TW201403648A - 用於產生帶電粒子束之電漿源裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

揭示一種用於產生帶電粒子束之電漿源裝置。該裝置包括：電漿腔，設置有用於氣體進入的入口以及用於自該電漿腔提取帶電粒子的開孔；用於在該電漿腔中產生電漿之射頻(RF)電漿產生單元，該射頻電漿產生單元包括第一和第二共振電路，各該第一和第二共振電路被調頻以在實質相同的共振頻率共振，該第一共振電路包括第一天線和適用於驅動該第一共振電路實質在其共振頻率之第一RF電源，且該第二共振電路包括第二天線，從而於使用時藉由該第一共振電路由於共振耦合而在該第二天線中感應出RF訊號，該第二共振電路組構成施加該感應RF訊號至該電漿腔以於其中產生電漿；以及用於自該電漿提取帶電粒子並加速該帶電粒子以形成一束之粒子加速單元，該粒子加速單元包括組構成在該電漿腔與加速電極之間施加電位之第二電源，該電漿腔與該加速電極之間的區域構成加速管。該第二電源適用於輸出相對於該第一RF電源所輸出的電壓為高的電壓。

Description

用於產生帶電粒子束之電漿源裝置及方法
本發明係關於產生帶電粒子束(如電子或離 子)之電漿源裝置及產生方法。帶電粒子束的使用包含材料加工程序，例如，焊接、添加物層的製造、及鑽孔、切割、固化、熔化、汽化或其他處理，藉此，可使用所述光束來改質或處理材料或工件。
大多數被用來作為焊接儀器的電子槍以及 用於相似程序的工具使用了熱離子發射器作為他們的電子來源。用於此類型的發射器，加熱一種耐熱金屬至電子可脫離其表面並被所施加電場加速之溫度。這種設計有一些內在問題。例如，陰極的尺寸是非常關鍵的，因為當它變熱時，它會歪曲和汽化以至於改變其尺寸。此外，所述陰極的使用期限可能為短的(例如，在工業應用設備上6小時焊接時間)且維護成本可能是高的。另外，於陰極的使用期限中，所述光束的品質可能有變化，因而需重新調整焊接參數以改變焊接效能。再者，如果所述槍為真空且陰極因離子轟擊而加速耗損，其中，該些離子是源自焊接工具及 真空中的殘留氣體，則陰極的使用期限會縮短。熱離子發射器的另一變化為回轟(back bombardment)設備，其中，熱陰極安排為發射電子至一目標上，從該目標上發射出主要帶電粒子束。一個例子，例如第WO-A-94/13006號專利案所給出的設備。
熱離子發射器的替代物包含光陰極、冷發 射或電漿源。於電漿源的案例中，將如氦氣、氬氣或空氣之氣體離子化以形成電漿，且從該電漿中取得帶電粒子(電子或離子)並加速該帶電粒子以形成束(beam)。因為所述粒子係源自於離子化氣體，並無熱金屬陰極，因此，電漿源的操作和維持相較於熱離子發射器較簡易。再者，電漿源對於在使用時進入裝置的氣體和蒸氣相對反應較不敏感。 然而，由於電漿源的緩慢反應時間以及複雜的電源需求之困難，電漿源的採用並不普遍，其中，電漿源的緩慢反應時間限制可達到的最短束脈衝期間。
例如，斯托木斯克國立無線電子與控制系統大學(Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics；TUSUR)已設計並製作出在高達60kV加速電位及12kW功率下運作之電漿陰極電子槍。在2011年出版的「焊接與切割(Welding and Cutting)」第11卷第2期第22頁中，N.Rempe等人所發表之「Electron-beam facilities based on plasma-cathode guns」描述了一些例子。電漿係由施加的直流激發所產生，例如使用空心陰極低電壓反射放電技術(hollow-cathode low-voltage reflected discharge technique)，其中，在電漿腔中，陰極及介於其中的陽極的每一者之間建立有電位。為了使帶電粒子能加速離開具有充足能量的電漿，低電壓的放電必須執行於適合加速的高電壓(例如-60kV)。因此，預定的高電壓電力供應需用於提供所述電漿激發和所述加速電壓。由於適合處理和操作高電壓的構件之大尺寸，此為複雜、昂貴且又體積龐大。
這樣的電漿陰極電子槍之其他缺點為，由 於電纜與電漿腔的電容必須充電和放電，因此，直流電漿激發電力供應供應不易設計成具有快速旋轉率。此導致各束脈衝及改變束功率的最短時間，習慣上至少35微秒。此並非所需的，因為許多材料加工應用需要對粒子束有較大的控制。對抗此問題之方法為在電漿源之前增加柵電極(“三極體電子槍(triode gun)”的配置)。所述柵電極控制電漿表面的電場強度，從而控制電子發射，且其電位可被控制及相對快速地調整。此可用於達到脈衝光束輸出同時連續產生電漿本身。然而，當他們擁有異常電子(aberrant electron)的光學特性，柵電極一般會降低光束的特性。此外，使用柵電極使得槍結構、電力提供及控制系統複雜化。
在2000年出版的「Review of Scientific Instruments」之第71期第388-298頁中，Goebel與Watkins之「High current,low pressure plasma cathode electron gun」一文揭露了電漿源的另一範例。在此，來自於非常低壓的穩定氣體之內的熱燈絲之電子的熱離子發射係產生電漿。 然而，這遭遇到與為了對使所需燈絲有電壓以觸發電漿放電之所需的最短時間以及複雜電力供應電路之相同問題。此外，熱燈絲的使用導致上述標準熱離子發射器的缺點。
根據本發明，提供一種用於產生帶電粒子束之電漿源裝置，該裝置包括：電漿腔，具有用於氣體進入之入口以及用於自該電漿腔提取出帶電粒子之開孔；射頻(RF)電漿產生單元，用於在該電漿腔之內產生電漿，該射頻電漿產生單元包括各自被調頻在實質相同的共振頻率共振之第一和第二共振電路，該第一共振電路包括第一天線及適用於驅動該第一共振電路實質上在其共振頻率上之第一RF電源，且該第二共振電路包括第二天線，從而藉由該第一共振電路由於共振耦合而在該第二天線中感應出RF訊號，該第二共振電路係組構成施加該感應的RF訊號至該電漿腔以在其中產生電漿；以及粒子加速單元，用於從該電漿提取出帶電粒子並加速該帶電粒子以形成粒子束，該粒子加速單元包括組構成在該電漿腔與加速電極之間施加電位之第二電源，該電漿腔與該加速電極之間的區域係構成加速管(column)；其中，該第二電源適用於輸出相對於該第一RF電源所輸出者之高電壓。
本發明復提供一種產生帶電粒子束之方法，包括： 准許氣體進入電漿腔，該電漿腔具有用於氣體進入之入口以及自該電漿腔提取出帶電粒子之開孔； 使用射頻(RF)電漿產生單元在該電漿腔之內產生電漿，該射頻(RF)電漿產生單元包括各自被調頻在實質相同的共振頻率共振之第一和第二共振電路，該第一和第二共振電路分別包括第一和第二天線，藉由使用第一RF電源驅動該第一共振電路實質在其共振頻率，使得該第一共振電路由於共振耦合而在該第二天線中感應出RF訊號，該第二共振電路適用於施加該感應的RF訊號至該電漿腔以在其中產生電漿；以及 使用第二電源在該電壓腔與加速電極之間施加電位，以自該電漿提取帶電粒子並加速該帶電粒子以形成粒子束，該電壓腔與該加速電極之間的區域係構成加速管(column)； 其中，該第二電源的電壓係相對高於該第一RF電源所輸出的電壓。
藉由使用RF激發產生電漿，相較於直流電漿可非常快速地改變電漿參數(包含電漿的點火(ignition)和消光(extinction))，這是因為儲存於電路中的能量天生較低，以及因為可藉由控制器以已知的方法隨時調變訊號。因此，可快速地開啟和關閉電漿，例如小於1微秒。這樣時間尺度的束脈衝在焊接、加工和其他程序期間非常有益於控制熱的輸入。如此短的反應時間亦有益於如束功率的變化之其他程序控制步驟(例如通過調變振幅)，例如，其 可用於在使用光柵產生工件的電子影像(以下進一步描述)。由於電漿本身可控制在如此短的時間尺度，故無須柵電極而使得所述源可執行為二極體槍配置，從而達到高完整性的粒子束。
