Плазмове джерело і спосіб генерування пучків заряджених частинок

Реферат: Відповідно до винаходу пропонується плазмове джерело для генерування пучка заряджених частинок. Джерело містить: плазмову камеру, обладнану впускним патрубком для впускання газу і отвором для виведення заряджених частинок з плазмової камери; радіочастотний модуль генерування плазми для генерування плазми усередині плазмової камери, причому радіочастотний модуль генерування плазми містить перший і другий резонансні контури, кожний з яких налаштований на, по суті, одну й ту ж резонансну частоту причому перший резонансний контур містить першу антену і перше, радіочастотне, джерело живлення, виконане з можливістю приведення першого резонансного контуру в дію на частоті, по суті, рівній його резонансній частоті, а другий резонансний контур містить другу антену, причому в робочому режимі перший резонансний контур індукує в другій антені радіочастотний сигнал завдяки наявності між ними резонансного зв'язку, причому другий резонансний контур виконаний з можливістю подачі індукованого радіочастотного сигналу в плазмову камеру для генерування в ній плазми; і модуль прискорення частинок для виведення заряджених частинок з плазми і прискорення заряджених частинок для формування пучка, причому модуль прискорення частинок містить друге джерело живлення, виконане з можливістю створення різниці потенціалів між плазмовою камерою і прискорювальним електродом, причому область, розташована між плазмовою камерою і прискорювальним електродом, утворює прискорювальну колону. Друге джерело живлення виконане з можливістю виведення напруги, високої у порівнянні з вихідним сигналом першого, радіочастотного, джерела живлення. UA 112701 C2 (12) UA 112701 C2 UA 112701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки, до якої належить винахід Даний винахід належить до області плазмових джерел для генерування пучків заряджених частинок, наприклад, електронів або іонів, і способів такого генерування. Пучки заряджених частинок використовують, зокрема, в застосуваннях, пов'язаних з обробкою матеріалів, наприклад, зварюванням, виготовленням додаткових шарів, а також свердленням, різанням, ствердінням, плавленням, випаровуванням та іншими видами обробки, в яких матеріал або заготовка можуть бути змінені або оброблені за допомогою такого пучка. Рівень техніки У більшості електронних гармат, вживаних як зварювальне або інше схоже устаткування для обробки матеріалів, як джерело електронів використовують термоелектронний випромінювач. У випромінювачі такого типу тугоплавкий метал нагрівають до температури, при якій електрони можуть покинути поверхню металу і бути прискорені прикладаним електричним полем. Такій конструкції властиві деякі недоліки. Наприклад, геометричні розміри катода мають життєво важливе значення, а його перегрівання викликає його викривлення і випаровування, що призводить до змінення цих розмірів. Крім того, термін служби катода може бути коротким (наприклад, до 6 годин у режимі зварювання в устаткуванні промислового застосування), а вартість його обслуговування може бути високою. Крім цього, можливі зміни параметрів пучка протягом терміну служби катода призводять до змінення к.к.д. зварювання і, отже, до виникнення необхідності підстроювання параметрів зварювання. Крім того, термін служби катода може бути скорочений у разі порушення герметичності електронної гармати, а знос катода може бути прискорений в результаті опромінювання іонами, що виникають у зварювальній зоні і залишкових газів вакуумної камери. Термоелектронними випромінювачами іншого типу є установки із зворотним бомбардуванням, в яких катод, який нагрівається, виконаний з можливістю випромінювання електронів для опромінювання мішені, з якої відбувається випромінювання основного пучка заряджених частинок. Приклад установки такого типу описаний в патентному документі WOA94/13006. Як альтернативу термоелектронним випромінювачам використовують джерела з фотоелектронними катодами, електростатичною ("холодною") емісією або плазмові джерела. У випадку плазмових джерел газ, наприклад, гелій, аргон або повітря, іонізують з утворенням плазми, після чого заряджені частинки (електрони або іони) витягають з плазми і прискорюють, формуючи з них пучок. Оскільки джерелом частинок є іонізований газ, у системі відсутній гарячий металевий катод, що забезпечує можливість спрощення експлуатації і обслуговування такого джерела у порівнянні з термоелектронними випромінювачами. Крім того, плазмові джерела порівняно нечутливідо проникнення газів і пари усередину установки під час її експлуатації. Проте плазмові джерела не набули великого поширення у зв'язку зі своїми недоліками, до числа яких входить довгий час реакції джерела, який обмежує мінімальну можливу тривалість імпульсу пучка, і високі вимоги до джерела живлення. Наприклад, у Томському державному університеті систем управління і радіоелектроніки (ТУСУР) були розроблені і виготовлені електронні гармати з плазмовим катодом, що працюють з прискорюючим потенціалом до 60 кВ і потужністю 12 кВт. Деякі приклади таких систем описані в статті "Electron-beam facilities based on plasma-cathode guns" авторів N. Rempe et al, Welding and Cutting 11 (2012) No. 2, стор. 122. Для генерування плазми використовують збудження постійним струмом, наприклад, вживане з використанням методики відбитого низьковольтного розряду в порожнистому катоді, відповідно до якої між кожним з двох катодів і розміщеним між ними анодом, що знаходяться усередині плазмової камери, встановлюють необхідну різницю потенціалів. Для забезпечення прискорення заряджених частинок, що поступають з плазми, до достатньої енергії, до низьковольтного розряду необхідно прикласти високу напругу, що забезпечує відповідне прискорення (наприклад, порядку 60 кВ). У зв'язку з цим для отримання напруги, достатньої для збудження і прискорення плазми, необхідно використовувати спеціально виготовлене джерело високої напруги. Таке джерело може бути складним, дорогим і громіздким у зв'язку з великими розмірами компонентів, що забезпечують можливість роботи з високою напругою і керування ними. Інший недолік таких електронних гармат з плазмовим катодом полягає в складності виготовлення джерела живлення для постійнострумового збудження плазми з високою швидкістю наростання сигналу, викликаною необхідністю зарядження і розрядження ємності кабелів і плазмової камери. Це призводить до обмеження мінімальної тривалості кожного з імпульсів пучка, а також часу змінення потужності пучка, причому характерні значення складають не менше 35 мікросекунд. Дане обмеження небажане, оскільки багато застосувань в області обробки матеріалів потребують можливості точнішого керування пучком частинок. Один з підходів до вирішення цієї проблеми полягає в установленні перед плазмовим джерелом 1 UA 112701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 сіткового електрода (так звана конструкція тріодної електронної гармати). Сітковий електрод регулює напруженість електричного поля на поверхні плазми, що забезпечує можливість регулювання випромінювання електронів, причому існує можливість порівняно швидкого контролю і підстроювання потенціалу на ньому. Така конструкція може бути використана для формування імпульсного вихідного пучка при безперервному генеруванні самої плазми. Проте використання сіткових електродів зазвичай призводить до зниження якості пучка, оскільки вони викликають електронно-оптичні аберації. Крім того, використання сіткових електродів ускладнює конструкцію електронної гармати, джерел живлення і системи керування. Інший приклад плазмового джерела описаний в статті "High current, low pressure plasma cathode electron gun" авторів Goebel і Watkins Review of Scientific Instruments, 71, 388-398 (2000). У даній конструкції генерування плазми відбувається в результаті термоелектронної емісії електронів з гарячої нитки, поміщеної у статичний газ при украй низькому тиску. Проте дане вирішення також має схожі недоліки, пов'язані з мінімальним часом, потрібним для створення на нитці напруги, достатньої для утворення плазмового розряду, а також складністю конфігурації джерел живлення. Крім того, застосування гарячої нитки пов'язане з вищеописаними недоліками відомих термоелектронних випромінювачів. Розкриття винаходу Відповідно до даного винаходу пропонується плазмове джерело для генерування пучка заряджених частинок, що містить: плазмову