具有线性热阴极的电子束投射器的制作方法

本发明涉及电子束技术的设备，更具体地说，涉及产生电子束的电子束投射器(电子枪)，该电子束被用于在真空或反应性气体气氛中加热，熔化和蒸发材料。

背景技术：

用于熔化和蒸发不同材料的电子束技术的出现和广泛引入主要与这种技术的关键元件，即产生电子束的电子束投射器(或电子枪)的发展和改进相关联。目前，两种类型的电子束投射器已经被广泛接受，它们被用于在真空中蒸发和熔化材料，即利用线性热阴极轴向形成轴对称的流动和平直束，其中主要的平直电子束被转化为圆柱形电子束[B.A.Movchan,I.S.Malashenko“Heat-resistant coatings,deposited in vacuum”.-Kiev,Naukova Dumka，1983-230页]。具有100至150kW功率的线性阴极的电子束投射器是小尺寸的，易于操作，并且广泛应用在多用途的商业电子束单元中(一个单元中有4-8个电子枪)，用于在真空环境和反应性气体气氛中生产不同的涂层和材料。

乌克兰NAS的E.O.Paton电焊研究所开发的具有线性热阴极的电子束投射器[B.A.Movchan,I.S.Malashenko“Heat-resistant coatings,deposited in vacuum”-Kiev,Naukova Dumka，1983.-230p]被最广泛地接受。这种电子束投射器的主要设计要素是束导向装置，其包括偏转电磁系统(用于电子束聚焦和偏转的电磁线圈)，其装配有加速阳极，加速阳极通过高压绝缘体经由阴极板连接到阴极组件，阴极组件包括固定在两个阴极保持器中的线性热阴极，以及与其共轴定位的聚焦电极。束导向装置和加速阳极是矩形或圆形的水冷结构，在电子束通过的中心具有开口(槽)，其中线性热阴极(阴极组件)和加速阳极具有共同的光轴，其与束导向装置的光轴(即，与其垂直轴)一致。电子束在该结构内的运动轨迹与电子束投射器的对准组件，即阴极组件、加速阳极和束导向装置的共同光轴和几何轴线一致。在束导向装置内通过偏转电磁系统使电子束偏离上述光轴。这样的电子束投射器可以使电子束在其离开束导向装置的出口处偏离其光轴25～45度，可以被定位在离被加热材料相当远的距离处，并且可以位于具有单独的泵装置的各个真空腔中。这允许将它们成功地应用于商业电子束单元中，用于在真空环境中和在反应性气体气氛中操作。

大多数已知的具有线性热阴极的电子束投射器的主要问题是线性热阴极的稳定操作的时间短，特别是在需要频繁更换的反应性气体(例如氧)的气氛中，以及在电子束投射器的长期操作期间所分配的电子束参数的稳定性(被加热材料表面上焦斑的所需尺寸的稳定性)不足。

当前可用的电子束投射器中的线性热阴极操作的持续时间短是由于以下不利现象造成的：

-线性热阴极的强烈离子轰击，这是由工艺过程期间真空腔中在残留或反应性气体的高压下最明显的原子电离引起的；

-在工艺过程期间蒸发(熔化)的金属或陶瓷材料的穿过束导向装置和加速阳极的原子和分子在线性热阴极表面上的沉积，以及它们与热阴极材料的进一步相互作用，导致其物理-机械性能的改变和断裂；

