RU2792344C9

RU2792344C9 - Gas-discharge electron gun controlled by an ion source with closed electron drift

Info

Publication number: RU2792344C9
Application number: RU2022129687A
Authority: RU
Inventors: Павел Михайлович Тюрюканов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "НПП ЛМ Инвертор"
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2023-04-19

Abstract

FIELD: electronic engineering.

SUBSTANCE: gas-discharge electron gun uses an ion-plasma accelerator formed by an additional annular discharge chamber built between the poles of the electromagnet, which has an annular slot located between the main chamber of the electron gun and the additional one. The ions created in the additional discharge chamber are injected through the annular slot between the poles of the electromagnet and maintain a non-self-sustained high-voltage glow discharge, in which an axially symmetric electron beam is formed. When the power source of the ion-plasma accelerator is turned off, the electron beam current stops.

EFFECT: increased speed of control and gas and energy efficiency of the gun.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для создания газоразрядных электронных пушек, применяемых в таких вакуумных технологиях термической обработки материалов, как плавка, сварка и размерная обработка тугоплавких металлов.The invention relates to electronic engineering and can be used to create gas-discharge electron guns used in vacuum technologies for heat treatment of materials such as melting, welding and dimensional processing of refractory metals.

Известны электронные пушки, в которых используется вторичная эмиссия электронов с поверхности холодного катода под действием ионной бомбардировки.Known electron guns, which use the secondary emission of electrons from the surface of a cold cathode under the action of ion bombardment.

Известна электронная пушка с плазменным анодом [1], состоящая из: катода изготовленного из материала с большим коэффициентом ионно-электронной эмиссии по отношению к ионам плазмы и подключенного к высоковольтному источнику напряжения отрицательной полярности; полого кольцевого анода, имеющего центральное отверстие для вывода электронного пучка возникающего при ионной бомбардировке катода. Для создания плазмы к одному или нескольким тонким электродам, установленным внутри источника ионов, прикладывается импульс положительной полярности относительно заземленного анода. Для ограничения утечки ионов в источнике используется сетка под небольшим положительным потенциалом.Known electron gun with a plasma anode [1], consisting of: a cathode made of a material with a high coefficient of ion-electron emission in relation to plasma ions and connected to a high-voltage voltage source of negative polarity; a hollow annular anode having a central hole for the output of the electron beam arising from the ion bombardment of the cathode. To create plasma, one or more thin electrodes installed inside the ion source are subjected to a pulse of positive polarity relative to the grounded anode. To limit the leakage of ions in the source, a grid at a small positive potential is used.

Недостатком электронной пушки [1] является низкая эффективность ионно-плазменного источника орбитронного типа, так как значительная доля ионного тока уходит на внутреннюю поверхность полости источника, а также трудность получения азимутальной однородности потока ионов и соответственно электронного пучка. Кроме того, ионно-плазменный источник обладает низкой надежностью из-за высокой конструктивной сложности с использованием сеток в апертуре потока плазмы и тонких анодных электродов, которые могут перегорать в разряде при увеличении давления газа.The disadvantage of the electron gun [1] is the low efficiency of the ion-plasma source of the orbitron type, since a significant proportion of the ion current goes to the inner surface of the source cavity, as well as the difficulty of obtaining the azimuthal uniformity of the ion flux and, accordingly, the electron beam. In addition, the ion-plasma source has low reliability due to the high design complexity with the use of grids in the plasma flow aperture and thin anode electrodes, which can burn out in the discharge with increasing gas pressure.

Широкое применение в технологиях термообработки материалов находят газоразрядные электронные пушки на основе высоковольтного тлеющего разряда с полым анодом. Управление мощностью формируемого электронного пучка при постоянном напряжении осуществляется воздействием на концентрацию плазмы посредством изменения давления газа или потенциала управляющего электрода, расположенного в плазме разряда. Однако первый способ управления обладает большой инерционностью с характерной постоянной времени изменения давления порядка 0.1 с, что неприемлемо для современных технологий. Поэтому чаще используются электронные пушки с управляющим электродом, обеспечивающим возможность изменения тока за счет изменения его потенциала.Gas-discharge electron guns based on a high-voltage glow discharge with a hollow anode are widely used in materials heat treatment technologies. The power of the formed electron beam at a constant voltage is controlled by influencing the plasma concentration by changing the gas pressure or the potential of the control electrode located in the discharge plasma. However, the first control method has a large inertia with a characteristic pressure change time constant of the order of 0.1 s, which is unacceptable for modern technologies. Therefore, electron guns with a control electrode are more often used, which makes it possible to change the current by changing its potential.

Известен способ управления газоразрядной электронной пушкой [2] путем изменения величины и полярности потенциала лучевода за счет автономного источника, включенного между мишенью и лучеводом электронной пушки. При этом изменяется концентрация плазмы в анодной полости пушки и соответственно поток ионов, бомбардирующих катод и ток вторичных электронов, из которых формируется пучок, осуществляющий технологическое воздействие на обрабатываемый материал.A known method of controlling a gas-discharge electron gun [2] by changing the magnitude and polarity of the potential of the beam guide due to an autonomous source included between the target and the beam guide of the electron gun. This changes the plasma concentration in the anode cavity of the gun and, accordingly, the flow of ions bombarding the cathode and the current of secondary electrons, from which a beam is formed, carrying out a technological effect on the material being processed.

