Формирование сканирующего электронного пучка с высокой плотностью мощности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

ШЕМЯКИН Александр Вениаминович

ФОРМИРОВАНИЕ СКАНИРУЮЩЕГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА С ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ МОЩНОСТИ

01.04.20 — физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК-1990

Работа выполнена в Институте ядерной физики Сибирского отд ления Академии Наук СССР.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

Мешков Игорь Николаевич

Шарапа Анатолий Николаевич

-доктор физико-математических наук, профессор, Институт ядерной физики СО АН СССР, г. Новосибирск, -кандидат физико-математических наук Институт ядерной физики СО АН СССР, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Переводчиков Владимир —доктор технических наук, профессор,

Всесоюзный электротехнический институт имени В.И Ленина, г. Москва

Иннокентьевич

Рогозин Анатолий Иванович

— кандидат физико-математических наук, Институт ядерной физики СО АН СССР, г. Новосибирск.

Ведущая организация:

Институт сильноточной электроники Сибирского Отделения АН СССР, г. Томск.

Защита диссертации состоится « Я 1990 г. I

« /<> » часов на заседании специализированного советг Д.002.24.02 при Институте ядерной физики СО АН СССР.

Адрес: 630090, г. Новосибирск,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ СС АН СССР

Автореферат разослан « 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета член-корреспондент АН СССР

Б.В. Чириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы связана с разработкой в ИЯФ СО АН ИССР технологической электрошю-лучевой установки размерной обработки. Преимущество такой установки перед аналогичными устройствами с лазерным лучом состоит в том, что она позволяет обрабатывать большую площадь без механических перемещений лишени. Диссертация посвящена созданию электронно-оптической ;истемы (ЭОС), позволяющей сформировать пучок с высокой 7лотностью .мощности и осуществить его развертку по площади в несколько десятков квадратных сантиметров с достаточной для технологических применений точностью позиционирования. Предложенные методы и технические решения могут найти также применение при разработке других установок с тонким электронным пучком, например, устройств проекционного телевидения или установок для микросварки.

Целью работы являлась разработка ЭОС, формирующей пучок со следующими основными параметрами:

Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Разработана электронно-оптическая система формирования тонкого пучка с плотностью мощности до 5 МВт/см'. Система позволяет осуществлять параллельный перенос пучка с диаметром 0.1мм по площадке 30 см2.

энергия электронов ток пучка в импульсе размер пучка на мишени площадь сканирования отклонение угла падения пучка

100 кэВ, до 7мА,

0.1—0.15 мм,

30 см2,

на мишень от прямого точность позиционирования.

20 мрад, 20 мкм.

2. Разработаны два варианта оптики пушек, позволяющие фор мировать пучок с эмиттаисом, близким к минимально возможно му — связанному с тепловыми скоростями электронов.

3. Определены факторы, ограничивающие минимальный разме] пучка на мишени, и проведена оптимизация ЭОС. Исследован« влияние компенсации пространственного заряда пучка за сче-ионизации атомов остаточного газа.

4. Экспериментально изучены физические ограничения качеств; отклоняющей системы: геометрические аберрации, магнитный гис терезис, скин-эффект.

5. Предложены и исследованы три системы параллельной переноса пучка по мишени.

Практическая ценность. На основе проведенных исследованщ создана электронно-лучевая технологическая установка размерно} обработки «УРОК». Первый экземпляр установки сдан заказчику проведены успешные испытания второго экземпляра. Результать расчетов и предложенные решения ЭОС могут быть использовань при разработках устройств, в которых необходимо сформировать электронный пучок с высокой плотностью мощности.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на VI Всесоюзном семинаре-совещании по проблемам технологического применения мощных электронных пучков (Москва, 1985), на конференции «Прецизионная сварка и пайка в приборостроении» (Саратов, 1987), на VI Всесоюзном совещании по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве (Ленинград, 1988) и на семинарах ускорительных лабораторий ИЯФ СО АН СССР.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано б работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 101 страницу текста, 32 рисунка и одну таблицу. Список литературы состоит из 40 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы требования к параметрам ЭОС, обсуждаются проблемы, которые следовало решить при ее создании. Дано также краткое содержание основных разделов диссертации.

В первой главе описаны макет установки, на котором были роведены исследования, и разработанные методики измерения араметров пучка. Автоматизация обработки результатов измере-;ий позволяет оперативно, без развакуумирования, измерять раз-1еры и форму сфокусированного пучка, его положение в системе :оординат мишени, энергию электронов, угол расходимости в (ушке.

Вторая глава посвящена разработке электронной пушки. Пока-;ано, что для получения требуемых параметров пучка на мишени 1еобходимо использовать катод с плотностью тока эмиссии поряд-;а 10 А/см2 и диаметром не более нескольких десятых миллиметра. 5 результате экспериментов с различными типами катодов был ¡ыбран металлопористый эмиттер. Далее обсуждаются варианты 1ушек с малоаберрационной оптикой. Приводятся результаты жспериментов, показывающие, что эмиттанс пучка, формируемого 1ушкой, разработанной на основе металлопористого эмиттера, бли-юк к минимально возможному — определяемому тепловыми скоростями электронов. Угол расходимости пучка в выбранной геометрии югласован с остальной ЭОС.