所揭露之裝置和方法另排除了預定高壓電 源之事先需求，如果需要提供高壓RF(較直流為高)，其複雜性將會增加。替代地，雖然使用該第一和第二共振電路，該RF激發係由該電漿腔所感應耦合之相對低電壓(第一)電源來驅動。因此，此第一RF電源可為現成、習知的RF供電，例如市售的低功率(例如50W)RF產生器。這樣的構件相對不貴且相當小巧。同時，由分離的第二電源提供加速粒子所需的高電壓，該第二電源係在該電漿腔與加速電極之間施壓電位。因為僅需單一的(傳統上為直流)高電壓輸出，此大可藉由習知、現成的高電壓電源來達成。由於在該第一和第二共振電路之間耦合的感應特性，該高電壓係與該第一電壓第一電源分離。因此，該第一共振電路可操作在接近接地電位。
從頭到尾，所揭示的配置可利用兩個習知 電源，從而相較於需要專門、定制的電源供應之先前設計，減少了成本和複雜度。
需注意的是，由該第一和第二電源輸出的 電壓之參考為「高」或「低」指得是電壓的絕對大小而非他們的符號(+/-)。
所揭露之裝置和方法的另一個益處為，該 兩個電源與罩住電漿腔和加速管的設備之間的物理連結，相較於其他粒子束源可以由更有可撓性的電纜形成。這增進了粒子束槍的可移動性，此對於腔內槍與滑動密封腔而言尤其重要。由於排除了一個以上的HV線路是從一個HV電源輸出之多核HV電纜的需求，因而提升了增進的可撓性。於所揭露之裝置中，可使用單一核心(及因而高可撓性的)電纜來容置由該第二(HV)電源橫跨該加速管所提供之電位，並可使用一個獨立單一的RF同軸電纜以從該第一(低電壓)電源產生電漿。因此，無須大直徑、龐大多核HV電纜。
如上所述，第一和第二共振電路之間的感 應耦合將第一電源與高加速電壓絕緣。可以多種方法達到在兩個電路之間電子絕緣，然而，於較佳的範例中，藉由槍真空，至少部分達成絕緣(當在習知設備中時，使用時將該加速管抽真空，以允許帶電粒子束的形成)。於較佳實施例中，至少該電漿腔、加速管和第二天線配置於外殼中，該裝置復包括用於將該外殼抽真空之幫浦，使得於使用時，該第二天線與第一天線實質上電性絕緣。該第一天線可配置於該外殼之外並與該第二天線遠程耦合功率。於此例中，該外殼為非導電的且本身可傾向於電性絕緣。
然而，於具體較佳實施例，至少該電漿腔、 加速管及第一和第二天線配置在外殼中，該裝置復包括用於將該外殼抽真空之幫浦，使得於使用時，該第一和第二天線實質上彼此電性絕緣。在此方法中，該第一和第二天 線基本上形成了真空芯變壓器的主和次線圈(其可能有或沒有任何增益)。藉由在該外殼中設置兩個天線，可達成特別小型的安排，且所述天線可相對於另一者固定配置，從而優化功率轉換。較佳地，將一天線配置於另一天線中，兩個天線共用一個共同的縱軸。
由於在故障的情形下將不會對該絕緣體有 傷害，因此，使用槍真空來絕緣天線是有利的，且對於加速管而言給予真空的設置是必要的，使用它亦提供電性絕緣而避免其他額外構件的需求。然而，於替代實施時，可在第一和第二天線之間設置電性絕緣材料，較佳為陶瓷或聚合物，以使天線彼此絕緣。例如，可使用環氧樹脂或油脂。
第一RF電源為有利地低電壓源且較佳適用 於輸出具有高達300W的功率振幅之訊號，更佳為高達100W，高達50W仍佳。因此，一個現成的RF產生器可與標準同軸電纜連接器一起使用。於具體的較佳實施例中，第一天線的一端在第一共振電路中為接地電位。例如，天線的一端可實體接觸到槍管壁而接地。然而，將天線接地並非為必要的。
較佳地，該裝置復包括控制器，用於調變 由該第一電源輸出之該RF訊號。此可用於透過合適的RF調變，以一個快速的反應時間來切換電漿的開或關，或用於改變粒子束的功率，例如，經由RF振幅的調變。於較佳範例中，該控制器進一步適用於將該RF訊號的振幅控 制在第一振幅和第二振幅之間，在第一振幅所產生的束之功率適用於材料加工，而在第二振幅所產生的粒子束之功率適用於工件的成像，該第一振幅係大於該第二振幅。
有益地，第二電源適用於輸出直流訊號， 其電壓大小範圍係10kV至200kV，較佳為25kV至175kV，60kV至150kV仍佳。輸出電壓將決定帶電粒子離開電漿腔的加速度，因而將依據任何特殊應用所需的粒子束能量來選擇輸出電壓的大小。凡要被提取的帶電粒子為電子，為了從電漿加速電子，通常會將第二電源安排為施加負高電壓(例如-60kV)至電漿腔而加速電極將為接地，從而自電漿腔至加速電極表現出正的電性梯度。
第二電源可有益地為脈衝電源，較佳適用 於輸出持續時間為10微秒或更少之功率脈衝。每一功率脈衝對一個短暫的加速電位的給予一個上升因而一個帶電粒子束的脈衝。此種控制的方法可用來作為替代的或附加的RF供電的調變。
較佳地，第二電源的電壓(大小)大於第一 RF電源的電壓至少100倍，較佳至少1000倍。該第二電源較佳為直流電源。
有利地，各該第一和第二共振電路包括串 聯或並聯的LC或RLC電路(L=電感、C=電容、R=電阻),該第一和第二天線分別形成該第一和第二共振電路的電感器。於具體較佳實施例中，第二共振電路包括直接耦合橫跨該第二天線之電容器。
該第一及/或第二天線可採取任何合適的形 式，包含多核心、方型或其他形狀的迴路、或線性元件，根據需要以達到所需電感值。然而於較佳實作中，該第一及/或第二天線包括單匝(single turn)。例如，第二天線可包括具有徑向間隙之銅或鋁的天線，其中一電容器可耦合橫跨該徑向間隙以形成LC組合。
耦合於該第一和第二共振電路之間的電感 可能不會導致感應電壓(或電流)的任何步進(stepping)(上或下)，相對於第一電源所輸出的電壓。然而，取決於電漿腔如何與第二共振電路耦合，可能需要相應地調整訊號參數。例如，如果安排電路直接施加感應訊號予電漿，則需要較高的電壓，且因此較佳地，第二共振電路具有足夠高的品質(Q)因子，使得感應RF訊號的電壓高於第一RF電源所輸出的電壓。例如，感應RF訊號的電壓的振幅可在1kV和10kV之間，較佳在1kV和5kV之間。然而，若電路組構成在該腔之內感應出電漿(例如經由設置一個環繞該腔的線圈)，則需要一個大電流，在此例中，選擇電路構件以提供高的第二電流。於較佳實施例中，第二共振電路的Q因子至少為500，較佳至少為750。此可經由電路設計和選擇電路合適的L、C(及R)值來組構而成。根據標準技術，第一共振電路較佳地將與第一RF電源在共振頻率上阻抗匹配，該標準技術本身將導致第一電路的高Q因子。
經由構件的合適選擇，第一和第二共振電 路可組構為在任何對應於第一RF電源的頻率上共振。然 而，於較佳實施例中，選擇第一和第二共振電路之電感和電容，使得各個共振電路具有範圍在1MHz至160MHz之共振頻率，較佳為27MHz至100MHz，最佳約為84MHz。
正如已經提及的，該感應RF訊號可以多種 方式耦合至電漿腔。於較佳實施例中，第二共振電路係組構為施加該感應RF訊號橫跨電漿腔在電極之間接觸該腔的內部，該電極較佳地由定義電漿腔的壁的導電部來形成，由其絕緣部分隔。於具體較佳實作中，該電漿腔係由絕緣材料所形成之側壁、導電材料所形成並定義用於氣體進入內部的入口之上壁、以及導電材料所形成並定義用於在內部提取帶電粒子之開孔之隔板所定義，該第二共振電路適用於在該上壁與該隔板之間施加該感應RF訊號。因此，該電漿腔形成了第二共振電路的整體部分，且較佳地該絕緣材料包括電介質(例如氮化硼或氧化鋁陶瓷)，使得電漿腔提供了第二共振電路的電容。於此例中，當調頻電路時將會考慮到腔本身的電容。當電漿在該腔之內點燃時，第二電路的負載將增加而此將降低電路的Q因子，降低電漿電壓但有更多可用於維持電壓的電流。
於替代的實作中，第二共振電路可組構為 透過配置成環繞電漿腔的感應線圈施加感應RF訊號橫跨電漿腔。於這樣的例子中，腔壁較佳為非導電或至少在任何導電殼上有裂縫以避免感應出渦電流，否則該渦電流會抵消感應線圈的磁場。