Недостатком способа, предложенного в [2], является небольшой диапазон изменения тока, нелинейная зависимость тока пучка от управляющего напряжения и низкая надежность технологической установки, использующей такой способ, поскольку при пробоях между катодом и анодом электронной пушки к незаземленным аноду и лучеводу прикладывается импульс высокого напряжения, что, как правило, приводит к выходу из строя автономного источника, управляющего пушкой.The disadvantage of the method proposed in [2] is the small range of current variation, the nonlinear dependence of the beam current on the control voltage, and the low reliability of the technological installation using this method, since during breakdowns between the cathode and anode of the electron gun, a high voltage pulse is applied to the ungrounded anode and beam guide. , which, as a rule, leads to the failure of an autonomous source that controls the gun.

Известна триодная газоразрядная электронная пушка [3], в которой управляющий электрод установлен непосредственно в анодной полости высоковольтного тлеющего разряда. Ток электронного пучка изменяется в зависимости от величины и полярности потенциала на управляющем электроде относительно анода пушки. Характерное время изменения тока электронного пучка для триодных пушек составляет 10^-5 с, что значительно меньше, чем при газодинамическом управлении.Known triode gas-discharge electron gun [3], in which the control electrode is installed directly in the anode cavity of the high-voltage glow discharge. The current of the electron beam varies depending on the magnitude and polarity of the potential at the control electrode relative to the anode of the gun. The characteristic time for changing the electron beam current for triode guns is 10 ^-5 s, which is much less than with gas-dynamic control.

Недостатком триодных газоразрядных пушек, предложенных в [3], является то, что высоковольтный тлеющий разряд между катодом и анодом пушки является самостоятельным, и для его поддержания требуются высокие давления газа. При этом степень ионизации газа как электронами пучка, так и вторичными электронами анодной плазмы, мала. Поэтому, несмотря на низкие величины управляющего напряжения и высокое быстродействие, энергетическая и газовая эффективность не превосходит значений характерных для диодных пушек. Кроме того, технологические системы с такими пушками имеют низкую надежность, поскольку при повышенных давлениях рабочего газа весьма высока вероятность пробоя с катода на управляющий электрод, что приводит к выходу из строя источника питания дополнительного разряда и системы управления током электронного пучка.The disadvantage of the triode gas-discharge guns proposed in [3] is that the high-voltage glow discharge between the cathode and anode of the gun is independent, and high gas pressures are required to maintain it. In this case, the degree of gas ionization by both beam electrons and secondary electrons of the anode plasma is low. Therefore, despite the low values of the control voltage and high speed, the energy and gas efficiency does not exceed the values characteristic of diode guns. In addition, technological systems with such guns have low reliability, since at elevated pressures of the working gas, the probability of breakdown from the cathode to the control electrode is very high, which leads to failure of the power source of the additional discharge and the electron beam current control system.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является выбранная в качестве прототипа газоразрядная электронная пушка [4] для получения осевого электронного пучка, состоящая из катодного узла, управляющего электрода и анодного узла, которые образуют плазменный источник ионов, отличающаяся тем, что управляющий электрод и анодный узел выполнены как электроды магнетронной разрядной системы, которые подключены к источникам электропитания. Управление параметрами электронного пучка осуществляется изменением давления газа, напряжения на управляющем электроде и величины индукции магнитного поля.The closest in technical essence to the proposed technical solution is the gas-discharge electron gun [4] chosen as a prototype for obtaining an axial electron beam, consisting of a cathode assembly, a control electrode and an anode assembly, which form a plasma ion source, characterized in that the control electrode and the anode unit is made as electrodes of the magnetron discharge system, which are connected to power supplies. The electron beam parameters are controlled by changing the gas pressure, the voltage at the control electrode, and the magnitude of the magnetic field induction.

Недостатком газоразрядной электронной пушки-прототипа [4] является то, что на катодной вставке магнетронной разрядной системы, расположенной между полюсами электромагнита, происходит потеря ионов за счет их ускорения объемным зарядом замагниченных электронов в активной области магнетронного разряда, расположенной в зоне наибольшего магнитного поля. Это приводит к уменьшению газовой и энергетической эффективности, а также к ограничению ресурса работы пушки в результате эрозии катода магнетронной разрядной системы. Кроме того, в прототипе пушки низка эффективность действия магнитного поля на создание плазмы магнетронного разряда, так как наибольшая величина индукции магнитного поля в зазоре между полюсами электромагнита находится в теле катодной вставки. Управляющий электрод, который одновременно является анодом магнетронного разряда, установлен в сильном электрическом поле основного катода пушки, которое снижает эффективность управления параметрами пушки, воздействуя на электрическое поле магнетронной разрядной системы. Также в пушке отсутствует возможность создания газодинамической системы, позволяющей управлять током магнетронного источника ионов независимо от потока газа из нагреваемой электронным пучком мишени, так как магнетрон и ускоритель электронов находятся в разрядной области при одном и том же давлении газа. Это снижает диапазон давлений рабочего газа и, как следствие, уменьшает эффективность управления параметрами газоразрядной пушки.The disadvantage of the gas-discharge electron gun prototype [4] is that on the cathode insert of the magnetron discharge system located between the poles of the electromagnet, there is a loss of ions due to their acceleration by the volume charge of magnetized electrons in the active region of the magnetron discharge, located in the zone of the highest magnetic field. This leads to a decrease in gas and energy efficiency, as well as to a limitation of the service life of the gun as a result of erosion of the cathode of the magnetron discharge system. In addition, in the prototype of the gun, the efficiency of the magnetic field to create a magnetron discharge plasma is low, since the largest value of the magnetic field induction in the gap between the poles of the electromagnet is in the body of the cathode insert. The control electrode, which is simultaneously the anode of the magnetron discharge, is installed in a strong electric field of the main cathode of the gun, which reduces the efficiency of controlling the parameters of the gun by affecting the electric field of the magnetron discharge system. Also, the gun does not have the possibility of creating a gas-dynamic system that makes it possible to control the current of the magnetron ion source regardless of the gas flow from the target heated by the electron beam, since the magnetron and the electron accelerator are in the discharge region at the same gas pressure. This reduces the pressure range of the working gas and, consequently, reduces the efficiency of controlling the parameters of the gas discharge gun.

