电容器并对电容有贡献。调谐电感的值和电容的值使得该电路在与第一电路相同的频率处谐振，从而使得这两个电路感应耦合。例如，为了在近似84MHz处谐振，第二电路26中的总电容可以近似72pF，并且次级电感可以近似50nH。替代地，电容可以是约144pF并且电感约25nH。在优选的实施例中，固定的电容28可以是约40pF而剩余的电容将由等离子腔连同任何寄生电容一起提供。在优选的实施例中，设置元件33(下面给出其示例性实施方式)，通过元件33可改变第二天线27的电感以调谐第二电路26的谐振频率。从而第一电路在第二天线27中感应出RF信号。第二电路在中空阴极4(通过线路(i))和隔膜8(通过线路(ii))之间施加感应的信号以在等离子室中生成等离子。
为了在第一电路和第二电路之间高效地输送功率，第二谐振电路26优选地具有至少500的品质因子(“Q因子”)，仍然是通过选择适当的电感值和电容值来确定的。优选地，Q因子足够高使得天线27中感应的RF信号的电压相对于第一RF电源22输出的电压提升。优选地从而在电容器28的两端生成高达3kV的高电压。
加速粒子以形成束是通过加速电路30实现的。这包括输出高的(通常是直流的)电压的第二电源31以在等离子室和加速电极10之间施加大电势。在此实施例中，向隔膜8施加大的负电势(例如-60kV)并且将加速电极接地。在其它情况下，可向邻近隔膜8设置的附加电极施加高电压(如下所述)。因此从等离子中引出电子并将电子朝向加速电极加速以形成高能束。
所示装置是二极管枪装置，仅利用两个电极(隔膜8和加速电极10)用于束加速。这是优选的，因为可实现完整性高的束。然而，如果期望额外控制束的形状，则可在加速管中邻近隔膜插入栅电极(未示出)。
两个谐振电路之间的耦合的感应本质将第一电路21和第一电源22与源31供应的高加速电压隔离。为了确保两个天线之间的电隔离，在优选的实施例中，两个天线都位于壳体15内，如上所述在使用中该壳体15要被排空。真空使天线23和天线27彼此绝缘。在替代的实施方案中，第一天线可位于壳体的外部。在其它的情况下，可利用绝缘材料(诸如油、环氧树脂、陶瓷或类似的)作为真空隔离的补充或替代方案。
以此方式通过经感应耦合提供RF生成信号，可将常规低电压RF发电机用作源22。类似地，可使用分立的、常规的高电压直流源31来提供形成束所需的高加速电压。这使得电源由两个常规、成品电源形成，并且此外由于仅需要一个高电压电源(源31)所以免除对多芯高电压缆线的需求。因此，可通过柔软缆线将电子枪连接到电源并保持高度可操纵。
通过以上面所述的方式使用RF来生成等离子，该电子枪与直流等离子和热离子源相比具有非常快的响应时间。可以通过例如调制RF电源来控制等离子，使响应时间为1微秒或更少。这带来了相应的短的束脉冲时间的可行性，而由于增加的束控制，这在许多实际应用中非常有益。还可使用这种快速脉冲来改变束的有效功率水平：例如，与同样能量水平的连续束(粒子加速)相比，以50％占空比脉冲的束将仅向工件赋予一半的功率(和热)。
还可以通过调制RF幅度来改变束参数，这将导致等离子中可提供的带电粒子的数量变化，且从而导致所引出的具有相似的短的响应时间的束的功率变化。这可用于例如使用电子束对工件进行成像：一般而言，可使用低功率束，通过在表面上光栅扫描该束、并以类似于低分辨率扫描电子显微镜的方式收集反向散射的电子来形成工件表面的图像。然而，不能使用适于例如焊接的高功率束来形成图像，这是因为光栅扫描会使工件熔化，并且此外高功率束导致低分辨率。使用在本文中公开的技术，通过调制RF幅度可在不同的功率水平之间快速改变束的功率。例如，可快速降低焊接束的功率，使得在恢复高的束功率以继续焊接之前，可按照上文所述的方式使得束扫描掠过工件表面以形成图像而不熔化工件。因此，该装置可用于例如电子束焊接期间的过程观察或焊缝跟踪。在一个实施例中，在用于焊接时束的功率水平可为约5kW，而用于成像时功率水平可减少到约150W。
如果需要，针对像这样的应用的束参数的控制可涉及脉冲调制(包括占空比的控制)和幅度调制。
还发现使用所述装置生成电子束所需要的RF功率非常低。通过对比，在根据图2的装置中，利用50W的RF电源在3kV下生成25mA的束。这比热离子发射器生成相当的电子束所需的阴极加热功率的10％还要少。类似地，由Rempe等人公开的此类等离子源通常需要约400W的电源功率。
RF电源22优选地被布置成由使用公知技术的控制器22a来调制。对RF作调制可被用来快速地改变供应给等离子室的且因此供应给等离子的RF源，从而使得可实现1微秒量级的短的束功率传递时间。通过经由电源31控制加速电压和/或如果磁体12采用电磁体的形式则调整由磁体12建立的磁约束场，可作为补充或作为替代地实现束的控制。在一个实施例中，加速电源31可以是脉冲电源。
优选地，等离子室的尺寸被选择为小于等离子中的离子的平均路径长度。这有助于确保等离子的寿命短，原因在于一旦停止了RF激发，剩余的离子将迅速碰撞室壁并失去它们的电荷。离子的平均路径长度取决于但不限于气体的种类和磁场强度。气体离子越大，它的质量就越大并且它的轨迹被磁场弯曲得就越少，导致了更长的平均路径长度。较弱的磁场也将具有相同的结果。对于约0.01T到0.1T的磁场B，其中使用的气体是氦，等离子室直径d至多5mm，优选地，已经发现2mm到3mm给出了良好的结果。在此实施例中该等离子室的高度h是约3mm。这种尺寸还可用于气体种类更重(例如氩)和/或磁场强度更弱的场合。较小等离子室可有益于较轻气体和/或较强磁场。