-在操作中的加热/冷却循环过程的影响下，线性热阴极的几何形状及其相对于聚焦电极的位置的改变，所产生的电子束参数进一步恶化。

现代电子束投射器的改进旨在通过将上述负面现象减至最小来延长线性热阴极的操作寿命。

2001年8月15日的乌克兰专利No.40644“Electron gun with linear thermal cathode for electron beam heating”，作者为M.I.Grechaynuk,O.K.Dyatlova,P.P.Kucherenko,E.L.Piyuk，提出了一种用于电子束加热的具有线性热阴极的电子枪的设计，其包括加速阳极，加速阳极通过高压绝缘体连接到阴极组件，阴极组件包括：壳体；安装在上述壳体中的扁平绝缘体；安装在壳体上的两个阴极保持器中的线性热阴极，其中一个阴极保持器是可移动的并且使用至少两个导电弹簧通过紧固件经由扁平绝缘体连接到壳体；聚焦电极，其具有端子电流引线，用于向其施加相对于同轴定位的线性热阴极的可控负电位，并且通过其两侧表面包围上述线性热阴极；端子引线，用于供应灯丝电流，其特征在于，所述可移动的阴极保持器铰接地连接到阴极组件壳体。如专利作者所述，这种设计使线性热阴极相对于聚焦电极的位置具有更高的稳定性，从而改善线性热阴极的操作寿命和电子束形状的稳定性。

在2002年9月24日的美国专利6.455.990“Apparatus for electron gun employing a thermoionic electron source”中，作者B.E.Mensinger提出了一种电子束投射器的设计，其中隔膜(开槽板)放置在加速阳极和线性热阴极之间，保护线性阴极表面免受离子轰击，并且延长其操作寿命。其中，该板与线性热阴极表面接触，是其整体的一部分。制造隔膜(板)的主要材料是石墨。

在技术本质上最接近于本发明是2002年1月15日的乌克兰专利No.43927“Electron gun with linear thermal cathode for electron beam heating”中描述的电子束投射器的设计，其作者是B.O.Movchan，O.Ya.Gavrilyuk。所提出的用于电子束加热的具有线性热阴极的电子束枪包括其上固定有加速阳极的束导向装置，加速阳极通过高压绝缘体经由阴极板连接到阴极组件，阴极组件包括固定在两个阴极保持器中的线性热阴极，和聚焦电极，其中根据该发明，束导向装置通过柱与加速阳极分离，所述柱确保加速阳极刚性紧固在束导向装置上并且在它们之间形成空间；加速阳极包括刚性地连接到其上的板，用于密封地分离枪的阴极和束导向装置部件。

在这种设计中，阴极和束导向装置部件被密封地分离，并且加速阳极被从束导向装置上去除，如作者所述，该设计显著增加了阴极对离子轰击损伤的抵抗能力，特别是在施加反应性气体的单元中操作时。

与所有其他已知的具有线性热阴极的电子束投射器类似，该设计的主要缺点是不能足够地保护线性热阴极表面免受工艺过程期间蒸发或熔化的材料的原子和分子的沉积以及离子轰击，这是由于线性热阴极(阴极组件)、加速阳极和束导向装置具有共同光学(几何)轴线。由线性热阴极产生的电子流在沿着该轴向着加速阳极的方向移动期间被加速，穿过加速阳极，然后穿过束导向装置，在束导向装置中在磁场影响下电子流偏离光轴，同时改变其形状和运动轨迹。由于线性热阴极、加速阳极和束导向装置具有共同的光学(几何)轴线(即位于一条直线上)，所以这种可用的电子束投射器的设计不能可靠地免受上述负面现象之害。进入束导向装置的蒸发物质或离子的原子/分子进一步无阻碍地穿过加速阳极到达线性热阴极表面并在那里沉淀或轰击其表面。为了消除蒸汽流与线性热阴极表面之间的直接光学接触，类似于从束导向装置去除加速阳极，改变电子束投射器在电子束单元中的位置在线性热阴极-加速阳极-束导向装置具有共同光轴的情况下没有任何实质的效果。

通过移位线性热阴极表面远离束导向装置的光轴，即通过使线性热阴极(阴极组件)和加速阳极的共同光轴偏离束导向装置光轴，进行电子束投射器的进一步升级，以进一步使线性热阴极表面不受电子束投射器的操作中出现的上述负面现象之害是合理的。