Целью предлагаемого технического решения является создание конструкции газоразрядной электронной пушки, обеспечивающей быстродействующее управление и возможность модуляции тока пучка при относительно небольших расходах газа и мощности управляющего источника, а также высокую газовую и энергетическую эффективность.The purpose of the proposed technical solution is to create a gas-discharge electron gun design that provides fast control and the ability to modulate the beam current at relatively low gas flow rates and control source power, as well as high gas and energy efficiency.

Техническим эффектом от реализации поставленной задачи является:The technical effect of the implementation of the task is:

- увеличение энергетической и газовой эффективности;- increase in energy and gas efficiency;

- уменьшение рабочего давления и расхода газа;- reduction of working pressure and gas consumption;

- расширение диапазона управляемых параметров пушки;- expanding the range of controlled parameters of the gun;

- увеличение КПД устройства за счет уменьшения потерь;- increasing the efficiency of the device by reducing losses;

- увеличение ресурса работы пушки.- increase in the service life of the gun.

Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигается тем, что газоразрядная электронная пушка, предназначенная для получения осевого электронного пучка, состоящая из катодного узла, управляющего электрода и анодного узла, которые выполнены как электроды магнетронной разрядной системы, подключенные к источникам электропитания, снабжена дополнительной кольцевой камерой, встроенной между полюсами электромагнита, так что образуется кольцевая щель между дополнительной и основной камерами электронной пушки; внутри кольцевой камеры размещена разрядная система плазменного ускорителя ионов с замкнутым дрейфом электронов, образованная кольцевым анодом, установленным внутри вакуумно-плотного изолятора, и полюсами электромагнита в качестве катода, формирующего радиально сходящийся поток ионов в основную камеру электронной пушки, который отклоняется в направлении катода пушки, находящегося под высоким отрицательным потенциалом, вызывая вторичную эмиссию электронов с катода, формирующихся в электронный пучок, проходящий через лучевод, снабженный фокусирующими и отклоняющими электромагнитными системами, причем рабочий газ подается в камеру ионно-плазменного ускорителя через газораспределительную систему.The solution of the problem and the corresponding technical result is achieved by the fact that the gas-discharge electron gun, designed to obtain an axial electron beam, consisting of a cathode assembly, a control electrode and an anode assembly, which are made as electrodes of a magnetron discharge system connected to power supplies, is equipped with an additional annular chamber , built between the poles of the electromagnet, so that an annular gap is formed between the additional and main chambers of the electron gun; inside the annular chamber there is a discharge system of a plasma ion accelerator with a closed electron drift, formed by an annular anode installed inside a vacuum-tight insulator, and electromagnet poles as a cathode, which forms a radially converging flow of ions into the main chamber of the electron gun, which deviates towards the gun cathode, under a high negative potential, causing a secondary emission of electrons from the cathode, which are formed into an electron beam passing through a beam guide equipped with focusing and deflecting electromagnetic systems, and the working gas is supplied to the chamber of the ion-plasma accelerator through the gas distribution system.

Выполнение разрядной камеры ионного источника в виде полости, расположенной внутри магнитопровода и отделенной от основной камеры газоразрядной пушки кольцевой щелью, обеспечивает перепад давления газа между технологической камерой, основной газоразрядной камерой и камерой ионно-плазменного источника, что уменьшает влияние рабочего газа, подаваемого в камеру ионного источника, на процессы в технологической камере и влияние газоотделения из обрабатываемой электронным пучком детали на работу ионно-плазменного источника, и создает распределение магнитного поля, которое обеспечивает зажигание самостоятельного разряда в ионно-плазменном источнике и несамостоятельного высоковольтного разряда в основной газоразрядной камере пушки. При этом в области сильного магнитного поля между полюсами электромагнита, практически у их среза, формируется слой пространственного заряда замагниченных электронов, создающий электрическое поле, ускоряющее ионы, в котором вероятность ионизации нейтральных частиц газа максимальна. В результате обеспечивается наиболее эффективное использование рабочего газа и магнитного поля, а также значительно уменьшаются потери ионов на стенках разрядной камеры ионно-плазменного источника из-за радиальной направленности ионно-плазменного потока к оси основной газоразрядной камеры электронной пушки. За счет этого диапазон рабочих давлений в технологической камере может быть значительно расширен по сравнению с использованием традиционной схемы электронной пушки, в которой используется высоковольтный тлеющий разряд.The implementation of the discharge chamber of the ion source in the form of a cavity located inside the magnetic circuit and separated from the main chamber of the gas discharge gun by an annular slot provides a gas pressure drop between the process chamber, the main gas discharge chamber and the ion-plasma source chamber, which reduces the effect of the working gas supplied to the ion-plasma source chamber. source, on the processes in the technological chamber and the effect of gas separation from the part processed by the electron beam on the operation of the ion-plasma source, and creates a magnetic field distribution that ensures the ignition of a self-sustained discharge in the ion-plasma source and a non-self-sustained high-voltage discharge in the main gas-discharge chamber of the gun. At the same time, in the region of a strong magnetic field between the poles of the electromagnet, practically at their cut, a layer of space charge of magnetized electrons is formed, which creates an electric field that accelerates ions, in which the probability of ionization of neutral gas particles is maximum. As a result, the most efficient use of the working gas and magnetic field is ensured, and the loss of ions on the walls of the discharge chamber of the ion-plasma source is significantly reduced due to the radial orientation of the ion-plasma flow to the axis of the main gas-discharge chamber of the electron gun. Due to this, the range of operating pressures in the process chamber can be significantly expanded in comparison with the traditional electron gun scheme, which uses a high-voltage glow discharge.