由于必须通过孔引出电子(或离子)，同时不希望等离子通过孔逸出到加速管内(因为这会导致等离子室和加速电极之间放电)，因此孔8a的尺寸也很重要。在优选的实施例中，孔8a具有1mm或更小的直径。隔膜8优选地是由铁磁材料(诸如铁或软钢)形成，以将加速管与在等离子室建立的磁场屏蔽开，否则该磁场可能会影响束的形状。
图3示出根据第三实施方案的带电粒子束装置的示意性截面图。
枪管1位于壳体15之内，在使用时壳体15被按照上述方式被泵16排空。该壳体接地，以提供下文详细描述的加速电极10。第一天线23附加地位于壳体内，并优选地由单匝金属形成。第二天线27优选地也由金属(例如铝或铜)形成，并且这里采用的形式是具有一个使圆圈中断的缺口(gap)的单匝导体，位于第一天线23附近。第一天线23位于第二天线27附近，使得这两者被布置成近似同心。
元件33连接到天线27的一端27b。在本实施例中，元件33包括安装在螺纹构件(或其它高度可调整的组件)29上的盘片，该螺纹构件允许调整该盘片和第二天线27之间的距离从而改变天线27的电感并有助于电路的调谐。
天线27的另一端27a(通过线路(i))连接到中空电极4(其例如可采用的形式是具有用于等离子气体G通过的通道的导电块)。
电容器28被放置为横跨天线27的两端。
最终，天线27的第一端27b连接到围绕并邻接隔膜8的成形电极32。结果是天线27和电容器28以与参照图2所述的相同的方式并联地连接到等离子室2的两端。
如图3中所示，通过针阀6将气体G馈送到中空电极4的顶部，中空电极4确定气体的路线至等离子室2，等离子室2被限定在绝缘块2a内。如上所述第一天线23在第二天线27中感应出RF信号，并且该信号被施加在中空阴极块4和隔膜8之间的等离子室2的两端，以生成等离子。
在电极32和由接地壳体15形成的加速电极10之间施加第二高电压电源31，以从等离子中引出电子并生成束B。按已知方式配置成形电极32以实现期望的束成形。
在一个实施例中，接近接地电势的84MHz RF电源被用作第一电源以驱动第一谐振电路和位于电子枪管内部的天线23。被调谐到相同的频率的第二天线27接收RF功率并在等离子室的两端生成高达3kV的RF电压以激发气体中的等离子。枪的外壳保持在通常小于5x10-4毫巴的压力下并且等离子室中的气体压力维持在约1毫巴。通过第二电源向加速电极施加高加速电压(例如+3kV)并实现25mA的电子束。
在替代的实施方案中，可通过感应技术生成RF等离子，在这种情况下第二谐振电路将包括围绕等离子室的线圈，代替到等离子室的直接连接。
上面所描述的这种等离子源适用于许多应用且尤其适用于材料处理，其中生成的带电粒子束被用于改动材料或工件。因此，在优选的实施方式中，该等离子源形成了材料处理工具的一部分，诸如电子束焊接设备或加层制造设备。带电粒子束可被用于焊接、固化、熔融、熔化、蒸发、切割或以其它方式处理工件或材料。应用的具体实施例包括加层制造中粉状材料的熔融、金属的提炼或精炼以及燃烧烟气的处理。

Claims (72)

1.一种用于生成带电粒子束的等离子源装置，所述装置包括：
等离子室，设有用于气体进入的入口和用于将带电粒子从所述等离子室引出的孔；
射频(RF)等离子生成单元，用于在所述等离子室内部生成等离子，所述射频等离子生成单元包括第一谐振电路和第二谐振电路，每个谐振电路被调谐成在基本相同的谐振频率下谐振，所述第一谐振电路包括第一天线和适于在大体所述第一谐振电路的谐振频率下驱动所述第一谐振电路的第一RF电源，所述第二谐振电路包括第二天线，由此在使用时由于谐振耦合所述第一谐振电路在所述第二天线中感应出RF信号，所述第二谐振电路被配置成向所述等离子室施加感应的RF信号以在所述等离子室内生成等离子；和
粒子加速单元，用于从所述等离子中引出带电粒子并使所述带电粒子加速以形成束，所述粒子加速单元包括被配置成在所述等离子室和加速电极之间施加电势的第二电源，所述等离子室和所述加速电极之间的区域构成加速管；
其中，所述第二电源适于输出相对于所述第一RF电源输出的电压高的电压。
2.根据权利要求1所述的等离子源装置，其中，至少所述等离子室、加速管和所述第二天线被布置在一个壳体内，所述装置还包括一个泵，用于排空所述壳体使得在使用中所述第二天线与所述第一天线基本电绝缘。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的等离子源装置，其中，至少所述等离子室、加速管、以及第一天线和第二天线被布置在一个壳体内，所述装置还包括一个泵，用于排空壳体使得在使用中所述第一天线与所述第二天线彼此基本电绝缘。
4.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述第一天线和所述第二天线之间设有电绝缘材料，优选地是陶瓷或者聚合物，以使得所述第一天线和所述第二天线彼此绝缘。
5.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述第一RF电源适于输出功率幅度至多300W的信号，优选地至多100W，更优选地至多50W。
6.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述第一谐振电路中的所述第一天线的一端处于接地电势。
7.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述第二电源适于输出直流信号，优选地该直流信号具有的电压幅度在10kV到200kV范围内，更优选地在25kV到175kV范围内，还优选地在60kV到150kV范围内。
