1 Лекция 4. Электронные ускорители для пучково- плазменных технологий. Часть 3 Генераторы низкоэнергетичных сильноточных электронных пучков Установки электронно-лучевого распыления НАНОБИМ Compression plasma flows Газоструйный плазмохимический метод

2 Source of Low-Energy High-Current Electron Beams (LEHCEB) Common view of the installation. 1 – vacuum chamber; 2 – HV gate valve; 3 – turbo drag pump TMU 521; 4 – rotary pump DU 20; 5 – valves VAP025; 6 - oil mist filter ONF 25l and condensate separator KAS 25l; 7 – compact full-range gauge PKR 25l; 8 – mass- spectrometer of residual gases MX7304; 9 – e-gun; 10 – high voltage pulse generator; 11 – power supplies and control units of e-gun; 12 – pure argon balloon. Electron Beam Authograph ВТ1- 0 IHCE 4

3 LEHCEB Source 1 – cathode 2 – cathode plasma 3 – double electric layer 4 – anode plasma 5 – collector 6 – solenoid 7 – body of e-beam gun 8 – operating chamber Time-phased waveforms of accelerating voltage (1) 5.3kV/div), diode current (2) 14.4 kA/div), beam current (3) 5kA/div) IHCE Beam parameters electron energy 10 to 40 keV peak electron current up to 30 kA beam pulse duration 2 to 5  S beam energy density per pulse 1-40 J/cm 2 beam cross section up to 50 cm 2 pulse repetition rate up to 0.2 Hz 5

4 Beam parameters electron energy 5 to 25 keV electron energy 5 to 25 keV peak electron current 20 to 250 A peak electron current 20 to 250 A beam 50 to 200  S beam pulse duration 50 to 200  S beam energy density beam energy density per pulse 1 to 70 J/cm 2 per pulse 1 to 70 J/cm 2 spot diameter 2 to 5 cm spot diameter 2 to 5 cm pulse repetition rate 0.3 to 20 Hz pulse repetition rate 0.3 to 20 Hz IHCE Computer-controlled Pulsed e-beam Machine for Surface Treatment 6

5 Block diagram of pulsed e-beam Machine 7

66 Schematic of CRS ® system

7 Electron beam self-focusing control in breakdown plasma by external magnetic field Electron Transport (a)(b)(c) 7 Professors Grigoriev and T. Koval

8 Принципиальная схема установки НАНОБИМ-1 Установки электронно-лучевого распыления НАНОБИМ Институт электрофизики, г. Екатеринбург

9 Технические характеристики установки НАНОБИМ-1 1Потребляемая мощность, кВт, не более5 2Питающая сеть 380В (3ф), 50 Гц 3Длительность импульсов мкс мкс 4Частота подачи импульсов, Гцдо 500 5Ускоряющее напряжение, кВдо 50 кВ 6Ток пучка на мишени, А0,3 7Диаметр пучка на мишени, мм1.5 8 Пределы регулирования давления в камере испарения, Па Скорость натекания газа в камеру испарения, л/часдо 63 10Вес установки, кг, не более700 11Площадь размещения установки, м*м3*3

10 Осциллограммы: 1- ток разряда (4,56 А), 2- ток через ИВН (1А), 3 – ток потерь через диафрагму (0,07А), 4 - ток через мишень (0,4А);

11 Электронная пушка Принцип действия ЭП основан на эмиссии электронов из газоразрядной плазмы под действием электрического поля. Плазма образуется в специальной электродной системе - разрядной камере.

12 Технические характеристики Электронной пушки (ООО «ЭЛИОН») №Характеристика Величин а 1Предельный ток пучка, мА500 2Предельное ускоряющее напряжение, кВ50 3Расход рабочего газа (воздух), см 3 / атм * час Диаметр сфокусированного на изделии пучка на расстоянии от среза фокусирующей линзы, около, мм 0,6 5Угол отклонения пучка, град, не менее (без искажений)15

13 Система проводки пучка до мишени

14 Treatment of non conducting ceramics by electron beam and by ion beam Efim Oks Tomsk, Russia High Current Electronics Institute, Russian Academy of Sciences and State University of Control Systems and Radioelectronics

15 1- hollow cathode, 2- anode, 2- anode, 3- accelerating electrode, 3- accelerating electrode, 4- emission grid, 5, 6 - insulators, 7 – plasma, 8- electron beam Fore-vacuum plasma cathode electron source

16 accelerating electrode hollow cathode anode plasma electron beam Plasma electron gun for operation at fore-pump pressure range Beam current – up to 0,3 A dc Beam energy – up to 20 keV Beam power – up to 6 kW Beam diameter – 3 ÷ 5 mm Working gas – residual atmosphere, Ar, He Gas pressure - 1 ÷ 15 Pa

17 Fore-pump plasma cathode electron gun

18 Installation for testing fore-pump plasma electron gun

19 1 – water input, 2 – case, 3 – water resistor, 4 – hollow cathode, 5 – clamp, 6 – anode, 7 – holder, 8– extractor, 9, 12–water shirts, 10–basic flange, 11– focusing system Design of the electron source Parameters of electron source: Accelerating voltage 2-25 kV Discharge current 0,1 – 1 А Electron beam current 0,1-0,5 А Maximal beam power 7 kW Working gas air, methane, helium Gas pressure 1 – 20 Pa Working regime: DC Beam diameter 2-5 mm

20 View of electron source a – front view, b – back view, c – without body. (a)(c)(c)(b)

21 Generation of ribbon electron beam 1-hollow cathode; 2-insertions; 3-anode; 4,5-insulators; 6-probe; 7-accelerating electrode; 8-movable collector.

22 Accelerating voltage: 1-6 kV Beam current: A Working gas: air, argon Gas pressure: 10 – 60 mTorr Beam cross-section: 250 x 10 mm Ribbon beam fore-pump plasma electron gun (design)

23 Electron gun Electron beam Ribbon beam fore-pump plasma electron gun (design)

24 Electron beam formation Axial magnetic field confines plasma at the system axis allows to increase beam currents

25 1 – electron source, 2 – vacuum chamber, 3 – electron beam, 4 – focusing system, 5 – target, 6 – voltmeter, 7 – plasma, 8 – probe. Beam interaction with isolated target

26 beamtarget Electron beam interaction with quartz target

27 Collector potential depends on relationship between beam cross-section and collector area 1,2,3 – source electrodes, 4 – focusing system, 5 - electron beam, 6 - collector, 7 – insulating holder, 8 - grounded platform. 6