用于生成带电粒子束的等离子源装置和方法
【专利说明】用于生成带电粒子束的等离子源装置和方法
[0001]本发明涉及用于生成带电粒子(诸如电子或离子)束的等离子源装置，以及这样的生成带电粒子束的方法。带电粒子束的用途包括材料处理应用，诸如焊接、加层制造(additive layer manufacturing)、和钻孔、切割、固化、恪化、蒸发或其它处理，藉此使用带电粒子束改良或处理材料或工件。
[0002]被用作焊接设备和用于类似处理工具的大多数电子枪使用热离子发射器作为它们的电子源。对于这种类型的发射器，将耐高温金属加热到电子能从表面逸出的温度，然后通过施加电场使电子加速。这种设计存在许多固有问题。例如，阴极(cathode)尺寸非常关键，阴极随着发热而变形并且蒸发使得阴极尺寸变化。而且阴极寿命可能短(例如在工业应用设备上6小时的焊接时间)且维护成本可能高。此外，在阴极的使用期间束质量会变化，改变了焊接性能且因而需要重新调整焊接参数。此外，如果枪真空受损则阴极的寿命被缩短，并且离子轰击(这些离子源自真空容器中的熔池和残余气体)可加速阴极的磨损。热离子发射器的另一种变体是反轰设备，其中热阴极被布置成将电子发射到一个目标，主带电粒子束从该目标发射出。在W0-A-94/13006中给出这样的设备的实施例。
[0003]作为热离子发射器的备选包括光电阴极、冷发射或等离子源。在等离子源的情形中，气体诸如氦、氩或空气被离子化以形成等离子并且带电粒子(电子或离子)被从该等离子中引出并被加速以形成束。由于粒子源自离子化的气体，因此没有热金属阴极，并因此该源的操作和维护比热离子发射器简单。此外，等离子源对于在使用期间可进入装置的气体和蒸气相对不敏感。然而，等离子源的采用并未普及，原因在于多种困难，包括:慢的源响应时间限制了可达到的最小束脉冲持续时间；复杂的电源要求。
[0004]例如，托木斯克控制系统与放射电子国立大学(TUSUR)已经设计并制造了工作于至多60kV加速电势和12kW功率的等离子阴极电子枪。N.Rempe等人在“Electron-beamfacilities based on plasma-cathode guns，，(Welding and Cutting 11(2012)N0.2, 122页)中描述了某些实施例。该等离子是由使用例如中空阴极低电压反射放电技术施加的直流激发生成的，在所述放电技术中在该等离子室内的两个阴极中的每一个和居间的一个阳极(anode)之间建立电势。为了使带电粒子能够以足够的能量加速逸出等离子，施加放电的低电压必须在适合加速的高电压(例如_60kV)处浮动。因此，必须使用专门定制的高电压电源以提供等离子激发和加速电压。由于适于处理和操纵高电压的组件的尺寸大，因此该电源复杂、昂贵并且体积庞大。
[0005]这样的等离子阴极电子枪的另一个缺点是，由于电缆和等离子室的电容必须充电和放电，因此DC等离子激发电源不易改动成具有快速的压摆率(slew rate)。这导致用于每束脉冲以及用于改变束功率的时间最短，通常至少35微秒。这是不期望的，因为许多材料处理应用需要对粒子束的更大的控制。用于解决该问题的一个方法是在该等离子源(“三极管枪”布局)的前面增加一个栅电极。该栅电极控制等离子的表面处的电场强度，从而控制电子发射，并且该栅电极的电势可被控制和相对快速地调整。这可用于实现脉冲束输出，同时连续地生成该等离子本身。然而，栅电极通常会使束质量恶化，因为栅电极具有畸变的电子光学质量。此外，使用栅电极使得枪结构、电源和控制系统复杂化。
[0006]由 Goebel 和Watkins在“High current, low pressure plasma cathode electrongun，，(Review of Scientific Instruments, 71, 388-398 (2000))中公开了等离子源的另一个实施例。这里，通过来自非常低压的静态气体内部的热丝的电子的热离子发射来生成等离子。然而，这同样面临相似的问题，即:需要以所要求的最短时间使丝达到所需的电压以触发等离子放电；以及复杂的电源电路系统。此外，热丝的使用随之带来了上述标准热离子发射器的缺点。
[0007]根据本发明，提供一种用于生成带电粒子束的等离子源装置，该装置包括:
[0008]等离子室，设有用于气体进入的入口和用于从该等离子室引出带电粒子的孔；
[0009]射频(RF)等离子生成单元，用于在该等离子室内部生成等离子，该射频等离子生成单元包括第一谐振电路和第二谐振电路，每个谐振电路被调谐成在基本相同的谐振频率下谐振，该第一谐振电路包括第一天线和适于在大体该第一谐振电路的谐振频率下驱动该第一谐振电路的第一 RF电源，该第二谐振电路包括第二天线，由此在使用中由于谐振耦合该第一谐振电路在该第二天线中感应出RF信号，该第二谐振电路被配置成向该等离子室施加感应的RF信号以在该等离子室内生成等离子；和
[0010]粒子加速单元，用于从所述等离子中引出带电粒子并使所述带电粒子加速以形成束，该粒子加速单元包括被配置成在该等离子室和加速电极之间施加电势的第二电源，该等离子室和该加速电极之间的区域构成加速管(accelerat1n column)；
[0011]其中，该第二电源适于输出相对于该第一 RF电源输出的电压高的电压。
[0012]本发明还提供一种生成带电粒子束的方法，包括:
[0013]允许气体进入等离子室，该等离子室具有用于气体进入的入口和用于从该等离子室引出带电粒子的孔；
[0014]使用射频(RF)等离子生成单元在该等离子室内部生成等离子，该射频(RF)等离子生成单元包括第一谐振电路和第二谐振电路，每个谐振电路被调谐成在基本相同的谐振频率下谐振，所述第一谐振电路包括第一天线，所述第二谐振电路包括第二天线，通过使用第一 RF电源以在大体该第一谐振电路的谐振频率下驱动该第一谐振电路，使得由于谐振耦合该第一谐振电路在该第二天线中感应出RF信号，该第二谐振电路向该等离子室施加感应的RF信号以在该等离子室内生成等离子；和
[0015]通过使用第二电源在该等离子室和加速电极之间施加电势，从该等离子中引出带电粒子并使所述带电粒子加速以形成束，该等离子室和该加速电极之间的区域构成加速管；
[0016]其中，相对于该第一 RF电源输出的电压，该第二电源输出的电压高。
[0017]与直流等离子相比，通过使用RF激发生成等离子，等离子参数可以非常快地变化(包括等离子的引发和消失)。这是因为存储在电路中的能量的量固有地较低并且因为能够以公知的方式用合适的控制器轻易地调制RF信号。因此，可以非常快速(例如小于I微秒)地接通和关断等离子。已经发现以这样的时间尺度的束脉冲非常有益于在焊接、机械加工和其它处理期间控制热输入。如此短的响应时间还有益于其它的处理控制步骤诸如束功率的变化(通过调制RF幅度)，其可例如在使用光栅生成工件的电子图像期间使用(在下文进一步描述)。由于等离子本身能够被控制在如此短的时间尺度，因此不需要栅电极，使得源可被实施成二极管枪配置，从而实现高完整性的粒子束。
[0018]所公开的装置和方法还消除了前述对专门定制的高电压电源的需求，如果需要提供高电压RF (而不是直流)，则专门定制的高电压电源的复杂性会进一步增加。相反，RF激发是由相对低电压的(第一)电源驱动的，通过使用第一谐振电路和第二谐振电路将该电源感应耦合至该等离子室。因此该第一 RF电源可以是成品常规RF电源，诸如市售的低功率(例如50W)RF发电机。这样的部件相对便宜且结构紧凑。同时，用于加速该粒子的高电压由分立的第二电源提供，该第二电源在该等离子室和加速电极之间施加电势。由于仅需要单个高电压输出(通常是直流)，还可以通过常规的、容易得到的高电压电源来实现。由于第一谐振电路和第二谐振电路之间的耦合的感应本质，高电压与第一电源的低电压隔离。因此，该第一谐振电路可接近于接地电势运行。
[0019]总之，所公开的布置使得利用两个常规电源成为可能，从而相对于需要专门的、定制的电源的现有设计降低了成本和复杂性。
[0020]应注意，对第一电源和第二电源的输出的引述“高”或“低”指的是电压的绝对幅度而不是它们的符号(+/_)。
[0021]所公开的装置和方法的另一个优势可由比在其它粒子束源中的电缆更软的电缆形成两个电源与容纳该等离子室和加速管的设备之间的物理连接。这改进了该束枪的可操纵性，这对于室内枪(in-chamber gun)和滑动密闭枪尤其重要。由于消除了在从一个HV电源输出不只一条HV线路的情况下对于多芯HV电缆的需求，因此改进了柔软性。在所公开的装置中，可使用单芯(且因此是高柔软性的)电缆在该加速管两端施加由第二(HV)电源提供的电势并且可使用分立的单RF同轴电缆从第一(低电压)电源生成等离子。因此不需要大直径、笨重的多芯HV电缆。
[0022]如上所述，该第一谐振电路和第二谐振电路之间的感应耦合将该第一电源与高加速电压隔离。可以多种方式实现第一谐振电路和第二谐振电路之间的电气隔离，然而，在优选的实施例中，通过利用真空枪可至少部分实现隔离(在使用中将该加速管排空以允许形成带电粒子束，如同在常规设备中一样)。在一个优选的实施方案中，至少该等离子室、加速管和第二天线被布置在一个壳体内，该装置还包括用于排空该壳体的泵，使得在使用中第二天线与第一天线基本电绝缘。该第一天线可被布置在该壳体的外部并将功率远程地耦合到第二天线。这种情况下的壳体将会是非导电的并且它本身可有助于电气隔离。
[0023]然而，在尤其优选的实施方案中，至少该等离子室、加速管、第一天线和第二天线被布置在壳体内，该装置还包括用于排空该壳体的泵，使得在使用中第一天线与第二天线基本上彼此电绝缘。以此方式，第一天线与第二天线实际上形成了真空芯变压器(可能有或没有任何增益)的初级线圈和次级线圈。通过将两个天线都放置在该壳体内，可实现尤其紧凑的布局，并且可以相对于彼此固定的关系布置两个天线，从而优化功率传递。优选地，一个天线被布置在另一个天线的内部，两个天线共有一个公共纵轴。
[0024]由于在击穿的情况下对绝缘体(真空)没有伤害，因此使用枪真空来隔离天线是有益的，并且考虑到真空的提供对于加速管是必要的，因此还使用枪真空来提供电绝缘，以避免使用任何附加的组件。然而，在替代的实施方式中，在第一天线和第二天线之间设有电绝缘材料，优选地是陶瓷或者聚合物，以使天线彼此绝缘。例如，可使用环氧