大氣電子束加工設備用電子槍的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種大氣電子束加工設備用電子槍，其整體呈軸對稱結構，自下而上包括第一等離子體窗口、第一真空腔、聚焦裝置、氣動窗口、第二等離子體窗口、第二真空腔、陽極、第三真空腔和電子束發生器。本發明采用第一離子體窗口、氣動窗口和第二離子體窗口相串聯的組合式結構，電子槍中構成真空梯度極大的電子束飛行路徑，降低電子束的能量損失和能量密度的下降，以解決電子束加工設備在大氣環境中進行電子束加工存在的兩大關鍵技術。
【專利說明】
大氣)電子束加工設備用電子槍
技術領域
[0001] 本發明涉及電子束加工設備技術領域，具體涉及一種大氣電子束加工設備用電子 槍。
【背景技術】
[0002] 電子束加工技術具有優越的性能在工業各領域已得到廣泛應用，但電子束的產生 需要真空環境，從而大大增加電子束加工設備的制造成本和應用能耗，同時大大降低加工 效率，更是制約應用于大型工件的加工。然而，大氣環境中進行電子束加工需要解決兩個關 鍵技術:一是電子束由真空電子槍室內引出到大氣中的能量損失不能太大;二是電子束由 真空電子槍室通過引出窗口到達工件前的能量密度不能降得過低。
【發明內容】
[0003] 本發明所要解決的是現有電子束加工設備在大氣環境中進行電子束加工存在的 兩大關鍵技術，提供一種大氣電子束加工設備用電子槍。
[0004] 為解決上述問題，本發明是通過以下技術方案實現的：
[0005] -種大氣電子束加工設備用電子槍，自下而上包括第一真空腔、聚焦裝置、第二真 空腔、陽極、第三真空腔和電子束發生器，其不同之處是，第一真空腔的下方還進一步設有 第一等離子體窗口；聚焦裝置和第二真空腔之間還進一步設有第二等離子體窗口。第一等 離子體窗口和第二等離子體窗口的結構相同，均由等離子體陰極、陶瓷體、等離子體窗口殼 體、冷卻腔、進水口、等離子體腔、等離子體陽極和出水口組成。等離子體窗口殼體的中央嵌 設有陶瓷體，該陶瓷體呈縱向貫通的柱形，并將等離子體窗口殼體所圍成的密閉空間分隔 為2個獨立的腔室，其中位于陶瓷體內側的腔室構成等離子體腔和位于陶瓷體外側的腔室 構成冷卻腔。等離子體腔上設有等離子體陰極和等離子體陽極;等離子體陰極的中央開設 有縱向貫通的陰極孔，等離子體陽極的中央開設有縱向貫通的陽極孔；電子束從等離子體 陰極的陰極孔飛入，并經過等離子體腔后，從等離子體陽極的陽極孔射出。冷卻腔上設有進 水口和出水口；冷卻水從進水口流入，并經過冷卻腔后，從出水口流出。
[0006] 作為改進，第一真空腔和第二等離子體窗口之間還進一步設有氣動窗口。氣動窗 口由氣動窗口上殼體和氣動窗口下殼體組成;氣動窗口上殼體和氣動窗口下殼體上均設有 縱向貫通的通孔，氣動窗口下殼體的通孔形成氣流腔;氣動窗口上殼體的下端面和氣動窗 口下殼體的上端面之間留有橫向延伸的間隙，該間隙形成導氣隙；導氣隙的一端設有進氣 口，且導氣隙與氣流腔相連通;壓力氣體由進氣口充入，經導氣隙進入氣流腔形成超音速氣 流噴入第一真空腔。
[0007] 作為進一步改進，氣動窗口上殼體同時作為第二等離子體窗口的陽極;氣動窗口 下殼體由聚焦裝置兼任。
[0008] 上述方案中，第一真空腔上設有第一真空栗，該第一真空栗為機械栗。第一真空腔 的工作真空度為2000Pa~1250Pa。
