JP2009167483A - Metal surface modification method with the use of plasma electron gun and apparatus therefor - Google Patents

Metal surface modification method with the use of plasma electron gun and apparatus therefor Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for irradiating a metal surface with an electron beam pulse, which inhibits a crater from being formed, because it has been difficult to prevent the formation of the crater that appears on a modified surface due to deep part penetrating properties and an electron range of the electron beam pulse, though an electron beam irradiation equipment using a plasma electron gun provides an excellent effect of surface modification because of simultaneously irradiating a relatively large area with a single pulse, and is used in a post-process of a grinding step or an electric discharge machining step. <P>SOLUTION: This irradiation method irradiates the metal surface with the plasma electron gun having an energy waveform controlled to such a step form that a leading portion of the electron beam pulse has a high accelerating voltage in a short period of time, and the following portion of the electron beam pulse which continuously follows the leading portion has a low accelerating voltage in a long period of time. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は電子ビームパルスを用いる金属の表面処理の分野であり、表面の清浄化、平滑化、鏡面化、アモルファス化などの表面改質技術の分野に属し、詳しくはプラズマ電子銃による電子ビームパルスの波形を改良して良質な改質面を得るための方法と装置に関するものである。 The present invention is in the field of metal surface treatment using electron beam pulses, and belongs to the field of surface modification techniques such as surface cleaning, smoothing, mirroring, and amorphization, and more specifically, electron beam pulses by a plasma electron gun. It is related with the method and apparatus for improving the waveform of this and obtaining a quality improvement surface.

従来電子ビームの技術は溶接・描画・微細加工に多用され、PVD(物理的な気相蒸着法)において、ターゲット金属物質の蒸発手段として用いられる例を除いては、直接的な表面改質に利用されることがなかった。近年になってプラズマ電子銃が開発されて低圧電離気体プラズマを通過する電子ビームパルスにより表面改質が行なわれるようになった。 Conventionally, the electron beam technology is widely used for welding, drawing, and microfabrication. In PVD (Physical Vapor Deposition), except for the example used as a means for evaporating the target metal material, it can be used for direct surface modification. It was never used. In recent years, plasma electron guns have been developed, and surface modification has been carried out by electron beam pulses passing through a low piezoelectric gas separation plasma.

図4は従来公知のプラズマ電子銃をもちいた表面改質装置の概略説明図である。 FIG. 4 is a schematic explanatory diagram of a surface modification apparatus using a conventionally known plasma electron gun.

図4において、低圧の電離気体、たとえばArを充填したハウジング4の内部に、数cmの放射面積を持つカソード1と被照射体3が対向して置かれ、両者対向軸の空間に前記Arガスをプラズマ化するためにグロー放電を起こさせる環状の電極2が同軸に浮設されている。ハウジング4の外側にソレノイド5が前記軸に平行な磁力線を作るべく設けられている。ハウジング内の気圧調整とAr濃度の調整のため、排気ポンプ9、分子ポンプ10、Arボンベ8、電離真空計7、および切り替え弁9a、9b、9c、調節弁8aが図示のように接続される。全体のシステムはコントローラ20により統括制御される。 In FIG. 4, a cathode 1 having a radiation area of several cm 2 and an irradiated body 3 are placed facing each other in a housing 4 filled with a low-pressure ionized gas, for example, Ar, and the Ar is placed in a space between the opposing axes. An annular electrode 2 that causes glow discharge to float into gas is formed coaxially. A solenoid 5 is provided on the outside of the housing 4 so as to create a magnetic field line parallel to the axis. The exhaust pump 9, the molecular pump 10, the Ar cylinder 8, the ionization vacuum gauge 7, the switching valves 9a, 9b, 9c, and the control valve 8a are connected as shown in the figure for adjusting the atmospheric pressure and the Ar concentration in the housing. . The entire system is centrally controlled by the controller 20.

気体状態を0.1Pa以下の指定状態に保った後、ソレノイド5を電源15により励磁して前記磁力線を作り、次いでパルス電源12により環状電極2に高圧パルスを印加してグロー放電を起こさせ前記対向空間をプラズマ化する。さらに次いで電子ビームパルス発射電源11を起動してカソード1と被照射体3の間に数10kVの加速電圧パルスを印加すると電子ビームパルスが発射される。全体システムのシーケンスを進行させるためにソレノイド電流センサ5b、プラズマ電流センサ2b、カソード電流センサ1bが図示のように設けられ、夫々の信号5c、2c、1cをコントローラ20に送信する。 After the gas state is maintained at a specified state of 0.1 Pa or less, the solenoid 5 is excited by a power source 15 to create the magnetic lines of force, and then a high voltage pulse is applied to the annular electrode 2 by the pulse power source 12 to cause glow discharge. The opposing space is turned into plasma. Next, when the electron beam pulse emission power source 11 is activated and an acceleration voltage pulse of several tens of kV is applied between the cathode 1 and the irradiated object 3, an electron beam pulse is emitted. A solenoid current sensor 5b, a plasma current sensor 2b, and a cathode current sensor 1b are provided as shown in the figure to advance the sequence of the entire system, and transmit respective signals 5c, 2c, and 1c to the controller 20.

プラズマ電子銃を用いた電子ビーム照射装置は比較的に大きな面積(約30cm)をシングルパルスで同時に照射するから優れた改質結果が得られ、研削、放電加工の後工程に利用されている。 Since an electron beam irradiation apparatus using a plasma electron gun irradiates a relatively large area (about 30 cm 2 ) simultaneously with a single pulse, an excellent modification result can be obtained, and it is used in subsequent processes of grinding and electric discharge machining. .

プラズマ電子銃を用いた電子ビーム照射装置に用いられる電子ビームは、 LEHCEB(Low Energy High Current Electron Beams)と略称されてこの技術の性格を端的に示している。この略称は従来一般的な真空中における収斂された電子ビームとのみ比較するものであり、他の方法、たとえば放電加工法と比べれば必ずしも低エネルギ・高電流ではない。電子ビームの金属表面に対する作用は量子的であり単なる熱作用でないことから現象は他と独立した考察を必要とする。 Electron beam used in an electronic beam irradiation apparatus using a plasma electron gun indicates the character of this technique plainly is abbreviated as LEHCEB (L ow E nergy H igh C urrent E lectron B eams). This abbreviation is to be compared only with a conventionally converged electron beam in a vacuum, and is not necessarily low energy and high current as compared with other methods such as electric discharge machining. Since the action of the electron beam on the metal surface is quantum and not just a thermal action, the phenomenon needs to be considered independently of the others.