較佳地，粒子加速單元係適用於施加加速 電壓在隔板和加速電壓之間，其中該隔板由導電材料所形成並定義有用於提取帶電粒子的開孔，從而構成二極體加速器。如上所述，此種配置產生高完整性的粒子束。然而，如果需要對粒子束額外的控制，該裝置可復包括位於該隔板與該加速電極之間的加速管內之柵電極、以及用於施加柵電壓至柵電極以調整粒子束之模組，從而構成三極體加速器。
正如已指出的，該裝置可用於形成任何類 型的帶電粒子束，包含(正)離子。然而，較佳地，自電漿所提取的帶電粒子為電子而該加速電極為陽極，較佳或大致接地電位。
有利地，該裝置復包括在電漿腔中限制電 漿之磁阱組件。藉由增加粒子間碰撞的碰撞次數來增強電漿，從而增進所產生的粒子束的強度。於較佳範例中，該磁阱組件包括一個或多個配置在電漿腔的徑向周圍之永久磁鐵或電磁鐵，用於產生電漿腔內的軸向磁場。例如，該(些)磁鐵可組構為形成潘寧阱(Penning trap)。電磁安排的使用提供了一個額外的好處，因為可很容易地開啟和關閉電磁的電力供應(亦即，習知的第三電源)，從而提供額外的方式去控制電漿。例如，透過控制電漿強度，可使用電磁以達到短束脈衝的發射。較佳地，該磁場具有大約為0.01至0.1特斯拉之磁場強度。
可影響最短束脈衝持續時間的另一因子為 電漿的壽命。在大氣壓力下的空氣中，由於離子化的粒子 會快速地與周遭的氣體分子再組合，電漿將僅存在非常短的時間(例如20ns)。然而，在真空(或非常低壓的環境)中，如在電漿腔中，電漿壽命將增加至數毫秒。此導致在關閉RF供電(或降低電漿強度)與電漿的實際消光(並因而發射粒子束)之間有延遲，可達到施加限制在最小脈衝持續時間上。較佳地，藉由確認電漿的離子往往會撞擊腔壁，利用電漿腔的壁來維持電漿壽命至最小值，因此迅速喪失他們的電荷並使電漿消光，如果激發已停止。藉由將腔的直徑(亦即，它的平均橫向尺寸；對於圓形的腔並非必要)安排為小於離子的平均路徑長度，可達到如此。
離子路徑長度取決於氣體的類型(由於較重 氣體類型有較大的動量，因而相較於較輕氣體係傾向於沿直線軌跡行走，儘管由磁場施加了羅倫茲力)及磁場大小(其會影響羅倫茲力)。例如，所使用的氣體為氦氣而磁場具有約在0.01至0.1T的磁場強度時，發現電漿腔直徑約在2至3mm可協助減少電漿壽命。更一般而言，電漿腔較佳地具有12mm或更小的直徑，較佳在1至5mm之間，更佳在2至3mm之間。這樣的尺寸亦可提供與使用較重氣體及/或磁場強度減弱時相同的好處，因為兩者皆傾向於增加離子的路徑長度。若在另一方面，減少路徑長度，則較小腔尺寸可能是適當的。
較佳地，選擇氣體類型、電漿腔的尺寸及 磁場強度(若有施加)之組合，使得一旦RF激發停止，該腔內的電漿壽命少於10微秒，小於1微秒仍佳。
用於提取帶電粒子之開孔較佳地係定義在 隔板中，該隔板包括強磁性材料，較佳為鋼或軟鐵。此使得加速管能篩選任何在電漿腔中建立的磁場，否則將影響粒子束的外型。
開孔的尺寸是重要的，因為基本上沒有氣 體或電漿到達該加速管是重要的，因為這樣可能導致電漿腔與加速電極之間的放電。適當的開孔尺寸取決於使用的氣體和電漿參數，但在較佳範例中，用於提取帶電粒子的開孔具有2mm或更小的直徑，較佳在0.1至1mm之間，更佳約為0.5mm。
使用任何適當的氣流系統可達到氣體進入 電漿腔，但於較佳實作中，用於氣體進入的入口包括用於控制氣體進入電漿腔的閥，較佳為針閥。這樣的配置允許穩定的低流量氣體進入電漿腔。使用期間，粒子會從電漿腔經該開孔洩漏，此外，同時可從該腔提取出帶電粒子。 因此，較佳地安排經過該入口的品質流速及開孔以使腔壓維持大體上恆定。於替代實作中，可自有定期更換的本地氣體儲存槽提供氣體制電漿腔。可利用閥，例如針閥或類似物，控制從氣體儲存槽流出氣體。例如，該儲存槽可為壓縮氣體鋼瓶或氣體飽和用具。
根據本發明，電漿源特別適用於材料加工 應用，其中藉由帶電粒子束的應用來修改工件或材料(包含氣體材料)。因此，本發明進一步提供包括上述之電漿源的材料加工工具。
於特別的範例中，該工具為：˙電子束焊接工具，帶電粒子束適用於材料的焊接；˙附加層製造工具，帶電粒子束適用於粉狀材料之處理，較佳為其熔解之處理；˙鑽孔工具，帶電粒子束適用於鑽孔工件；˙固化工具，帶電粒子束適用於固化工件；˙切割工具，帶電粒子束適用於切割材料；˙熔化或汽化工具，帶電粒子束適用於熔化及/或汽化材料；˙氣體處理工具，帶電粒子束適用於氣體物質的處理，較佳為燃燒煙霧；或˙消毒工具，帶電粒子束適用於固體或氣體的消毒。
本發明進一步提供產生帶電粒子束之對應方法，結合了上述任何特徵。所述方法可類似於使用材料的材料加工方法，因此本發明亦提供一種使用上述產生的帶電粒子束來修改工件之方法。帶電粒子束可用來(其中包括)：˙焊接工件；˙融解工件，其中該工件包括粉狀材料；˙鑽孔工件；˙固化工件；˙切割工件；˙熔化及/或汽化工件；˙處理氣體工件，較佳為燃燒煙霧；或 ˙消毒固體或液體。
於其他範例中，可利用輕易改變粒子束參數的能力而在修改或處理過程中成像工件。較佳地，一種使用上述產生的帶電粒子束來修改工件之過程中成像該工件之方法，包括，以任意順序：使用帶電粒子束以修改該工件；以及使用帶電粒子束以成像該工件
其中，在兩個步驟之間，RF訊號的振幅係在第一振幅和第二振幅之間調變，在該第一振幅所產生的粒子束功率適用於修改該工件，在該第二振幅所產生的粒子束功率適用於成像該工件，反之亦然，該第一振幅係大於該第二振幅。
1‧‧‧電子槍管
2‧‧‧電漿腔
2a‧‧‧絕緣材料
4‧‧‧中空電極
6‧‧‧入口
8‧‧‧隔板
8a‧‧‧開孔
9‧‧‧源區
10‧‧‧加速電極
10a‧‧‧開孔
11‧‧‧加速管
12‧‧‧磁鐵
15‧‧‧外殼
16‧‧‧幫浦
21‧‧‧第一電路
22‧‧‧RF電源
22a‧‧‧控制器
23‧‧‧第一天線
24‧‧‧電感器
25‧‧‧電容器
26‧‧‧第二共振電路
27‧‧‧第二天線
27a‧‧‧另一端
27b‧‧‧一端
28‧‧‧電容器
29‧‧‧螺紋構件
30‧‧‧加速電路
31‧‧‧第二電源
32‧‧‧成型電極
33‧‧‧元件
B‧‧‧箭號
G‧‧‧氣體
h‧‧‧高度
i、ii、iii‧‧‧線
P‧‧‧帶電粒子束
W‧‧‧工件
現請參考附圖說明電漿源裝置及產生帶電粒子束的方法之範例，其為：第1圖係根據第一實施例概略繪示帶電粒子束產生裝置的選擇構件；第2圖係為說明帶電粒子束裝置的第二實施例之電路圖；以及第3圖係為根據第三實施例的穿過電粒子束產生裝置之截面示意圖。
以下主要著重於帶電粒子束產生裝置及方法之範例，其中，形成該束的該帶電粒子為電子且因此該 設備一般可稱之為電子槍。然而，可理解的是，藉由逆轉該加速管的極性，所揭露的裝置和方法可輕易適用於產生正離子束。
第1圖顯示於本發明的第一實施例中，形成 部分裝置之用於產生帶電粒子束的電子槍管1。該槍管包含產生帶電粒子的源區9以及自該源區9提取帶電粒子以形成粒子束之加速管11。例如，為了焊接、熔接或其他方式修改材料，可使用該帶電粒子束P導引至工件W。
該源區9包括電漿腔2，氣體G被允許經入 口6進入該電漿腔2，在此包括配置在中空電極4中的針閥。該中空電極4定義電漿腔2的一側，且具有至少一開孔8a的隔板8定義了相對側，其中可自該電漿腔2經由該開孔8a提取帶電粒子。於此範例中，該中空電極4和隔板8係由導電材料(通常為金屬)所形成，且由形成在該電漿腔的側壁之絕緣材料2a(例如氮化硼或鋁)彼此隔離。該中空電極4、絕緣體2a及隔板8係一般所謂之“中空陰極”(假設該源是用於發射電子而非正離子)。