камеру, обладнану впускним патрубком для впускання газу і отвором для виведення заряджених частинок з плазмової камери; радіочастотний модуль генерування плазми для генерування плазми усередині плазмової камери, причому радіочастотний модуль генерування плазми містить перший і другий резонансні контури, кожний з яких налаштований на, по суті, одну й ту ж резонансну частоту, причому перший резонансний контур містить першу антену і перше, радіочастотне, джерело живлення, виконане з можливістю приведення першого резонансного контура в дію на частоті, по суті, рівній його резонансній частоті, а другий резонансний контур містить другу антену, причому в робочому режимі перший резонансний контур індукує у другій антені радіочастотний сигнал завдяки наявності між ними резонансного зв'язку, причому другий резонансний контур виконаний з можливістю подання індукованого радіочастотного сигналу в плазмову камеру для генерування в ній плазми; і модуль прискорення частинок для виведення заряджених частинок з плазми і прискорення заряджених частинок для формування пучка, причому модуль прискорення частинок містить друге джерело живлення, виконане з можливістю створення різниці потенціалів між плазмовою камерою і прискорювальним електродом, причому область, розташована між плазмовою камерою і прискорювальним електродом, утворює прискорювальну колону; причому друге джерело живлення виконане з можливістю виведення напруги, високої в порівнянні з вихідним сигналом першого, радіочастотного, джерела живлення. Відповідно до винаходу також пропонується спосіб генерування пучка заряджених частинок, що включає етапи, на яких: впускають газ у плазмову камеру, причому плазмова камера обладнана впускним патрубком для впускання газу і отвором для виведення заряджених частинок з плазмової камери; генерують плазму усередині плазмової камери за допомогою радіочастотного модуля генерування плазми, що містить перший і другий резонансні контури, кожний з яких налаштований на, по суті, одну й ту ж резонансну частоту, причому перший і другий резонансні контури містять першу і другу антени, відповідно, причому перше, радіочастотне, джерело живлення, використовують для приведення першого резонансного контура в дію на частоті, по суті, рівній його резонансній частоті, а другий резонансний контур містить другу антену, причому в робочому режимі перший резонансний контур індукує в другій антені радіочастотний сигнал завдяки наявності між ними резонансного зв'язку, а другий резонансний контур подає індукований радіочастотний сигнал у плазмову камеру для генерування в ній плазми; і виводять заряджені частинки з плазми і прискорюють заряджені частинки для формування пучка, використовуючи друге джерело живлення для створення різниці потенціалів між плазмовою камерою і прискорювальним електродом, причому область, розташована між плазмовою камерою і прискорювальним електродом, утворює прискорювальну колону; причому напруга вихідного сигналу другого джерела живлення є високою напругою в порівнянні з напругою вихідного сигналу першого, радіочастотного, джерела живлення. Генерування плазми за допомогою радіочастотного збудження забезпечує можливість надзвичайно швидкого змінення параметрів плазми (зокрема запалювання і затухання плазми) порівняно з постійнострумовими системами генерування плазми. Це пов'язано з принципово 2 UA 112701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 меншою кількістю енергії, накопичуваної у контурі, і з добре відомими широкими можливостями модулювання радіочастотних сигналів за допомогою відповідного контролера. Таким чином, вмикання і вимикання плазми може бути здійснене надзвичайно швидко, наприклад, упродовж менше ніж 1 мікросекунди. Було показано, що пульсування пучка на такому часовому масштабі надзвичайно переважне з погляду керування подачею тепла при зварюванні, механічній обробці та інших процесах. Такий короткий час реакції вигідний і з погляду керування іншими етапами технологічного процесу, наприклад, змінення потужності пучка (наприклад, шляхом модулювання амплітуди радіочастотного сигналу), що може бути використане, наприклад, при скануванні для формування електронного зображення заготовки (як детальніше описано нижче). Можливість керування станом плазми на такому короткому часовому масштабі усуває необхідність у використанні сіткового електрода, внаслідок чого джерело може бути виконане у вигляді діодної електронної гармати, що дозволяє отримувати пучки частинок високої однорідності. Крім того, пропоновані пристрої і способи усувають необхідність, що існувала у відомих рішеннях, використання спеціально виготовленого джерела високої напруги, складність якго була б ще збільшена за необхідності вироблення радіочастотного (а не постійного) високовольтного сигналу. Замість цього для радіочастотного збудження використовують порівняно низьковольтне (перше) джерело живлення, індуктивно зв'язане з плазмовою камерою за допомогою першого і другого резонансних контурів. У зв'язку з цим перше радіочастотне джерело живлення може бути стандартним, звичайним радіочастотним джерелом живлення, наприклад, наявним у продажу радіочастотним генератором низької потужності (наприклад, 50 Вт). Такі компоненти порівняно недорогі і не громіздкі. Висока напруга, потрібна для прискорення частинок, поступає від окремого, другого джерела живлення, яке створює різницю потенціалів між плазмовою камерою і прискорювальним електродом. Оскільки необхідний всього один (як правило, постійний) високовольтний вихідний сигнал, даний компонент також може бути виконаний у вигляді стандартного, широко доступного високовольтного джерела живлення. Висока напруга ізольована від першого низьковольтного джерела живлення завдяки індуктивному характеру зв'язку між першим і другим резонансними контурами. У зв'язку з цим перший резонансний контур може працювати при потенціалі, близькому до потенціалу землі. В цілому, пропонована конструкція дозволяє використовувати два звичайних джерела живлення, тим самим знижуючи вартість і складність порівняно з відомими конструкціями, що потребують використання особливих, спеціально виготовлених джерел. Слід зазначити, що терміни "висока" і "низька" стосовно до напруги вихідних сигналів першого і другого джерел живлення позначають абсолютне значення їх амплітуди, а не їхній знак (+ або -). Додаткова перевага пропонованих пристроїв і способів полягає в тому, що фізичні з'єднання між двома джерелами живлення і устаткуванням, що містить плазмову камеру і прискорювальну колону, можуть бути виконані у вигляді більш гнучких кабелів, ніж в інших джерелах пучків частинок. Це підвищує маневреність електронної гармати, що особливо важливе у разі вбудованих електронних гармат і електронних гармат з ковзним ущільненням. Збільшення гнучкості пов'язане з усуненням необхідності використання багатожильних високовольтних кабелів, потрібних у разі виведення однієї або декількох високовольтних ліній з одного високовольтного джерела. У пропонованому пристрої одножильний (і, отже, такий, що має високу гнучкість) кабель може бути використаний для подачі потенціалу, що поступає від другого (високовольтного) джерела живлення, на прискорювальну колону, а ще один окремий радіочастотний коаксіальний кабель може бути підведений від першого (низьковольтного) джерела живлення для генерування плазми. Таким чином, використання громіздких багатожильних високовольтних кабелів крупного діаметра не потрібне. Як вказано вище, індуктивний зв'язок між першим і другим резонансними контурами забезпечує ізоляцію першого джерела живлення від прискорювальної високої напруги. Електрична ізоляція між двома контурами може бути забезпечена різними методами, проте в кращих прикладах здійснення таку ізоляцію забезпечують, щонайменше, частково за допомогою вакууму, що існує усередині електронної гармати (прискорювальну колону в робочому режимі вакуумують для забезпечення можливості формування пучка заряджених частинок, як і у відомих вирішеннях). Відповідно до одного з кращих варіантів здійснення винаходу щонайменше плазмова камера, прискорювальна колона і друга антена розміщені усередині корпусу, причому джерело додатково містить помпу для вакуумування корпусу, який, по суті, забезпечує електричну ізоляцію другої антени від першої антени в робочому режимі. Перша антена може бути розміщена поза корпусом і бути пов'язана з другою антеною віддалено. У такому разі корпус може бути непровідним і робити свій внесок до електроізоляції. 