このLEHCEBを簡単に説明すると、カソード面とターゲット面を対向させた電子銃の内部に、Arのような低圧電離気体を充填しておき、別の手段によりグロー放電を起こしてプラズマ化させる。また更に別の手段により前記対向面と垂直方向の磁力線束を生じさせる。このときカソード(陰極)とターゲット(陽極)の間に数10kVの直流高電圧パルス(パルス巾数μs)を印加すると、カソードからターゲットに向けて略カソード面と同じ断面積の束状の電子ビームパルスがターゲットに向けて発射される。この束状電子ビームパルスの面積当りエネルギは10J/cm前後に達する。 The LEHCEB will be briefly described. An electron gun having a cathode surface and a target surface facing each other is filled with a low piezoelectric separation gas such as Ar, and glow discharge is caused by another means to generate plasma. Further, magnetic flux of magnetic force perpendicular to the facing surface is generated by another means. At this time, when a DC high voltage pulse of several tens kV (pulse width of several μs) is applied between the cathode (cathode) and the target (anode), a bundle of electron beams having substantially the same cross-sectional area as the cathode surface from the cathode to the target. A pulse is fired at the target. The energy per area of the bundled electron beam pulse reaches about 10 J / cm 2 .

前記電子ビームパルス束の発生機構は、Arプラズマとカソードの境界面に於ける電気二重層の高電位勾配で、急加速されたイオンがカソードから電子を叩き出し、Arプラズマ内で電子雪崩を起こしながらターゲットに射突するものである。このとき両極間の空間電位はカソード前面での陰極降下が主であり、プラズマ空間および陽極での降下は少ない。したがってカソードとターゲットの中間で電子ビームパルス束の面積当りエネルギ(J/cm)を測定すると殆ど変化がない。 The generation mechanism of the electron beam pulse bundle is a high potential gradient of the electric double layer at the interface between the Ar plasma and the cathode, and suddenly accelerated ions knock out electrons from the cathode, causing an avalanche in the Ar plasma. While hitting the target. At this time, the space potential between the two electrodes is mainly the cathode drop at the front surface of the cathode, and the drop at the plasma space and the anode is small. Therefore, when the energy per area (J / cm 2 ) of the electron beam pulse bundle is measured between the cathode and the target, there is almost no change.

ターゲットの表面は電子ビームパルスの照射を受けて溶解・気化して表面酸化物を除去清浄し、凹凸を溶解平滑化し、また表層をアモルファス(非晶質)化するなどの改質作用を行なう。 The surface of the target is irradiated and irradiated with an electron beam pulse, and is dissolved and vaporized to remove and clean the surface oxides, melt and smooth the unevenness, and make the surface layer amorphous (amorphous).

前段の電子ビームパルスによる表面改質のメカニズムについて考察してみる。一例としてプラズマ電子銃で2μFのコンデンサを30kVに充電して、カソードからターゲットに電子ビームパルスを照射した場合には、放電エネルギは900Jである。実験によると直径6cm(面積28cm)の円板をカソ−ドとするとき電子ビームの有効直径は約6センチになり、断面内の各点のエネルギ密度を測定して平均すると、約10J/cm程度であり、有効直径の外側には金属改質能力がない。有効な断面積は28cmであるから電子ビームパルスの総エネルギは280Jであり、900Jの放電エネルギのうち約30%に当たる280Jが、電子ビームのエネルギとなり、残余は発射の際の陰極損失になったことになる。有効であったエネルギを電子ボルトの単位で表現すると、
1J=6.241×1018eV であるから前記測定された電子ビームのエネルギ密度(約10 J/cm)を電子ボルトの単位で表すと、
10 J/cm=6.241×1019eV/cm−−−−−−−−(数1)
となる。
Consider the mechanism of surface modification by the electron beam pulse in the previous stage. As an example, when a 2 μF capacitor is charged to 30 kV with a plasma electron gun and the target is irradiated with an electron beam pulse, the discharge energy is 900 J. According to the experiment, when a 6 cm diameter (area 28 cm 2 ) disk is used as the cathode, the effective diameter of the electron beam is about 6 centimeters. When the energy density at each point in the cross section is measured and averaged, it is about 10 J / It is about cm 2 and there is no metal modification ability outside the effective diameter. Since the effective cross-sectional area is 28 cm 2 , the total energy of the electron beam pulse is 280 J, and 280 J corresponding to about 30% of the discharge energy of 900 J becomes the energy of the electron beam, and the remainder becomes the cathode loss at the time of launch. That's right. Expressing the energy that was effective in units of electron volts,
Since 1J = 6.241 × 10 18 eV, the energy density (about 10 J / cm 2 ) of the measured electron beam is expressed in units of electron volts.
10 J / cm 2 = 6.241 × 10 19 eV / cm 2 -------- (Equation 1)
It becomes.

電子ビームが改質される金属表面に照射されると、露出した部分は溶解・気化して改質作用が施されるが、表面原子格子の網目に貫入する電子は深部でエネルギ交換をおこなって熱となり、深部の金属を溶解・気化噴出させ表面に墳口(crater)を生成する。   When the electron beam is irradiated to the metal surface to be modified, the exposed part is dissolved and vaporized to be modified, but the electrons penetrating the surface atomic lattice network exchange energy in the deep part. It becomes heat and melts and vaporizes deep metal, creating a crater on the surface.

