Лекция 4. Часть 1

Лекция 4. Электронные ускорители для пучковоплазменных технологий. Часть 3
•
Генераторы низкоэнергетичных сильноточных электронных пучков
•
Установки электронно-лучевого распыления НАНОБИМ
•
Compression plasma flows
•
Газоструйный плазмохимический метод
1
IHCE
Source of Low-Energy High-Current Electron Beams
(LEHCEB)
Common view of the installation. 1
– vacuum chamber; 2 – HV gate
valve; 3 – turbo drag pump
TMU 521; 4 – rotary pump DU 20; 5
– valves VAP025; 6 - oil mist filter
ONF 25l and condensate separator
KAS 25l; 7 – compact full-range
gauge PKR 25l; 8 – massspectrometer of residual gases
MX7304; 9 – e-gun; 10 – high
voltage pulse generator; 11 – power
supplies and control units of e-gun;
12 – pure argon balloon.
ВТ10
Electron Beam Authograph
2
4
IHCE
LEHCEB Source
Time-phased waveforms of accelerating voltage (1)
5.3kV/div), diode current (2) 14.4 kA/div), beam
current (3) 5kA/div)
Beam parameters
1 – cathode
2 – cathode plasma
3 – double electric layer
4 – anode plasma
5 – collector
6 – solenoid
7 – body of e-beam gun
8 – operating chamber
• electron energy
10 to 40 keV
• peak electron current
up to 30 kA
• beam pulse duration
2 to 5 S
• beam energy density per pulse 1-40 J/cm2
• beam cross section
up to 50 cm2
• pulse repetition rate
up to 0.2 Hz
3
5
IHCE
Computer-controlled Pulsed e-beam Machine
for Surface Treatment
Beam parameters
• electron energy
• peak electron current
• beam pulse duration
• beam energy density
per pulse
• spot diameter
• pulse repetition rate
5 to 25 keV
20 to 250 A
50 to 200 S
1 to 70 J/cm2
2 to 5 cm
0.3 to 20 Hz
4
6
Block diagram of pulsed e-beam Machine
Control system
Power supply
Ar
13
1
TR1
Id1
Sensor
panel
TK1
2
RS-232
U
TR2
PC
(operator's
console)
14
Ib
ST1
R2
RS232/
RS485
Vacuum
system
controller
Gas inlet
control
Water sensors
CF23-05
Door sensor
CF23-05
Light indicator
DFE-01
Vacuum system
Sensors
C1
R1
U
C2
Moving
controller
Motor
drivers
15
16
5
Is1
RS-485
SU
Id2
3
4
Calorimetr
controller
TK2
6
ST2
U
7
9
11
Is2
8
12
10
5
RS-485
5
7
Schematic of CRS® system
Cathode 20-30 kV, 5-25 kA, 2-4 s
7
5
8
Anode for plasma discharge 4-5 kV, 50-200 A, 30 s
4
6
Solenoid 1-2 kV, 100-200 A,
10 ms
1
1.
Vacuum chamber,
2.
Fore vacuum pump
9
3. Turbo molecular pump / diffusion pump
4. Argon gas cylinder,
5. Solenoid
3
2
6. Anode ring for plasma discharge
7. Cathode wire,
8. Anode plasma,
9. Carbon sample
Fig. 1 Schematic illustration of EB system CRS with Explosive
Electron Emission ( EEE) method
6
Electron beam self-focusing control in breakdown plasma by external magnetic field
Electron Transport
(a)
Professors Grigoriev and T. Koval
(b)
(c)
Electron beam self-focusing control in breakdown plasma by external magnetic field
V. P. Grigoriev, K. Uemura and T. V. Koval Plasma Conference 2005 Poland
Electron beam self-focusing control
in breakdown plasma by external magnetic field
77
Установки электронно-лучевого распыления
НАНОБИМ
Институт электрофизики, г. Екатеринбург
Принципиальная схема установки НАНОБИМ-1
8
Технические характеристики установки НАНОБИМ-1
1
Потребляемая мощность, кВт, не более
2
Питающая сеть
3
4
5
6
7
8
9
10
Длительность импульсов мкс
Частота подачи импульсов, Гц
Ускоряющее напряжение, кВ
Ток пучка на мишени, А
Диаметр пучка на мишени, мм
Пределы регулирования давления в камере
испарения, Па
Скорость натекания газа в камеру испарения, л/час
Вес установки, кг, не более
11
Площадь размещения установки, м*м
5
380В (3ф), 50
Гц
20-300 мкс
до 500
до 50 кВ
0,3
1.5
10-1-105
до 63
700
3*3
9
Осциллограммы: 1- ток разряда (4,56 А) , 2- ток через ИВН (1А), 3 –
ток потерь через диафрагму (0,07А) , 4 - ток через мишень (0,4А);
10
Электронная пушка
Принцип действия ЭП основан на
эмиссии электронов из
газоразрядной плазмы под
действием электрического поля.