[0009] 上述方案中，第二真空腔上設有第一真空栗，第二真空腔由羅茨栗和機械栗組成。 第二真空腔的工作真空度為1 X 10-4a~5 X 10-2Pa。
[0010] 上述方案中，第三真空腔上設有第三真空栗，該第三真空栗由分子栗和機械栗組 成。第三真空腔工作真空度為1 X 10-2Pa~5 X 10-3Pa。
[0011] 上述方案中，陽極的中央設有讓電子束順利通過的陽極孔，該陽極孔為孔板結構。
[0012] 與現有技術相比，本發明具有如下特點：
[0013] 1、第一離子體窗口和第二離子體窗口產生的等離子體電流極性能夠使電子束產 生更好地匯聚作用，以降低電子束的能量損失和能量密度的下降；
[0014] 2、米用第一離子體窗口、氣動窗口和第二離子體窗口相串聯的組合式結構，電子 槍中構成真空梯度極大的電子束飛行路徑，進一步降低電子束的能量損失和能量密度的下 降；
[0015] 3、采用氣動窗口與聚焦裝置結構合二為一，能夠有效減小電子槍的尺寸及降低生 產成本。
【附圖說明】
[0016]圖1為一種大氣電子束加工設備用電子槍結構的不意圖。
[0017] 圖中標號：1、電子束發生器；2、第三真空腔；3、陽極；4、第三真空栗；5、第二真空 腔;6、第二真空栗;7、第二等離子體窗口；8、第二等離子體電源;9、氣動窗口；10、聚焦裝置； 11、第一真空腔；12、第一真空栗；13、第一等離子體窗口； 14、第一等離子體電源；15、電子 束;16、工件。
[0018] 圖2為圖1中等離子體窗口結構的示意圖。
[0019]圖中標號：71、等離子體陰極;72、陶瓷體;73、等離子體窗口殼體;74、冷卻腔;75、 進水口； 76、等離子體腔;77、等離子體陽極;78、出水口。
[0020]圖3為圖1中氣動窗口結構的不意圖。
[0021 ]圖中標號：91、氣動窗口上殼體;92、導氣隙；93、氣動窗口下殼體;94、氣流腔;95、 進氣口。
【具體實施方式】
[0022] -種大氣電子束加工設備用電子槍，如圖1所示，其整體呈軸對稱結構，自下而上 包括第一等離子體窗口 13、第一真空腔11、聚焦裝置10、氣動窗口 9、第二等離子體窗口 7、第 二真空腔5、陽極3、第三真空腔2和電子束發生器1。
[0023]第一等離子體窗口 13和第二等離子體窗口 7的結構相同，如圖2所示，由等離子體 陰極71、陶瓷體72、等離子體窗口殼體73、冷卻腔74、進水口 75、等離子體腔76、等離子體陽 極77和出水口 78組成。等離子體窗口殼體73為中空的密閉腔體。等離子體窗口殼體73的中 央嵌設有陶瓷體72，該陶瓷體72呈縱向貫通的圓柱形，并將等離子體窗口殼體73所圍成的 密閉空間分隔為2個獨立的腔室，其中位于陶瓷體72內側的腔室構成等離子體腔76,而位于 陶瓷體72外側腔室的構成冷卻腔74。等離子體腔76上設有等離子體陰極71和等離子體陽極 77。具體來說，等離子體陰極71位于陶瓷體72內側，并處于等離子體腔76的上方，等離子體 陰極71與等離子體窗口殼體73通過陶瓷體72絕緣;等離子體陽極77位于等離子體腔76的下 方，陶瓷體72內側的等離子體窗口殼體73上。等離子體陰極71的中央開設有縱向貫通的陰 極孔，等離子體陽極77的中央開設有縱向貫通的陽極孔。電子束15從等離子體陰極71的陰 極孔飛入，并經過等離子體腔76后，從等離子體陽極77的陽極孔射出。冷卻腔74上設有進水 口 75和出水口 78。具體來說，進水口 75位于冷卻腔74的側方的下部，陶瓷體72外側的等離子 體窗口殼體73上；出水口 78位于相對側方的上部，陶瓷體72外側的等離子體窗口殼體73上。