金属の格子間隔を10−8cm程度とすると、電子の径(10−13cm)よりもはるかに大きいからエネルギを失うことなく貫入する。前段で計算した (数1)により、貫入した電子ビームのエネルギを計算すると、数〜数百keVと推定され、このエネルギが数μmの深部で、周囲を溶解・気化噴出して噴口を作る。数〜数百keVといえば熱量としては小さな値であるが、格子間隙の深部に貫入する電子ビームは、局部を気化噴出させて表面に噴口をつくる。この現象は電子ビームパルスの特異性であって、後段に述べる電子飛程(electron penetration range depth)で、さらに補足するが他の加工法たとえば放電加工やレーザー加工によるcrater現象とは異なるメカニズムである。 If the metal lattice spacing is about 10 −8 cm, it is much larger than the electron diameter (10 −13 cm), so that it penetrates without losing energy. When the energy of the penetrating electron beam is calculated according to (Equation 1) calculated in the previous stage, it is estimated to be several to several hundred keV, and this energy is melted and vaporized and ejected around a depth of several μm to form a nozzle. An amount of heat of several to several hundred keV is a small value, but the electron beam penetrating into the deep part of the lattice gap vaporizes and ejects the local part to form a nozzle hole on the surface. This phenomenon is the peculiarity of the electron beam pulse, which is further explained by the electron penetration range depth described later, but it is a mechanism different from the crater phenomenon by other machining methods such as electric discharge machining and laser machining. .

前記電子ビーム照射装置による表面改質面は、平滑化、鏡面化、アモルファス化されて効果が認められるが、欠点として顕微鏡または肉眼で視認される墳口(crater)は、大きいものは数10μmの直径と数μmの深さになる。噴口が生成される場所は特定されないが、材料が生産される際に施された圧延処理の残留応力線に沿って整列することは殆ど例外がなく、その成因が格子欠陥に起因することを強く示唆している。このような電子ビームの深部貫入性は、鋼鉄材の表面焼入れなどを目的とする場合には利点となるが、平滑表面や鏡面を求める場合には欠点となっている。 The surface modified surface by the electron beam irradiation apparatus is smoothed, mirrored, and amorphized, and the effect is recognized. However, as a defect, a large crater visually recognized with a microscope or the naked eye is several tens of μm. The diameter and depth of several μm. The location where the nozzle hole is generated is not specified, but there is almost no exception to aligning along the residual stress line of the rolling process performed when the material is produced, and the origin is strongly attributed to lattice defects. Suggests. Such deep penetration of an electron beam is advantageous when the purpose is to quench the surface of a steel material, but is a disadvantage when a smooth surface or mirror surface is required.

従来公知の絞られた電子ビーム加工では深部貫入性により電子飛程(electron penetration range depth)まで電子が侵入し、金属を溶解し気化噴出して墳口(crater)を生成する。電子ビーム加工の微細限度を電子飛程以下には出来ないことはよく知られているが、本発明の電子ビームパルスによる改質面に出現する墳口の成因もこの電子飛程により無理なく説明ができる。 In conventionally known narrowed electron beam processing, electrons penetrate to the electron penetration range depth due to deep penetration, and melt and vaporize the metal to generate a crater. It is well known that the fine limit of electron beam processing cannot be made below the electron range, but the origin of the throat that appears on the modified surface by the electron beam pulse of the present invention is also explained easily by this electron range. Can do.

電子飛程(R)については、加速電圧(V)、密度(ρ)について
R=2.2×10−12/ρ(cm)−−−−−−−−(数2)
とされており、たとえば5keVのエネルギが格子間隙に貫入するとき、鋼では約7μmの深さまでいわゆる原子の温度を上昇させる。
Regarding the electron range (R), the acceleration voltage (V) and the density (ρ) are R = 2.2 × 10 −12 V 2 / ρ (cm) −−−−−−−−− (Equation 2)
For example, when 5 keV energy penetrates into the lattice gap, the so-called atomic temperature is raised to a depth of about 7 μm in steel.

プラズマ電子銃を用いた電子ビーム照射装置による金属表面の改質加工のプロセスは、数回〜数10回の電子ビームパルスの照射によって目的を達成することが通常である。このプロセス(照射回数)の経過で表面は清浄化、平滑化、過焦化の過程を経る。 The process of modifying a metal surface by an electron beam irradiation apparatus using a plasma electron gun usually achieves its purpose by irradiating several to several tens of electron beam pulses. In the course of this process (number of irradiations), the surface undergoes processes of cleaning, smoothing, and focusing.

[清浄過程]
試料の表面は酸化膜に覆われ、凹凸の谷底には異物が沈んでいる。超音波洗浄などの方法ではでは除去し得ない異物、研削、バフ、ラッピングの砥粒などが剥落する過程である。最初の1〜2回の照射でこれらは除去される。この過程で表面は清浄化され活性化する。表面粗さを測定すると面粗さは逆に大きくなる。
[Cleaning process]
The surface of the sample is covered with an oxide film, and foreign matter is sinking in the valleys of the irregularities. This is a process in which foreign matter, grinding, buffing, lapping abrasive grains, etc. that cannot be removed by a method such as ultrasonic cleaning are removed. These are removed by the first 1-2 exposures. In this process, the surface is cleaned and activated. When the surface roughness is measured, the surface roughness increases conversely.

[平滑過程]
面荒さの凹凸の頂上部が融けて平滑化が進行する。平滑とは微視的な範囲であって大きな凹凸を均しくすることではない。元の大きな凹凸は残したまま鏡面化、アモルファス化が進行する。この過程で噴口(crater)が視認されるようになる。照射を繰り返す毎に小さな噴口(crater)は消えるものもあり、成長するものもある。この過程で得られた表面の性質は光沢を持ち耐錆力が強い。
[Smooth process]
Smoothing progresses by melting the top of the uneven surface roughness. Smoothness is a microscopic range and does not mean that large unevenness is made uniform. Mirroring and amorphization proceed while leaving the original large irregularities. During this process, the crater becomes visible. Some craters disappear and others grow with each irradiation. The surface properties obtained in this process are glossy and strong in rust resistance.

[過焦過程]
かなり深く改質され表面の原形を失い、また金属結晶は粗大化して強度を失い、そのままでは部品として使えなくなってしまう。
[Focusing process]
It is modified so deeply that it loses its original shape on the surface, and the metal crystal becomes coarse and loses its strength.