8.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述第二电源是脉冲电源，优选地适于输出具有10微秒或更短持续时间的功率脉冲。
9.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述第二电源的电压是所述第一RF电源的电压的至少100倍，优选地至少1000倍。
10.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述第一谐振电路和第二谐振电路每个都包括串联或并联LC电路或RLC电路，所述第一天线形成了所述第一谐振电路的电感器，所述第二天线形成了所述第二谐振电路的电感器。
11.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述第二谐振电路包括直接耦合在所述第二天线两端的电容器。
12.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述第一天线和/或第二天线包括单匝。
13.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述第二谐振电路具有足够高的品质因子使得感应的RF信号的电压高于所述第一RF电源输出的电压。
14.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，感应的RF信号的电压的幅度在1kV到10kV之间，优选地在1kV到5kV之间。
15.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述第二谐振电路的品质因子是至少500，更优选地至少750。
16.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述第一谐振电路和所述第二谐振电路的电感和电容被选择为使得每个谐振电路的谐振频率在1MHz到160MHz范围内，优选地在27MHz到100MHz范围内，最优选地约84MHz。
17.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述第二谐振电路被配置成在所述等离子室两端在与所述室的内部接触的电极之间施加感应的RF信号，所述电极优选地由限定所述等离子室的壁的导电部分形成、被所述壁的绝缘部分隔开。
18.根据权利要求17所述的等离子源装置，其中，所述等离子室是由以下三个部分限定的：由绝缘材料形成的侧壁、由导电材料形成且在其中限定有所述用于气体进入的入口的上壁、以及由导电材料形成且在其中限定有所述用于引出带电粒子的孔的隔膜，所述第二谐振电路适于在所述上壁和所述隔膜之间施加感应的RF信号。
19.根据权利要求18所述的等离子源装置，其中，所述绝缘材料包括电介质，从而所述等离子室贡献于所述第二谐振电路的电容。
20.根据权利要求19所述的等离子源装置，其中，所述绝缘材料包括氮化硼或氧化铝陶瓷。
21.根据权利要求1到16任一项所述的等离子源装置，其中，所述第二谐振电路被配置成通过围绕所述等离子室布置的电感线圈向所述等离子室的两端施加感应的RF信号。
22.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述用于引出带电粒子的孔被限定在隔膜中，所述隔膜包括铁磁体材料，优选地是钢或软铁。
23.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述用于引出带电粒子的孔具有2mm或更小的直径，优选地在0.1mm和1mm之间，最优选地约0.5mm。
24.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述粒子加速单元适于在由导电材料形成的隔膜和所述加速电极之间施加加速电压，从而构成二极管加速器，在所述隔膜中限定了所述用于引出带电粒子的孔。
25.根据权利要求24所述的等离子源装置，还包括：一个栅电极，该栅电极位于所述加速管中在所述隔膜和所述加速电极之间；以及用于向所述栅电极施加栅极电压以调整粒子束的模块，从而构成三极管加速器。
26.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，从所述等离子引出的带电粒子是电子并且所述加速电极是阳极，优选地处于接地电势或接近接地电势。
27.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，还包括用于将等离子局限在所述等离子室内的磁捕获组件。
28.根据权利要求27所述的等离子源装置，其中，所述磁捕获组件包括围绕所述等离子室的径向周缘布置、被配置成在所述等离子室内产生轴向磁场的一个或多个永磁体或电磁体。
29.根据权利要求27或28所述的等离子源装置，其中，所述磁场具有约0.01到0.1特斯拉的磁场强度。
30.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述等离子室的直径是12mm或更小，优选地在1mm到5mm之间，更优选地在2mm到3mm之间。
31.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，组合选择气体类型、所述等离子室的尺寸以及在施加了磁场情况下的磁场强度，使得一旦停止了RF激发，则所述室内的等离子的寿命小于10微秒，优选小于1微秒。
