用于生成帶電粒子束的等離子源裝置和方法
【專利說明】用于生成帶電粒子束的等離子源裝置和方法
[0001]本發明涉及用于生成帶電粒子(諸如電子或離子)束的等離子源裝置，以及這樣的生成帶電粒子束的方法。帶電粒子束的用途包括材料處理應用，諸如焊接、加層制造(additive layer manufacturing)、和鉆孔、切割、固化、恪化、蒸發或其它處理，藉此使用帶電粒子束改良或處理材料或工件。
[0002]被用作焊接設備和用于類似處理工具的大多數電子槍使用熱離子發射器作為它們的電子源。對于這種類型的發射器，將耐高溫金屬加熱到電子能從表面逸出的溫度，然后通過施加電場使電子加速。這種設計存在許多固有問題。例如，陰極(cathode)尺寸非常關鍵，陰極隨著發熱而變形并且蒸發使得陰極尺寸變化。而且陰極壽命可能短(例如在工業應用設備上6小時的焊接時間)且維護成本可能高。此外，在陰極的使用期間束質量會變化，改變了焊接性能且因而需要重新調整焊接參數。此外，如果槍真空受損則陰極的壽命被縮短，并且離子轟擊(這些離子源自真空容器中的熔池和殘余氣體)可加速陰極的磨損。熱離子發射器的另一種變體是反轟設備，其中熱陰極被布置成將電子發射到一個目標，主帶電粒子束從該目標發射出。在W0-A-94/13006中給出這樣的設備的實施例。
[0003]作為熱離子發射器的備選包括光電陰極、冷發射或等離子源。在等離子源的情形中，氣體諸如氦、氬或空氣被離子化以形成等離子并且帶電粒子(電子或離子)被從該等離子中引出并被加速以形成束。由于粒子源自離子化的氣體，因此沒有熱金屬陰極，并因此該源的操作和維護比熱離子發射器簡單。此外，等離子源對于在使用期間可進入裝置的氣體和蒸氣相對不敏感。然而，等離子源的采用并未普及，原因在于多種困難，包括:慢的源響應時間限制了可達到的最小束脈沖持續時間；復雜的電源要求。
[0004]例如，托木斯克控制系統與放射電子國立大學(TUSUR)已經設計并制造了工作于至多60kV加速電勢和12kW功率的等離子陰極電子槍。N.Rempe等人在“Electron-beamfacilities based on plasma-cathode guns，，(Welding and Cutting 11(2012)N0.2, 122頁)中描述了某些實施例。該等離子是由使用例如中空陰極低電壓反射放電技術施加的直流激發生成的，在所述放電技術中在該等離子室內的兩個陰極中的每一個和居間的一個陽極(anode)之間建立電勢。為了使帶電粒子能夠以足夠的能量加速逸出等離子，施加放電的低電壓必須在適合加速的高電壓(例如_60kV)處浮動。因此，必須使用專門定制的高電壓電源以提供等離子激發和加速電壓。由于適于處理和操縱高電壓的組件的尺寸大，因此該電源復雜、昂貴并且體積龐大。
[0005]這樣的等離子陰極電子槍的另一個缺點是，由于電纜和等離子室的電容必須充電和放電，因此DC等離子激發電源不易改動成具有快速的壓擺率(slew rate)。這導致用于每束脈沖以及用于改變束功率的時間最短，通常至少35微秒。這是不期望的，因為許多材料處理應用需要對粒子束的更大的控制。用于解決該問題的一個方法是在該等離子源(“三極管槍”布局)的前面增加一個柵電極。該柵電極控制等離子的表面處的電場強度，從而控制電子發射，并且該柵電極的電勢可被控制和相對快速地調整。這可用于實現脈沖束輸出，同時連續地生成該等離子本身。然而，柵電極通常會使束質量惡化，因為柵電極具有畸變的電子光學質量。此外，使用柵電極使得槍結構、電源和控制系統復雜化。
[0006]由 Goebel 和Watkins在“High current, low pressure plasma cathode electrongun，，(Review of Scientific Instruments, 71, 388-398 (2000))中公開了等離子源的另一個實施例。這里，通過來自非常低壓的靜態氣體內部的熱絲的電子的熱離子發射來生成等離子。然而，這同樣面臨相似的問題，即:需要以所要求的最短時間使絲達到所需的電壓以觸發等離子放電；以及復雜的電源電路系統。此外，熱絲的使用隨之帶來了上述標準熱離子發射器的缺點。
[0007]根據本發明，提供一種用于生成帶電粒子束的等離子源裝置，該裝置包括:
[0008]等離子室，設有用于氣體進入的入口和用于從該等離子室引出帶電粒子的孔；
[0009]射頻(RF)等離子生成單元，用于在該等離子室內部生成等離子，該射頻等離子生成單元包括第一諧振電路和第二諧振電路，每個諧振電路被調諧成在基本相同的諧振頻率下諧振，該第一諧振電路包括第一天線和適于在大體該第一諧振電路的諧振頻率下驅動該第一諧振電路的第一 RF電源，該第二諧振電路包括第二天線，由此在使用中由于諧振耦合該第一諧振電路在該第二天線中感應出RF信號，該第二諧振電路被配置成向該等離子室施加感應的RF信號以在該等離子室內生成等離子；和
[0010]粒子加速單元，用于從所述等離子中引出帶電粒子并使所述帶電粒子加速以形成束，該粒子加速單元包括被配置成在該等離子室和加速電極之間施加電勢的第二電源，該等離子室和該加速電極之間的區域構成加速管(accelerat1n column)；
[0011]其中，該第二電源適于輸出相對于該第一 RF電源輸出的電壓高的電壓。
[0012]本發明還提供一種生成帶電粒子束的方法，包括:
[0013]允許氣體進入等離子室，該等離子室具有用于氣體進入的入口和用于從該等離子室引出帶電粒子的孔；
[0014]使用射頻(RF)等離子生成單元在該等離子室內部生成等離子，該射頻(RF)等離子生成單元包括第一諧振電路和第二諧振電路，每個諧振電路被調諧成在基本相同的諧振頻率下諧振，所述第一諧振電路包括第一天線，所述第二諧振電路包括第二天線，通過使用第一 RF電源以在大體該第一諧振電路的諧振頻率下驅動該第一諧振電路，使得由于諧振耦合該第一諧振電路在該第二天線中感應出RF信號，該第二諧振電路向該等離子室施加感應的RF信號以在該等離子室內生成等離子；和
[0015]通過使用第二電源在該等離子室和加速電極之間施加電勢，從該等離子中引出帶電粒子并使所述帶電粒子加速以形成束，該等離子室和該加速電極之間的區域構成加速管；
[0016]其中，相對于該第一 RF電源輸出的電壓，該第二電源輸出的電壓高。
[0017]與直流等離子相比，通過使用RF激發生成等離子，等離子參數可以非常快地變化(包括等離子的引發和消失)。這是因為存儲在電路中的能量的量固有地較低并且因為能夠以公知的方式用合適的控制器輕易地調制RF信號。因此，可以非常快速(例如小于I微秒)地接通和關斷等離子。已經發現以這樣的時間尺度的束脈沖非常有益于在焊接、機械加工和其它處理期間控制熱輸入。如此短的響應時間還有益于其它的處理控制步驟諸如束功率的變化(通過調制RF幅度)，其可例如在使用光柵生成工件的電子圖像期間使用(在下文進一步描述)。由于等離子本身能夠被控制在如此短的時間尺度，因此不需要柵電極，使得源可被實施成二極管槍配置，從而實現高完整性的粒子束。
[0018]所公開的裝置和方法還消除了前述對專門定制的高電壓電源的需求，如果需要提供高電壓RF (而不是直流)，則專門定制的高電壓電源的復雜性會進一步增加。相反，RF激發是由相對低電壓的(第一)電源驅動的，通過使用第一諧振電路和第二諧振電路將該電源感應耦合至該等離子室。因此該第一 RF電源可以是成品常規RF電源，諸如市售的低功率(例如50W)RF發電機。這樣的部件相對便宜且結構緊湊。同時，用于加速該粒子的高電壓由分立的第二電源提供，該第二電源在該等離子室和加速電極之間施加電勢。由于僅需要單個高電壓輸出(通常是直流)，還可以通過常規的、容易得到的高電壓電源來實現。由于第一諧振電路和第二諧振電路之間的耦合的感應本質，高電壓與第一電源的低電壓隔離。因此，該第一諧振電路可接近于接地電勢運行。
[0019]總之，所公開的布置使得利用兩個常規電源成為可能，從而相對于需要專門的、定制的電源的現有設計降低了成本和復雜性。
[0020]應注意，對第一電源和第二電源的輸出的引述“高”或“低”指的是電壓的絕對幅度而不是它們的符號(+/_)。
[0021]所公開的裝置和方法的另一個優勢可由比在其它粒子束源中的電纜更軟的電纜形成兩個電源與容納該等離子室和加速管的設備之間的物理連接。這改進了該束槍的可操縱性，這對于室內槍(in-chamber gun)和滑動密閉槍尤其重要。由于消除了在從一個HV電源輸出不只一條HV線路的情況下對于多芯HV電纜的需求，因此改進了柔軟性。在所公開的裝置中，可使用單芯(且因此是高柔軟性的)電纜在該加速管兩端施加由第二(HV)電源提供的電勢并且可使用分立的單RF同軸電纜從第一(低電壓)電源生成等離子。因此不需要大直徑、笨重的多芯HV電纜。
[0022]如上所述，該第一諧振電路和第二諧振電路之間的感應耦合將該第一電源與高加速電壓隔離。可以多種方式實現第一諧振電路和第二諧振電路之間的電氣隔離，然而，在優選的實施例中，通過利用真空槍可至少部分實現隔離(在使用中將該加速管排空以允許形成帶電粒子束，如同在常規設備中一樣)。在一個優選的實施方案中，至少該等離子室、加速管和第二天線被布置在一個殼體內，該裝置還包括用于排空該殼體的泵，使得在使用中第二天線與第一天線基本電絕緣。該第一天線可被布置在該殼體的外部并將功率遠程地耦合到第二天線。這種情況下的殼體將會是非導電的并且它本身可有助于電氣隔離。
[0023]然而，在尤其優選的實施方案中，至少該等離子室、加速管、第一天線和第二天線被布置在殼體內，該裝置還包括用于排空該殼體的泵，使得在使用中第一天線與第二天線基本上彼此電絕緣。以此方式，第一天線與第二天線實際上形成了真空芯變壓器(可能有或沒有任何增益)的初級線圈和次級線圈。通過將兩個天線都放置在該殼體內，可實現尤其緊湊的布局，并且可以相對于彼此固定的關系布置兩個天線，從而優化功率傳遞。優選地，一個天線被布置在另一個天線的內部，兩個天線共有一個公共縱軸。
[0024]由于在擊穿的情況下對絕緣體(真空)沒有傷害，因此使用槍真空來隔離天線是有益的，并且考慮到真空的提供對于加速管是必要的，因此還使用槍真空來提供電絕緣，以避免使用任何附加的組件。然而，在替代的實施方式中，在第一天線和第二天線之間設有電絕緣材料，優選地是陶瓷或者聚合物，以使天線彼此絕緣。例如，可使用環氧