3 UA 112701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Проте, відповідно до особливо кращого варіанта здійснення винаходу щонайменше плазмова камера, прискорювальна колона, перша антена і друга антена розміщені усередині корпусу, причому джерело додатково містить помпу для вакуумування корпусу для забезпечення, по суті, взаємної електричної ізоляції першої і другої антен в робочому режимі. Таким чином, перша і друга антени, по суті, утворюють первинну і вторинну обмотки трансформатора з вакуумним сердечником (який може забезпечувати або не забезпечувати посилення сигналу). Розміщення обох антен усередині корпусу дозволяє отримати особливо компактну конструкцію, причому антени можуть бути жорстко закріплені одна щодо іншої, що оптимізує передачу енергії між ними. Одна з антен краще розміщена усередині іншої, причому обидві антени мають загальну поздовжню вісь. Використання вакууму, що є усередині електронної гармати, для ізоляції антен має ту перевагу, що виключає пошкодження ізолятора (вакууму) у разі несправності, а оскільки забезпечення вакууму необхідне для прискорювальної колони, його використання для забезпечення електроізоляції не потребує застосування будь-якого додаткового устаткування Проте в альтернативних варіантах здійснення між першою та другою антенами може бути передбачений електроізолювальний матеріал, що забезпечує їх взаємну ізоляцію. Наприклад, для цього може бути використана епоксидна смола або масло. Перше, радіочастотне, джерело живлення в оптимальному варіанті є низьковольтним джерелом, виконаним з можливістю виведення сигналу з амплітудою потужності до 300 Вт, краще до 100'Вт, ще краще до 50 Вт. Таким чином, може бути використаний наявний у продажу радіочастотний генератор з роз'ємом для стандартного коаксіального кабелю. У особливо кращих варіантах здійснення один з кінців першої антени у складі першого резонансного контура має потенціал землі. Наприклад, один з кінців антени може бути фізично заземлений на стінці колони електронної гармати. Проте заземлення антени не є необхідним. У кращому варіанті здійснення джерело додатково містить контролер для модулювання радіочастотного вихідного сигналу першого джерела живлення. Він може бути використаний для увімкнення і вимикання плазми за допомогою відповідного модулювання радіочастотного сигналу з коротким часом реакції або для змінення потужності пучка, наприклад, за допомогою модулювання амплітуди радіочастотного сигналу. У кращому варіанті здійснення контролер додатково виконаний з можливістю змінення амплітуди радіочастотного сигналу між першою амплітудою, за якої потужність генерованого пучка забезпечує можливість обробки матеріалів, і другою амплітудою, за якої потужність генерованого пучка забезпечує можливість отримання зображення заготовки, причому перша амплітуда перевищує другу амплітуду. В оптимальному варіанті здійснення друге джерело живлення виконане з можливістю виведення сигналу постійного струму, що краще має напругу в діапазоні від 10 кВ до 200 кВ, ще краще від 25 кВ до 175 кВ, ще краще від 60 кВ до 150 кВ. Напругу вихідного сигналу визначає прискорення заряджених частинок, які виводяться з плазмової камери, і, отже, ΊΪ величину підбирають відповідно до енергії пучка, потрібної для кожного конкретного застосування. Якщо зарядженими частинками є електрони, друге джерело живлення, як правило, використовують у режимі подачі на плазмову камеру високої негативної напруги (наприклад -60 кВ) при заземленому прискорювальному електроді, внаслідок чого між плазмовою камерою і прискорювальним електродом отримують позитивний градієнт напруги для виведення електронів з плазми і їх прискорення. У оптимальному варіанті здійснення друге джерело живлення може бути імпульсним джерелом живлення, краще виконаним з можливістю виведення імпульсів потужності тривалістю 10 мікросекунд або менше. Кожний з імпульсів потужності створює короткий прискорюючий потенціал і, отже, імпульс пучка заряджених частинок. Такий метод керування може бути використаний замість модулювання радіочастотного сигналу або на додаток до нього. Напруга другого джерела живлення краще перевищує напругу першого, радіочастотного, джерела живлення (за амплітудою) щонайменше у 100 разів, краще щонайменше у 1000 разів. Друге джерело живлення краще є постійнострумовим джерелом живлення. У оптимальному варіанті здійснення кожний з першого і другого резонансних контурів містить набір паралельних LC- або RLC-контурів (де L = індуктивність, С = ємність, R = опір), причому перша і друга антени утворюють індуктори першого і другого резонансних контурів відповідно. У особливо кращому варіанті здійснення другий резонансний контур містить конденсатор, паралельно приєднаний безпосередньо до другої антени. Перша та/або друга антени можуть мати будь-яку необхідну форму, включаючи багатовиткові котушки, петлі квадратної або іншої форми, а також лінійні елементи, необхідні для отримання необхідних значень індуктивності. Проте в кращих варіантах здійснення перша 4 UA 112701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 та/або друга антени мають один виток кожна. Наприклад, друга антена може бути мідним або алюмінієвим кільцем з радіальним розривом, в який може бути вставлений конденсатор для утворення LC-контуру. Індуктивний зв'язок між першим і другим резонансними контурами може не викликати якогось змінення (підвищення або пониження) індукованої напруги (або сили струму) порівняно з параметрами вихідного сигналу першого джерела живлення. Проте залежно від того, як плазмова камера сполучена з другим резонансним контуром, може бути бажане відповідне підстроювання параметрів сигналу. Наприклад, якщо контур виконаний з можливістю безпосереднього прикладення індукованого сигналу до плазмової камери, бажана вища напруга, у зв'язку з чим другий резонансний контур краще має коефіцієнт добротності (Q), достатньо високий для того, щоб напруга індукованого радіочастотного сигналу була вища за напругу вихідного сигналу першого, радіочастотного, джерела живлення. Наприклад, амплітуда напруги індукованого радіочастотного сигналу може складати від 1 кВ до 10 кВ, краще від 1 кВ до 5 кВ. Проте, якщо контур виконаний з можливістю індукування плазми усередині камери (наприклад, за допомогою обмотки, що оточує камеру), необхідний високий струм, і компоненти контура повинні бути підібрані так, щоб забезпечити отримання високого вторинного струму. У кращих варіантах здійснення коефіцієнт добротності другого резонансного контура складає щонайменше 500, краще щонайменше 750. Таке положення може бути забезпечене конструкцією контура і підбором відповідних значень L, С (і R) контура. Перший резонансний контур краще узгоджений по імпедансу з першим, радіочастотним, джерелом живлення на резонансній частоті відповідно до відомих технологій, що само по собі приводить до забезпечення високого коефіцієнта добротності першого контура. Перший і другий резонансні контури можуть бути налаштовані на будь-яку резонансну частоту, що відповідає частоті першого, радіочастотного, джерела живлення, за допомогою відповідного підбору компонентів. Проте в кращих варіантах здійснення індуктивність і ємність першого і другого резонансних контурів підбирають так, щоб резонансна частота кожного з резонансних контурів була в діапазоні від 1 МГц до 160 МГц, краще від 27 МГц до 100 МГц, а найкраще складала близько 84 МГц. Як вже було вказано, індукований радіочастотний сигнал може бути прикладений до плазмової камери декількома різними методами. Відповідно до одного з кращих варіантів здійснення другий резонансний контур виконаний з можливістю прикладення індукованого радіочастотного сигналу до плазмової камери між електродами, що знаходяться у контакті з внутрішньою частиною камери, причому дані електроди краще утворені електропровідними ділянками стінок, що утворюють плазмову камеру, розділеними електроізолювальними ділянками тих самих стінок. Відповідно до особливо кращого варіанта здійснення плазмова камера утворена бічною стінкою, виконаною з електроізолювального матеріалу, верхньою стінкою, яка виконана з електропровідного матеріалу і містить впускний патрубок для введення газу всередину камери, і діафрагмою, яка виконана з електропровідного матеріалу і містить отвір для виведення заряджених частинок з камери, причому другий резонансний контур виконаний з можливістю прикладення