特許第3202244号公報Japanese Patent No. 3202244 特開2003−111778号公報JP 2003-111778 A 特開2004−1086号公報JP 2004-1086 A 特開2007−5011号公報JP 2007-5011 A

電子ビーム照射装置は、Arのような不活性の電離気体を容器内でプラズマ化し、カソードからターゲットに向けて電子ビームパルスを発射するものである。このためにはプラズマ状態、容器内の磁力線、カソードに印加する高電圧パルスがそれぞれ適正な条件が満たしていなければならない。もし、各条件のうちの一つでも適正でなければ、電子ビームパルスは発射されず単なる気中放電に終わる。特に直流高電圧パルスが印加される前に、カソード前面とプラズマの境界に電位傾度の充分に大きい二重層が作られていることが、電子ビームパルス発生を確実にする条件である。 The electron beam irradiation apparatus converts an inert ionized gas such as Ar into plasma in a container and emits an electron beam pulse from a cathode toward a target. For this purpose, the plasma conditions, the lines of magnetic force in the container, and the high voltage pulse applied to the cathode must satisfy appropriate conditions. If any one of the conditions is not appropriate, the electron beam pulse is not fired and ends up in a simple air discharge. In particular, the condition for ensuring the generation of the electron beam pulse is that a double layer having a sufficiently high potential gradient is formed at the boundary between the cathode front surface and the plasma before the DC high voltage pulse is applied.

電子ビームパルスの発射までに前段のような制約があるため、波形、エネルギについて自由な選択を求めることは困難である。例えばパルス幅だけをとっても、高電圧直流回路中の複数の素子を可変にする回路では、切り替えスイッチ素子の選択やコストに制限を受ける。またパルスエネルギの大きさについては、カソードに印加するパルス電圧の下限に制約があるから、自由度が少ないという事情がある。そのため従来の表面改質装置では電子ビームパルスが発射できることが最優先条件となり、パルス波形、パルスエネルギを考慮する余裕がなかった。 Since there are restrictions as in the previous stage before the emission of the electron beam pulse, it is difficult to obtain a free choice of waveform and energy. For example, even in the case where only the pulse width is taken, in the circuit in which a plurality of elements in the high voltage DC circuit are made variable, the selection and cost of the changeover switch element are limited. Further, regarding the magnitude of the pulse energy, there is a circumstance that the degree of freedom is small because there is a restriction on the lower limit of the pulse voltage applied to the cathode. Therefore, in the conventional surface modification apparatus, the highest priority is to be able to emit an electron beam pulse, and there is no room for considering the pulse waveform and pulse energy.

先の段落番号〔0012〕−〔0017〕の部分で述べた墳口についての対策は、被照射体金属の特性に応じて前記電子ビームパルスの性格を選ばなければならないことを示唆している。その性格とは、パルスエネルギ、パルス時間幅、パルス波形などである。しかもその性格は電子ビームパルスの発生を可能とする範囲内であることが必要である。 The measures for the mouth opening described in the previous paragraphs [0012]-[0017] suggest that the nature of the electron beam pulse must be selected according to the characteristics of the irradiated metal. The characteristics include pulse energy, pulse time width, pulse waveform, and the like. In addition, the character must be within a range that allows generation of an electron beam pulse.

本発明は前記墳口の発生の原因が、電子ビームの深部貫入性により電子飛程(electron penetration range depth)まで電子が侵入し金属を溶解し気化噴出して墳口(crater)を生成することから、電子ビームパルスの波形を現象に則して変更することを提案するが、当然のこととして電子ビームが確実に発射できる条件をも併せて考慮した。 In the present invention, the cause of the occurrence of the above-mentioned phlegm is that the electron penetrates to the electron penetration range depth due to the deep penetration of the electron beam, dissolves the metal, and vaporizes and generates the crater. Therefore, it is proposed to change the waveform of the electron beam pulse according to the phenomenon, but of course, the conditions under which the electron beam can be reliably emitted are also considered.

本発明の請求項1では、電子銃の軸心に沿ってカソード面とターゲット照射面を対向させ、前記両面に囲まれる空間の低圧電離気体をプラズマ化する手段と、前記軸心に平行する磁力線を作る手段と、カソードに直流高圧パルスを印加して前記プラズマを通してターゲット面に向けて電子ビームパルスを発射する金属表面改質方法において、
前記電子ビームパルスの先頭部が高い加速電圧で短い時間幅であり、連続する後続部が低い加速電圧で、長い時間幅であるような段階状のエネルギ波形の電子ビームパルスであることを特徴とする金属表面改質方法を提供して前述の課題を解決しようとしている。
According to a first aspect of the present invention, the cathode surface and the target irradiation surface are made to face each other along the axis of the electron gun, and the low piezoelectric separation gas in the space surrounded by the both surfaces is converted into plasma, and the magnetic force lines parallel to the axis And a metal surface modification method in which a direct current high voltage pulse is applied to the cathode and an electron beam pulse is emitted toward the target surface through the plasma.
The electron beam pulse is an electron beam pulse having a stepped energy waveform in which the leading portion of the electron beam pulse has a high acceleration voltage and a short time width, and the subsequent succeeding portion has a low acceleration voltage and a long time width. The present invention seeks to solve the above-mentioned problems by providing a metal surface modification method.

本発明の請求項2では、電子銃の軸心に沿ってカソード面とターゲット照射面を対向させ、前記両面に囲まれる空間の低圧電離気体をプラズマ化する手段と、前記軸心に平行する磁力線を作る手段と、カソードに直流高圧パルスを印加して前記プラズマを通してターゲット面に向けて電子ビームパルスを発射する電源を備える装置において、
前記電源は高い加速電圧で短い時間幅のパルス電圧P1を印加するコンデンサC1と閉路スイッチS1よりなる回路(A)と、
低い加速電圧で長い時間幅のパルス電圧P2を印加するコンデンサC2と閉路スイッチS2よりなる回路(B)とを備えており、
前記短幅のパルス電圧P1と長幅のパルス電圧P2が連続してカソードに印加される結果、前記回路(A)により電子ビームパルスQ1を生じ、連続して前記回路(B)により電子ビームパルスQ2を生じ、階段状のエネルギ波形の電子ビームパルスQ12により金属表面の改質を行なうことを特徴とする金属表面改質装置を提供して前述の課題を解消しようとしている。
According to a second aspect of the present invention, the cathode surface and the target irradiation surface are made to face each other along the axis of the electron gun, and the low piezoelectric separation gas in the space surrounded by the both surfaces is turned into plasma, and the magnetic force lines parallel to the axis And an apparatus comprising a power source that applies a direct-current high-voltage pulse to a cathode and emits an electron beam pulse toward the target surface through the plasma,
The power source is a circuit (A) including a capacitor C1 for applying a pulse voltage P1 having a high acceleration voltage and a short time width, and a closing switch S1,
A capacitor C2 for applying a pulse voltage P2 having a long time width with a low acceleration voltage and a circuit (B) comprising a closing switch S2,
As a result of the continuous application of the short pulse voltage P1 and the long pulse voltage P2 to the cathode, the circuit (A) generates an electron beam pulse Q1, and the circuit (B) continuously generates an electron beam pulse. An object of the present invention is to provide a metal surface reforming apparatus characterized in that Q2 is generated and the metal surface is reformed by an electron beam pulse Q12 having a stepped energy waveform.

