一种中高能电子枪的制作方法

本实用新型涉及电子光学器件领域，特别是涉及一种电子能损谱仪用中高能电子枪。

背景技术：

在原子分子物理学科领域，常常采用电子散射的实验方法，通过测量原子分子的动力学参数，获取原子分子的内部结构信息。在这一过程中，常采用的实验设备有：电子能量损失谱仪、电子动量谱仪、俄歇电子能谱仪，这些设备的关键技术在于对电子束流的精确控制与检测。例如在电子能量损失谱仪中，从电子枪出射的电子束经过能量单色器单色后，与样品气体碰撞，而后被能量分析器采集分析。为了能获得束流强度高、单色性好、发散角度小的电子束流，一把良好聚焦的电子枪必不可少。

现有的电子枪中，往往着重束流的强度，而对束流的聚焦效果、平行度要求不高。但是对于电子散射实验，束斑和平行度是影响仪器性能指标的关键因素之一，束斑越小，平行度越高，电子能谱仪的能量分辨越好。另一方面，常用电子枪内部没有偏转机构，需要电子枪在机械上与实验装置相配合，无法实现多角度灵活可调，调试起来较为麻烦。另外有些中能电子枪利用磁场偏转电子束，由于磁场的屏蔽非常困难，偏转用磁场会干扰电子束在分析器中的轨迹，严重影响电子能谱仪的能量分辨率。

技术实现要素：

基于现有技术所存在的问题，本实用新型的目的是提供一种中高能电子枪，其聚焦性能和平行性能好良好，束斑位置可调，结构简单且性能稳定。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

本实用新型实施例提供一种中高能电子枪，包括：

电子枪体、差分抽气管、电极法兰和高压Q9头排布板；其中，

所述电极法兰固定设置在所述差分抽气管上，所述高压Q9头排布板固定设置在所述电极法兰后端；

所述差分抽气管上还分别设有法兰底座、差分抽气接口和真空计接口；

所述电子枪体固定设置在所述法兰底座接口内侧；

所述电子枪体包括：外筒，该外筒内从后至前依次固定设置栅极底座、阳极和聚焦极，所述阳极后端伸入到所述栅极底座前端内，所述聚焦极后端伸入到所述阳极前端内，该外筒前端设置枪头，所述枪头内固定设置偏转机构；所述阳极前端设有带通孔的第一钼片，所述聚焦极前端设有带通孔的第二钼片；所述栅极底座、阳极和聚焦极与所述外筒之间均设有绝缘垫片，所述偏转机构与所述枪头之间设有第三绝缘垫片；所述栅极底座为圆筒形，该栅极底座内设有锥形口底座，阴极灯丝通过压片固定安装在所述栅极底座的锥形口底座内，所述栅极底座上远离所述阴极灯丝一端设有一圈楔形圆环；

所述高压Q9头排布板经电缆分别与所述电子枪体的栅极底座、阳极、聚焦极、偏转机构和阴极灯丝电气连接。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的中高能电子枪，其有益效果为：通过在电子枪体的外筒内从后至前依次固定设置栅极底座、阳极和聚焦极，利用栅极底座与阳极，阳极与聚焦极形成的聚焦透镜，实现对电子束流的聚焦，且阳极后端伸入到栅极底座内，聚焦极后端伸入到阳极内，使得各级电场相互渗透，避免了外场干扰，由于采用了二级聚焦透镜保证聚焦效果；根据二级聚焦透镜原理，本实用新型电子枪有两种工作模式，加速聚焦模式与减速聚焦模式，经测试，在两种工作模式下电子束流都能很好的聚焦，可以根据电源条件灵活配置聚焦条件；由于阴极灯丝安装在栅极底座的锥形口底座，且阴极灯丝发叉丝尖稍稍高于锥形口，当栅极底座电压低于阴极灯丝电压时，能有效遏制阴极灯丝杂散电子，保留丝尖发射电子，一定程度上保证了束流初始状态的一致性；在阳极前端和聚焦极前端分别设置带通孔的第一、第二钼片，进而能形成差分抽气系统，降低了对所处真空环境的要求，延长灯丝寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本实用新型的总体结构剖面示意图；