Плазма образуется в специальной
электродной системе - разрядной
камере.
11
Технические характеристики Электронной пушки (ООО «ЭЛИОН»)
№
1
2
3
4
5
Характеристика
Предельный ток пучка, мА
Предельное ускоряющее напряжение, кВ
Расход рабочего газа (воздух), см3/ атм *час
Диаметр сфокусированного на изделии пучка на расстоянии от
среза фокусирующей линзы, около, мм
Угол отклонения пучка, град, не менее (без искажений)
Величин
а
500
50
5-90
0,6
15
12
Система проводки пучка до мишени
13
Treatment of non conducting ceramics by
electron beam and by ion beam
Efim Oks
Tomsk, Russia
High Current Electronics Institute, Russian Academy of Sciences
and
State University of Control Systems and Radioelectronics
14
Fore-vacuum plasma cathode electron
source
1
Id
7
U
5
1- hollow cathode,
2- anode,
3- accelerating electrode,
4
4- emission grid,
2
Ie
6
3
Ue
5, 6 - insulators,
7 – plasma,
8- electron beam
8
Ib
15
Plasma electron gun for operation at
fore-pump pressure range
hollow
cathode
Beam current – up to 0,3 A dc
Beam energy – up to 20 keV
Beam power – up to 6 kW
plasma
anode
Beam diameter – 3 ÷ 5 mm
Working gas – residual
electron
beam
accelerating
atmosphere, Ar, He
electrode
Gas pressure - 1 ÷ 15 Pa
16
Fore-pump plasma cathode electron gun
17
Installation for testing fore-pump
plasma electron gun
18
Design of the electron source
Parameters of electron source:
Accelerating voltage 2-25 kV
Discharge current 0,1 – 1 А
Electron beam current 0,1-0,5 А
Maximal beam power 7 kW
Working gas air, methane, helium
Gas pressure 1 – 20 Pa
Working regime: DC
Beam diameter 2-5 mm
1 – water input, 2 – case, 3 – water resistor, 4 – hollow cathode, 5 – clamp, 6 – anode,
7 – holder, 8– extractor, 9, 12–water shirts, 10–basic flange, 11– focusing system
19
View of electron source
(a)
(b)
(c)
a – front view, b – back view, c – without body.
20
Generation of ribbon electron beam
5
-Ud
1
1-hollow cathode;
6
2-insertions;
L
3
d
2
3-anode;
Z
+Ud
4
-Ua
D
7
+Ua
8
Y
V
X
Up
4,5-insulators;
6-probe;
7-accelerating
electrode;
8-movable collector.
R
V
R
21
Ribbon beam fore-pump plasma electron gun
(design)
Accelerating voltage: 1-6 kV Beam current: 0.1 - 1 A Working gas: air, argon
Gas pressure: 10 – 60 mTorr Beam cross-section: 250 x 10 mm
22
Ribbon beam fore-pump plasma electron gun
(design)
Electron gun
Electron beam
23
Electron beam formation
cathode
D
Bz
d
anode
Axial magnetic
field confines
plasma at the
system axis
allows to increase
beam currents
insulator
penetrating
plasma
2rp
accelerating
electrode
24
Beam interaction with isolated target
7
1 – electron source,
2 – vacuum chamber,
3 – electron beam,
4 – focusing system,
5 – target,
6 – voltmeter,
7 – plasma,
8 – probe.
5
6
V
1
2
4
3
8
Up
25
Electron beam interaction with quartz target
beam
target
26
Collector potential depends on relationship between
beam cross-section and collector area
–U
+ d
1
2
3
4
– Ua
+
5
db
d
6
7
8
1,2,3 – source
electrodes,
4 – focusing system,
5 - electron beam,
6 - collector,
7 – insulating holder,
8 - grounded
platform.
V
27
6