Кроме того, использование кольцевой газораспределительной камеры на внутренней торцевой поверхности магнитопровода электромагнита, связанной с разрядной камерой ионного источника посредством радиальной кольцевой щели, способствует повышению азимутальной однородности потока плазмы и формируемого электронного пучка, а также более эффективному использованию рабочего газа за счет его равномерного распределения.In addition, the use of an annular gas distribution chamber on the inner end surface of the electromagnet magnetic circuit, connected to the discharge chamber of the ion source through a radial annular slot, improves the azimuthal uniformity of the plasma flow and the formed electron beam, as well as more efficient use of the working gas due to its uniform distribution.

Кроме того, для создания магнитного поля в ионном источнике может быть использована магнитная система с постоянным кольцевым магнитом изготовленным, например, из сплавов самарий-кобальт или неодим-железо-бор, вставленным вместо катушки электромагнита внутрь магнитопровода, который в этом случае должен иметь кольцевой воздушный зазор на внешней цилиндрической части для регулирования индукции магнитного поля в разрядной области путем изменения высоты этого зазора, например, при помощи ферромагнитного кольца, встроенного снаружи магнитопровода. При этом кольцевой магнит может быть вмонтирован в анод, что значительно уменьшает габаритные размеры ионного источника.In addition, to create a magnetic field in the ion source, a magnetic system can be used with a permanent ring magnet made, for example, from samarium-cobalt or neodymium-iron-boron alloys, inserted instead of an electromagnet coil inside the magnetic core, which in this case should have an annular air a gap on the outer cylindrical part for controlling the magnetic field induction in the discharge region by changing the height of this gap, for example, using a ferromagnetic ring built outside the magnetic circuit. In this case, the ring magnet can be mounted in the anode, which significantly reduces the overall dimensions of the ion source.

Наличие магнитного поля рассеяния, создаваемого электромагнитом ионного источника в разрядной камере электронной пушки, позволяет использовать его в качестве фокусирующего для формирования электронного пучка. При этом если разрядная камера электронной пушки заполнена плазмой с замагниченными электронами, совершающими замкнутый азимутальный дрейф, то силовые линии магнитного поля будут эквипотенциальными и может быть сформирована плазменная фокусирующая линза, эффективность которой значительно выше по сравнению с магнитной линзой, обычно применяемой для фокусировки пучков заряженных частиц.The presence of a magnetic stray field created by an electromagnet of an ion source in the discharge chamber of an electron gun makes it possible to use it as a focusing field for the formation of an electron beam. In this case, if the discharge chamber of the electron gun is filled with plasma with magnetized electrons performing a closed azimuthal drift, then the magnetic field lines will be equipotential and a plasma focusing lens can be formed, the efficiency of which is much higher compared to the magnetic lens usually used to focus charged particle beams. .

Совокупность указанных признаков обеспечивает: увеличение энергетической и газовой эффективности, повышение к.п.д. газоразрядной электронной пушки и ресурса ее работы при рациональном использовании рабочего газа и магнитного поля, расширяет функциональные возможности пушки за счет увеличения диапазона управления ее выходными параметрами и обеспечения ее полной управляемости.The combination of these features provides: an increase in energy and gas efficiency, an increase in efficiency. gas-discharge electron gun and its service life with the rational use of the working gas and magnetic field, expands the functionality of the gun by increasing the control range of its output parameters and ensuring its full controllability.

Сопоставительный анализ предлагаемой газоразрядной электронной пушки с устройствами подобного рода, известными из источников информации, и отсутствие описания аналогичного устройства позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».A comparative analysis of the proposed gas-discharge electron gun with devices of this kind, known from information sources, and the absence of a description of a similar device, allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty".

Заявляемое устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».The claimed device is characterized by a set of features that exhibit new qualities, which allows us to conclude that it meets the criterion of "inventive step".

На фигуре 1, поясняющей предлагаемое техническое решение, схематически изображена газоразрядная электронная пушка с элементами питания и управления.The figure 1, explaining the proposed technical solution, schematically shows a gas-discharge electron gun with batteries and controls.