індукованого радіочастотного сигналу між верхньою стінкою і діафрагмою. Таким чином, плазмова камера утворює складову частину другого резонансного контура, причому ізолюючий матеріал краще містить діелектрик (наприклад, нітрид бору або керамічний матеріал на основі оксиду алюмінію), внаслідок чого плазмова камера робить свій внесок до ємності другого резонансного контура. При запалюванні плазми усередині камери навантаження вторинного контура зростає, що призводить до зниження коефіцієнта добротності контура і зменшення напруги на плазмі, але забезпечує наявність більш високого струму для підтримання плазми. Відповідно до альтернативного варіанта здійснення другий резонансний контур може бути виконаний з можливістю прикладення індукованого радіочастотного сигналу до плазмової камери через котушку індуктивності, розміщену навколо плазмової камери. У такому разі стінки камери краще виконані з непровідного матеріалу або щонайменше містять розрив провідного покриття щоб уникнути індукування вихрових струмів, здатних нейтралізувати магнітне поле котушки індуктивності. Модуль прискорення частинок краще виконаний з можливістю прикладення прискорювальної напруги між діафрагмою, виконаною з електропровідного матеріалу, в якій передбачений отвір для виведення заряджених частинок, і прискорювальним електродом, тим самим утворюючи діодний прискорювач. Як описано вище, така конфігурація дозволяє отримати пучок високої однорідності. Проте, за необхідності забезпечення додаткових можливостей керування пучком, джерело може додатково містити сітковий електрод, розміщений у прискорювальній колоні між діафрагмою і прискорювальним електродом, і модуль 5 UA 112701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 для прикладення до сіткового електрода сіткової напруги для коректування пучка частинок, тим самим утворюючи тріодний прискорювач. Як вже було зазначено, джерело може бути використане для формування пучків із заряджених частинок будь-якого типу, включаючи (позитивно заряджені) іони. Проте в кращому варіанті зарядженими частинками, що виводяться з плазми, є електрони, а прискорювальним електродом є анод, що краще має потенціал землі, або близький до нього. У оптимальному варіанті здійснення джерело додатково містить модуль магнітної пастки для утримання плазми усередині плазмової камери. Це забезпечує підвищення якості плазми завдяки збільшенню числа зіткнень між частинками, тим самим збільшуючи інтенсивність генерованого пучка. Відповідно до кращих варіантів здійснення модуль магнітної пастки містить один або декілька постійних магнітів або електромагнітів, розміщених уздовж радіальної периферії плазмової камери і виконаних з можливістю формування аксіального магнітного поля усередині плазмової камери. Наприклад, такі магніти можуть утворювати конфігурацію пастки Пеннінга. Використання електромагнітних засобів має додаткову перевагу, пов'язану з тим, що джерело живлення електромагніту (тобто стандартне третє джерело живлення) легко може бути увімкнене або вимкнене, що забезпечує додаткові можливості керування станом плазми. Наприклад, електромагніт може бути використаний для забезпечення випускання коротких імпульсів пучка шляхом регулювання інтенсивності плазми. Магнітне поле краще має індуктивність магнітного поля, що складає приблизно від 0,01 до 0,1 Тесла. Тривалість існування плазми є ще одним чинником, здатним вплинути на мінімальну тривалість імпульсу пучка. В повітрі при атмосферному тиску плазма може існувати лише протягом надзвичайного короткого періоду часу (наприклад, 20 нс) у зв'язку зі швидкою рекомбінацією іонізованих частинок з молекулами навколишнього газу. Проте у вакуумі (або при дуже низькому тиску), наприклад, в умовах плазмової камери, час існування плазми зростає до декількох мілісекунд. Це приводить до виникнення затримки між відключенням радіочастотного сигналу (або зниженням інтенсивності плазми) і власне затуханням плазми (і, отже, випромінюваного пучка), що спричиняє обмеження на досяжну мінімальну тривалість імпульсу. Стінки плазмової камери переважно використовують для мінімізації часу існування плазми шляхом забезпечення високої частоти зіткнень іонів зі стінками камери, що приводить до швидкої втрати ними заряду і затуханню плазми при припиненні збудження Для цього діаметр камери (тобто її середній поперечний розмір: строго циркулярна форма камери не є необхідною) повинен бути менше середньої довжини пробігу іонів. Довжина пробігу іонів залежить від типу газу (оскільки іони важчих газів мають більший імпульс і, отже, прямішу траєкторію руху не дивлячись на вплив сили Лоренца, породжуваної магнітним полем, ніж іони легших газів), а також від величини магнітного поля (яка впливає на величину сили Лоренца). Наприклад, якщо використовуваним газом є гелій, а індукція магнітного поля складає приблизно від 0,01 до 0,1 Тл, було показано, що діаметр плазмової камери, приблизно рівний від 2 до 3 мм, сприяє скороченню часу існування плазми. У більш загальному випадку плазмова камера краще має діаметр 12 мм або менше, краще від 1 до 5 мм, ще краще від 2 до 3 мм. Такі розміри також мають ті самі переваги при використанні важчих газів та/або слабшого магнітного поля, оскільки обидва ці чинники приводять до збільшення довжини пробігу іонів. В той же час, у разі збільшення довжини пробігу може бути доцільно використовувати камеру менших розмірів. Комбінацію типу газу, розмірів плазмової камери та індуктивності магнітного поля у разі його використання переважно підбирають так, щоб час існування плазми в камері після припинення радіочастотного збудження складав менше 10 мікросекунд, краще менше 1 мікросекунди. Отвір для виведення заряджених частинок переважно передбачений у діафрагмі, що містить феромагнітний матеріал, краще сталь або м'яке залізо. Це забезпечує можливість екранування будь-якого магнітного поля, що існує усередині плазмової камери, від прискорювальної колони, щоб уникнути його впливу на форму пучка. Розмір отвору має важливе значення, оскільки важливо по суті повністю виключити потрапляння газу або плазми у прискорювальну колону, яке може призвести до виникнення розрядів між плазмовою камерою і прискорювальним електродом. Відповідні розміри отворів залежать від типу використовуваного газу і параметрів плазми, проте згідно з кращими варіантами здійснення отвір для виведення заряджених частинок має діаметр 2 мм або менше, краще від 0,1 до 1 мм, найкраще близько 0,5 мм. Надходження газу в плазмову камеру може бути забезпечене з використанням будь-яких відповідних систем подачі газу, проте відповідно до кращих варіантів здійснення впускний патрубок для впускання газу містить клапан для керування впусканням газу у плазмову камеру, що переважно є голчастим клапаном. Така конструкція дозволяє забезпечити стійку низьку 6 UA 112701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 витрату газу, який подається у плазмову камеру. У робочому режимі відбувається витік частинок з плазмової камери через отвір, а крім того одночасно може відбуватися виведення заряджених частинок з камери. Тому витрату через впускний патрубок ι через отвір краще встановлюють так, щоб тиск у камері залишався, по суті, постійним. Відповідно до альтернативного варіанта здійснення подача газу в плазмову камеру може бути забезпечена з періодично замінюваного локального газового резервуара. Для керування витратою газу з такого резервуара переважно передбачають клапан, наприклад, голчастий або подібний до нього. Резервуаром може бути, наприклад, балон із стисненим газом або просочений газом матеріал. Плазмові джерела за даним винаходом виконані з можливістю особливо ефективного використання в застосуваннях, пов'язаних з обробкою матеріалів, в яких матеріал (зокрема газоподібний матеріал) змінюють за допомогою впливу на нього пучком заряджених частинок. У зв'язку з цим відповідно до даного винаходу додатково пропонується устаткування для обробки матеріалів, що містить вищеописане плазмове джерело. До числа окремих прикладів такого устаткування входять: - устаткування для зварювання електронним пучком, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість зварювання матеріалів; - устаткування для нанесення додаткового шару, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість обробки порошкоподібних матеріалів, переважно їх сплавлення; - свердлувальне устаткування, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість свердлення заготовок; - устаткування для ствердіння, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість ствердіння заготовок; - різальне устаткування, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість різання матеріалів; - устаткування для плавлення або випаровування, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість плавлення та/або випаровування матеріалів; - устаткування для обробки газів, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість обробки газоподібних речовин, краще газів згоряння; або - устаткування для стерилізації, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість стерилізації твердих або рідких матеріалів. Згідно з винаходом також пропонуються відповідні способи генерування пучка заряджених частинок, що включають будь-які з вищеописаних характеристик. Такі способи можуть бути використані аналогічним чином у методах обробки матеріалів, у зв'язку з чим згідно з винаходом також пропонується спосіб змінення заготовки за допомогою пучка заряджених частинок, генерованого відповідно до вищеописаних способів. Пучок заряджених частинок може бути використаний (зокрема): - для зварювання заготовок; -для сплавлення заготовок, що містять порошкоподібний матеріал; - для свердлення заготовок; - для ствердіння заготовок; - для різання заготовок; - для плавлення та/або випаровування заготовок; - для обробки газоподібних заготовок, краще газів згоряння; або - для стерилізації твердих або рідких речовин. Відповідно до іншого варіанта здійснення можливість швидкого змінення параметрів пучка може бути використана для формування зображення заготовки в процесі її змінення або обробки. Спосіб формування зображення заготовки в процесі змінення заготовки з використанням пучка заряджених частинок, генерованого вищеописаним чином, переважно включає виконувані в довільному порядку етапи, на яких: пучок заряджених частинок використовують для змінення заготовки; і пучок заряджених частинок використовують для формування зображення заготовки, причому між даними двома етапами амплітуду радіочастотного сигналу змінюють з першої амплітуди, при якій пучок заряджених частинок забезпечує можливість змінення заготовки, на другу амплітуду, при якій пучок заряджених частинок забезпечує можливість формування зображення заготовки, або навпаки, причому перша амплітуда перевищує другу амплітуду. Короткий опис креслень Приклади здійснення плазмових джерел і способів генерування пучків заряджених частинок описані нижче з посиланнями на креслення, що додаються. На кресленнях: 7 UA 112701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 1 схематично представлені деякі з компонентів пристрою для генерування пучка заряджених частинок за першим варіантом здійснення винаходу; На фіг. 2 представлена принципова схема пристрою для генерування пучка заряджених частинок за другим варіантом здійснення винаходу; і На фіг. З схематично представлений в розрізі пристрій для генерування пучка заряджених частинок за другим варіантом здійснення винаходу. Здійснення винаходу Нижченаведений опис здебільшого охоплює приклади пристроїв і способів для генерування пучка заряджених частинок, в яких заряджені частинки, що складають такий пучок є електронами, і, отже, такий пристрій в загальному випадку може бути віднесений до електронних гармат. Проте слід зазначити, що описувані пристрої і способи легко можуть бути застосовані для генерування пучків позитивно заряджених іонів за допомогою обернення поляризації прискорювальної колони. На фіг. 1 представлена колона 1 електронної гармати, що є частиною пристрою для генерування пучків заряджених частинок за першим варіантом здійснення винаходу. Колона електронної гармати містить зону 9 джерела, в якій відбувається генерування заряджених частинок, і прискорювальну колону 11, в якій відбувається формування пучка з заряджених частинок, виведених із зони 9 джерела. У робочому режимі пучок Ρ заряджених частинок може бути спрямований на заготовку W, наприклад, для зварювання, плавлення або іншого змінення її матеріалу. Зона 9 джерела містить плазмову камеру 2, в яку через впускний патрубок 6, що містить у даному випадку голчастий клапан, розміщений в порожнистому електроді 4, подають газ G. Порожнистий електрод 4 утворює один край плазмової камери 2, причому другий її край утворює діафрагма 8, що містить щонайменше один отвір 8а, через який заряджені частинки можуть бути виведені з плазмової камери 2. У описуваному прикладі порожнистий електрод 4 ι діафрагма 8 виконані з електропровідних матеріалів (зазвичай, металів) і відокремлені одне від одного ізолювальним матеріалом 2а, наприклад, таким як нітрид бору або оксид алюмінію що створює бічні стінки плазмової камери. Разом порожнистий електрод 4, ізолятор 2а і діафрагма 8 утворюють так званий "порожнистий катод" (за припущення, що джерело призначене для випускання електронів, а не позитивно заряджених іонів). Як буде докладніше описано нижче, для генерування плазми усередині камери 2 забезпечують подачу в камеру через впускний патрубок 6 газу (наприклад, гелію, аргону або повітря) низького тиску. Зазвичай, подачу газу в електронну гармату здійснюють під помірним тиском (наприклад, 1 бар), причому голчастий клапан або інший регулятор обмежує витрату газу так, щоб забезпечити встановлення в камері необхідного низького тиску (наприклад, 1 мілібар). Тиск газу в плазмовій камері 2 постійний, оскільки газ виходить з плазмової камери у прискорювальну колону через отвір 8а з витратою, по суті, рівною витраті газу через голчастий клапан. Радіочастотний електричний сигнал подають у камеру по лініях (і) та (іі), тобто між порожнистим електродом 4 і діафрагмою 8. Цей радіочастотний сигнал збуджує та іонізує газ, що знаходиться усередині камери 2, формуючи іонно-електронну плазму. У прискорювальній колоні 11 між діафрагмою 8 і прискорювальним електродом 10, розміщеним у віддаленні від плазмової камери, створюють високу прискорювальну напругу, яку подають, відповідно, по лініях (іі) та (ііі). Для формування електронного пучка на прискорювальному електроді створюють високий позитивний потенціал відносно діафрагми 8. Електрони виводять з плазми через отвір 8а і прискорюють у напрямку до прискорювального електрода 10, після чого вони проходять через передбачений у ньому отвір 10а, утворюючи пучок Р. Відповідно до відомих технологій між плазмовою камерою і прискорювальним електродом та/або між прискорювальним електродом і зоною розташування заготовки можуть бути передбачені додаткові елементи формування пучка, такі як набори магнітних лінз та/або формувальні електроди, для коректування форми пучка, який генерують. Плазмова камера 2 і прискорювальна колона розміщені усередині корпусу 15, який на час експлуатації вакуумують за допомогою помпи 16 (наприклад, турбомолекулярної помпи) до -4 низького тиску, що зазвичай становить менше 5-10 мілібар, щоб уникнути збурень пучка заряджених частинок атмосферними газами. У необов'язковому, але кращому варіанті навколо плазмової камери 2 передбачений кільцевий магніт 12, що забезпечує магнітне затримування плазми в межах камери. Наприклад магніт 12 може бути виконаний у конфігурації пастки Пеннінга, в якій усередині плазмової камери створюють аксіальне магнітне поле (позначене стрілкою В). Таке аксіальне поле створює силу Лоренца, що впливає на рухомі заряджені частинки, внаслідок чого вони рухаються за викривленими траєкторіями, тим самим забезпечуючи затримування частинок усередині камери. Це також приводить до збільшення числа зіткнень між частинками, що 8 UA 112701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 викликає збільшення інтенсивності. Магніт 12 може бути постійним магнітом або електромагнітом. На фіг. 2 представлена принципова схема джерела заряджених частинок за другим варіантом здійснення винаходу. Джерело включає електронну гармату 1, яка функціонально ідентична описаній вище з посиланнями на фіг. 1, унаслідок чого аналогічні компоненти позначені однаковими посилальними номерами, а їх опис наново не наводиться. В даному випадку магніт 12 розміщений безпосередньо над матеріалом, що створює стінки плазмової камери, а не безпосередньо навколо нього. Для подачі енергії у плазмову камеру передбачений модуль генерування плазми, що містить контури 21 і 26. Контури 21 і 26 є резонансними контурами, в даному випадку виконаними у вигляді паралельних LC-контурів, налаштованих на, по суті, однакові резонансні частоти