В третьей главе рассмотрены проблемы фокусировки и отклонения пучка. Основными факторами, определяющими минимальный размер пучка на мишени, являются фазовый объем пучка, его пространственный заряд и аберрации магнитной линзы. С ростом эадиуса пучка в линзе (гл) влияние первых двух факторов падает, а последнего — растет. Существует, таким образом, оптимальная зеличина этого радиуса, что и подтвердилось в ходе экспериментов. С учетом искажений пучка, возникающих при отклонении, выбраны геометрические размеры магнитной линзы и соответствующее оптимальное значение гл.

Размер пучка на мишени может заметно изменяться в течение импульса под влиянием ионной компенсации пространственного заряда пучка. Снизить нежелательное влияние этого эффекта на процесс обработки можно за счет затягивания фронта импульса.

Далее анализируются основные проблемы, связанные с отклонением пучка: искажение его размеров и точность позиционирования. Величина искажений определяется длиной отклоняющей системы, углом отклонения и асимметрией отклоняющего поля. Предложена методика оценки искажений по изменению оптимального тока магнитной линзы. Процедура точного позиционирования реализована с помощью вычисления токов отклоняющей системы как

многочленов третьей степени от координат. Рассмотрено влиянш гистерезиса и скин-эффекта.

В четвертой главе рассмотрена задача параллельного перенос; пучка по мишени. Предложены и экспериментально изучены тр1 схемы, реализующие такой перенос. В двух из них ЭОС, состоя щая из пушки, фокусирующей линзы и отклоняющей системы дополняется элементом, расположенным вблизи мишени и повора чивающим пучок до направления, параллельного оси ЭОС. Е качестве такого элемента использовалась магнитная линза боль шого диаметра с фокусным расстоянием, равным расстоянию дс отклоняющей системы, либо дополнительная отклоняющая система. В третьей схеме на всю длину установки наложено продольное магнитное поле, величина которого выбрана так, чтобы циклотронная длина электронов была примерно равна расстоянию между пушкой и мишенью. В результате сравнительного анализа трех вариантов выбрана схема с дополнительной отклоняющей системой. В ней удалось реализовать параллельный перенос пучка диаметром около 0.1 мм с плотностью мощности до 5 МВт/см2 по площадке 30 см2 с точностью позиционирования 20 мкм.

В пятой главе описана технологическая установка, созданная на основе проведенных исследований. Приведены параметры установки, особенности ее настройки, процесса обработки; обсуждаются возможные пути дальнейшего развития

Основные результаты диссертационной работы:

1. Разработана электронно-оптическая система, формирующая пучок диаметром до 0.1 мм и плотностью мощности до 5 МВт/см2, сканирующий по мишени площадью до 30 см2 без заметного изменения характеристик, с углом падения не более 2• 10рад к нормали и точностью позиционирования не хуже 20 мкм.

2. Разработаны два варианта оптики пушек, позволяющие формировать пучок с эмиттансом, близким к минимально возможному—связанному с тепловыми скоростями электронов.

3. Показана возможность использования в технологической установке металлопористого катода.

4. Показано, что основными факторами, ограничивающими минимальный размер пучка на мишени, являются: фазовый объем пучка, его пространственный заряд и аберрации магнитной линзы; при этих ограничениях получены оптимальные параметры электронно-оптической системы.

5. Разработаны процедуры определения точного положения азмеров и формы пучка.

6. Экспериментально изучены физические ограничения качества тклонякмцей системы: геометрические аберрации, магнитный гис-ерезис, скин-эффект. Реализована процедура точного позициони-ования пучка.

7. Предложены и исследованы три системы параллельного ереноса пучка по мишени.

8. Предложен и реализован способ снижения дефокусирующего лияния ионной компенсации пространственного заряда пучка утем затягивания фронта импульса тока.

9. На основе исследований создана электронно-лучевая техно-огическая установка размерной обработки.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

. Технологическая электронно-лучевая установка для размерной обработки материалов / Горчаков И.В., Мешков H.H., Немытое П.И., Оленьков А. И., Шарапа А. И., Шемякин A.B. // Вопросы авиационной науки и техники. Сер.: Технология авиационного приборо- и агрегатостроения, — Саратов, 1988, вып. II, 4.1.— С. 12 — 13.

!. Технологическая электронно-лучевая установка для размерной обработки материалов / Горнаков И.В., Мешков И.Н., Немытое П.И., Оленьков А.Н., Шарапа А.Н., Шемякин A.B. // Тез. докл. VI Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве.—Ленинград, 1988.-С. 87-88.

Мешков И.И., Шарапа А.Н., Шемякин A.B. Формирование электронного пучка с предельно малым фазовым объемом. // ЖТФ. — 1989, №7. -С. 146—152. г. Технологическая электронно-лучевая установка для размерной обработки материалов. / Горнаков И.В., Мешков H.H., Немытое П.И., Оленьков А.Н., Шарапа А.Н., Шемякин A.B. — Новосибирск, 1989, —С. 61. — (Препринт/Институт ядерной физики СО АН СССР; 89-179). >. Устройство для размерной обработки изделий в вакууме: Заявка на изобретение №4603984/31-27 с приоритетом от 21 .Q9.88 г.; положительное решение от 22.11.89 г. / Горнаков И.В., Мешков H.H., Шарапа А.Н., Шемякин A.B.

6. Разработка высокоточной электронно-лучевой установки дл! формирования отверстий / Горнаков И. В., Мешков И.Н. Немытое П.И., Оленьков А.Н., Шарапа А.Н., Шемякин A.B. / Техника средств связи. Серия ПТО, Одесса. —1990, вып. 1.— С. 22-25.