Предлагаемая электронная пушка обладает аксиальной симметрией и содержит катодный и анодный узлы. Катодный узел состоит из охлаждаемого фокусирующего электрода 1 и катода 2 с вогнутой сферической рабочей поверхностью, изготовленного из материала, имеющего высокий коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии, подключаемого к отрицательному полюсу высоковольтного источника питания 11.The proposed electron gun has axial symmetry and contains cathode and anode nodes. The cathode assembly consists of a cooled focusing electrode 1 and a cathode 2 with a concave spherical working surface, made of a material having a high coefficient of secondary ion-electron emission, connected to the negative pole of a high-voltage power source 11.

Анодный узел является ионно-плазменным ускорителем с замкнутым дрейфом электронов и состоит из следующих составных частей:The anode unit is an ion-plasma accelerator with a closed electron drift and consists of the following components:

электромагнита, образованного кольцевым магнитопроводом 3 с цилиндрической катушкой 4, расположенной внутри магнитопровода;an electromagnet formed by an annular magnetic circuit 3 with a cylindrical coil 4 located inside the magnetic circuit;

вакуумно-плотного кольцевого полого изолятора 5, закрепленного в полости электромагнита;vacuum-tight annular hollow insulator 5 fixed in the cavity of the electromagnet;

кольцевого анода 6, установленного внутри полости изолятора 5 симметрично относительно средней плоскости электромагнита и подключенного через изолированный от магнитопровода 3 вакуумно-плотный электрический ввод к источнику электропитания 8, второй вывод которого подключен к заземленному магнитопроводу 3.an annular anode 6 installed inside the cavity of the insulator 5 symmetrically with respect to the middle plane of the electromagnet and connected through a vacuum-tight electrical input isolated from the magnetic circuit 3 to the power supply 8, the second output of which is connected to the grounded magnetic circuit 3.

Кольцевой магнитопровод электромагнита замкнут по внешней цилиндрической поверхности, и имеет радиальный кольцевой зазор на внутренней. Катушка электромагнита подключена к источнику питания 7. Для создания более однородного по азимуту потока газа, управляемого регулятором расхода газа 9, в торцевой стенке магнитопровода 3 имеется кольцевая газораспределительная камера С, связанная с рабочей камерой ионного источника В через узкую радиальную щель S, образованную внутренней торцевой стенкой магнитопровода 3 и изолятором 5.The annular magnetic circuit of the electromagnet is closed along the outer cylindrical surface, and has a radial annular gap on the inner one. The electromagnet coil is connected to a power source 7. To create a more azimuthally uniform gas flow controlled by a gas flow regulator 9, in the end wall of the magnetic circuit 3 there is an annular gas distribution chamber C connected to the working chamber of the ion source B through a narrow radial slot S formed by the inner end magnetic circuit wall 3 and insulator 5.

Катодный и анодный узлы вакуумно-плотно закреплены к торцам цилиндрического высоковольтного изолятора 10, в результате чего образуется газоразрядная камера А для формирования электронного пучка, эмитируемого с поверхности катода, который выводится в технологическую камеру через присоединенный к анодному узлу лучевод 12, снабженный фокусирующей 13 и отклоняющей 14 электромагнитными системами. Геометрические размеры лучевода и кольцевой щели ионно-плазменного ускорителя (источника ионов) обеспечивают при заданной производительности вакуумного насоса необходимый перепад давления между технологической камерой, газоразрядной камерой электронной пушки и ионно-плазменным ускорителем.The cathode and anode units are vacuum-tightly fixed to the ends of the cylindrical high-voltage insulator 10, as a result of which a gas-discharge chamber A is formed to form an electron beam emitted from the cathode surface, which is output to the process chamber through a beam guide 12 attached to the anode unit, equipped with a focusing 13 and deflecting 14 electromagnetic systems. The geometric dimensions of the beam guide and the annular slot of the ion-plasma accelerator (ion source) provide the necessary pressure difference between the process chamber, the gas-discharge chamber of the electron gun and the ion-plasma accelerator at a given vacuum pump performance.

Газоразрядная электронная пушка, представленная на фигуре 1, работает следующим образом. Сначала технологическая камера и газоразрядная пушка откачиваются вакуумными насосами до давления остаточного газа ~10^-4 Па. Затем включается источник высокого напряжения 11 и на катод пушки поступает напряжение отрицательной полярности относительно заземленных лучевода 12 и магнитопровода фокусирующей системы 13. При помощи системы подачи рабочего газа с управляемым регулятором расхода газа 9 в разрядной камере источника ионов, в зависимости от требуемой величины тока электронного пучка, создается давление P₁ в диапазоне 1-10^-2Па. Так как параметр Кнудсена К_н=λ/D>0.33, где λ ~ 1/Nσ - длина свободного пробега молекул газа, N и σ - их концентрация и сечение столкновений соответственно, а D - средний диаметр разрядной камеры, то в молекулярном режиме течения газа устанавливается его поток, в котором Р₁>Р₂>P₃, где Р₂ и Р₃ - давление в основной разрядной камере пушки и в технологической камере, соответственно. Используя закон сохранения потока газа и заданные величины производительности насоса S_H, расхода газа q и давления в технологической камере - Р₃ ≈ q/S_H - определяют оптимальное соотношение между P₁ и Р₂, которое необходимо для нормальной работы пушки при заданных геометрических параметрах газодинамической системы: диаметре d и длине

лучевода; ширине **а и высоте h кольцевой щели между источником ионов и газоразрядной камерой электронной пушки. Если Р₃<<Р₂, то:

, где К₁ и К₂ - коэффициенты Клаузинга для потоков газа в лучеводе и кольцевой щели [5]. При этом P₁ и Р₂ выбирают такими, чтобы разряд по Пашену без магнитного поля не зажигался во всем диапазоне рабочих напряжений электронной пушки и ионного источника.Gas-discharge electron gun, shown in figure 1, works as follows. First, the process chamber and the gas discharge gun are evacuated by vacuum pumps to a residual gas pressure of ~10 ^-4 Pa. Then the high-voltage source 11 is turned on and the cathode of the gun is supplied with a voltage of negative polarity relative to the grounded beam guide 12 and the magnetic circuit of the focusing system 13. Using the working gas supply system with a controlled gas flow regulator 9 in the discharge chamber of the ion source, depending on the required value of the electron beam current , creates a pressure P ₁ in the range of 1-10 ^-2 Pa. Since the Knudsen parameter K _n =λ/D>0.33, where λ ~ 1/Nσ is the mean free path of gas molecules, N and σ are their concentration and collision cross section, respectively, and D is the average diameter of the discharge chamber, then in the molecular flow regime gas, its flow is set, in which P ₁ >P ₂ >P ₃ , where P ₂ and P ₃ are the pressure in the main discharge chamber of the gun and in the process chamber, respectively. Using the law of conservation of gas flow and the given values of pump productivity S _H , gas flow rate q and pressure in the process chamber - Р ₃ ≈ q/S _H - determine the optimal ratio between P ₁ and Р ₂ , which is necessary for the normal operation of the gun with given geometric parameters gas dynamic system: diameter d and length

beam guide; width **a and height h of the annular gap between the ion source and the gas-discharge chamber of the electron gun. If R ₃ << R ₂ , then:

, where K ₁ and K ₂ are the Clausing coefficients for gas flows in the beam guide and the annular slot [5]. In this case, P ₁ and R ₂ are chosen such that the Paschen discharge without a magnetic field does not ignite in the entire range of operating voltages of the electron gun and ion source.

После того как установится необходимый поток газа включается источник питания электромагнита 7, создающего аксиально-симметричное магнитное поле B(r,z)=(B_r, 0, B_z), индукция которого должна быть больше некоторой минимальной величины B_zmin, необходимой для зажигания разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях в разрядной камере источника ионов. При этом зажигания самостоятельного разряда в основной разрядной камере электронной пушки происходить не должно. Величина B_zminопределяется из условия зажигания самостоятельного разряда Таунсенда и составляет в зависимости от вида газа, материала электродов и геометрии разрядного промежутка 0.02-0.03 Т. На фигуре 1 в качестве примера изображены силовые линии магнитного поля и распределение его индукции B_z(r) в средней плоскости электромагнита. Силовые линии магнитного поля имеют арочную конфигурацию, а величина B_z максимальна в зазоре между полюсами электромагнита и быстро уменьшается как в направлении к оси электронной пушки, так и к аноду источника ионов. Так как электроны источника ионов замагничены и совершают замкнутый дрейф в азимутальном направлении, то возникают условия фокусировки как ионного потока на выходе источника, так и электронного пучка.After the necessary gas flow is established, the power supply of the electromagnet 7 is turned on, creating an axially symmetrical magnetic field B(r,z)=(B _r , 0, B _z ), the induction of which must be greater than a certain minimum value B _zmin required for ignition discharge in crossed electric and magnetic fields in the discharge chamber of the ion source. In this case, ignition of a self-sustained discharge in the main discharge chamber of the electron gun should not occur. The value of B _zmin is determined from the condition of ignition of a self-sustained Townsend discharge and is 0.02-0.03 T depending on the _type of gas, the material of the electrodes and the geometry of the discharge gap. the middle plane of the electromagnet. The magnetic field lines have an arched configuration, and the _Bz value is maximum in the gap between the electromagnet poles and rapidly decreases both towards the electron gun axis and towards the ion source anode. Since the electrons of the ion source are magnetized and perform a closed drift in the azimuthal direction, conditions arise for focusing both the ion flux at the source output and the electron beam.