32.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，其中，所述用于气体进入的入口包括用于控制气体进入到所述等离子室的阀，优选地是针阀。
33.根据前述权利要求任一项所述的等离子源装置，还包括用于调制由所述第一电源输出的RF信号的控制器。
34.根据权利要求33所述的等离子源装置，其中，所述控制器还适于将所述RF信号的幅度控制在第一幅度和第二幅度之间，在所述第一幅度下生成的束的功率适合材料处理，在所述第二幅度下生成的束的功率适合对工件进行成像，所述第一幅度大于所述第二幅度。
35.一种材料处理工具，包括根据前述权利要求任一项所述的等离子源。
36.根据权利要求35所述的材料处理工具，其中，所述工具是电子束焊接工具，所述带电粒子束适于焊接材料。
37.根据权利要求35所述的材料处理工具，其中，所述工具是加层制造工具，所述带电粒子束适于处理粉状材料，优选地适于熔融粉状材料。
38.根据权利要求35所述的材料处理工具，其中，所述工具是固化工具，所述带电粒子束适于固化工件。
39.根据权利要求35所述的材料处理工具，其中，所述工具是切割工具，所述带电粒子束适于切割材料。
40.根据权利要求35所述的材料处理工具，其中，所述工具是熔化或蒸发工具，所述带电粒子束适于熔化或蒸发材料。
41.根据权利要求35所述的材料处理工具，其中，所述工具是气体处理工具，所述带电粒子束适于处理气态物质，优选地，适于处理燃烧烟气。
42.根据权利要求35所述的材料处理工具，其中，所述工具是消毒工具，所述带电粒子束适于对固体或液体进行消毒。
43.根据权利要求35所述的材料处理工具，其中，所述工具是钻孔工具，所述带电粒子束适于对工件进行钻孔。
44.一种生成带电粒子束的方法，包括：
允许气体进入等离子室，所述等离子室具有用于气体进入的入口和用于从所述等离子室引出带电粒子的孔；
使用射频(RF)等离子生成单元在所述等离子室内部生成等离子，所述射频(RF)等离子生成单元包括第一谐振电路和第二谐振电路，每个谐振电路被调谐成在基本相同的谐振频率下谐振，所述第一谐振电路包括第一天线，所述第二谐振电路包括第二天线，通过使用第一RF电源以在大体所述第一谐振电路的谐振频率下驱动所述第一谐振电路，使得由于谐振耦合所述第一谐振电路在所述第二天线中感应出RF信号，所述第二谐振电路向所述等离子室施加感应的RF信号以在所述等离子室内生成等离子；和
通过使用第二电源在所述等离子室和加速电极之间施加电势，从所述等离子中引出带电粒子并使所述带电粒子加速以形成束，所述等离子室和所述加速电极之间的区域构成加速管；
其中，相对于所述第一RF电源输出的电压，所述第二电源输出的电压高。
45.根据权利要求44所述的方法，其中，至少所述等离子室、加速管和所述第二天线被布置在一个壳体内，所述方法还包括排空所述壳体使得所述第二天线与所述第一天线基本电绝缘。
46.根据权利要求44或45所述的方法，其中，至少所述等离子室、加速管、所述第一天线和所述第二天线被布置在一个壳体内，所述方法还包括排空所述壳体使得所述第二天线与所述第一天线基本彼此电绝缘。
47.根据权利要求44到46任一项所述的方法，其中，所述第一RF电源输出功率振幅至多300W的信号，优选地至多100W，更优选地至多50W。
48.根据权利要求44到47任一项所述的方法，其中，所述第一谐振电路中的所述第一天线的一端处于接地电势。
49.根据权利要求44到48任一项所述的方法，其中，所述第二电源输出直流信号，优选地该直流信号具有的电压幅度在10kV到200kV范围内，更优选地在25kV到175kV范围内，还优选地在60kV到150kV范围内。
50.根据权利要求44到49任一项所述的方法，其中，所述第二电源输出功率脉冲，优选地具有10微秒或更短的持续时间。
51.根据权利要求44到50任一项所述的方法，其中，所述第二电源的电压是所述第一RF电源的电压的至少100倍，优选地至少1000倍。
52.根据权利要求44到51任一项所述的方法，其中，所述第二谐振电路具有足够高的品质因子使得感应的RF信号的电压高于所述第一RF电源输出的电压。
53.根据权利要求44到52任一项所述的方法，其中，感应的RF信号的电压的幅度在1kV到10kV之间，优选地在1kV到5kV之间。
54.根据权利要求44到53任一项所述的方法，其中，所述第二谐振电路的品质因子是至少500，更优选地至少750。
55.根据权利要求44到54任一项所述的方法，其中，从所述等离子引出的所述带电粒子是电子并且所述加速电极是阳极，优选地处于接地电势或接近接地电势。
56.根据权利要求44到55任一项所述的方法，还包括使用磁捕获组件将所述等离子局限在所述等离子室内。
57.根据权利要求56任一项所述的方法，其中，所述磁捕获组件包括围绕所述等离子室的径向周缘布置、在所述等离子室内产生轴向磁场的一个或多个永磁体或电磁体。
58.根据权利要求56或57所述的方法，其中，所述磁场具有约0.01到0.1特斯拉的磁场强度。
59.根据权利要求44到58任一项所述的方法，其中，所述等离子室的直径是5mm或更小，优选地在1mm和5mm之间，更优选地在2mm和3mm之间。
60.根据权利要求44到59任一项所述的方法，其中，组合选择气体类型、所述等离子室的尺寸以及在施加了磁场情况下的磁场强度，使得一旦停止了RF激发，则所述室内的等离子的寿命小于10微秒，优选小于1微秒。