以下將詳細說明，為了在腔2中產生電漿， 允許低壓氣體(例如氦氣、氬氣或空氣)經由入口6進入該腔之中。一般而言，輸送穩壓(例如1bar)氣體至該槍而該針閥或其他控制設備限制氣流，以至於在該腔中建立適當的低壓(例如1mbar)。因為氣體自該電漿腔經該開孔8a洩漏至該加速管係以基本上與經該針閥同樣的品質流速，故該電漿腔2中的氣壓是穩定的。在線(i)和(ii)上施加射頻率 (RF)功率訊號至該腔，亦即在該中空電極4與該隔板8之間。該RF訊號激發並離子化該腔2中的氣體，產生離子和電子之電漿。
於該加速管11中，分別在線(ii)和(iii)上施 加高加速電壓在該隔板8與加速電極10之間，與該電漿腔相隔。為了形成電子束，將該加速電極設置在相對於該隔板8之強正電位。經開孔8a自該電漿提取電子，加速使其朝向該加速電極10並通過開孔10a，其中以形成束P。可以已知的方式在該電漿腔與該加速電極之間及/或該加速電極與該工件區域之間設置其他束成型儀器，例如磁透鏡配備及/或成型電極，以調整所產生的束之外型。
該電漿腔2和加速管係配置在外殼15內， 為了透過大氣中的氣體使帶電粒子束不被中斷，該外殼15使用幫浦16(例如渦輪分子幫浦)來抽真空至通常小於5×10-4mbar之低壓。
選擇性但為最佳地，在電漿腔2的周圍配置 環狀磁鐵12，其將該電漿磁性限制於該腔之內。例如，該磁鐵12可組構為潘寧阱(Penning trap)，從而在該電漿腔中建立軸向(箭號B所示)磁場。該軸向場對移動中的帶電粒子產生羅倫茲力，使他們跟隨曲線軌跡並因此將該粒子侷限於該腔之內。此亦導致粒子之間的碰撞次數增加，從而增強其強度。該磁鐵12可為永久磁鐵或電磁鐵。
第2圖顯示根據第二實施例之帶電粒子束 裝置的概略電路圖。此包含電子槍管1，其功能上相同於 第1圖描述者，因而相同的構件使用相同的元件符號，不再贅述。於此例中，該磁鐵12係位在形成該電漿腔壁的材料之正上方，而非在其周圍。
藉由包括電路21和26之電漿產生單元提供 電力至該電漿腔。該電路21和26為共振電路，於此例中，其組構為並聯LC電路，藉由適當選擇他們的電感及電容值，可調頻至與另一者共振在實質相同的共振頻率。
該第一共振電路21包括RF電源22，其輸 出係設置橫跨第一天線23。設置一(最好是變量)電容器並聯橫跨提供電感之第一天線，從而形成LC共振器。透過選擇該電感和電容值，將該電路調至實質共振在該源22輸出的訊號之頻率上。選擇性但為較佳地，可設置匹配電感器24以協助匹配該天線23的阻抗至該電源22。於較佳範例中，該電源輸出一個大約84MHz的訊號且調頻該第一電路21以共振在那頻率上，儘管在其他例子中可使用不同頻率(例如27MHz、49MHz)的源作為替代，其中，該電路是適當調頻的。於較佳範例中，該匹配電感器24的電感可大約為600nH，該天線23的電感可大約為235nH而該電容器25的電容大約為15pF。然而，其他設定值可用於構件上以達到所需的調頻。
該第一電源22較佳操作在接近接地電位且 於大多數較佳實施例中，該天線23的一端接地，例如透過實體接觸該槍殼。該第一電源輸出的電壓大小之較佳範圍係在+/-15V至+/-3kV，取決於該電路實作。該電源22驅動 該第一電路導致該天線23共振。
該第二共振電路26亦包括電感器和電容器 之配置，包含並聯的第二天線27和電容器28。有了以上述方式耦合至該電漿腔之電路26，該電漿腔本身作為該電路中的電容器並產生電容。調頻該電感和電容值使該電路共振在與該第一電路相同的頻率上，以至於該兩電路為感應耦合。例如，為了共振在大約84MHz，該第二電路26的整體電容可在大約72pF，而該第二電感可大約為50nH。 或者，該電容可大約為144pF，而該電感約為25nH。於較佳範例中，固定的電容28可約為40pF，而剩餘電容連同任何雜散電容將由該電漿腔所提供。於較佳範例中，設置元件33(以下給出其範例實作)，透過該元件33可修改該第二天線27的電感以調頻該第二電路26的共振頻率。該第一電路從而該第二天線27中感應出RF訊號。該第二電路通過該線(i)在該中空陰極4與通過該線(ii)在該隔板8之間施加該感應訊號，以在該電漿腔中產生電漿。
為了有效率地在該第一和第二電路之間傳 輸電力，該第二共振電路26較佳具有一個至少為500的品質因子(「Q因子」)，再透過選擇適當的電感和電容值來決定。較佳地，該Q因子係足夠高，以至於該天線27中感應RF訊號的電壓相較於該第一RF電源22所輸出的電壓為加大。較佳地，從而產生高達3kV的高電壓橫跨電容器28。
藉由加速電路30，達到加速粒子以形成一 束，此包含輸出高且通常為直流電壓的第二電源31，以便在該電漿腔與加速電極10之間施加大電位。於此範例中，施加大的負電位(例如-60kV)至該隔板8且該加速電極為接地。於其他例子中，可施加高電壓至一個設置鄰近於該隔板8的其他電極(以下描述之)。因此，電子係自該電漿提取並加速朝向該加速電極以形成更能量的束。
所顯示的配置為二極體槍配置，對於束的 加速僅利用兩個電極(該隔板8與該加速電極10)。因為此可實現高完整性的束，故此為較佳的。然而，若需對該束的外型有額外的控制，可在該加速管內臨近該隔板插入柵電極(未顯示)。
耦合在該兩共振電路之間的感應特性係將 該第一電路21和該第一電力供應22與由源31所提供的高加速電壓絕緣。為了確保該兩天線之間的電性絕緣，於較佳範例中，兩天線皆位於外殼15(如上所述使用時為抽真空)之內。該真空將該天線23和27彼此絕緣。於替代的實施例中，該第一天線可位於該外殼之外。於其他例子中，對於真空絕緣可使用諸如油脂、樹脂、陶瓷或類似物之絕緣材料為附加或作為替代物。
藉由經以此方式感應耦合來提供該RF產生 訊號，可使用習知的低電壓RF產生器作為源22。同樣地，可使用獨立的、習知的高電壓直流源31以提供形成該束所需的高加速電壓。可由兩個習知、現成的電源來形成該電力供應，並再刪除任何多核高電壓電纜的需求，因為僅須 一個高電壓供電(源31)。因此，可藉由可撓性電纜連結該電子槍與該電源並維持高度可移動性。
藉由以上述方式利用RF產生電漿，相較於 直流電漿和熱離子源，該電子槍具有非常快速的反應時間。透過調變該RF供電可控制該電漿，例如致能1微秒或更少的反應時間。此導致相應的短束脈衝時間之有效性，由於增加束的控制，在許多實際應用中是非常有益的。 這類快速脈衝也可以被用來改變束的有效功率位準：例如，相較於以相同能量位準(粒子加速度)的連續束，以50%工作週期(duty cycle)脈衝的束將賦與一半的功率(及熱)予工件。
該束參數亦可藉由調變該RF振幅而改變， 其將導致有在該電漿中帶電粒子的數量上的變化，因而所提取的束的功率具有同樣短的反應時間。此可用於，例如，利用電子束成像工件：一般而言，藉由在工件的表面光柵(rastering)該束並以相同於低解析度掃描電子顯微鏡的方式收集反向散射的電子，低功率的束可用於形成工件的表面之影像。然而，高功率的束適合用於，例如焊接，而非用於形成影像，因為該光柵會熔化該工件，且此外，高功率的束係導致較低解析度。使用本發明所公開的技術，藉由調變該RF振幅，該束的功率可在不同功率位準之間快速變化。例如，焊接束的功率可快速降低，使得在恢復該高的束功率以進行連續焊接之前，該束可以上述方式掃描橫跨工件的表面以形成影像，而不熔化該工件。因此，該 裝置可以用於，例如電子束焊接過程中的過程觀看或焊縫跟踪(seam tracking)。於範例中，當用於焊接時，該束的功率位準可為大約5kW，反之，用於成像時，該功率位準可減少至大約150W。
控制用於應用之束參數，例如，此可包含 脈衝(包含控制工作週期)和振幅調變兩者，如果需要的話。
由此發現，利用上述裝置僅需非常低的RF 功率以產生電子束。經比較之後，於第2圖中的裝置中，在3kV時，利用一個50WRF的電力供應產生一個25mA的束。此小於陰極加熱功率的10%，其中自熱離子發射器產生可比較的電子束所需要該陰極加熱功率。同樣地，由Rempe等人揭示的電漿源的類型通常需要大約400W的電源功率。