[0024] 等離子體窗口的作用：高溫等離子體與低溫氣體界面壓力平衡時產生氣體密度 差;另外高溫離子體的粘性增加，抑制氣體的流動性，即"密封"作用。兩因數的共同作用，等 離子體窗口上下兩窗口可產生氣體密度比為
1動態平衡;等離子體電流產生的磁場 類似于通電直導線產生的磁場，環繞于等離子體腔76軸線的周圍，當電子束15穿過等離子 體腔76時，電子束15飛行方向與等離子體電流方向相反，根據洛倫茲力定律，電子束15將受 到向心洛倫茲力的作用，即等離子體對電子束15具有"匯聚"作用，抑制電子束15的發散。
[0025] 第一等離子體窗口 13:第一等離子體窗口 13通過其陰極孔與第一真空腔11相連 通。第一等離子體窗口 13的陽極孔為電子束出口，第一等離子體窗口 13通過其陽極孔與大 氣連相通。工件16位于第一等離子體窗口 13陽極孔的下方。第一等離子體窗口 13的等離子 體陰極接至第一等離子體電源14的負極，第一等離子體窗口 13的等離子體陽極和第一等離 子體電源14的正極同時接地。
[0026] 第一真空腔11:通過第一等離子體窗口 13與大氣相連通，第一真空腔11與第一真 空栗12相連，第一真空栗12為機械栗。第一真空栗12對第一真空腔11抽氣，第一真空腔11工 作真空度達2000Pa~1250Pa。
[0027] 聚焦裝置10:產生電子束15所需的聚焦磁場。
[0028] 氣動窗口9:如圖3所不，由氣動窗口上殼體91和氣動窗口下殼體93組成。氣動窗口 上殼體91和氣動窗口下殼體93上均設有縱向貫通的通孔，氣動窗口下殼體93的通孔形成氣 流腔94。氣動窗口上殼體91的下端面和氣動窗口下殼體93的上端面之間留有橫向延伸的間 隙，該間隙形成導氣隙92。橫向方向上，導氣隙92的一端設有進氣口 95。縱向方向上，導氣隙 92與氣流腔94相連通。在本發明優選實施例中，氣動窗口上殼體91同時作為第二等離子體 窗口7的陽極;氣動窗口下殼體93由聚焦裝置10兼任。壓力氣體由進氣口95充入經導氣隙92 進入氣流腔94形成超音速氣流噴入第一真空腔11。氣動窗口利用動壓和靜壓的合作用可使 上入口與下出口產生氣體密度比
的動態平衡。
[0029] 第二等離子體窗口 7:第二等離子體窗口 7通過其陰極孔與第二真空腔5相連通。第 二等離子體窗口 7通過其陽極孔與氣動窗口 9相連通。第二等離子體窗口 7的等離子體陰極 接至第二等離子體電源8的負極，第二等離子體窗口 7的等離子體陽極和第二等離子體電源 8的正極同時接地。
[0030] 第二真空腔5:第二真空腔5通過陽極3與第三真空腔2相連通。第二真空腔5與第二 真空栗6相連，第二真空栗6由羅茨栗和機械栗組成。第二真空栗6對第二真空腔5抽氣，第二 真空腔5工作真空度達1 X 10-4a~5 X 10-2Pa。
[0031] 陽極3:陽極孔讓電子束15順利通過，陽極孔采用了孔板結構，形成一定的氣阻。 [0032]第三真空腔2:第三真空腔2與第三真空栗4相連，第三真空栗4由分子栗和機械栗 組成。第三真空栗4對抽氣第三真空腔2,第三真空腔2工作真空度達lXl(T 2Pa~5Xl(T3Pa。
[0033]電子束發生器1:產生電子束15,電子束發生器1與陽極3間的加速電壓為lOOkV~ 200kV〇
【主權項】