61.根据权利要求44到60任一项所述的方法，还包括调制所述第一电源输出的RF信号以控制所述等离子的生成。
62.根据权利要求61所述的方法，其中，将所述RF信号的振幅调制成第一幅度和第二幅度之间，在所述第一幅度下生成的束的功率适合材料处理，在所述第二幅度下生成的束的功率适合对工件进行成像，所述第一幅度大于所述第二幅度。
63.一种使用根据权利要求44到62任一项所述的方法生成的带电粒子束改动工件的方法。
64.根据权利要求63所述的方法，其中，所述带电粒子束用于焊接工件。
65.根据权利要求63所述的方法，其中，所述带电粒子束用于熔融工件，其中所述工件包括粉状材料。
66.根据权利要求63所述的方法，其中，所述带电粒子束用于使工件固化。
67.根据权利要求63所述的方法，其中，所述带电粒子束用于切割工件。
68.根据权利要求63所述的方法，其中，所述带电粒子束用于熔化和/或蒸发工件。
69.根据权利要求63所述的方法，其中，所述带电粒子束用于处理气态工件，优选地，用于处理燃烧烟气。
70.根据权利要求63所述的方法，其中，所述带电粒子束用于消毒固体或液体。
71.根据权利要求63所述的方法，其中，所述带电粒子束用于对工件进行钻孔。
72.一种在使用根据权利要求44到62任一项所述的方法生成的带电粒子束来改动工件的过程期间对所述工件进行成像的方法，包括，以任意顺序：
使用所述带电粒子束来改动工件；以及
使用所述带电粒子束来对工件进行成像，
其中，在这两步骤之间，RF信号的幅度被从第一幅度调制到第二幅度或者从所述第二幅度调制到所述第一幅度，在所述第一幅度下生成的束功率适于改动工件，在所述第二幅度下生成的束功率适于对工件进行成像，所述第一幅度大于所述第二幅度。
CN201380042202.6A 2012-06-14 2013-05-20 用于生成带电粒子束的等离子源装置和方法 Active CN104520961B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GBGB1210607.6A GB201210607D0 (en) 2012-06-14 2012-06-14 Plasma source apparatus and method for generating charged particle beams
GB1210607.6 2012-06-14
PCT/GB2013/051296 WO2013186523A1 (en) 2012-06-14 2013-05-20 Plasma source apparatus and methods for generating charged particle beams

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104520961A true CN104520961A (zh) 2015-04-15
CN104520961B CN104520961B (zh) 2016-12-07

Family

ID=46640953

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201380042202.6A Active CN104520961B (zh) 2012-06-14 2013-05-20 用于生成带电粒子束的等离子源装置和方法

Country Status (13)

Country Link
US (1) US9076626B2 (zh)
EP (1) EP2862196B1 (zh)
JP (1) JP6198211B2 (zh)
KR (1) KR102066312B1 (zh)
CN (1) CN104520961B (zh)
BR (1) BR112014030896A2 (zh)
CA (1) CA2876552C (zh)
GB (1) GB201210607D0 (zh)
RU (1) RU2621323C2 (zh)
TW (1) TWI584331B (zh)
UA (1) UA112701C2 (zh)
WO (1) WO2013186523A1 (zh)
ZA (1) ZA201409108B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106887374A (zh) * 2017-01-05 2017-06-23 信利（惠州）智能显示有限公司 一种离子注入设备
CN107195519A (zh) * 2017-07-07 2017-09-22 桂林电子科技大学 一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口
CN107438328A (zh) * 2016-06-01 2017-12-05 维易科仪器有限公司 离子源以及用于在大处理区域上产生具有可控离子电流密度分布的离子束的方法
CN107848206A (zh) * 2015-06-19 2018-03-27 应用材料公司 利用激光和气流的增材制造中的表面处理
CN111328425A (zh) * 2017-11-10 2020-06-23 Asml荷兰有限公司 电子束检查工具和用于定位载物台的方法
CN112133165A (zh) * 2020-10-15 2020-12-25 大连理工大学 一种直线等离子体实验装置