本発明の請求項3に於いては、前記回路(A)に電流センサを挿入し、前記閉路スイッチS1の閉路による前記回路(A)のパルス電流を検出した信号を介して前記回路(B)の閉路スイッチS2を閉じることによって、前記回路(A)と回路(B)の連携動作を確実にすることを提案している。   According to a third aspect of the present invention, a current sensor is inserted into the circuit (A), and the circuit (B) is detected via a signal obtained by detecting the pulse current of the circuit (A) due to the closing of the closing switch S1. It is proposed to ensure the cooperative operation of the circuit (A) and the circuit (B) by closing the circuit closing switch S2.

噴口生成のメカニズムを電子飛程の現象から考えると、電子ビームパルスの波形が大きな要因であることは疑いない。前記数式(2)で示されるように加速電圧は電子飛程の決定要素である。しかし、印加電圧を低めるか、パルス幅を狭めるかしてエネルギを小さくすれば、確かに噴口は抑制されるが改質能率が極端に低下してしまうか、あるいは電子ビームパルスの発射が不能になってしまう。そこで電子ビームパルスの波形を変えてはどうかという考えが浮かぶが、高電圧を扱うが故に、また電子ビームパルスの発射条件自体が多数の拘束を受けているが故に、単一の電源で波形の異形化は難しいとされていた。 Considering the mechanism of the hole generation from the phenomenon of electron range, there is no doubt that the waveform of the electron beam pulse is a major factor. As shown in the equation (2), the acceleration voltage is a determinant of the electron range. However, if the applied voltage is lowered or the pulse width is reduced to reduce the energy, the nozzle is certainly suppressed, but the reforming efficiency is extremely lowered, or the electron beam pulse cannot be emitted. turn into. Therefore, the idea of changing the waveform of the electron beam pulse appears, but because the high voltage is handled and the emission conditions of the electron beam pulse itself are subject to a number of constraints, the waveform of the waveform can be adjusted with a single power source. It was considered difficult to deform.

電子ビームパルスの発射確率を高く維持し、他方において噴口の発生を抑制するには相反した条件を同時に満たさねばならない。一方は高電圧パルスの印加であり、他方は低電圧パルスの印加である。このように相反する条件を満たす方法として、「スタートパルスとして高圧短幅パルスを置き、続いて作用パルスとして低圧長幅パルスを置く波形」すなわち異形のパルスをカソードに印加することにより可能となる。 In order to keep the emission probability of the electron beam pulse high and to suppress the generation of the nozzle, on the other hand, the contradictory conditions must be satisfied at the same time. One is application of a high voltage pulse and the other is application of a low voltage pulse. As a method for satisfying the contradictory conditions as described above, “a waveform in which a high-voltage short-width pulse is placed as a start pulse and a low-pressure long-width pulse is subsequently placed as an action pulse”, that is, an irregular pulse is applied to the cathode.

従来公知の電子ビーム照射装置では、カソードに印加する高電圧直流パルスは一つのコンデンサに充電された電荷を放電させていた。電子ビームパルスを安定に発生させるためには、カソードに印加する高電圧パルスは一定の限界以下には低められない。また一方、印加電圧を高めることは墳口を発生し易くし、また墳口の深さと口径を大きくする。
そこで本発明では従来と異なる異形なパルスとして二段階パルス波形を提案し、「スタートパルスとして高圧短幅パルスを置き、続いて作用パルスとして低圧長幅パルスを置く波形」とする方式によって表面改質を実行することにより墳口発生を抑制する。
In a conventionally known electron beam irradiation apparatus, a high-voltage DC pulse applied to the cathode discharges the charge charged in one capacitor. In order to stably generate the electron beam pulse, the high voltage pulse applied to the cathode cannot be lowered below a certain limit. On the other hand, increasing the applied voltage makes it easy to generate a throat and increases the depth and diameter of the throat.
Therefore, in the present invention, a two-step pulse waveform is proposed as an unusual pulse different from the conventional one, and the surface modification is performed by a method of “a waveform in which a high-pressure short-width pulse is placed as a start pulse and a low-pressure long-width pulse is subsequently placed as an action pulse”. The occurrence of shed is suppressed by executing.

この発明の電子ビームパルスを用いることにより、改質される金属表面に墳口が生ずることが抑制され、墳口が生じたとしても口径は小さく深さは浅くなる。 By using the electron beam pulse of the present invention, it is possible to suppress the formation of a mouth opening on the metal surface to be modified, and even if the mouth opening occurs, the diameter is small and the depth is shallow.

図1は本発明の具体的構成を示す説明図である。ハウジング4の内部にカソード1と被処理体ターゲット3が対向して配置され、ハウジング4の室内は排気ポンプ及び分子ポンプで構成される真空系20により真空圧にされた後、Arボンベ8からArガスを吸引し0.1Pa程度に保たれる。 FIG. 1 is an explanatory diagram showing a specific configuration of the present invention. The cathode 1 and the target 3 to be processed are disposed inside the housing 4 so as to face each other, and the interior of the housing 4 is evacuated by a vacuum system 20 including an exhaust pump and a molecular pump. The gas is sucked and kept at about 0.1 Pa.

このときハウジング4の外側に備えられたソレノイド5が、電源15により励磁されると、カソード1と被処理体ターゲット3に挟まれる空間において軸方向の磁力線が作られ、プラズマを前記空間に閉じ込め保持する準備が整う。
低圧Arガスをプラズマ化するために環状の反射放電電極2が設けられており、独立したパルス発生電源12から前記環状電極とハウジング4の間に直流高圧パルスが印加されるとグロー放電が生じ、室内のArガスが励起されプラズマ化する。カソード1と被処理体ターゲット3に挟まれる空間には軸方向の磁力線が作られているからプラズマが前記空間に閉じ込め保持される。
At this time, when the solenoid 5 provided on the outside of the housing 4 is excited by the power source 15, an axial magnetic field line is created in the space between the cathode 1 and the target 3 and the plasma is confined and held in the space. Ready to do.
An annular reflective discharge electrode 2 is provided to turn low-pressure Ar gas into plasma. When a DC high-pressure pulse is applied between the annular electrode and the housing 4 from an independent pulse generation power source 12, glow discharge occurs. The indoor Ar gas is excited and turned into plasma. Since the magnetic field lines in the axial direction are formed in the space between the cathode 1 and the target 3 to be processed, the plasma is confined and held in the space.

以上のように準備されたとき、カソード1と被処理体ターゲット3の間に直流高圧パルスを印加する電源90によって電子ビームパルスを発生させる。本発明の改質方法および装置では、前記電子ビームパルスが改良され良質な表面が得られるようにされている。 When prepared as described above, an electron beam pulse is generated by the power supply 90 that applies a DC high-voltage pulse between the cathode 1 and the target 3 to be processed. In the modification method and apparatus of the present invention, the electron beam pulse is improved to obtain a good surface.

図3は、電子ビーム表面改質に関する課題を解決するための方法及び装置における電子ビームパルス発生までの各要素の時間チャートである。横軸は時間を縦軸は各要素により電流(i)、電圧(V)、エネルギ(eV)がとられている。
図(a)は、電子銃内に磁束をあたえるためのソレノイドによる励磁期間をしめすものである。
FIG. 3 is a time chart of each element until generation of an electron beam pulse in the method and apparatus for solving the problems relating to the electron beam surface modification. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents current (i), voltage (V), and energy (eV) by each element.
FIG. 4A shows an excitation period by a solenoid for giving a magnetic flux in the electron gun.

図(b)は、電子銃内のプラズマを発生維持するための環状電極2からグロー放電を発生させる電源12の作用期間を示すものである。 FIG. 2B shows an operation period of the power source 12 for generating glow discharge from the annular electrode 2 for generating and maintaining plasma in the electron gun.

図(c)は、回路(A)が閉路スイッチS1の閉路によりスタートパルス電圧P1がカソード1に加えられる時機と電圧を示している。スタートパルス電圧P1は、電子銃内のプラズマ中で電子雪崩を引き起こすに充分な加速電圧であることが必要で、具体的な数値は印加電圧30kV以上である。またスタートパルス電圧P1のパルス幅は、表面改質の品質を保つために短幅であることが望ましく具体的な数値は3μs以下である。 FIG. 7C shows the timing and voltage when the circuit (A) is applied with the start pulse voltage P1 to the cathode 1 by the closing of the closing switch S1. The start pulse voltage P1 needs to be an acceleration voltage sufficient to cause an electron avalanche in the plasma in the electron gun, and a specific numerical value is an applied voltage of 30 kV or more. The pulse width of the start pulse voltage P1 is preferably short in order to maintain the quality of the surface modification, and a specific numerical value is 3 μs or less.

図(d)は、回路(A)に挿設された電流センサの出力信号であり、前記閉路スイッチS1の閉路による電流(カソード1からの電子ビームパルス)に感応した信号出力であり、作動時間の遅れを考慮した判断が加えられて回路(B)の閉路スイッチS2を作動させる。 FIG. 4D is an output signal of a current sensor inserted in the circuit (A), a signal output in response to a current (electron beam pulse from the cathode 1) generated by the closing of the closing switch S1, and an operation time. In consideration of the delay, the closing switch S2 of the circuit (B) is operated.

図(e)は、回路(B)が閉路スイッチS2の閉路により作用パルス電圧P2がカソード1に加えられる時機と電圧を示している。作用パルス電圧P2は被照射体3の表面改質に充分な電子ビームエネルギを供給する限度の加速電圧とされるべきで、当然パルス電圧P1よりも低電圧に選らばれ、具体的には10kVが望ましい。また作用パルス電圧P2のパルス幅は、表面改質の効率を高めるために出来るだけ長幅であることが望ましいのであるが、コンデンサC2の電荷の減少にともない端尾が物理的に終焉することもあるが、5μs以上持続することが望ましい。
作用パルス電圧P2の整形のために回路(B)にインダクタンス98を挿入する。
FIG. 5E shows the timing and voltage when the circuit (B) applies the action pulse voltage P2 to the cathode 1 by the closing of the closing switch S2. The working pulse voltage P2 should be an accelerating voltage that supplies sufficient electron beam energy for the surface modification of the irradiated object 3, and is naturally selected to be lower than the pulse voltage P1, and specifically, 10 kV is desirable. The pulse width of the working pulse voltage P2 is desirably as long as possible in order to increase the efficiency of surface modification. However, the tail may be physically terminated as the charge of the capacitor C2 decreases. However, it is desirable to last for 5 μs or longer.
An inductance 98 is inserted into the circuit (B) for shaping the working pulse voltage P2.

図(f)は、カソード1にかかる加速電圧パルス波形P12であって、P1とP2が接続したものである。P1とP2は確実に連続するようにスイッチS2の作動タイミングがはかられる。 FIG. (F) shows an acceleration voltage pulse waveform P12 applied to the cathode 1, in which P1 and P2 are connected. The operation timing of the switch S2 is taken to ensure that P1 and P2 are continuously connected.