图2是本实用新型的电子枪体结构剖面示意图；

图3是本实用新型的电子枪体的聚焦模拟图；

图4是本实用新型的电子枪的测试配件示意图；

图5是本实用新型的电子枪在加速模式下测量的束径尺寸图；

图6是本实用新型的电子枪在减速模式下测量的束径尺寸图；

图中：1、电子枪体，2、差分抽气管，3、电极法兰，4、高压Q9头排布板，5、法兰底座，6、差分抽气口，7、真空计接口，8、阴极灯丝，9、压片，10、栅极底座，11、阳极，12、聚焦极，13、偏转机构，14、第一钼片，141-第二钼片，15、第一绝缘垫片，16、第二绝缘垫片，17、第三绝缘垫片，18、枪头，19、外筒。

具体实施方式

下面结合本实用新型的具体内容，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种中高能电子枪，包括：

电子枪体、差分抽气管、电极法兰和高压Q9头排布板；其中，

所述电极法兰固定设置在所述差分抽气管上，所述高压Q9头排布板固定设置在所述电极法兰后端；

所述差分抽气管上还分别设有法兰底座、差分抽气接口和真空计接口；

所述电子枪体固定设置在所述法兰底座接口内侧；

所述电子枪体包括：外筒，该外筒内从后至前依次固定设置栅极底座、阳极和聚焦极，所述阳极后端伸入到所述栅极底座前端内，所述聚焦极后端伸入到所述阳极前端内，该外筒前端设置枪头，所述枪头内固定设置偏转机构；所述阳极前端设有带通孔的第一钼片，所述聚焦极前端设有带通孔的第二钼片；所述栅极底座、阳极和聚焦极与所述外筒之间均设有绝缘垫片，所述偏转机构与所述枪头之间设有第三绝缘垫片；所述栅极底座为圆筒形，该栅极底座内设有锥形口底座，阴极灯丝通过压片固定安装在所述栅极底座的锥形口底座内，所述栅极底座上远离所述阴极灯丝一端设有一圈楔形圆环；

所述高压Q9头排布板经电缆分别与所述电子枪体的栅极底座、阳极、聚焦极、偏转机构和阴极灯丝电气连接。

具体的，上述中高能电子枪的差分抽气管上设有法兰底座、差分抽气接口和真空计接口；其中，法兰底座为CF50接口，电子枪体固定在法兰底座接口内侧；电极法兰固定在差分抽气管上，电极法兰为Kurt J.Lesker公司的5000V CF法兰电极，法兰电极上开有三个通孔，高压Q9头排布板通过三个螺线柱固定电极法兰后端；差分抽气接口为DN600 快卸法兰；真空计接口为CF35法兰接口；差分抽气管为十字形结构，所述法兰底座与所述电极法兰相对设置，所述差分抽气接口与所述真空计接口相对设置。

上述电子枪中，电子枪体如图1至2所示，具体包括：阴极灯丝、压片、栅极底座、阳极、聚焦极、偏转机构、钼片、第一绝缘垫片、第二绝缘垫片、第三绝缘垫片、枪头和外筒；其中，阴极灯丝为ENERGY BEAM SCIENCES公司生产的CL-ISIE/2-10-N型号的钨灯丝；栅极底座为圆筒形，在安装阴极灯丝处设有一锥形口底座，阴极灯丝安装在锥形口底座内并通过压片固定在锥形口底座内，通过控制栅极底座电压可以控制电子束发射，在远离阴极灯丝一端有一圈楔形圆环，用于初步压制发射电子束形状，阴极灯丝接入负高压电源，栅极底座电压稍低于阴极灯丝电压。

阳极为双圆筒结构，其后端圆筒的半径小于前端圆筒的半径，该阳极后端小半径圆筒一端伸入到所述栅极底座内形成渗透电场，防止外场干扰；该阳极前端大半径圆筒一端内设置带3mm通孔的第一钼片，用于阻挡大角度散射电子并形成差分抽气孔，阳极电压高于阴极灯丝电压，用于拉出电子。

