Изобретение относится к области электронно-лучевых технологий и физики пучков заряженных частиц и предназначено для улучшения вакуумных условий в объеме электронной пушки электронно-лучевых установок.The invention relates to the field of electron beam technology and physics of charged particle beams and is intended to improve vacuum conditions in the volume of an electron gun of electron beam installations.
Известно устройство для плазменной экранировки области электронно-лучевой сварки (патент на изобретение RU 2047445). Недостатками устройства являются сложность эксплуатации и ограничение функциональности электронно-лучевых установок за счет требований к выбору режима.A device for plasma shielding the field of electron beam welding (patent for invention RU 2047445) is known. The disadvantages of the device are the complexity of operation and the limitation of the functionality of electron beam installations due to the requirements for the choice of mode.
Известны системы дипольных и квадрупольных магнитов, применяющиеся в ускорительной технике для поворота пучков заряженных частиц (например, W.K.H. Panofsky, J.A. McIntyre. Rev. Sci. Instr., 25, 287, 1954), но эти системы неоправданно сложны и дорогостоящи для применения в электронно-лучевых установках.There are known systems of dipole and quadrupole magnets that are used in accelerator technology to turn charged particle beams (for example, WKH Panofsky, JA McIntyre. Rev. Sci. Instr., 25, 287, 1954), but these systems are unreasonably complex and expensive to use in electronic -radiation installations.
Известно устройство для поворота электронного пучка, состоящее из двух магнитных зеркал без образования петлевых траекторий (Брязгин А.А., Нехаев В.Е., Радченко В.М., Штарклев Е.А. Устройство для поворота ахроматических пучков заряженных частиц // Патент на изобретение №2463749, заявка №2011115741, приоритет изобретения 20 апреля 2011 г. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10 октября 2012 г.). Устройство требует выполнения сложных обмоток для обеспечения требуемого распределения магнитного поля, кроме того, в случае помещения устройства в вакуумный объем требуется обеспечить охлаждение обмоток.A device for rotating an electron beam, consisting of two magnetic mirrors without the formation of loop trajectories (Bryazgin A.A., Nekhaev V.E., Radchenko V.M., Shtarklev E.A. Device for rotating achromatic beams of charged particles // Patent for invention No. 2463749, application No. 2011151541, priority of invention April 20, 2011. Registered in the State Register of Inventions of the Russian Federation October 10, 2012). The device requires the implementation of complex windings to ensure the required distribution of the magnetic field, in addition, in the case of placing the device in a vacuum volume, it is necessary to provide cooling of the windings.
Прототипом предлагаемого изобретения является магнитное зеркало, в котором пучок описывает петлевую траекторию (В.М. Кельман, М.И. Корсунский, Ф.Ф. Ланге. «Магнитное электронное зеркало», ЖЭТФ 1939, т. 9, вып. 6, 1939). Магнитное зеркало не обладает фокусирующими свойствами в плоскости поворота и при образовании петлевой траектории обладает фокусирующими свойствами, которые зависят от энергии пучка и магнитного поля в плоскости, перпендикулярной плоскости поворота.The prototype of the invention is a magnetic mirror, in which the beam describes a loop trajectory (V. M. Kelman, M. I. Korsunsky, F. F. Lange. "Magnetic electron mirror", JETP 1939, v. 9, issue 6, 1939 ) A magnetic mirror does not have focusing properties in the plane of rotation and, when a loop trajectory is formed, has focusing properties that depend on the beam energy and magnetic field in a plane perpendicular to the plane of rotation.
В настоящем изобретении используется магнитное зеркало в виде дипольного магнита, в котором магнитное поле создается постоянными магнитами. Такая конструкция позволяет помещать дипольный магнит непосредственно в рабочую вакуумную камеру, за счет чего упрощается конструкция устройства. Устройство допускает поворот вокруг оси входящего электронного пучка, что позволяет ориентировать пучок в нужное место внутри вакуумной камеры. Для компенсации разницы фокусирующих свойств в разных плоскостях перед дипольным магнитом устанавливается один или более магнитных квадруполей. Такая схема позволяет использовать различные типы магнитных зеркал, в том числе ахроматическое.The present invention uses a magnetic mirror in the form of a dipole magnet, in which the magnetic field is created by permanent magnets. This design allows you to place the dipole magnet directly in the working vacuum chamber, thereby simplifying the design of the device. The device allows rotation around the axis of the incoming electron beam, which allows you to orient the beam in the right place inside the vacuum chamber. To compensate for the difference in focusing properties in different planes, one or more magnetic quadrupoles are mounted in front of the dipole magnet. Such a scheme allows the use of various types of magnetic mirrors, including achromatic.