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103920237B (zh) * 2014-04-29 2016-11-16 方墨希 一种修复dna氧化损害的装置
HUE058246T2 (hu) 2014-12-09 2022-07-28 Frewitt Fabrique De Machines S A Vákuum õrlõrendszer és eljárás
US9595424B2 (en) * 2015-03-02 2017-03-14 Lam Research Corporation Impedance matching circuit for operation with a kilohertz RF generator and a megahertz RF generator to control plasma processes
WO2016139022A1 (en) * 2015-03-03 2016-09-09 Asml Netherlands B.V. Radiation sensor apparatus
TWI670749B (zh) * 2015-03-13 2019-09-01 美商應用材料股份有限公司 耦接至工藝腔室的電漿源
KR101641135B1 (ko) 2015-04-21 2016-07-29 한국원자력연구원 집속용 솔레노이드, 차폐체, 및 가속관이 일체형으로 정렬된 입자 가속 장치
US9761414B2 (en) * 2015-10-08 2017-09-12 Lam Research Corporation Uniformity control circuit for use within an impedance matching circuit
KR101756171B1 (ko) * 2015-12-15 2017-07-12 (주)새론테크놀로지 주사 전자 현미경
CN106231772B (zh) * 2016-08-19 2020-07-17 西安电子科技大学 基于调制射频的动态等离子体产生装置
US11266344B2 (en) 2016-09-21 2022-03-08 Samsung Electronics Co., Ltd. Method for measuring skin condition and electronic device therefor
US10349510B2 (en) 2017-07-28 2019-07-09 United Technologies Corporation Method for additively manufacturing components
NL2022156B1 (en) * 2018-12-10 2020-07-02 Asml Netherlands Bv Plasma source control circuit
KR102192187B1 (ko) * 2019-03-11 2020-12-16 서울대학교산학협력단 이온 소스
US10861666B1 (en) * 2020-01-30 2020-12-08 ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft für Halbletterprüftechnik mbH Method of operating a charged particle gun, charged particle gun, and charged particle beam device
GB2606039B (en) 2021-08-18 2023-05-31 Twi Ltd Electron beam welding method and apparatus

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030234369A1 (en) * 2000-01-03 2003-12-25 Yuri Glukhoy Electron-cyclotron resonance type ion beam source for ion implanter
US20040036032A1 (en) * 2001-08-31 2004-02-26 Ka-Ngo Leung Focused electron and ion beam systems
US20080067430A1 (en) * 2006-06-28 2008-03-20 Noah Hershkowitz Non-ambipolar radio-frequency plasma electron source and systems and methods for generating electron beams
CN101681781A (zh) * 2007-02-26 2010-03-24 威科仪器有限公司 离子源以及操作离子源电磁体的方法
US20110080093A1 (en) * 2009-10-06 2011-04-07 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Apparatus and Method for Regulating the Output of a Plasma Electron Beam Source