技术实现要素：

本发明的目的是创造一种没有上述缺陷的电子束投射器，并且实质性地延长了线性热阴极的操作寿命。

所限定的目的是通过提出一种用于电子束加热的具有线性热阴极的电子束投射器来实现的，该电子束投射器包括束导向装置，该束导向装置包括偏转电磁系统，并且容纳由柱紧固在其上的加速阳极，所述加速阳极通过高压绝缘体经由阴极板连接到阴极组件，阴极组件包括线性热阴极和聚焦电极，线性热阴极紧固在阴极保持器中；加速阳极包括与其刚性连接的板，用于该投射器的阴极和束导向装置部件的密封分离，其中根据本发明，阴极组件和加速阳极的共同光轴与束导向装置的光轴偏离的角度α等于10～30°。

在已知的具有线性热阴极的电子束投射器的设计中，由线性阴极和加速阳极之间的空间中的电场形成的平面平行电子束沿着与线性阴极-加速阳极-束导向装置的几何轴线一致的共同光轴移动。因此，不能可靠地保护线性热阴极免受离子流轰击或者保护其工作表面免受被熔化或蒸发的材料的蒸气流的原子和分子的击中。

在根据本发明的设备中，通过改变阴极组件和加速阳极相对于束导向装置的位置(倾斜度)，使线性热阴极产生的电子流沿其加速的线性阴极-加速阳极的光轴偏离束导向装置的光轴(其几何轴线)，从而可能提供对线性热阴极的保护。

由于这样的设计，线性热阴极远离离子流轰击区域，所以线性热阴极的寿命变得明显更长，并且防止其工作表面被熔化或蒸发的材料的蒸气流的原子和分子击中。

附图说明

参考附图关于实施例说明本发明的技术本质和操作原理。

图1a和图1b分别示出根据本发明的具有线性热阴极的电子束投射器的局部横向和纵向截面的示意图。

图2示出具有线性热阴极的传统电子束投射器的局部截面的示意图。

图3示出在以1.5A的电流蒸发直径为68.5mm的Ni-18％Cr-12％Al-0.3％Y的铸锭时测得的根据本发明的电子束投射器中的线性热阴极的操作寿命曲线图，该工作寿命曲线取决于阴极组件和加速阳极的光轴相对于束导向装置的光轴的倾斜角度。

图4a和图4b分别示出传统的电子束投射器和根据本发明的电子束投射器在分别以1.6A的电流用时32小时和96小时蒸发直径为68.5mm的ZrO2-8％Y2O3型陶瓷铸锭的操作之后线性热阴极的工作表面的外观。

具体实施方式

提出一种用于电子束加热的具有线性热阴极的电子束投射器(图1a和图1b)，其包括束导向装置1，束导向装置1包括偏转电磁系统2，加速阳极3通过柱10固定在束导向装置上，加速阳极3通过高压绝缘体4经由阴极板5连接到阴极组件6，阴极组件6包括固定在阴极保持器8中的线性热阴极7，和聚焦电极9；加速阳极3包括刚性连接到其上的板11，用于该投射器的阴极和束导向装置部件的密封分离，其中根据本发明，阴极组件和加速阳极的共同光轴与束导向装置的光轴偏离的角度α等于10～30度。

从附图和所给出的描述中可以看出，在所提出的具有线性热阴极的电子束投射器的设计中，与原型(图2)的实际设计不同，阴极组件和加速阳极相对于束导向装置的垂直轴以角度α定位，即它们的共同光轴与束导向装置的光轴偏离的角度α等于10～30度。

该设备的操作如下：

在从电源向电子束投射器施加电压时，穿过阴极保持器8和线性热阴极7的灯丝电流将其加热到发生热电子发射的温度。同时，将来自高压电源的高电压(负电位)施加到阴极组件6。从线性热阴极表面飞出的电子在阴极组件6和加速阳极3之间施加的电场中沿着阴极组件-加速阳极的光轴加速，阴极组件6和加速阳极3通过高压绝缘体4电分离。已经穿过加速阳极的电子束通过惯性沿着阴极组件-加速阳极的共同光轴移动，相对于其光轴以角度α进入束导向装置1。当其离开束导向装置时偏转电磁系统2使电子束轨迹以所需角度偏转。这里，束的主要参数(焦点尺寸、比功率等)及其沿着两个坐标的控制保持不变。