шляхом відповідного підбору значень їх індуктивності і ємності. Перший резонансний контур 21 містить радіочастотне джерело 22 живлення, вихідний сигнал якого надходить на першу антену 23. Паралельно з першою антеною підключений (переважно змінний) конденсатор, причому індуктивність першої антени забезпечує утворення LC-резонатора. Налаштування контура проводять за допомогою підбору значень індуктивності ι ємності так, щоб резонансна частота по суті співпадала з частотою вихідного сигналу джерела 22. У необов'язковому, але кращому варіанті може бути передбачений узгоджувальний дросель 24, що забезпечує відповідність імпедансу антени 23 імпедансу джерела 22 живлення. У кращому варіанті здійснення вихідний сигнал джерела живлення має частоту, приблизно рівну 84 МГц, а перший контур 21 налаштований на таку саму резонансну частоту, хоча в інших випадках може бути використане джерело з іншою частотою (наприклад, 27 МГц, 49 МГц), причому контур налаштовують відповідним чином. У одному з кращих варіантів здійснення індуктивність узгоджувального дроселя 24 може складати приблизно 600 нГн, індуктивність антени 23 - приблизно 235 нГн, а ємність конденсатора 25 - приблизно 15 пФ. Проте для отримання необхідного налаштування можуть бути використані й інші комбінації параметрів компонентів. Перше джерело 22 живлення переважно працює поблизу потенціалу землі, а один з кінців антени 23 в більшості кращих варіантів здійснення заземлений, наприклад, за допомогою його фізичного з'єднання з корпусом електронної гармати. Величина напруги вихідного сигналу першого джерела живлення переважно складає від ± 15 В до ± 3 кВ залежно від конкретного варіанта здійснення контура. Джерело 22 живлення приводить в дію перший контур і викликає резонанс антени 23. Другий резонансний контур 26 також містить систему індуктивностей і ємностей, що містить другу антену 27 і підключений паралельно їй конденсатор 28. Оскільки контур 26 сполучений з плазмовою камерою вищеописаним чином, сама плазмова камера є ємністю у складі цього контура і робить свій внесок до його сумарної ємності. Значення індуктивності і ємності встановлюють таким чином, щоб резонансна частота даного контура співпадала з резонансною частотою першого контура, внаслідок чого отримують індуктивний зв'язок між двома контурами. Наприклад, для отримання резонансної частоти, приблизно рівної 84 МГц, сумарна ємність другого контура 26 може дорівнювати приблизно 72 пФ, а індуктивність другого контура приблизно 50 нГн. У альтернативному варіанті ємність може складати приблизно 144 пФ, а індуктивність - приблизно 25 нГн. У кращому варіанті здійснення постійна ємність конденсатора 28 може складати приблизно 40 пФ, а ємність, якої бракує, може бути забезпечена плазмовою камерою у поєднанні з паразитною ємністю конструкції. У кращому варіанті здійснення передбачений елемент 33 (приклад здійснення якого описаний нижче), за допомогою якого індуктивність другої антени 27 може бути змінена так, щоб забезпечити необхідне підстроювання резонансної частоти другого контура 26. Таким чином, перший контур індукує радіочастотний сигнал на другу антену 27. Другий контур прикладає індукований у ньому сигнал між порожнистим катодом 4 по лінії (і) і діафрагмою 8 по лінії (іі) для генерування плазми в плазмовій камері. Для забезпечення ефективної передачі енергії між першим і другим контурами другий резонансний контур 26 краще має коефіцієнт добротності (Q) не менше 500, чого також досягають за допомогою підбору відповідних значень індуктивності і ємності. Коефіцієнт добротності краще повинен бути достатньо високим для збільшення напруги радіочастотного сигналу, що індукується на антені 27, у порівнянні з вихідним сигналом першого радіочастотного джерела 22 живлення. При цьому на конденсаторі 28 краще генерують високу напругу величиною до 3 кВ. Прискорення частинок для формування пучка забезпечує прискорювальний контур 30. Він містить друге джерело 31 живлення, яке видає високовольтний, як правило, постійний, сигнал для створення високої різниці потенціалів між плазмовою камерою і прискорювальним 9 UA 112701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 електродом 10. У даному прикладі на діафрагму 8 подають великий негативний потенціал (наприклад -60 кВ), тоді як прискорювальний електрод заземлений. У інших випадках висока напруга може бути подана на додатковий електрод, передбачений поряд з діафрагмою 8 (описаний нижче). Це забезпечує виведення електронів з плазми і їх прискорення у напрямі прискорювального електрода з утворенням пучка високої енергії. Представлена конструкція є діодною електронною гарматою, в якій для прискорення пучка використовують всього два електрода (діафрагму 8 і прискорювальний електрод 10). Таке вирішення краще, оскільки воно забезпечує можливість формування пучка з високою однорідністю. Однак за необхідності додаткових можливостей керування пучком у прискорювальній колоні поблизу діафрагми може бути передбачений сітковий електрод (не представлений). Індуктивне сполучення між двома резонансними контурами забезпечує ізоляцію першого контура 21 і першого джерела 22 живлення від прискорювальної високої напруги, яку виробляє джерело 31. Для забезпечення електричної ізоляції між двома антенами, обидві антени розміщені в кращих варіантах здійснення усередині корпусу 15, вакуумованого, як було описано вище. Вакуум забезпечує взаємну ізоляцію антен 23 і 27. У альтернативних варіантах здійснення перша антена може бути розміщена поза корпусом. У інших випадках на додаток до вакуумної ізоляції або замість неї можуть бути використані ізоляційні матеріали, такі як масло, епоксидна смола, кераміка і тому подібне. Здійснена таким чином передача радіочастотного сполучення через індуктивний зв'язок дозволяє використовувати як джерело 22 звичайний низьковольтний радіочастотний генератор. Аналогічним чином, звичайне високовольтне джерело 31 постійної напруги може бути використане для вироблення прискорювальної високої напруги, необхідної для формування пучка. Це дозволяє створити блок живлення з двох звичайних, стандартних джерел живлення і позбавляє від необхідності використання багатожильних високовольтних кабелів, оскільки необхідне всього одне високовольтне джерело (джерело 31). У зв'язку з цим електронна гармата може бути сполучена з джерелами живлення гнучкими проводами, що дозволяє зберегти її високу маневреність. Електронна гармата, що генерує плазму з використанням радіочастотного сигналу вищеописаним чином, має значно менший часом реакції, ніж постійнострумові плазмові і термоелектронні джерела. Керування станом плазми може бути здійснене, наприклад, за допомогою модулювання радіочастотного сигналу джерела, що дозволяє отримати час реакції порядку 1 мікросекунди або менше. Це забезпечує можливість отримання імпульсів пучка відповідної малої тривалості, що надзвичайно вигідно з погляду багатьох практичних застосувань, оскільки розширює можливості керування пучком. Швидка пульсація пучка такого роду також може бути використана для змінення ефективного рівня потужності пучка: наприклад, пучок, що пульсує з коефіцієнтом заповнення, рівним 50 %, передає заготовці у два рази менше потужності (і тепла), ніж неперервний пучок рівної енергії (прискорення частинок). Параметри пучка також можуть бути змінені за допомогою модуляцій амплітуди радіочастотного сигналу, які змінюють число заряджених частинок в плазмі і, отже, потужність пучка, що виводиться, з таким же малим часом реакції. Це може бути використано, наприклад, для відображення заготовки за допомогою електронного пучка: у загальному випадку пучки низької потужності можуть бути використані для формування зображення поверхні заготовки за допомогою сканування такої поверхні пучком і реєстрації відбитих електронів за методикою, аналогічною принципу роботи електронного мікроскопа. Проте пучки високої потужності, придатні, наприклад, для зварювання, не можуть бути використані для формування зображень, оскільки таке сканування призводить до розплавлення заготовки; крім того, збільшення потужності пучка призводить до зниження розділення. Описувані в даній заявці технології забезпечують можливість швидкого змінення потужності пучка між різними рівнями за допомогою модулювання амплітуди радіочастотного сигналу. Наприклад, потужність зварювального пучка може бути швидко зменшена так, щоб забезпечити можливість сканування поверхні заготовки пучком