大气电子束加工设备用电子枪的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种大气电子束加工设备用电子枪，其整体呈轴对称结构，自下而上包括第一等离子体窗口、第一真空腔、聚焦装置、气动窗口、第二等离子体窗口、第二真空腔、阳极、第三真空腔和电子束发生器。本发明采用第一离子体窗口、气动窗口和第二离子体窗口相串联的组合式结构，电子枪中构成真空梯度极大的电子束飞行路径，降低电子束的能量损失和能量密度的下降，以解决电子束加工设备在大气环境中进行电子束加工存在的两大关键技术。
【专利说明】
大气)电子束加工设备用电子枪
技术领域
[0001] 本发明涉及电子束加工设备技术领域，具体涉及一种大气电子束加工设备用电子 枪。
【背景技术】
[0002] 电子束加工技术具有优越的性能在工业各领域已得到广泛应用，但电子束的产生 需要真空环境，从而大大增加电子束加工设备的制造成本和应用能耗，同时大大降低加工 效率，更是制约应用于大型工件的加工。然而，大气环境中进行电子束加工需要解决两个关 键技术:一是电子束由真空电子枪室内引出到大气中的能量损失不能太大;二是电子束由 真空电子枪室通过引出窗口到达工件前的能量密度不能降得过低。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的是现有电子束加工设备在大气环境中进行电子束加工存在的 两大关键技术，提供一种大气电子束加工设备用电子枪。
[0004] 为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0005] -种大气电子束加工设备用电子枪，自下而上包括第一真空腔、聚焦装置、第二真 空腔、阳极、第三真空腔和电子束发生器，其不同之处是，第一真空腔的下方还进一步设有 第一等离子体窗口；聚焦装置和第二真空腔之间还进一步设有第二等离子体窗口。第一等 离子体窗口和第二等离子体窗口的结构相同，均由等离子体阴极、陶瓷体、等离子体窗口壳 体、冷却腔、进水口、等离子体腔、等离子体阳极和出水口组成。等离子体窗口壳体的中央嵌 设有陶瓷体，该陶瓷体呈纵向贯通的柱形，并将等离子体窗口壳体所围成的密闭空间分隔 为2个独立的腔室，其中位于陶瓷体内侧的腔室构成等离子体腔和位于陶瓷体外侧的腔室 构成冷却腔。等离子体腔上设有等离子体阴极和等离子体阳极;等离子体阴极的中央开设 有纵向贯通的阴极孔，等离子体阳极的中央开设有纵向贯通的阳极孔；电子束从等离子体 阴极的阴极孔飞入，并经过等离子体腔后，从等离子体阳极的阳极孔射出。冷却腔上设有进 水口和出水口；冷却水从进水口流入，并经过冷却腔后，从出水口流出。
[0006] 作为改进，第一真空腔和第二等离子体窗口之间还进一步设有气动窗口。气动窗 口由气动窗口上壳体和气动窗口下壳体组成;气动窗口上壳体和气动窗口下壳体上均设有 纵向贯通的通孔，气动窗口下壳体的通孔形成气流腔;气动窗口上壳体的下端面和气动窗 口下壳体的上端面之间留有横向延伸的间隙，该间隙形成导气隙；导气隙的一端设有进气 口，且导气隙与气流腔相连通;压力气体由进气口充入，经导气隙进入气流腔形成超音速气 流喷入第一真空腔。
[0007] 作为进一步改进，气动窗口上壳体同时作为第二等离子体窗口的阳极;气动窗口 下壳体由聚焦装置兼任。
[0008] 上述方案中，第一真空腔上设有第一真空栗，该第一真空栗为机械栗。第一真空腔 的工作真空度为2000Pa~1250Pa。
[0009] 上述方案中，第二真空腔上设有第一真空栗，第二真空腔由罗茨栗和机械栗组成。 第二真空腔的工作真空度为1 X 10-4a~5 X 10-2Pa。
[0010] 上述方案中，第三真空腔上设有第三真空栗，该第三真空栗由分子栗和机械栗组 成。第三真空腔工作真空度为1 X 10-2Pa~5 X 10-3Pa。
[0011] 上述方案中，阳极的中央设有让电子束顺利通过的阳极孔，该阳极孔为孔板结构。
[0012] 与现有技术相比，本发明具有如下特点：
[0013] 1、第一离子体窗口和第二离子体窗口产生的等离子体电流极性能够使电子束产 生更好地汇聚作用，以降低电子束的能量损失和能量密度的下降；
[0014] 2、米用第一离子体窗口、气动窗口和第二离子体窗口相串联的组合式结构，电子 枪中构成真空梯度极大的电子束飞行路径，进一步降低电子束的能量损失和能量密度的下 降；
[0015] 3、采用气动窗口与聚焦装置结构合二为一，能够有效减小电子枪的尺寸及降低生 产成本。
【附图说明】
[0016]图1为一种大气电子束加工设备用电子枪结构的不意图。