在进行熔化和蒸发的工艺过程时，所提出的设计中的线性热阴极的位置确保了离子流对其负面影响的最小化并且防止蒸发材料的原子和分子在其表面上的进入。这可以实质性延长线性热阴极的使用寿命(3-3.2倍)，并且提高电子-光学参数的稳定性。在反应性气体例如氧的气氛中进行熔化和蒸发工艺时需要电子束单元长期操作而不破坏腔中的真空或更换热阴极的情况下，可实现所提出的具有线性热阴极的电子束投射器的应用的最大效果。

实施例1

将具有标准线性热阴极(100×3×0.6mm大小的钨板)的PE-123型60kW功率的电子束投射器安装在UE-207型电子束单元中，用于蒸发置于直径为70mm的水冷铜坩埚中的直径为68.5mm的MCrAlY合金(Ni-18％Cr-12％Al-0.2％Y)的铸锭。从束导向装置平面到坩埚表面的距离是680mm。阴极组件和加速阳极的共同光轴相对于束导向装置的光轴的偏转角度在0°到30°的范围内变化。在铸锭蒸发期间单元工作腔内的残余气体的压力为2×10^-2Pa，加速电压为20kV，蒸发束电流为1.5A。

记录在蒸发电流下的线性热阴极操作的时间，在电子束形状改变(不合规)之后停止测试，在该形状下蒸发工艺变得不可能。

图3中给出的所进行的测试的结果表明，在阴极组件和加速阳极的共同光轴相对于束导向装置的光轴的偏转角度在20～25°的范围内时实现线性热阴极寿命的最大延长。

实施例2

将具有标准线性热阴极(100×3×0.6mm的钨板)的PE-123型60kW功率的电子束投射器安装在UE-202型的电子束单元中，用于蒸发置于直径为70mm的水冷铜坩埚中的直径为68.5mm的ZrO2-8％Y2O3型的陶瓷铸锭。

阴极组件和加速阳极的共同光轴相对于束导向装置的光轴的偏转角度等于20°，电子束在束导向装置的出口时相对于束导向装置的电子光轴的偏转角度也等于20°。在铸锭蒸发期间单元工作腔中的残余气体压力在5×10^-2Pa的水平，加速电压为20kV，用于蒸发的电子束电流为1.6A。在蒸发期间，将约为200cm³/min的量的氧供应到单元工作腔中。在该电流下所记录的电子束投射器的线性热阴极的平均操作时间为95小时。当束的几何参数变差使得不能稳定地蒸发时中断测试。

PE-123型的传统电子束投射器的相同尺寸的标准线性热阴极的类似测试的结果被用作比较的基本值，其中阴极组件、加速阳极和束导向装置的光轴一致，并且被安装在电子束单元UE-202中(所有被测试的电子枪在UE-202单元中的位置和铸锭蒸发的所有工艺参数相同)。

所记录的传统电子束投射器的线性热阴极的平均操作时间为30小时；当束的几何参数变差使得不能稳定地蒸发时中断测试。

图4a和图4b中示出传统的电子束投射器和本发明的电子束投射器的测试后的线性热阴极的外观。传统的电子束投射器的线性热阴极表面的损伤特征是热阴极中心区的侵蚀损伤和蒸发材料(氧化锆基陶瓷)在其表面上的沉积。本发明的电子束投射器的线性热阴极的表面没有蒸发材料的痕迹，仅沿热阴极表面观察到离子轰击的轻微影响。

上述有益效果是由于以下原因而实现的：阴极组件和加速阳极被定位成使得它们的共同电子光轴相对于束导向装置的电子光轴偏转一角度，从而使线性热阴极的表面远离观察到强烈的离子轰击和蒸发材料的沉积的区域。