При включении источника питания 8 на анод ускорителя ионов подается напряжение U_A положительной полярности относительно заземленного магнитопровода электромагнита большее напряжения зажигания разряда U_З, которое в зависимости от вида газа и материала электродов составляет 200-500 В, и практически не зависит от давления газа и величины индукции магнитного поля при В>B_zmin. При этих условиях в разрядной камере происходит интенсивная ионизация газа электронами, совершающими замкнутый дрейф в азимутальном направлении. На анод они попадают только в результате диффузии поперек магнитного поля за счет столкновений. Ионы не испытывают действия магнитного поля и ускоряются электрическим полем слоя объемного заряда замагниченных электронов в направлении кольцевой щели между полюсами электромагнита. Их энергия на выходе ионного источника достигает 0.8eU_A, а плотность тока J_i зависит от анодного напряжения, индукции магнитного поля и давления газа: J_i=ν_iε₀B(2U_Aν_ie/ν₀m)^l/2, где е и m - заряд и масса электрона, ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, ν_i и ν₀ - частота ионизации и транспортная частота столкновений электронов с частицами газа [6]. Для характерных параметров разряда U_A~ 10³ В, ν_i/ν₀ ~ 0.1, В ~ 0.1 Т и ν_i ~ 6⋅10⁷ P₁ получаем оценку величины ионного тока I_i=J_i⋅F ~ 0.1 А при P₁ ~ 0.1 Па и F=πD⋅h ~ 20 см². Если предположить, что все ионы бомбардируют катод электронной пушки, вызывая ионно-электронную эмиссию, то электронный ток составит величину ~γ⋅I_i ~ 1А, где γ - коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии при кинетическом механизме выбивания электронов с поверхности. Например, для катода из алюминия и ионов водорода при энергии ~ 30 кэВ величина γ ~ 10. Таким образом, изменяя U_A, можно варьировать ток электронного пучка от 0 до максимального значения при фиксированном потенциале на катоде пушки. При этом диапазон изменения тока пучка задается расходом газа и величиной индукции магнитного поля. Кроме этого, ионы компенсируют объемный заряд электронного пучка, что приводит к его самофокусировке и увеличению первеанса пушки. Если расход газа достаточно большой, так что устанавливается давление P_1кр ~ 4⋅10^-15 (mν_i/Mν₀)^1/2(eB/m)l/<σ_iν_e>(Па) (здесь σ_i - сечение ионизации, ν_e - скорость электрона, a <σ_iν_e> - усреднение по функции распределения электронов), то имеет место квазинейтральный режим разряда в ионном источнике. Например, для аргона величина Р_1кр≈0.5Па, а для водорода - Р_1кр≈2.2 Па. В этом режиме вероятность ионизации близка к 1, так что наблюдается практически полное превращение потока нейтрального газа q в поток плазмы с плотностью ионного тока J_i ~ eNV/4, где N и V - концентрация и скорость частиц газа. В случае использования водорода плотность ионного тока может достигать 10А/см², но при этом выделяется большое количество энергии на аноде и полюсах электромагнита и требуется их эффективное охлаждение. Более экономичным может оказаться частотно-импульсный режим работы газоразрядной пушки. Для этого достаточно снабдить источник питания 8 соответствующим частотно-импульсным модулятором, а на катод электронной пушки по-прежнему подавать постоянное напряжение. Характерное минимальное время изменения тока электронного пучка определяется частотой ионизации и пролетным временем ионов до катода пушки и составляет величину порядка 10^-6 с. Это значительно расширяет функциональные возможности применения газоразрядных пушек в современных технологиях и в экспериментальной физике.When the power source 8 is turned on, a voltage U _A of positive polarity relative to the grounded magnetic circuit of the electromagnet is applied to the anode of the ion accelerator, which is greater than the ignition voltage of the discharge U _З , which, depending on the type of gas and the material of the electrodes, is 200-500 V, and practically does not depend on the gas pressure and the magnitude magnetic field induction at В>B _zmin . Under these conditions, intense ionization of the gas occurs in the discharge chamber by electrons that make a closed drift in the azimuthal direction. They reach the anode only as a result of diffusion across the magnetic field due to collisions. Ions do not experience the action of a magnetic field and are accelerated by the electric field of the space charge layer of magnetized electrons in the direction of the annular gap between the poles of the electromagnet. Their energy at the output of the ion source reaches 0.8eU _A , and the current density J _i depends on the anode voltage, magnetic field induction, and gas pressure: J _i =ν _i ε ₀ B(2U _A ν _i e/ν ₀ m) ^l/2 , where e and m are the charge and mass of the electron, ε ₀ is the vacuum permittivity, ν _i and ν ₀ are the ionization frequency and the transport frequency of collisions of electrons with gas particles [6]. For the characteristic parameters of the discharge U _A ~ 10 ³ V, ν _i /ν ₀ ~ 0.1, V ~ 0.1 T and ν _i ~ 6⋅10 ⁷ P ₁ we obtain an estimate of the ion current I _i =J _i ⋅F ~ 0.1 A at P ₁ ~ 0.1 Pa and F=πD⋅h ~ 20 ^cm2 . If we assume that all ions bombard the cathode of the electron gun, causing ion-electron emission, then the electron current will be ~γ⋅I _i ~ 1A, where γ is the secondary ion-electron emission coefficient for the kinetic mechanism of electron knockout from the surface. For example, for a cathode made of aluminum and hydrogen ions at an energy of ~ 30 keV, the value of γ ~ 10. Thus, by changing U _A , the electron beam current can be varied from 0 to the maximum value at a fixed potential at the gun cathode. In this case, the range of beam current variation is set by the gas flow rate and the value of the magnetic field induction. In addition, the ions compensate for the space charge of the electron beam, which leads to its self-focusing and an increase in the perveance of the gun. If the gas flow rate is large enough, so that the pressure P _1cr ~ 4⋅10 ^-15 (mν _i /Mν ₀ ) ^1/2( eB/m)l/<σ _i ν _e >(Pa) is established (here σ _i is the cross section ionization, ν _e is the electron velocity, a <σ _i ν _e > is averaging over the electron distribution function), then a quasi-neutral discharge mode in the ion source takes place. For example, for argon the value Р _1cr ≈0.5Pa, and for hydrogen - Р _1cr ≈2.2 Pa. In this regime, the ionization probability is close to 1, so that almost complete transformation of the neutral gas flow q into a plasma flow with an ion current density J _i ~ eNV/4 is observed, where N and V are the concentration and velocity of gas particles. If hydrogen is used, the ion current density can reach 10 A/ ^cm2 , but a large amount of energy is released at the anode and electromagnet poles, and their effective cooling is required. The frequency-pulse mode of operation of the gas-discharge gun may turn out to be more economical. To do this, it is sufficient to supply the power source 8 with an appropriate frequency-pulse modulator, and continue to apply a constant voltage to the cathode of the electron gun. The characteristic minimum time for changing the electron beam current is determined by the ionization frequency and the time of flight of the ions to the gun cathode and is about 10 ^-6 s. This significantly expands the functionality of gas discharge guns in modern technologies and in experimental physics.