Схема устройства представлена на фиг. 1. Электронный пучок 1 проходит через систему магнитных квадруполей 2, которые формируют его размеры и углы схождения при входе в магнитный диполь 3, магнитное поле в котором направлено так, чтобы пучок описал петлевую траекторию, далее пучок направляется на обрабатываемую деталь 4, которая при необходимости может быть отделена от остального объема защитными экранами 5.The device diagram is shown in FIG. 1. The electron beam 1 passes through a system of magnetic quadrupoles 2, which form its dimensions and convergence angles at the entrance to the magnetic dipole 3, the magnetic field in which is directed so that the beam describes a loop path, then the beam is directed to the workpiece 4, which, if necessary can be separated from the rest by protective shields 5.
Угол, на который устройство поворачивает пучок, равен удвоенному углу входа пучка в дипольный магнит. Например, для поворота на 90° угол между осью пучка и полюсами должен составлять 45°.The angle at which the device rotates the beam is equal to twice the angle of entry of the beam into the dipole magnet. For example, to rotate 90 °, the angle between the beam axis and the poles should be 45 °.
Величина магнитного поля выбирается из соображений компактности устройства и сохранения фокусирующих свойств дипольного магнита в плоскости, перпендикулярной плоскости поворота, для чего достаточная часть петлевой траектории должна располагаться в области однородного магнитного поля и в типичном случае составляет несколько сотен гаусс. Ширина полюсов выбирается из соображений достаточности для образования петлевой траектории в области однородного магнитного поля, достаточной шириной является величина в 4-5 магнитных радиусов электрона. Форма полюсов выбирается исходя из технических требований к установке. Например, может быть использован плоский дипольный магнит. В этом случае при изменении энергии электронов пучка происходит сдвиг траектории после поворота. Если по каким-то причинам это неудобно, может использоваться ахроматическое магнитное зеркало с магнитным экраном и специальной формой полюсов.The magnitude of the magnetic field is chosen from the considerations of the compactness of the device and the preservation of the focusing properties of the dipole magnet in a plane perpendicular to the plane of rotation, for which a sufficient part of the loop trajectory should be located in the region of a uniform magnetic field and, in a typical case, amount to several hundred gauss. The width of the poles is selected for reasons of sufficiency for the formation of a loop trajectory in the region of a uniform magnetic field, a sufficient width is a value of 4-5 magnetic radii of the electron. The shape of the poles is selected based on the technical requirements for installation. For example, a flat dipole magnet may be used. In this case, when the electron energy of the beam changes, the trajectory shifts after rotation. If for some reason this is inconvenient, an achromatic magnetic mirror with a magnetic screen and a special pole shape can be used.
Конструкция с одним квадруполем может применяться для приложений, которые не требовательны к плотности, мощности и форме профиля пучка, например наплав металла. Такая конструкция позволяет совместить кроссоверы пучка в обеих плоскостях, но профиль пучка будет иметь эллиптическую форму. Расстояние между дипольным магнитом и квадруполем выбирается из соображений компактности, но таким образом, чтобы краевые поля квадруполя не искажали электронный пучок на выходе дипольного магнита. Для большей компактности устройства краевые поля элементов могут быть ограничены магнитными экранами. Если требуется обеспечить круглый профиль пучка, используется конструкция с двумя или более квадруполями. Параметры квадруполей определяются с помощью численного моделирования и уточняются под задачу экспериментально.A single quadrupole design can be used for applications that are not demanding on the density, power and shape of the beam profile, for example, metal deposition. This design allows the beam crossovers to be combined in both planes, but the beam profile will have an elliptical shape. The distance between the dipole magnet and the quadrupole is chosen for compactness reasons, but in such a way that the edge fields of the quadrupole do not distort the electron beam at the output of the dipole magnet. For greater compactness of the device, the edge fields of the elements can be limited by magnetic screens. If a round beam profile is required, a design with two or more quadrupoles is used. Parameters of quadrupoles are determined using numerical simulation and are refined experimentally for the task.