図(g)と図(h)は、電子銃カソード1から発射される電子ビームのエネルギを示すもので、図(g)の電子ビームエネルギQ1はP1に対応し、図(h)の電子ビームエネルギQ2はP2に対応している。 FIGS. (G) and (h) show the energy of the electron beam emitted from the electron gun cathode 1, and the electron beam energy Q1 in FIG. (G) corresponds to P1, and the electron beam in FIG. (H). Energy Q2 corresponds to P2.

図(i)は結果として得られる電子ビームのエネルギ波形Q12であり、前記Q1とQ2が連結したものである。 FIG. 6 (i) shows the resulting energy waveform Q12 of the electron beam, which is a combination of Q1 and Q2.

図2は、前段の異形パルスを作るための電源90の説明図である。電源90は、回路Aと回路Bと図示しない操作回路からなっている。
電子ビームパルス(P12)は異形のパルスの波形を説明するもので、先頭部分(P1)と作用部分(P2)からなる階段状の異形パルス波形になっている。
FIG. 2 is an explanatory diagram of the power supply 90 for generating the abnormal pulse in the previous stage. The power supply 90 includes a circuit A, a circuit B, and an operation circuit (not shown).
The electron beam pulse (P12) explains the waveform of the irregularly shaped pulse, and is a step-shaped irregularly shaped pulse waveform composed of the leading portion (P1) and the action portion (P2).

回路Aは図3(c)で説明した先頭部分(P1)を作る回路であり、直流電源91と充電抵抗92により充電されるコンデンサC1と、閉路スイッチS1と被照射体3とカソード1で作られる回路である。
また回路Bは図3(d)で説明した作用部分(P2)を作る回路であり、直流電源95と抵抗96により充電されるコンデンサC2と、閉路スイッチS2と被照射体3とカソード1で作られる回路である。
The circuit A is a circuit for forming the head portion (P1) described with reference to FIG. 3C, and is composed of the capacitor C1 charged by the DC power source 91 and the charging resistor 92, the closing switch S1, the irradiated body 3, and the cathode 1. Circuit.
The circuit B is a circuit for producing the action part (P2) described in FIG. 3D, and is composed of the DC power source 95, the capacitor C2 charged by the resistor 96, the closing switch S2, the irradiated body 3, and the cathode 1. Circuit.

図3(f)のカソード加速電圧パルス(P12)をつくるために、カソード1に印加する高電圧パルス発生電源90出力パルスは、先頭部分(P1)と作用部分(P2)からなる階段状の異形パルス電圧波形であり、
高い加速電圧で短いパルス幅の先頭部分(P1)を回路Aでつくり、低い加速電圧で長いパルス幅の作用部分(P2)を回路Bでつくり、回路Aを閉じて電子ビームを発射したのち連続して回路Bを閉じると、階段状の異形パルス波形の電子ビーム波形(Q12)を得ることができる。
In order to generate the cathode acceleration voltage pulse (P12) of FIG. 3 (f), the high-voltage pulse generation power supply 90 output pulse applied to the cathode 1 is a step-shaped variant consisting of a leading portion (P1) and an action portion (P2). It is a pulse voltage waveform,
The first part (P1) with a high acceleration voltage and a short pulse width is created by circuit A, and the active part (P2) with a long pulse width and a low acceleration voltage is created by circuit B. Then, when the circuit B is closed, an electron beam waveform (Q12) having a stepped irregular pulse waveform can be obtained.

回路AとBには、ダイオード93と97がそれぞれ挿入され干渉と逆流を抑えている。また回路Aには電流センサ94を備えこのセンサ出力を介して回路BのスイッチS2を閉じる。また、必要に応じ、回路Bにインダクタンス98を挿入してパルス幅を延長する手段とする。 Diodes 93 and 97 are inserted in circuits A and B, respectively, to suppress interference and backflow. The circuit A is provided with a current sensor 94, and the switch S2 of the circuit B is closed via the sensor output. If necessary, an inductance 98 is inserted into the circuit B to extend the pulse width.

この明細書においてプラズマ電子銃とは次のように定義される。電子ビーム照射装置の電子銃部分であり、Arのような不活性の電離気体を充填する容器内に数cm以上の放射面を有するカソードとターゲット(被処理体)が同軸に対向して配置され、電離気体をプラズマ化するための中空環状電極が設けられ、容器内に前記軸に平行な磁力線を作るソレノイド備えている電子銃である。 In this specification, the plasma electron gun is defined as follows. An electron gun portion of an electron beam irradiation apparatus, and a cathode having a radiation surface of several cm 2 or more and a target (object to be processed) are coaxially arranged in a container filled with an inert ionized gas such as Ar. The electron gun is provided with a hollow annular electrode for converting the ionized gas into plasma, and is provided with a solenoid for generating a magnetic force line parallel to the axis in the container.

前記電離気体の気圧を0.1Pa以下の指定気圧に保つこと、および磁力線を用意した後、環状電極と容器の間にグロー放電を発生させると前記電離気体がプラズマ化する。そのときカソードとターゲット間に数kV以上の直流高電圧パルスを印加すると、カソード放射面から電離気体プラズマを通過してターゲットに電子ビームパルスが照射される。電子ビームパルスの断面積は数cm以上であり、面積当たりのエネルギは一回のパルスあたり数 J/cmの値となる。 After maintaining the atmospheric pressure of the ionized gas at a specified atmospheric pressure of 0.1 Pa or less and preparing a line of magnetic force, when the glow discharge is generated between the annular electrode and the container, the ionized gas is turned into plasma. At that time, when a DC high voltage pulse of several kV or more is applied between the cathode and the target, the target is irradiated with an electron beam pulse through the ionized gas plasma from the cathode emission surface. The cross-sectional area of the electron beam pulse is several cm 2 or more, and the energy per area is a value of several J / cm 2 per pulse.

電子ビームパルスの面積当たりのエネルギの測定は、試料金属の表面に電子ビームパルスを照射してその温度上昇から熱量を計算して求める。
カソードとターゲットの中間位置で(プラズマ密度と磁束が変化しないならば)面積あたりのエネルギは一定の値である。
The energy per area of the electron beam pulse is measured by irradiating the surface of the sample metal with the electron beam pulse and calculating the amount of heat from the temperature rise.
At an intermediate position between the cathode and the target (if the plasma density and magnetic flux do not change), the energy per area is a constant value.