聚焦极与阳极相似，为双圆筒结构，其后端圆筒的半径小于前端圆筒的半径，该聚焦极后端小半径圆筒一端伸入到所述阳极内；该聚焦极前端大半径圆筒一端出口内设置带 3mm通孔的所述第二钼片。聚焦极可以接入正高压或者负高压，可以与阳极形成二级聚焦透镜，实现对电子束的进一步聚焦。

偏转机构由固定在所述枪头内壁的四片相对的偏转电极组成，所述各偏转电极均为扇形。偏转电极接入偏转电压，实现电子束流XY方向二维偏转。

栅极底座，阳极，聚焦极通过第一绝缘垫片和第二绝缘垫片固定在外筒内，偏转机构通过第三绝缘垫片固定在枪头内，枪头与外筒通过紧定螺钉配合，形成电子枪体外层屏蔽。具体是栅极底座和阳极外与所述外筒之间设置的为第一绝缘垫片；所述阳极和聚焦极外与所述外筒之间设置的为第二绝缘垫片；所述偏转机构外与所述枪头之间设置的为第三绝缘垫片。其中，第一绝缘垫片由3片成120度分开的扇形聚四氟乙烯片组成，用于连接和固定栅极底座与阳极机构，并将栅极底座，阳极机构与外筒相互绝缘开来；第二绝缘垫片是一个聚四氟乙烯圆筒，用于连接和固定阳极机构与聚焦机构，并将阳极机构，聚焦机构与外筒相互绝缘开来，圆筒一侧留出空间用于布线。第三绝缘垫片为4片相对的扇形聚四氟乙烯片组成，扇形聚四氟乙烯片上开有通孔，用于将偏转电极与枪头内壁隔离绝缘。

上述电子枪体中，压片、栅极底座、阳极、聚焦极，偏转机构的偏转电极，枪头和外筒都是由316L不锈钢制成，避免磁场干扰。

上述电子枪体中，栅极底座、阳极、聚焦极、偏转电极和枪头内部，以及第一、第二钼片表面都涂有胶体石墨，这样实现在电子束路径上的所有电极涂有胶体石墨，可以有效地减少电子二次发射，稳定束流状态。

下面结合附图对本实用新型的中高能电子枪具体作进一步地详细描述。

如图1～6所示，本实用新型实施例提供一种中高能电子枪，包括：电子枪体1、差分抽气管2、电极法兰3、高压Q9头排布板4；

如图1所示，差分抽气管2上设有法兰底座5、差分抽气接口6、真空计接口7，法兰底座5为CF50接口，电子枪体1固定在法兰底座5接口内侧，电极法兰3固定在差分抽气管2上，电极法兰3为Kurt J.Lesker公司的5000V CF法兰电极，法兰电极3上开有三个通孔，高压Q9头排布板4通过三个螺线柱固定在电极法兰3后端；差分抽气接口6 是DN600快卸法兰；真空计接口7为CF35法兰接口。

如图2所示，电子枪体1包括：阴极灯丝8、压片9、栅极底座10、阳极11、聚焦极 12、偏转机构13、钼片14、第一绝缘垫片15、第二绝缘垫片16、第三绝缘垫片17、枪头 18和外筒19；

其中，阴极灯丝8为ENERGY BEAM SCIENCES公司生产的CL-ISIE/2-10-N型号的钨灯丝。栅极底座10为圆筒形，在安装阴极灯丝8处有一锥形口底座，阴极灯丝8安装在锥形口底座内并通过圆环形压片9固定在栅极底座上，通过控制栅极底座10电压可以控制电子束发射，在栅极底座10上远离阴极灯丝8一端设有一圈楔形圆环，用于初步压制发射电子束形状，阴极灯丝8接入负高压电源，栅极底座10电压通常稍低于阴极灯丝8电压；

阳极11为双圆筒结构，圆筒半径较小的一端伸入栅极底座10内，形成渗透电场，防止外场干扰。圆筒半径较大的一端内有第一钼片14，第一钼片14上开有3mm通孔，用于阻挡大角度散射电子并形成差分抽气孔，阳极11电压高于阴极灯丝8电压，用于拉出电子。