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10134996A (ja) * 1996-10-31 1998-05-22 Nec Corp プラズマ処理装置
JP4067640B2 (ja) * 1998-04-28 2008-03-26 株式会社ルネサステクノロジ 荷電粒子源および荷電粒子ビーム装置並びに不良解析方法および半導体デバイスの製造方法
US6291938B1 (en) * 1999-12-31 2001-09-18 Litmas, Inc. Methods and apparatus for igniting and sustaining inductively coupled plasma
JP4874488B2 (ja) * 2000-02-24 2012-02-15 シー シー アール ゲゼルシャフト ミト ベシュンクテル ハフツング 高周波整合ネットワーク
US7084832B2 (en) * 2001-10-09 2006-08-01 Plasma Control Systems, Llc Plasma production device and method and RF driver circuit with adjustable duty cycle
US7132996B2 (en) * 2001-10-09 2006-11-07 Plasma Control Systems Llc Plasma production device and method and RF driver circuit
RU2215383C1 (ru) * 2002-02-08 2003-10-27 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Плазменный электронный источник
US7748344B2 (en) * 2003-11-06 2010-07-06 Axcelis Technologies, Inc. Segmented resonant antenna for radio frequency inductively coupled plasmas
US9123512B2 (en) * 2005-03-07 2015-09-01 The Regents Of The Unviersity Of California RF current drive for plasma electric generation system
US20090104761A1 (en) * 2007-10-19 2009-04-23 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Plasma Doping System With Charge Control
JP5947292B2 (ja) * 2010-06-04 2016-07-06 アクセス ビジネス グループ インターナショナル リミテッド ライアビリティ カンパニー 誘導結合誘電体バリア放電ランプ

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030234369A1 (en) * 2000-01-03 2003-12-25 Yuri Glukhoy Electron-cyclotron resonance type ion beam source for ion implanter
US20040036032A1 (en) * 2001-08-31 2004-02-26 Ka-Ngo Leung Focused electron and ion beam systems
US20080067430A1 (en) * 2006-06-28 2008-03-20 Noah Hershkowitz Non-ambipolar radio-frequency plasma electron source and systems and methods for generating electron beams
CN101681781A (zh) * 2007-02-26 2010-03-24 威科仪器有限公司 离子源以及操作离子源电磁体的方法
US20110080093A1 (en) * 2009-10-06 2011-04-07 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Apparatus and Method for Regulating the Output of a Plasma Electron Beam Source

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107848206A (zh) * 2015-06-19 2018-03-27 应用材料公司 利用激光和气流的增材制造中的表面处理
CN107438328A (zh) * 2016-06-01 2017-12-05 维易科仪器有限公司 离子源以及用于在大处理区域上产生具有可控离子电流密度分布的离子束的方法
CN106887374A (zh) * 2017-01-05 2017-06-23 信利（惠州）智能显示有限公司 一种离子注入设备