電子ビームパルスの発生機構は次のようなものと考えられる。図2においてコンデンサに電荷が蓄えられるとカソード前面とプラズマの間に電気二重層が作られ非常に大なる電位傾度で待機していることになる。時機をみてスイッチ(例えばガススイッチ)を閉じると電荷が加速電圧に応じて電子ビームとなって放出されるから、大きな陰極損失があるが、プラズマ空間と陽極では損失が少ない。これがプラズマ空間で面積あたりのエネルギが一定の値になる理由である。 The generation mechanism of the electron beam pulse is considered as follows. In FIG. 2, when electric charge is stored in the capacitor, an electric double layer is formed between the front surface of the cathode and the plasma, so that the capacitor is on standby with a very large potential gradient. When a switch (for example, a gas switch) is closed at an appropriate time, the electric charge is emitted as an electron beam according to the acceleration voltage, so there is a large cathode loss, but there is little loss in the plasma space and the anode. This is the reason why the energy per area is constant in the plasma space.

プラズマ電子銃では、カソード前面の電気二重層が、電子ビーム発射機構の要素になっているから、最初の加速電圧の値は高いことが望ましい。他方においてターゲット金属表面の墳口の抑制のためには加速電圧が低いことが望ましい。 In the plasma electron gun, since the electric double layer in front of the cathode is an element of the electron beam emission mechanism, it is desirable that the initial acceleration voltage is high. On the other hand, it is desirable that the acceleration voltage is low in order to suppress the opening of the target metal surface.

本発明の具体的構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the specific structure of this invention. 本発明の異形パルスを作るための電源90の説明図。Explanatory drawing of the power supply 90 for making the abnormal pulse of this invention. 図1の装置の作動シークエンスを説明する波形図。The wave form diagram explaining the action | operation sequence of the apparatus of FIG. 従来例のプラズマ電子銃を用いた表面改質装置の概略説明図。The schematic explanatory drawing of the surface modification apparatus using the plasma electron gun of a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

1、カソード
2、環状の電極
3、被照射体、被処理体
4、ハウジング
5、ソレノイド
8、Arボンベ
12、グロー放電用パルス電源
15、ソレノイド電源
90、電子ビームパルス発射電源
20、コントローラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, Cathode 2, Ring electrode 3, To-be-irradiated object, to-be-processed object 4, Housing 5, Solenoid 8, Ar cylinder 12, Glow discharge pulse power supply 15, Solenoid power supply 90, Electron beam pulse emission power supply 20, Controller

Claims (3)

電子銃の軸心に沿ってカソード面とターゲット照射面を対向させ、前記両面に囲まれる空間の低圧電離気体をプラズマ化する手段と、前記軸心に平行する磁力線を作る手段と、カソードに直流高圧パルスを印加して前記プラズマを通してターゲット面に向けて電子ビームパルスを発射する金属表面改質方法において、
前記電子ビームパルスの先頭部が高い加速電圧で短い時間幅であり、連続する後続部が低い加速電圧で、長い時間幅であるような段階状のエネルギ波形の電子ビームパルスであることを特徴とする金属表面改質方法。
The cathode surface and the target irradiation surface are made to face each other along the axis of the electron gun, the means for converting the low piezoelectric gas separation in the space surrounded by the two surfaces into plasma, the means for creating magnetic force lines parallel to the axis, and the direct current to the cathode In the metal surface modification method of applying a high-pressure pulse and emitting an electron beam pulse toward the target surface through the plasma,
The electron beam pulse is an electron beam pulse having a stepped energy waveform in which the leading portion of the electron beam pulse has a high acceleration voltage and a short time width, and the subsequent succeeding portion has a low acceleration voltage and a long time width. Metal surface modification method.
電子銃の軸心に沿ってカソード面とターゲット照射面を対向させ、前記両面に囲まれる空間の低圧電離気体をプラズマ化する手段と、前記軸心に平行する磁力線を作る手段と、カソードに直流高圧パルスを印加して前記プラズマを通してターゲット面に向けて電子ビームパルスを発射する電源を備える装置において、
前記電源は高い加速電圧で短い時間幅のパルス電圧P1を印加するコンデンサC1と閉路スイッチS1よりなる回路(A)と、
低い加速電圧で長い時間幅のパルス電圧P2を印加するコンデンサC2と閉路スイッチS2よりなる回路(B)とを備えており、
前記短幅のパルス電圧P1と長幅のパルス電圧P2が連続してカソードに印加される結果、前記回路(A)により電子ビームパルスQ1を生じ、連続して前記回路(B)により電子ビームパルスQ2を生じ、階段状のエネルギ波形の電子ビームパルスQ12により金属表面の改質を行なうことを特徴とする金属表面改質装置。
The cathode surface and the target irradiation surface are made to face each other along the axis of the electron gun, the means for converting the low piezoelectric gas separation in the space surrounded by the two surfaces into plasma, the means for creating magnetic force lines parallel to the axis, and the direct current to the cathode In an apparatus comprising a power source that applies a high-pressure pulse to emit an electron beam pulse toward a target surface through the plasma,
The power source is a circuit (A) including a capacitor C1 for applying a pulse voltage P1 having a high acceleration voltage and a short time width, and a closing switch S1,
A capacitor C2 for applying a pulse voltage P2 having a long time width with a low acceleration voltage and a circuit (B) comprising a closing switch S2,
As a result of the continuous application of the short pulse voltage P1 and the long pulse voltage P2 to the cathode, the circuit (A) generates an electron beam pulse Q1, and the circuit (B) continuously generates an electron beam pulse. A metal surface reforming apparatus characterized in that Q2 is generated and the metal surface is reformed by an electron beam pulse Q12 having a stepped energy waveform.
前記回路(A)に電流センサを挿入し、前記閉路スイッチS1の閉路による前記回路(A)のパルス電流を検出した信号を介して前記回路(B)の閉路スイッチS2を閉じることを特徴とする請求項2に記載の金属表面改質装置。   A current sensor is inserted into the circuit (A), and the closing switch S2 of the circuit (B) is closed via a signal that detects a pulse current of the circuit (A) due to closing of the closing switch S1. The metal surface modification apparatus according to claim 2.
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