Изготовлен экспериментальный образец описанной выше электронной пушки и проведены ее предварительные испытания. В результате установлено, что при ускоряющем напряжении -30 кВ и давлении водорода 0.1 Па в ионном источнике зажигается разряд при В ~0.03Т, U_A=1 кВ и I_A=0.1 А, а ток электронного пучка I_пдостигает 2 А. Наблюдается полное управление величиной тока пучка при изменении I_A и индукции магнитного поля В. Причем ток пучка полностью прекращается при погасании разряда в ионном источнике при B<B_zmin или U_A<U_З.An experimental sample of the electron gun described above was made and its preliminary tests were carried out. As a result, it was found that at an accelerating voltage of -30 kV and a hydrogen pressure of 0.1 Pa, a discharge is ignited in the ion source at V ~ 0.03 T, U _A = 1 kV and I _A = 0.1 A, and the electron beam current I _p reaches 2 A. Observed complete control of the beam current with a change in I _A and magnetic field induction B. Moreover, the beam current completely stops when the discharge in the ion source is extinguished at B<B _zmin or U _A <U _W .

Источники информацииInformation sources

1. Патент US 4,707,637. Plasma-Anod Electron Gun / R.J. Harvey, Nov. 17, 1987.1. US Patent 4,707,637. Plasma-Anod Electron Gun / R.J. Harvey, Nov. 17, 1987.

2. A.C. СССР №356977. Способ управления газоразрядной электронно-лучевой установкой / Я.Я. Удрис, В.А. Чернов. - 15.11.1982. Бюл. №42.2.A.C. USSR No. 356977. Method for controlling a gas-discharge electron-beam installation / Ya.Ya. Udris, V.A. Chernov. - 11/15/1982. Bull. No. 42.

3. Мельник В.И., Новиков А.А. Газоразрядные источники электронов с прианодной плазмой и применение их в электронно-лучевой технологии. - Электронная обработка материалов, 1973, №1, с. 22.3. Melnik V.I., Novikov A.A. Gas-discharge sources of electrons with near-anode plasma and their application in electron-beam technology. - Electronic processing of materials, 1973, No. 1, p. 22.

4. Патент UA 60377 С2, МПК: H01J 3/04, 37/00. Газоразрядный электронный прожектор и способ управления прожектором / ЗАО «ГЕКОНТ», UA. Опубл. 15.10.2003.4. Patent UA 60377 C2, IPC: H01J 3/04, 37/00. Gas-discharge electronic searchlight and a method for controlling the searchlight / CJSC "GEKONT", UA. Published October 15, 2003.

5. Вакуумная техника: Справочник / Е.С.Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова и др.: Под общ. ред. Е.С.Фролова, В.Е. Минайчева. - М.: Машиностроение, 1992. - 480 с.: ил.5. Vacuum technology: a Handbook / E.S. Frolov, V.E. Minaichev, A.T. Aleksandrova et al.: Pod gen. ed. E.S. Frolova, V.E. Minaichev. - M.: Mashinostroenie, 1992. - 480 p.: ill.

6. Плазменные ускорители и ионные инжекторы. М.: Наука,1984, с. 82-138.6. Plasma accelerators and ion injectors. M.: Nauka, 1984, p. 82-138.

Claims

1. A gas-discharge electron gun designed to produce an axial electron beam, consisting of a cathode assembly, a control electrode and an anode assembly, which are made as electrodes of a magnetron discharge system connected to power supplies, characterized in that it is equipped with an additional annular discharge chamber, which is built-in between the poles of the electromagnet, so that an annular gap is formed between the additional and main chambers of the electron gun, and inside the additional chamber there is a discharge system of a plasma ion accelerator with a closed electron drift, formed by an annular anode installed inside a vacuum-tight insulator, and the poles of an electromagnet as a cathode, which forms a radially converging flow of ions into the main chamber of the electron gun, deflected towards the cathode, which is under a high negative potential, which causes a secondary emission of electrons that form an electron beam passing through the beam guide, equipped with focusing and deflecting electromagnetic systems, and the working gas is fed into the chamber ionically -plasma accelerator through the gas distribution system.

2. The gas-discharge electron gun according to claim 1, characterized in that the end wall of the magnetic circuit of the electromagnet has an annular gas distribution chamber connected to the working chamber of the ion source through a narrow radial slot formed by the inner end wall of the magnetic circuit and the insulator.

3. Gas-discharge electron gun according to claim 1, characterized in that to create a magnetic field in the ion source, a magnetic system is used with a permanent ring magnet made, for example, from samarium-cobalt or neodymium-iron-boron alloys and inserted instead of an electromagnet coil inside magnetic circuit, which has an annular air gap on the outer cylindrical part, and the regulation of the magnitude of the magnetic field induction in the discharge region is carried out by changing the height of this gap using a ferromagnetic ring built outside the magnetic circuit, while the ring magnet can be mounted in the anode, which significantly reduces the overall dimensions ion source.

4. Gas-discharge electron gun according to claim 1, characterized in that the stray magnetic field is used as a focusing field for the formation of an electron beam.