CN106887374B (zh) * 2017-01-05 2018-08-17 信利（惠州）智能显示有限公司 一种离子注入设备
CN107195519A (zh) * 2017-07-07 2017-09-22 桂林电子科技大学 一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口
CN107195519B (zh) * 2017-07-07 2023-07-11 桂林电子科技大学 一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口
CN111328425A (zh) * 2017-11-10 2020-06-23 Asml荷兰有限公司 电子束检查工具和用于定位载物台的方法
CN112133165A (zh) * 2020-10-15 2020-12-25 大连理工大学 一种直线等离子体实验装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR102066312B1 (ko) 2020-01-14
TW201403648A (zh) 2014-01-16
KR20150021573A (ko) 2015-03-02
US20150144808A1 (en) 2015-05-28
TWI584331B (zh) 2017-05-21
JP2015523688A (ja) 2015-08-13
UA112701C2 (uk) 2016-10-10
RU2014152355A (ru) 2016-08-10
ZA201409108B (en) 2017-06-28
GB201210607D0 (en) 2012-08-01
US9076626B2 (en) 2015-07-07
EP2862196A1 (en) 2015-04-22
RU2621323C2 (ru) 2017-06-02
BR112014030896A2 (pt) 2017-06-27
WO2013186523A1 (en) 2013-12-19
JP6198211B2 (ja) 2017-09-20
CA2876552A1 (en) 2013-12-19
EP2862196B1 (en) 2016-08-10
CA2876552C (en) 2021-05-25
CN104520961B (zh) 2016-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104520961A (zh) 用于生成带电粒子束的等离子源装置和方法
US7298091B2 (en) Matching network for RF plasma source
US7176469B2 (en) Negative ion source with external RF antenna
JP5852769B2 (ja) 誘導結合プラズマ・イオン源用のプラズマ点火装置
US9655223B2 (en) RF system, magnetic filter, and high voltage isolation for an inductively coupled plasma ion source
AU2014232725A1 (en) Compact high-voltage plasma source for neutron generation
US3238414A (en) High output duoplasmatron-type ion source
EP0639939B1 (en) Fast atom beam source
CA2343562A1 (en) Plasma source
JP3070097B2 (ja) 荷電粒子発生器
JPH07161323A (ja) イオン源
US2946919A (en) Ion sources using a high-frequency field
EP3590126B1 (en) Ion source device
US4912738A (en) Magnetically energized pulser
US3296442A (en) Short duration neutron pulse generating system
CN109411319A (zh) 一种新型等离子体阴极电子束源及3d打印机
JP7476090B2 (ja) イオン源およびイオンビーム装置
KR101977702B1 (ko) 이온 소스 헤드 및 이를 포함하는 이온 주입 장치
CN116417317A (zh) 一种提高离子注入系统中射频加速桶加速效率的结构
RU2084986C1 (ru) Пучково-плазменный свч-прибор
CN111615251A (zh) 一种可重频的真空电弧等离子体电子束发生装置及方法
Loisch et al. The spherical theta pinch and its applications
Eylon et al. Time dependent beam focusing at the DARHT-II injector diode
JP2018120774A (ja) 静電加速器
JPH0757891A (ja) イオン源

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant