[发明专利]用于生成等离子体和使电子束指向靶的设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于生成等离子体和使电子束指向靶的设备，以及所述设备的应用。

具体而言，提供了用于在支撑物上涂布一层材料的一种装置和方法以及用于焊接的一种装置和方法。

背景技术

存在被设计用来担当电子的源和等离子体的源的各种设备。一些这种设备使用由强电场或者加热管线的热发射引起的电子发射(这些源可被认定为是“场发射”或者“热发射”类型的)。电子束的生成和传输经常在具有极高真空的环境中发生。在这种情况下，电子不与残余气体的原子撞击并且具有极窄的能谱。然而，束的密度必须被保持相对低，这是因为空间放电效应必须低到足以避免电子包(electron packet)的空间和能量分散，结果降低了密度和单色性。电子源的另一家族使用基于等离子体的存在的“虚”阴极，电子被从其表面发射。该等离子体阴极的形成需要相对高的(上至0.1毫巴)的残余气体压力。在这种情况下，电子束的传播伴随有由电子碰撞残余气体的原子而引起的次级等离子体的生成。这种碰撞一方面引起来自电子的能量分散，另一方面通过来自气体原子的电子的次级发射而引起电子束的强化。次级等离子体的存在还造成静电屏蔽效应，该效应允许电子包以紧凑而没有空间分散的方式行进。因此，电子束即使在能量方面是多分散(polydisperse)的也可以具有毫无疑问比“场发射”或“热发射”源更高的充电密度。

存在用于生成作为电子源的等离子体阴极的许多方法：“辉光放电”(例如在US7183564中描述)、“稳态直流放电”(例如在以下各项中描述的：H.Goktas、Hulya Kirkici、G.Oke和M.V.Udrea,Ieee等离子体学期刊，Vol.30,No.5,(2002),1837；以及Efim M.Oks和Peter M.Schanin；Phys.Plasmas 6,(1999),1649)、弧放电(例如在WO 2010/109297A2中描述)，乃至一种类型的潘宁(Penning)放电(例如在G.E.Ozur、S.A.Popov、V.F.Fedushchak和A.V.Saushkin；技术物理快报(Technical Physics Letters),第32卷,(2006),第928-931页中描述)，从而至少涵盖基本工作原理。甚至从阴极到阳极并且超过远到靶的电子束的传播和增加也可以以各种方式执行，从而创建两种主要类的电子源。在第一类中，电子束在静止残余气体的“背景”下在自由空间中传播，其中在包含电子源的真空室的整个空间中压力是平衡的(H.Goktas、Hulya Kirkici、G.Oke和M.V.Udrea,Ieee等离子体学期刊,第30卷,第5期,(2002),1837；以及在Efim M.Oks和Peter M.Schanin中；Phys.Plasmas 6,(1999),1649)。相比之下，在第二类中，由介电材料制成的毛细管被用来引导电子束(在该部分中术语“毛细管”指代直径在1.5与4mm之间的管。在所述尺寸范围之外，系统不再工作，这是因为直径小于1.5mm的毛细管具有过大的阻抗，这不允许等离子体在其内部传播，同时直径大于4mm的毛细管不允许足够的等离子体密度被维持，结果是所生成的电子数量的(以及因而所述用途的消融(ablation)效率的)减少。所述毛细管经常以高于剩余真空室的压力被残余气体流填充，从而形成压力和密度梯度。这种技术经常被称作“通道火花放电”(US7183564；WO 2010/109297A2；以及G.E.Ozur、S.A.Popov、V.F.Fedushchak和A.V.Saushkin；技术物理快报,第32卷,(2006),第928-931页)。

第一类的源可以以连续发射工作，或者在脉冲模式下工作。使用毛细管的第二类几乎总是在脉冲模式下工作以避免过热的潜在问题。事实上，作用于脉冲的占空比，可以将毛细管发射的平均功率保持相对低，以避免因过热而损坏其内表面。

束自由传播的电子源遭受电子包的引导和分散问题。相比之下，配备有毛细管的源由于毛细管的内部消融而在电子的平均能量方面受限，毛细管的内部消融继而导致靶材料的污染。另外，因为毛细管对源的形状施加了严格几何条件，因此毛细管本身构成了系统的工业“放大”的障碍。

还应当注意到，当毛细管被使用时，电子束包含(源自毛细管的)杂质并且这些组件的常规维护和替换即使对于极短暂的动作时段(从几小时到几天)也是必要的(它们倾向于变脏并且抑制设备生成电子束的能力)。

发明内容