較佳地，該RF電力供應22安排為藉由控 制器22a利用已知技術來調變之。調變該RF可用於改變該RF供電至該電漿腔，因而該電漿可很快地達到短的束功率傳輸時間(1微秒之等級)。透過經該電源31控制該加速電壓及/或藉由調整由磁鐵12所建立之磁約束場(magnetic containment field)，如果該磁鐵12採用電磁鐵的形式，可附加地或替代地達到該束的控制。於範例中，該加速電源31可為脈衝電源。
較佳地，將該電漿腔尺寸選擇為小於該電 漿中該離子的平均路徑長度，這有助於確保該電漿壽命是短的，因為一旦RF激發停止，剩餘的離子將快速地與腔 壁碰撞而失去他們的電荷。該離子的該平均路徑長度尤其取決於該氣體種類及該磁場強度。較大的氣體離子，其重量較重且其軌跡較少被該磁場彎曲，導致較長的平均路徑長度。較弱的磁場亦會有相同的結果。對於大約0.01至0.1T的磁場B而言，發現所使用的氣體是氦氣，電漿腔直徑高達5mm，較佳為2至3mm時，可產生優良的結果。於此範例中，該電漿腔的高度h大約為3mm。該氣體種類較重(例如氬氣)及/或該磁場強度較弱時，亦可使用這樣的尺寸。較小的電漿腔可能有利於較輕的氣體及/或較強的磁場。
該開孔8a的尺寸亦為重要，由於電子(或離子)必須被提取穿過該開孔之同時，並不希望該電漿經該開孔而溢出至該加速管，因為這樣會導致該電漿腔與該加速電極之間的放電。於較佳範例中，該開孔8a具有1mm或更少的直徑。為了將該加速管與自該電漿腔中建立的磁場屏蔽，該隔板8較佳地由強磁性材料形成，例如鐵或軟鋼，否則該磁場會影響該束的形狀。
第3圖顯示根據第三實施例之帶電粒子束裝置的橫截面示意圖。
該槍管1位於外殼15中，可藉由使用幫浦16以上述方式將該外殼15抽真空。該外殼接地以便提供該加速電極10，以下詳細說明。另外，該第一天線23位於該外殼中，且較佳以單匝金屬形成。該第二天線27亦較佳由金屬形成(例如鋁或銅)，且在此採用具有間隙破壞圓形的單匝導體型式，其鄰近該第一天線23。該第一天線23 設置於鄰近該第二天線27，使得該兩天線配置成大約為同心。
天線27的一端27b連接有元件33。於此範 例中，元件33包括安裝在螺紋構件(或其他可調整高度的組件)29上的圓盤，該螺紋構件29使得該圓盤與該第二天線27之間的距離可調整，從而改變該天線27的該電感，並協助調頻該電路。
天線27的另一端27a(透過線(i))連接至該中 空電極4(例如，其可採用具有通道供該電漿氣體G通過之導電塊的型式)。
該電容器28係設置橫跨天線27的兩端。
最後，天線27的該第一端27b連接至包圍和抵接該隔板8之成型電極32。其結果為，該天線27與電容器28係並聯連接橫跨該電漿腔2，以相同於第2圖所述之方式。
如第3圖所示，氣體G經針閥6進入該中空電極4的上部，其中該中空電極4安排該氣體進入電漿腔2並定義在絕緣塊2a之中。藉由如上所述之該第一天線23在該第二天線27內感應出RF訊號，且該RF訊號施加橫跨該電漿腔2在該中空陰極塊4與該隔板8之間，以產生電漿。
該第二高電壓電力供應31係施加在電極32與由該接地外殼15所形成之該加速電極10之間，以自該電漿提取電子並產生束B。該成型的電極32係組構成以已 知的方式去達到所需的束的外型。
於範例中，使用接近於接地電位之84MHz RF電源作為該第一電源，以驅動位於該電子槍管內的該第一共振電路和天線23。該第二天線27，調頻至該相同頻率，接收該RF功率並產生高達3kV電壓的RF橫跨該電漿腔，以在該氣體內激發電漿。該槍套通常保持在低於5×10-4mbar的壓力，且該電漿腔內的氣壓維持在約1mbar。藉由第二電源來施加高的加速電壓(例如+3kV)至該加速電極，可達到25mA的電子束。
於替代的實施例中，可經感應技術產生該 RF電漿，於此例中，該第二共振電路包括環繞該電漿腔之線圈，以取代直接連接到該電漿腔。
上述此類電漿源適用於多種應用，且尤其 在材料加工方面利用所產生的帶電粒子束來修改材料或工件。因此，於較佳實作中，該電漿源形成材料加工工具的部份，例如電子束焊接儀器或添加物層製造儀器。該帶電粒子束可用於焊接、固化、熔解、熔化、汽化、切割或其他方式處理工件或材料。應用的特別範例包含在替代物層製造時熔解粉狀材料，提取或提煉金屬及處理燃燒煙霧。
1‧‧‧電子槍管
2‧‧‧電漿腔
2a‧‧‧絕緣材料
4‧‧‧中空電極
6‧‧‧入口
8‧‧‧隔板
8a‧‧‧開孔
9‧‧‧源區
10‧‧‧加速電極
10a‧‧‧開孔
11‧‧‧加速管
12‧‧‧磁鐵
15‧‧‧外殼
16‧‧‧幫浦
B‧‧‧箭號
h‧‧‧高度
i、ii、iii‧‧‧線
P‧‧‧帶電粒子束
W‧‧‧工件

Claims (72)

  1. 一種電漿源裝置，用於產生帶電粒子束，該裝置包括：電漿腔，設置有用於氣體進入之入口以及用於自該電漿腔提取帶電粒子之開孔；射頻(RF)電漿產生單元，用於在該電漿腔內產生電漿，該射頻電漿產生單元包括第一和第二共振電路，各該第一和第二共振電路被調頻以在實質相同的共振頻率共振，該第一共振電路包括第一天線及適用於驅動該第一共振電路實質上在其共振頻率上之第一RF電源，且該第二共振電路包括第二天線，從而於使用時，該第一共振電路由於共振耦合而在該第二天線中感應出RF訊號，該第二共振電路係組構成施加該感應RF訊號至該電漿腔以於其中產生電漿；以及粒子加速單元，用於自該電漿提取帶電粒子並加速該帶電粒子以形成一束，該粒子加速單元包括第二電源，該第二電源組構成在該電漿腔與加速電極之間施加電位，該電漿腔與該加速電極之間的區域係構成加速管；其中，該第二電源係適用於輸出相對於該第一RF電源所輸出的電壓為高的電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電漿源裝置，其中，至少該電漿腔、加速管及該第二天線係配置在外殼中，該裝置復包括幫浦，用於將該外殼抽真空，使得該第二天線與該第一天線於使用時實質電性絕緣。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之電漿源裝置，其中，至少該電漿腔、加速管及第一和第二天線係配置在外殼中，該裝置復包括幫浦，用於將該外殼抽真空，使得該第一和第二天線於使用時彼此實質電性絕緣。
  4. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，在該第一和第二天線之間設置電性絕緣材料，較佳為陶瓷或聚合物，以將該些天線彼此絕緣。
  5. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，該第一RF電源係適用於輸出功率振幅高達300W，較佳為高達100W，更佳為高達50W之訊號。
  6. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，該第一共振電路中的該第一天線之一端係為接地電位。
  7. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，該第二電源係適用於輸出DC訊號，該DC訊號的電壓大小在10kV至200kV，更較佳在25kV至175kV，仍佳在60kV至150kV的範圍內。
  8. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，該第二電源為脈衝電源，較佳適用於輸出具有10微秒或更少的持續時間之功率脈衝。
  9. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，該第二電源的該電壓係大於該第一RF電源的該電壓至少100倍，較佳為至少1000倍。