вищеописаним чином для формування зображення без розплавлення заготовки, з подальшим повторним підвищенням потужності пучка для продовження зварювання. Таким чином, пристрій за винаходом може бути використаний, наприклад, для контролю технологічного процесу або перевірки якості швів у процесі зварювання електронним пучком. Відповідно до одного з прикладів здійснення потужність пучка в режимі зварювання може складати близько 5 кВт, тоді як в режимі формування зображень його потужність може бути зменшена до приблизно 150 Вт. 10 UA 112701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 За необхідності, для регулювання параметрів пучка в подібних застосуваннях можуть бути використані як імпульсна структура (включаючи регулювання коефіцієнта заповнення), так і амплітудне модулювання. Також було показано, що генерування електронного пучка за допомогою описуваного пристрою вимагає надзвичайно низької потужності радіочастотного сигналу. Так, для генерування пучка з силою струму 35 мА і напругою 3 кВ у пристрої за фіг. 2 було використане джерело радіочастотних коливань потужністю 50 Вт. Це складає менше 10 % потужності, необхідної для нагрівання катода термоелектронного випромінювача при генеруванні порівнянного електронного пучка. Плазмові джерела типу, описуваного Rempe et al., також вимагають використання джерела живлення потужністю близько 400 Вт. Джерело 22 радіочастотного сигналу краще виконане з можливістю керування ним контролером 22а відповідно до добре відомих технологій. Модулювання радіочастотного сигналу може бути використане для швидкого змінення радіочастотного сигналу, що подається в плазмову камеру, і, отже, плазми, внаслідок чого можуть бути отримані короткі, такі що складають порядку 1 мкс, значення часу перемикання потужності пучка. Додаткове або альтернативне керування пучком також може бути забезпечене за допомогою регулювання прискорювальної напруги, яку подає джерело 31 живлення, та/або за допомогою коректування затримуючого магнітного поля, створюваного магнітом 12, у випадку, якщо останній є електромагнітом. Відповідно до одного з варіантів здійснення джерело 31 прискорювальної напруги може бути імпульсним джерелом живлення. Розміри плазмової камери краще підбирають так, щоб вони були менше середньої довжини пробігу іонів у плазмі. Це забезпечує можливість підтримання короткого часу існування плазми, оскільки після припинення радіочастотного збудження іони, що залишилися, швидко приходять у зіткнення зі стінками камери і втрачають заряд. Середня довжина пробігу іонів залежить, зокрема, від виду використовуваного газу і величини магнітного поля. Чим більший іон газу, тим більша його маса і тим менше його траєкторія може бути викривлена магнітним полем, що приводить до збільшення середньої довжини пробігу. Ослаблення магнітного поля також приводить до того ж результату. Було показано, що при індукції В магнітного поля, що дорівнює 0,1 Тл, і використанні газоподібного гелію, хороші результати можуть бути отримані в плазмовій камері з діаметром d до 5 мм, краще від 2 до 3 мм. Висота h плазмової камери складає в даному прикладі близько 3 мм. Ті ж розміри можуть бути використані з важчими газами (наприклад, аргоном) та/або меншою індуктивністю магнітного поля. Плазмові камери менших розмірів можуть бути оптимально використані з легшими газами та/або сильнішими магнітними полями. Розміри отвору 8а також мають істотне значення, оскільки, хоча виведення електронів (або іонів) повинно бути проведене через такий отвір, спонтанний вихід плазми через отвір у прискорювальну колону небажаний, оскільки він може призвести до виникнення розряду між плазмовою камерою і прискорювальним електродом. У кращих варіантах здійснення діаметр отвору 8а складає 1 мм або менше. Діафрагма 8 краще виготовлена з феромагнітного матеріалу, наприклад, заліза або м'якої сталі, щоб забезпечити екранування прискорювальної колони від магнітного поля, утворюваного в плазмовій камері, яке інакше могло б спотворювати форму пучка. На фіг. З схематично представлений у розрізі генератор пучка заряджених частинок за третім варіантом здійснення винаходу. Колона 1 електронної гармати розміщена в корпусі 15, вакуумованому за допомогою помпи 16 вищеописаним чином. Корпус заземлений, внаслідок чого він утворює прискорювальний електрод 10, описаний нижче. Усередині корпусу додатково розміщена перша антена 23, краще утворена з монолітного металевого кільця. Друга антена 27 також краще виконана з металу (наприклад, алюмінію або міді) і має в даному випадку форму єдиного провідного кільця з розривом, розміщеного поблизу першої антени 23. Перша антена 23 розміщена поблизу другої антени 27, причому обидві антени розміщені приблизно концентрично. До одного з кінців 27b антени 27 приєднаний елемент 33. У даному прикладі здійснення елемент 33 містить диск, встановлений на нарізному стрижні (або іншої конструкції регульованої висоти) 29, що дозволяє регулювати відстань між диском і другою антеною 27, тим самим змінюючи індуктивність антени 27 для коректування налаштувань контура. Другий кінець 27а антени 27 сполучений (лінією (і)) з порожнистим електродом 4 (який може, наприклад, мати форму провідного паралелепіпеда, що містить канал для проходження через нього плазмового газу G). Між двома кінцями антени 27 встановлений конденсатор 28. 11 UA 112701 C2 5 10 15 20 25 30 Нарешті, перший кінець 27b сполучений з формувальним електродом 32, що прилягає до діафрагми 27 і оточує її. В результаті антена 27 і конденсатор 28 сполучені паралельно через плазмову камеру 2 аналогічно вищеописаній конфігурації за фіг. 2. Як показано на фіг. З, газ G подають через голчастий клапан 6 у верхню частину порожнистого електрода 4, який спрямовує газ у плазмову камеру 2, розміщену усередині ізолювального блока 2а. Перша антена 23 індукує радіочастотний сигнал в другій антені 27, як описано вище, і цей сигнал подають у плазмову камеру 2 між порожнистим катодним блоком 4 і діафрагмою 8 для формування плазми. Друге, високовольтне джерело 31 живлення створює напругу між електродом 32 і прискорювальним електродом 10, утвореним заземленим корпусом 15, для витягання електронів з плазми і утворення пучка В. Формувальний електрод 32 виконаний з можливістю надання пучку необхідної форми відповідно до відомих технологій. У одному з прикладів здійснення як перше джерело живлення, що приводить в дію перший резонансний контур і антену 23, розміщені усередині колони електронної гармати, використовують радіочастотне джерело живлення з частотою 84 МГц ι потенціалом, близьким до потенціалу землі. Друга антена 27, налаштована на ту ж частоту, приймає радіочастотний сигнал і генерує радіочастотну хвилю напругою до 3 кВ, що виникає в плазмовій камері для збудження газу і утворення плазми. Корпус електронної гармати, зазвичай, підтримують при -4 тиску менше 5-10 мбар, а тиск газу в плазмовій камері підтримують на рівні менше 1 мбар. До прискорювального електрода прикладають прискорювальну високу напругу (наприклад +3 кВ), що поступає від другого джерела живлення, внаслідок чого отримують електронний пучок з силою струму 25 мА. У альтернативних варіантах здійснення радіочастотна плазма може бути отримана з використанням індукційних технологій, причому другий резонансний контур містить обмотку, що оточує плазмову камеру, замість прямого сполучення з плазмовою камерою. Плазмові джерела описаного типу застосовні в багатьох застосуваннях, зокрема, в області обробки матеріалів, в яких пучок заряджених частинок використовують для змінення матеріалу або заготовки. Відповідно, в кращих варіантах здійснення винаходу таке плазмове джерело є частиною устаткування для обробки матеріалів, такого як устаткування для зварювання електронним пучком або устаткування для нанесення додаткових шарів. Пучок заряджених частинок може бути використаний для зварювання, ствердіння, плавлення, паяння, випаровування, різання або інших видів обробки заготовок або матеріалів. До числа конкретних прикладів застосування входять сплавлення порошкоподібних матеріалів при виготовленні додаткових шарів, екстракція або очищення металів, а також обробка газів згоряння. 