[0017] 图中标号：1、电子束发生器；2、第三真空腔；3、阳极；4、第三真空栗；5、第二真空 腔;6、第二真空栗;7、第二等离子体窗口；8、第二等离子体电源;9、气动窗口；10、聚焦装置； 11、第一真空腔；12、第一真空栗；13、第一等离子体窗口； 14、第一等离子体电源；15、电子 束;16、工件。
[0018] 图2为图1中等离子体窗口结构的示意图。
[0019]图中标号：71、等离子体阴极;72、陶瓷体;73、等离子体窗口壳体;74、冷却腔;75、 进水口； 76、等离子体腔;77、等离子体阳极;78、出水口。
[0020]图3为图1中气动窗口结构的不意图。
[0021 ]图中标号：91、气动窗口上壳体;92、导气隙；93、气动窗口下壳体;94、气流腔;95、 进气口。
【具体实施方式】
[0022] -种大气电子束加工设备用电子枪，如图1所示，其整体呈轴对称结构，自下而上 包括第一等离子体窗口 13、第一真空腔11、聚焦装置10、气动窗口 9、第二等离子体窗口 7、第 二真空腔5、阳极3、第三真空腔2和电子束发生器1。
[0023]第一等离子体窗口 13和第二等离子体窗口 7的结构相同，如图2所示，由等离子体 阴极71、陶瓷体72、等离子体窗口壳体73、冷却腔74、进水口 75、等离子体腔76、等离子体阳 极77和出水口 78组成。等离子体窗口壳体73为中空的密闭腔体。等离子体窗口壳体73的中 央嵌设有陶瓷体72，该陶瓷体72呈纵向贯通的圆柱形，并将等离子体窗口壳体73所围成的 密闭空间分隔为2个独立的腔室，其中位于陶瓷体72内侧的腔室构成等离子体腔76,而位于 陶瓷体72外侧腔室的构成冷却腔74。等离子体腔76上设有等离子体阴极71和等离子体阳极 77。具体来说，等离子体阴极71位于陶瓷体72内侧，并处于等离子体腔76的上方，等离子体 阴极71与等离子体窗口壳体73通过陶瓷体72绝缘;等离子体阳极77位于等离子体腔76的下 方，陶瓷体72内侧的等离子体窗口壳体73上。等离子体阴极71的中央开设有纵向贯通的阴 极孔，等离子体阳极77的中央开设有纵向贯通的阳极孔。电子束15从等离子体阴极71的阴 极孔飞入，并经过等离子体腔76后，从等离子体阳极77的阳极孔射出。冷却腔74上设有进水 口 75和出水口 78。具体来说，进水口 75位于冷却腔74的侧方的下部，陶瓷体72外侧的等离子 体窗口壳体73上；出水口 78位于相对侧方的上部，陶瓷体72外侧的等离子体窗口壳体73上。
[0024] 等离子体窗口的作用：高温等离子体与低温气体界面压力平衡时产生气体密度 差;另外高温离子体的粘性增加，抑制气体的流动性，即"密封"作用。两因数的共同作用，等 离子体窗口上下两窗口可产生气体密度比为
1动态平衡;等离子体电流产生的磁场 类似于通电直导线产生的磁场，环绕于等离子体腔76轴线的周围，当电子束15穿过等离子 体腔76时，电子束15飞行方向与等离子体电流方向相反，根据洛伦兹力定律，电子束15将受 到向心洛伦兹力的作用，即等离子体对电子束15具有"汇聚"作用，抑制电子束15的发散。
[0025] 第一等离子体窗口 13:第一等离子体窗口 13通过其阴极孔与第一真空腔11相连 通。第一等离子体窗口 13的阳极孔为电子束出口，第一等离子体窗口 13通过其阳极孔与大 气连相通。工件16位于第一等离子体窗口 13阳极孔的下方。第一等离子体窗口 13的等离子 体阴极接至第一等离子体电源14的负极，第一等离子体窗口 13的等离子体阳极和第一等离 子体电源14的正极同时接地。
[0026] 第一真空腔11:通过第一等离子体窗口 13与大气相连通，第一真空腔11与第一真 空栗12相连，第一真空栗12为机械栗。第一真空栗12对第一真空腔11抽气，第一真空腔11工 作真空度达2000Pa~1250Pa。
[0027] 聚焦装置10:产生电子束15所需的聚焦磁场。
[0028] 气动窗口9:如图3所不，由气动窗口上壳体91和气动窗口下壳体93组成。气动窗口 上壳体91和气动窗口下壳体93上均设有纵向贯通的通孔，气动窗口下壳体93的通孔形成气 流腔94。气动窗口上壳体91的下端面和气动窗口下壳体93的上端面之间留有横向延伸的间 隙，该间隙形成导气隙92。横向方向上，导气隙92的一端设有进气口 95。纵向方向上，导气隙 92与气流腔94相连通。在本发明优选实施例中，气动窗口上壳体91同时作为第二等离子体 窗口7的阳极;气动窗口下壳体93由聚焦装置10兼任。压力气体由进气口95充入经导气隙92 进入气流腔94形成超音速气流喷入第一真空腔11。气动窗口利用动压和静压的合作用可使 上入口与下出口产生气体密度比