  10. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其 中，各該第一和第二共振電路包括串聯或並聯LC或RLC電路，該第一和第二天線分別形成該第一和第二共振電路的電感器。
  11. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，該第二共振電路包括直接耦合橫跨該第二天線之電容器。
  12. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，該第一及/或第二天線包括單匝。
  13. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，該第二共振電路具有足夠高的品質因子，使得該感應RF訊號的該電壓高於該第一RF電源所輸出的該電壓。
  14. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，該感應RF訊號的該電壓的振幅係在1kV和10kV之間，較佳地在1kV和5kV之間。
  15. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，該第二共振電路的該品質因子係至少為500，更較佳至少為750。
  16. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，選擇該第一和第二共振電路的電感和電容，使得各該共振電路之共振頻率在1MHz至160MHz，較佳在27MHz至100MHz，更佳在約84MHz的範圍內。
  17. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，該第二共振電路係組構成施加該感應RF訊號橫跨 該電漿腔且在接觸該腔的內部的電極之間，該電極較佳由定義該電漿腔的壁的導電部所形成，該電極由絕緣部所隔離。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之電漿源裝置，其中，該電漿腔係被由絕緣材料形成的側壁、由導電材料所形成並定義用於氣體進入其中的該入口之上壁、以及由導電材料所形成並定義用於自其中提取帶電粒子的該開孔之隔板所定義，該第二共振電路適用於施加該感應RF訊號在該上壁與該隔板之間。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之電漿源裝置，其中，該絕緣材料包括介電質，該電漿腔從而產生該第二共振電路的該電容。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之電漿源裝置，其中，該絕緣材料包括氮化硼或或氧化鋁陶瓷。
  21. 如申請專利範圍第1至16項的任一項所述之電漿源裝置，其中，該第二共振電路係組構成經由配置在該電漿腔周圍的感應線圈施加該感應RF訊號橫跨該電漿腔。
  22. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，用於提取帶電粒子之該開孔係定義在隔板中，該隔板包含強磁性材料，較佳為鋼或軟鐵。
  23. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，用於提取帶電粒子之該開孔的直徑為2mm或更小，較佳在0.1和1mm之間，更佳約為0.5mm。
  24. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，該粒子加速單元係適用於施加該加速電壓在隔板與該加速電極之間，其中，該隔板由導電材料所形成，並且該隔板中定義有用於提取帶電粒子的該開孔，從而構成二極體加速器。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之電漿源裝置，復包括位於該隔板與該加速電極之間的該加速管中的柵電極，以及用於施加柵電壓至該柵電極而調整該粒子束之模組，從而構成三極體加速器。
  26. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，自該電漿提取之該帶電粒子為電子，且該加速電極為陽極，較佳為或約為接地電位。
  27. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，復包括用於在該電漿腔中侷限該電漿之磁阱組件。
  28. 如申請專利範圍第27項所述之電漿源裝置，其中，該磁阱組件包括一個或多個配置在該電漿腔的徑向周圍之永久磁鐵或電磁鐵，其組構為在該電漿腔中產生軸向磁場。
  29. 如申請專利範圍第27或28項所述之電漿源裝置，其中，該磁場具有大約0.01至0.1特斯拉的磁場強度。
  30. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，該電漿腔的直徑為12mm或更小，較佳在1和5mm之間，更佳在2和3mm之間。
  31. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其 中，選擇該氣體類型、該電漿腔的尺寸、以及磁場強度之組合，若有施加該磁場強度的話，使得一旦RF激發停止時，該腔中的該電漿的壽命少於10微秒，較佳為少於1微秒。
  32. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，其中，用於氣體進入之該入口係包括閥，用於控制氣體進入該電漿腔，該閥較佳為針閥。
  33. 如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源裝置，復包括控制器，用於調變由該第一電源所輸出的該RF訊號。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之電漿源裝置，其中，該控制器復適用於將該RF訊號的該振幅控制在第一振幅與第二振幅之間，在該第一振幅所產生的束的該功率適用於材料加工，在該第二振幅所產生的束的該功率適用於成像工件，該第一振幅係大於該第二振幅。
  35. 一種材料加工工具，包括如前述申請專利範圍的任一項所述之電漿源。
  36. 如申請專利範圍第35項所述之材料加工工具，其中，該工具為電子束焊接工具，該帶電粒子束適用於焊接材料。
  37. 如申請專利範圍第35項所述之材料加工工具，其中，該工具為添加物層製造工具，該帶電粒子束適用於處理粉狀材料，較佳為其融和態。
  38. 如申請專利範圍第35項所述之材料加工工具，其中， 該工具為固化工具，該帶電粒子束適用於固化工件。
  39. 如申請專利範圍第35項所述之材料加工工具，其中，該工具為切割工具，該帶電粒子束適用於切割材料。
  40. 如申請專利範圍第35項所述之材料加工工具，其中，該工具為熔化或汽化工具，該帶電粒子束適用於熔化及/或汽化材料。
  41. 如申請專利範圍第35項所述之材料加工工具，其中，該工具為氣體處理工具，該帶電粒子束適用於處理氣體物質，較佳為燃燒煙霧。
  42. 如申請專利範圍第35項所述之材料加工工具，其中，該工具為消毒工具，該帶電粒子束適用於消毒固體或液體。
  43. 如申請專利範圍第35項所述之材料加工工具，其中，該工具為鑽孔工具，該帶電粒子束適用於鑽孔工件。