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 55 1. Плазмове джерело для генерування пучка заряджених частинок, що містить: плазмову камеру, обладнану впускним патрубком для впускання газу і отвором для виведення заряджених частинок з плазмової камери; радіочастотний модуль генерування плазми для генерування плазми усередині плазмової камери, причому радіочастотний модуль генерування плазми містить перший і другий резонансні контури, кожний з яких налаштований на, по суті, одну і ту ж резонансну частоту, причому перший резонансний контур містить першу антену і перше радіочастотне джерело живлення, виконане з можливістю приведення першого резонансного контуру в дію на частоті, по суті, рівній його резонансній частоті, а другий резонансний контур містить другу антену, причому в робочому режимі перший резонансний контур індукує в другій антені радіочастотний сигнал завдяки наявності між ними резонансного зв'язку, причому другий резонансний контур виконаний з можливістю подачі індукованого радіочастотного сигналу в плазмову камеру для генерування в ній плазми; і модуль прискорення частинок для виведення заряджених частинок з плазми і прискорення заряджених частинок для формування пучка, причому модуль прискорення частинок містить друге джерело живлення, виконане з можливістю створення різниці потенціалів між плазмовою камерою і прискорювальним електродом, причому область, розташована між плазмовою камерою і прискорювальним електродом, утворює прискорювальну колону; причому друге джерело живлення виконане з можливістю виведення високої напруги щодо вихідного сигналу першого, радіочастотного, джерела живлення. 2. Плазмове джерело за п. 1, яке відрізняється тим, що щонайменше плазмова камера, прискорювальна колона і друга антена розміщені усередині корпусу, причому плазмове 12 UA 112701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 джерело додатково містить помпу для вакуумування корпусу для забезпечення електричної ізоляції другої антени від першої антени в робочому режимі. 3. Плазмове джерело за одним з пп. 1 або 2, яке відрізняється тим, що перше, радіочастотне, джерело живлення виконане з можливістю виведення сигналу з амплітудою потужності до 300 Вт, краще до 100 Вт, ще краще до 50 Вт. 4. Плазмове джерело за будь-яким з попередніх пунктів, яке відрізняється тим, що друге джерело живлення виконане з можливістю виведення сигналу постійного струму, що краще має напругу в діапазоні від 10 кВ до 200 кВ, ще краще від 25 кВ до 175 кВ, і ще краще від 60 кВ до 150 кВ. 5. Плазмове джерело за будь-яким з попередніх пунктів, яке відрізняється тим, що другий резонансний контур має коефіцієнт добротності, достатньо високий для того, щоб напруга індукованого радіочастотного сигналу була вища за напругу вихідного сигналу першого, радіочастотного, джерела живлення. 6. Плазмове джерело за будь-яким з попередніх пунктів, яке відрізняється тим, що другий резонансний контур виконаний з можливістю прикладення індукованого радіочастотного сигналу до плазмової камери між електродами, що знаходяться у контакті з внутрішньою частиною камери, причому дані електроди краще утворені електропровідними ділянками стінок, що утворюють плазмову камеру, розділеними їх електроізолювальною ділянкою. 7. Плазмове джерело за будь-яким з попередніх пунктів, яке відрізняється тим, що додатково містить контролер для модулювання радіочастотного вихідного сигналу першого джерела живлення. 8. Плазмове джерело за п. 7, яке відрізняється тим, що контролер додатково виконаний з можливістю змінення амплітуди радіочастотного сигналу між першою амплітудою, при якій потужність пучка, який генерується, забезпечує можливість обробки матеріалів, і другою амплітудою, при якій потужність пучка, який генерується, забезпечує можливість отримання зображення заготовки, причому перша амплітуда перевищує другу амплітуду. 9. Устаткування для обробки матеріалів, яке відрізняється тим, що містить плазмове джерело за будь-яким з попередніх пунктів. 10. Устаткування для обробки матеріалів за п. 9, яке відрізняється тим, що устаткування є одним з: устаткування для зварювання електронним пучком, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість зварювання матеріалів; устаткування для нанесення додаткового шару, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість обробки порошкоподібних матеріалів, краще їх сплавлення; устаткування для ствердіння, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість ствердіння заготовок; різальне устаткування, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість різання матеріалів; устаткування для плавлення або випаровування, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість плавлення та/або випаровування матеріалів; устаткування для обробки газів, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість обробки газоподібних речовин, краще продуктів згоряння; устаткування для стерилізації, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість стерилізації твердих або рідких матеріалів; або свердлувальне устаткування, причому пучок заряджених частинок забезпечує можливість свердлення заготовок. 11. Спосіб генерування пучка заряджених частинок, що включає етапи, на яких: впускають газ у плазмову камеру, причому плазмова камера обладнана впускним патрубком для впускання газу і отвором для виведення заряджених частинок з плазмової камери; генерують плазму усередині плазмової камери за допомогою радіочастотного модуля генерування плазми, що містить перший і другий резонансні контури, кожний з яких налаштований на, по суті, одну і ту ж резонансну частоту, причому перший і другий резонансні контури містять першу і другу антени, відповідно, використовують перше, радіочастотне, джерело живлення для приведення першого резонансного контуру в дію на частоті, по суті, рівній його резонансній частоті таким чином, що перший резонансний контур індукує в другій антені радіочастотний сигнал завдяки наявності між ними резонансного зв'язку, причому другий резонансний контур подає індукований радіочастотний сигнал у плазмову камеру для генерування в ній плазми; і виводять заряджені частинки з плазми і прискорюють заряджені частинки для формування пучка, використовуючи друге джерело живлення для створення різниці потенціалів між 13 UA 112701 C2 5 10 15 20 25 30 плазмовою камерою і прискорювальним електродом, причому область, розташована між плазмовою камерою і прискорювальним електродом, утворює прискорювальну колону; причому напругою вихідного сигналу другого джерела живлення є висока напруга у порівнянні з напругою вихідного сигналу першого, радіочастотного, джерела живлення. 12. Спосіб за п. 11, в якому вихідний сигнал першого, радіочастотного, джерела живлення має амплітуду потужності до 300 Вт, краще до 100 Вт, ще краще до 50 Вт. 13. Спосіб за одним з пп. 11 або 12, в якому вихідним сигналом другого джерела живлення є сигнал постійного струму, що краще має напругу в діапазоні від 10 кВ до 200 кВ, ще краще від 25 кВ до 175 кВ, і ще краще від 60 кВ до 150 кВ. 14. Спосіб за будь-яким з пп. 11-13, в якому комбінацію типу газу, розмірів плазмової камери і індуктивності магнітного поля, у разі його використання, підбирають так, щоб час існування плазми в камері після припинення радіочастотного збудження складав менше 10 мікросекунд, краще менше 1 мікросекунди. 15. Спосіб змінення заготовки за допомогою пучка заряджених частинок, який генерується способом за будь-яким з пп. 11-14. 16. Спосіб за п. 15, в якому пучок заряджених частинок використовують для одного з: для зварювання заготовки; для сплавлення заготовки, причому заготовка містить порошкоподібний матеріал; для ствердіння заготовки; для різання заготовки; для плавлення та/або випаровування заготовки; для обробки газоподібної заготовки, краще продуктів згоряння; для стерилізації твердої або рідкої речовини; або для свердлення заготовки. 17. Спосіб формування зображення заготовки в процесі змінення заготовки з використанням пучка заряджених частинок, який генерується способом за будь-яким з пп. 11-14, який відрізняється тим, що включає виконувані у довільному порядку етапи, на яких пучок заряджених частинок використовують для змінення заготовки і пучок заряджених частинок використовують для формування зображення заготовки, причому між даними двома етапами амплітуду радіочастотного сигналу змінюють з першої амплітуди, при якій пучок заряджених частинок забезпечує можливість змінення заготовки, на другу амплітуду, при якій пучок заряджених частинок забезпечує можливість формування зображення заготовки, або навпаки, причому перша амплітуда перевищує другу амплітуду. 14 UA 112701 C2 15 UA 112701 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 16