的动态平衡。
[0029] 第二等离子体窗口 7:第二等离子体窗口 7通过其阴极孔与第二真空腔5相连通。第 二等离子体窗口 7通过其阳极孔与气动窗口 9相连通。第二等离子体窗口 7的等离子体阴极 接至第二等离子体电源8的负极，第二等离子体窗口 7的等离子体阳极和第二等离子体电源 8的正极同时接地。
[0030] 第二真空腔5:第二真空腔5通过阳极3与第三真空腔2相连通。第二真空腔5与第二 真空栗6相连，第二真空栗6由罗茨栗和机械栗组成。第二真空栗6对第二真空腔5抽气，第二 真空腔5工作真空度达1 X 10-4a~5 X 10-2Pa。
[0031] 阳极3:阳极孔让电子束15顺利通过，阳极孔采用了孔板结构，形成一定的气阻。 [0032]第三真空腔2:第三真空腔2与第三真空栗4相连，第三真空栗4由分子栗和机械栗 组成。第三真空栗4对抽气第三真空腔2,第三真空腔2工作真空度达lXl(T 2Pa~5Xl(T3Pa。
[0033]电子束发生器1:产生电子束15,电子束发生器1与阳极3间的加速电压为lOOkV~ 200kV〇
【主权项】
1. 大气电子束加工设备用电子枪，自下而上包括第一真空腔（11)、聚焦装置（10)、第二 真空腔(5)、阳极(3)、第三真空腔(2)和电子束发生器(1);其特征在于： 第一真空腔（11)的下方还进一步设有第一等离子体窗口（13);聚焦装置（10)和第二真 空腔(5)之间还进一步设有第二等离子体窗口（7); 第一等离子体窗口（13)和第二等离子体窗口（7)的结构相同，均由等离子体阴极(71)、 陶瓷体(72)、等离子体窗口壳体(73)、冷却腔(74)、进水口（75)、等离子体腔(76)、等离子体 阳极(77)和出水口（78)组成； 等离子体窗口壳体(73)的中央嵌设有陶瓷体(72)，该陶瓷体(72)呈纵向贯通的柱形， 并将等离子体窗口壳体（73)所围成的密闭空间分隔为2个独立的腔室，其中位于陶瓷体 (72)内侧的腔室构成等离子体腔(76)和位于陶瓷体(72)外侧的腔室构成冷却腔(74); 等离子体腔(76)上设有等离子体阴极(71)和等离子体阳极(77);等离子体阴极(71)的 中央开设有纵向贯通的阴极孔，等离子体阳极(77)的中央开设有纵向贯通的阳极孔；电子 束（15)从等离子体阴极（71)的阴极孔飞入，并经过等离子体腔（76)后，从等离子体阳极 (77)的阳极孔射出； 冷却腔(74)上设有进水口（75)和出水口（78);冷却水从进水口（75)流入，并经过冷却 腔(74)后，从出水口（78)流出。2. 根据权利要求1所述的大气电子束加工设备用电子枪，其特征在于:第一真空腔（11) 和第二等离子体窗口（7)之间还进一步设有气动窗口（9); 气动窗口（9)由气动窗口上壳体(91)和气动窗口下壳体(93)组成； 气动窗口上壳体(91)和气动窗口下壳体(93)上均设有纵向贯通的通孔，气动窗口下壳 体(93)的通孔形成气流腔(94); 气动窗口上壳体(91)的下端面和气动窗口下壳体(93)的上端面之间留有横向延伸的 间隙，该间隙形成导气隙(9 2); 导气隙（92)的一端设有进气口（95)，且导气隙（92)与气流腔(94)相连通;压力气体由 进气口（95)充入，经导气隙(92)进入气流腔(94)，形成超音速气流喷入第一真空腔(11)。3. 根据权利要求2所述的大气电子束加工设备用电子枪，其特征在于:气动窗口上壳体 (91)同时作为第二等离子体窗口（7)的阳极;气动窗口下壳体(93)由聚焦装置(10)兼任。4. 根据权利要求1所述的一种大气电子束加工设备用电子枪，其特征在于:第一真空腔 (11)上设有第一真空栗(12)，该第一真空栗(12)为机械栗。5. 根据权利要求1所述的大气电子束加工设备用电子枪，其特征在于:第二真空腔(5) 上设有第一真空栗(6)，第二真空腔(6)由罗茨栗和机械栗组成。6. 根据权利要求1所述的大气电子束加工设备用电子枪，其特征在于:第三真空腔（2) 上设有第三真空栗(4)，该第三真空栗(4)由分子栗和机械栗组成。7. 根据权利要求1所述的大气电子束加工设备用电子枪，其特征在于：阳极(3)的中央 设有让电子束(15)顺利通过的阳极孔，该阳极孔为孔板结构。
【文档编号】H01J37/063GK106024561SQ201610632479
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月4日
【发明人】韦寿祺, 朱国坤, 黄小东, 张建飞, 黄兴泉, 覃胤鸿
【申请人】桂林狮达机电技术工程有限公司