  44. 一種產生帶電粒子束之方法，包括：允許氣體進入電漿腔，該電漿腔具有用於氣體進入之入口以及用於自該電漿腔提取帶電粒子之開孔；利用包括第一和第二共振電路之射頻(RF)電漿產生單元在該電漿腔中產生電漿，各該第一和第二共振電路被調頻以在實質相同的共振頻率共振，該第一和第二共振電路分別包括第一和第二天線，藉由利用第一RF電源驅動該第一共振電路實質在其共振頻率上，使得該第一共振頻率由於共振耦合而在該第二天線中感應出RF訊號，該第二共振電路施加該感應RF訊號 至該電漿腔以於其中產生電漿；以及藉由利用第二電源在該電漿腔與加速電極之間施加電位，以自該電漿提取帶電粒子並加速該帶電粒子以形成一束，該電漿腔與該加速電極之間的區域構成加速管；其中，該第二電源輸出之電壓係相對高於該第一RF電源所輸出之電壓。
  45. 如申請專利範圍第44項所述之方法，其中，至少該電漿腔、加速管及第二天線係配置於外殼中，該方法復包括將該外殼抽真空，使得該第二天線實質上與該第一天線電性絕緣。
  46. 如申請專利範圍第44或45項所述之方法，其中，至少該電漿腔、加速管及該第一和第二天線係配置於外殼中，該方法復包括將該外殼抽真空，使得該第一和第二天線實質上彼此電性絕緣。
  47. 如申請專利範圍第44至46項的任一項所述之方法，其中，該第一RF電源輸出功率振幅高達300W，較佳高達100W，更佳高達50W的訊號。
  48. 如申請專利範圍第44至47項的任一項所述之方法，其中，該第一共振電路中的該第一天線的一端為接地電位。
  49. 如申請專利範圍第44至48項的任一項所述之方法，其中，該第二電源輸出直流訊號，該直流訊號的電壓較佳地在10kV至200kV，更佳在25kV至175kV，仍佳在 60kV至150kV的範圍內。
  50. 如申請專利範圍第44至49項的任一項所述之方法，其中，該第二電源輸出脈衝功率，該脈衝功率較佳具有10微秒或更少的持續時間。
  51. 如申請專利範圍第44至50項的任一項所述之方法，其中，該第二電源的該電壓大於該第一RF電源的該電壓至少100倍，較佳地至少1000倍。
  52. 如申請專利範圍第44至51項的任一項所述之方法，其中，該第二共振電路具有足夠高的品質因子，使得該感應RF訊號的該電壓高於由該第一RF電源所輸出的該電壓。
  53. 如申請專利範圍第44至52項的任一項所述之方法，其中，該感應RF訊號的該電壓的振幅係在1kV和10kV之間，較佳在1kV和5kV之間。
  54. 如申請專利範圍第44至53項的任一項所述之方法，其中，該第二共振電路的該品質因子為至少500，更較佳為至少750。
  55. 如申請專利範圍第44至54項的任一項所述之方法，其中，自該電漿所提取之該帶電粒子為電子，且該加速電極為陽極，較佳為或約為接地電位。
  56. 如申請專利範圍第44至55項的任一項所述之方法，復包括利用磁阱組件在該電漿腔中侷限該電漿。
  57. 如申請專利範圍第56項所述之方法，其中，該磁阱組件包括一個或多個配置在該電漿腔的徑向周圍之永久 磁鐵或電磁鐵，以在該電漿腔中產生軸向磁場。
  58. 如申請專利範圍第56至57項的任一項所述之方法，其中，該磁場具有約0.01至0.1特斯拉的磁場強度。
  59. 如申請專利範圍第44至58項的任一項所述之方法，其中，該電漿腔的直徑為5mm或更小，較佳在1和5mm之間，更佳在2和3mm之間。
  60. 如申請專利範圍第44至59項的任一項所述之方法，其中，選擇該氣體類型、該電漿腔的尺寸、以及該磁場強度之組合，若有施加該磁場強度時，使得一旦停止RF激發，該腔內的該電漿壽命小於10微秒，較佳小於1微秒。
  61. 如申請專利範圍第44至60的項任一項所述之方法，復包括調變該第一電源所輸出之該RF訊號，以控制該電漿的產生。
  62. 如申請專利範圍第61項所述之方法，其中，該RF訊號的振幅係在第一振幅和第二振幅之間調變，在該第一振幅所產生的束的該功率適用於材料加工，在該第二振幅所產生的束的該功率適用於成像工件，該第一振幅係大於該第二振幅。
  63. 一種利用如申請專利範圍第44至62項的任一項所產生的帶電粒子束修改工件之方法。
  64. 如申請專利範圍第63項所述之方法，其中，該帶電粒子束係用於焊接該工件。
  65. 如申請專利範圍第63項所述之方法，其中，該帶電粒 子束係用於熔解該工件，其中，該工件包括粉狀材料。
  66. 如申請專利範圍第63項所述之方法，其中，該帶電粒子束係用於固化該工件。
  67. 如申請專利範圍第63項所述之方法，其中，該帶電粒子束係用於切割該工件。
  68. 如申請專利範圍第63項所述之方法，其中，該帶電粒子束係用於熔化及/或汽化該工件。
  69. 如申請專利範圍第63項所述之方法，其中，該帶電粒子束係用於處理氣體工件，較佳為燃燒煙霧。
  70. 如申請專利範圍第63項所述之方法，其中，該帶電粒子束係用於消毒固體或液體。
  71. 如申請專利範圍第63項所述之方法，其中，該帶電粒子束係用於鑽孔該工件。
  72. 一種利用如申請專利範圍第44至62項的任一項所產生的帶電粒子束修改工件的過程中成像該工件之方法，包括，以任意順序：利用該帶電粒子束修改該工件；以及利用該帶電粒子束成像該工件其中，在該兩步驟之間，該RF訊號的該振幅係在第一振幅和第二振幅之間調變，在該第一振幅所產生的束功率適用於修改該工件，在該第二振幅所產生的束功率適用於成像該工件，反之亦然，該第一振幅係大於該第二振幅。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI670749B (zh) * 2015-03-13 2019-09-01 美商應用材料股份有限公司 耦接至工藝腔室的電漿源
TWI720193B (zh) * 2016-06-01 2021-03-01 美商維克儀器公司 離子源以及用於在大處理區域上產生具有可控離子電流密度分佈之離子束的方法

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103920237B (zh) * 2014-04-29 2016-11-16 方墨希 一种修复dna氧化损害的装置
HUE058246T2 (hu) 2014-12-09 2022-07-28 Frewitt Fabrique De Machines S A Vákuum õrlõrendszer és eljárás
US9595424B2 (en) * 2015-03-02 2017-03-14 Lam Research Corporation Impedance matching circuit for operation with a kilohertz RF generator and a megahertz RF generator to control plasma processes
US10422691B2 (en) * 2015-03-03 2019-09-24 Asml Netherlands B.V. Radiation sensor apparatus
KR101641135B1 (ko) 2015-04-21 2016-07-29 한국원자력연구원 집속용 솔레노이드, 차폐체, 및 가속관이 일체형으로 정렬된 입자 가속 장치
EP3310559A4 (en) * 2015-06-19 2019-03-13 Applied Materials, Inc. SURFACE PROCESSING IN GENERATIVE MANUFACTURING WITH LASER AND GASSTROM
US9761414B2 (en) * 2015-10-08 2017-09-12 Lam Research Corporation Uniformity control circuit for use within an impedance matching circuit
KR101756171B1 (ko) * 2015-12-15 2017-07-12 (주)새론테크놀로지 주사 전자 현미경