聚焦极12与阳极11相似，为双圆筒结构，圆筒半径较小的一端伸入阳极11中，圆筒半径较大的一端出口处有第二钼片141，第二钼片141上开有3mm通孔，聚焦极12可以接入正高压或者负高压，可以与阳极11形成二级聚焦透镜，实现对电子束的进一步聚焦。

偏转机构13由四片相对的偏转电极固定在枪头18内壁组成，偏转电极为扇形，偏转电极接入偏转电压，实现电子束流XY方向二维偏转；

第一绝缘垫片15由三片成120度分开的扇形聚四氟乙烯片组成，其上设有螺纹孔，用于固定栅极底座10和阳极11，且扇形聚四氟乙烯片在栅极底座10与阳极11靠近处设有一台阶，能将栅极底座10、阳极11与外筒19相互绝缘开来；第二绝缘垫片16是一个聚四氟乙烯圆筒，用于固定阳极11与聚焦极12，且在阳极11与聚焦极12靠近处有一台阶，能将阳极11、聚焦极12与外筒19相互绝缘开来，聚四氟乙烯圆筒一侧留出空间用于布线；第三绝缘垫片17为四片相对的扇形聚四氟乙烯片组成，扇形聚四氟乙烯片上开有通孔，用于将偏转机构13的偏转电极与枪头18内壁隔离绝缘；

栅极底座10、阳极11和聚焦极23通过第一绝缘垫片15和第二绝缘垫片16固定在外筒19内，偏转机构13通过第三绝缘垫片17固定在枪头18内，枪头18与外筒19通过紧定螺钉配合，形成电子枪体外层屏蔽。

压片9、栅极底座10、阳极11、聚焦极12、偏转电极、枪头18、外筒19都是由316L 不锈钢制成，能避免磁场干扰。

栅极底座10、阳极11、聚焦极12、偏转电极、枪头18内部和钼片14表面都涂有胶体石墨，能减少二次电子发射。

如图3所示为本实用新型在1500V加速模式下的聚焦模拟图，模拟条件电压为：阴极灯丝-1500V，栅极底座-1503V，阳极-885V，聚焦极2600V，此时在离电子枪枪口27mm处束径为0.70mm。

图4所示为本实用新型电子枪的测试配件示意图，A₁为检测基座，套在电子枪体外，基座底板上开有直径a＝1mm小孔，A₂，A₃，A₄为检测极板，A₂，A₃上开有直径a＝1mm小孔, 其中聚焦点离枪口10mm，A₁基座底板距离聚焦点距离D＝17mm,其他检测极板间距d＝30mm，每个极板上的小孔对应聚焦点的半张角为：θ₁＝1.68°，θ₂＝0.61°，θ₃＝0.37°，检测底座与检测底板对应的电流大小为I₁,I₂,I₃,I₄，根据电流分布可以得出束径大小及发散情况。电子束流密度分布沿着束流截面半径方向满足高斯分布，在半径r内的电子束流强度I_c为：

通过同时检测I₁,I₂,I₃,I₄，根据：

可以推导得到高斯分布的标准差σ_r，电子束径可以用高斯函数的半高全宽表示；

图5所示为本实用新型电子枪在1500V加速模式下测试得到的聚焦束斑尺寸图，图中横坐标为阳极电压，纵坐标为聚焦极电压，在最好的聚焦条件下的电压为：阴极灯丝-1500V，栅极底座-1503V，阳极-885V，聚焦极2600V，此时在离电子枪枪口27mm处束径为0.95mm，束流大小为6.273μA；

图6所示为本实用新型电子枪在1500V减速模式下测试得到的聚焦束斑尺寸图，图中横坐标为阳极电压，纵坐标为聚焦极电压，在最好的聚焦条件下的电压为：阴极灯丝 -1501.5V，栅极底座-1503V，阳极200V，聚焦极-1080V，此时在离电子枪枪口27mm处束径为0.75mm，束流大小为2.168μA；相比与加速模式，有更宽广，更稳定的聚焦电压区间，此时根据测试配件检测极板上的电流分布，可知电子束发散半张角小于θ₁＝1.68°的占 69.96％，发散半张角小于θ₂＝0.61°的占41.78％，发散半张角小于θ₃＝0.37°的占21.97％。该分布近似满足标准差σ＝0.79°的高斯分布。

以上，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。