1. 大氣電子束加工設備用電子槍，自下而上包括第一真空腔（11)、聚焦裝置（10)、第二 真空腔(5)、陽極(3)、第三真空腔(2)和電子束發生器(1);其特征在于： 第一真空腔（11)的下方還進一步設有第一等離子體窗口（13);聚焦裝置（10)和第二真 空腔(5)之間還進一步設有第二等離子體窗口（7); 第一等離子體窗口（13)和第二等離子體窗口（7)的結構相同，均由等離子體陰極(71)、 陶瓷體(72)、等離子體窗口殼體(73)、冷卻腔(74)、進水口（75)、等離子體腔(76)、等離子體 陽極(77)和出水口（78)組成； 等離子體窗口殼體(73)的中央嵌設有陶瓷體(72)，該陶瓷體(72)呈縱向貫通的柱形， 并將等離子體窗口殼體（73)所圍成的密閉空間分隔為2個獨立的腔室，其中位于陶瓷體 (72)內側的腔室構成等離子體腔(76)和位于陶瓷體(72)外側的腔室構成冷卻腔(74); 等離子體腔(76)上設有等離子體陰極(71)和等離子體陽極(77);等離子體陰極(71)的 中央開設有縱向貫通的陰極孔，等離子體陽極(77)的中央開設有縱向貫通的陽極孔；電子 束（15)從等離子體陰極（71)的陰極孔飛入，并經過等離子體腔（76)后，從等離子體陽極 (77)的陽極孔射出； 冷卻腔(74)上設有進水口（75)和出水口（78);冷卻水從進水口（75)流入，并經過冷卻 腔(74)后，從出水口（78)流出。2. 根據權利要求1所述的大氣電子束加工設備用電子槍，其特征在于:第一真空腔（11) 和第二等離子體窗口（7)之間還進一步設有氣動窗口（9); 氣動窗口（9)由氣動窗口上殼體(91)和氣動窗口下殼體(93)組成； 氣動窗口上殼體(91)和氣動窗口下殼體(93)上均設有縱向貫通的通孔，氣動窗口下殼 體(93)的通孔形成氣流腔(94); 氣動窗口上殼體(91)的下端面和氣動窗口下殼體(93)的上端面之間留有橫向延伸的 間隙，該間隙形成導氣隙(9 2); 導氣隙（92)的一端設有進氣口（95)，且導氣隙（92)與氣流腔(94)相連通;壓力氣體由 進氣口（95)充入，經導氣隙(92)進入氣流腔(94)，形成超音速氣流噴入第一真空腔(11)。3. 根據權利要求2所述的大氣電子束加工設備用電子槍，其特征在于:氣動窗口上殼體 (91)同時作為第二等離子體窗口（7)的陽極;氣動窗口下殼體(93)由聚焦裝置(10)兼任。4. 根據權利要求1所述的一種大氣電子束加工設備用電子槍，其特征在于:第一真空腔 (11)上設有第一真空栗(12)，該第一真空栗(12)為機械栗。5. 根據權利要求1所述的大氣電子束加工設備用電子槍，其特征在于:第二真空腔(5) 上設有第一真空栗(6)，第二真空腔(6)由羅茨栗和機械栗組成。6. 根據權利要求1所述的大氣電子束加工設備用電子槍，其特征在于:第三真空腔（2) 上設有第三真空栗(4)，該第三真空栗(4)由分子栗和機械栗組成。7. 根據權利要求1所述的大氣電子束加工設備用電子槍，其特征在于：陽極(3)的中央 設有讓電子束(15)順利通過的陽極孔，該陽極孔為孔板結構。
【文檔編號】H01J37/063GK106024561SQ201610632479
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月4日
【發明人】韋壽祺, 朱國坤, 黃小東, 張建飛, 黃興泉, 覃胤鴻
【申請人】桂林獅達機電技術工程有限公司