CN106231772B (zh) * 2016-08-19 2020-07-17 西安电子科技大学 基于调制射频的动态等离子体产生装置
WO2018056584A1 (ko) 2016-09-21 2018-03-29 삼성전자 주식회사 피부 상태 측정 방법 및 이를 위한 전자 장치
CN106887374B (zh) * 2017-01-05 2018-08-17 信利（惠州）智能显示有限公司 一种离子注入设备
CN107195519B (zh) * 2017-07-07 2023-07-11 桂林电子科技大学 一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口
US10349510B2 (en) 2017-07-28 2019-07-09 United Technologies Corporation Method for additively manufacturing components
CN111328425A (zh) * 2017-11-10 2020-06-23 Asml荷兰有限公司 电子束检查工具和用于定位载物台的方法
NL2022156B1 (en) * 2018-12-10 2020-07-02 Asml Netherlands Bv Plasma source control circuit
KR102192187B1 (ko) * 2019-03-11 2020-12-16 서울대학교산학협력단 이온 소스
US10861666B1 (en) * 2020-01-30 2020-12-08 ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft für Halbletterprüftechnik mbH Method of operating a charged particle gun, charged particle gun, and charged particle beam device
GB2606039B (en) 2021-08-18 2023-05-31 Twi Ltd Electron beam welding method and apparatus

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10134996A (ja) * 1996-10-31 1998-05-22 Nec Corp プラズマ処理装置
JP4067640B2 (ja) * 1998-04-28 2008-03-26 株式会社ルネサステクノロジ 荷電粒子源および荷電粒子ビーム装置並びに不良解析方法および半導体デバイスの製造方法
US6291938B1 (en) * 1999-12-31 2001-09-18 Litmas, Inc. Methods and apparatus for igniting and sustaining inductively coupled plasma
US6803585B2 (en) * 2000-01-03 2004-10-12 Yuri Glukhoy Electron-cyclotron resonance type ion beam source for ion implanter
KR100740892B1 (ko) * 2000-02-24 2007-07-19 체체에르 게엠베하 베쉬히퉁스테크놀로지 고주파 정합 회로망
US6768120B2 (en) * 2001-08-31 2004-07-27 The Regents Of The University Of California Focused electron and ion beam systems
US7132996B2 (en) * 2001-10-09 2006-11-07 Plasma Control Systems Llc Plasma production device and method and RF driver circuit
US7084832B2 (en) * 2001-10-09 2006-08-01 Plasma Control Systems, Llc Plasma production device and method and RF driver circuit with adjustable duty cycle
RU2215383C1 (ru) * 2002-02-08 2003-10-27 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Плазменный электронный источник
US7748344B2 (en) * 2003-11-06 2010-07-06 Axcelis Technologies, Inc. Segmented resonant antenna for radio frequency inductively coupled plasmas
US9123512B2 (en) * 2005-03-07 2015-09-01 The Regents Of The Unviersity Of California RF current drive for plasma electric generation system
US7498592B2 (en) * 2006-06-28 2009-03-03 Wisconsin Alumni Research Foundation Non-ambipolar radio-frequency plasma electron source and systems and methods for generating electron beams
WO2008106448A2 (en) * 2007-02-26 2008-09-04 Veeco Instruments Inc. Ion sources and methods of operating an electromagnet of an ion source
US20090104761A1 (en) * 2007-10-19 2009-04-23 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Plasma Doping System With Charge Control
US8288950B2 (en) * 2009-10-06 2012-10-16 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Apparatus and method for regulating the output of a plasma electron beam source
CN103026457B (zh) * 2010-06-04 2016-10-26 捷通国际有限公司 流体处理系统和操作灯组件的方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI670749B (zh) * 2015-03-13 2019-09-01 美商應用材料股份有限公司 耦接至工藝腔室的電漿源
TWI720193B (zh) * 2016-06-01 2021-03-01 美商維克儀器公司 離子源以及用於在大處理區域上產生具有可控離子電流密度分佈之離子束的方法

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