大氣電子束加工設(shè)備用電子槍的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種大氣電子束加工設(shè)備用電子槍，其整體呈軸對稱結(jié)構(gòu)，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(fā)生器。本發(fā)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(lián)的組合式結(jié)構(gòu)，電子槍中構(gòu)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(shè)備在大氣環(huán)境中進(jìn)行電子束加工存在的兩大關(guān)鍵技術(shù)。
【專利說明】
大氣)電子束加工設(shè)備用電子槍
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電子束加工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大氣電子束加工設(shè)備用電子 槍。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子束加工技術(shù)具有優(yōu)越的性能在工業(yè)各領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，但電子束的產(chǎn)生 需要真空環(huán)境，從而大大增加電子束加工設(shè)備的制造成本和應(yīng)用能耗，同時(shí)大大降低加工 效率，更是制約應(yīng)用于大型工件的加工。然而，大氣環(huán)境中進(jìn)行電子束加工需要解決兩個(gè)關(guān) 鍵技術(shù):一是電子束由真空電子槍室內(nèi)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(dá)工件前的能量密度不能降得過低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的是現(xiàn)有電子束加工設(shè)備在大氣環(huán)境中進(jìn)行電子束加工存在的 兩大關(guān)鍵技術(shù)，提供一種大氣電子束加工設(shè)備用電子槍。
[0004] 為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -種大氣電子束加工設(shè)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(fā)生器，其不同之處是，第一真空腔的下方還進(jìn)一步設(shè)有 第一等離子體窗口；聚焦裝置和第二真空腔之間還進(jìn)一步設(shè)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(shè)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(gè)獨(dú)立的腔室，其中位于陶瓷體內(nèi)側(cè)的腔室構(gòu)成等離子體腔和位于陶瓷體外側(cè)的腔室 構(gòu)成冷卻腔。等離子體腔上設(shè)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(shè) 有縱向貫通的陰極孔，等離子體陽極的中央開設(shè)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(jīng)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(shè)有進(jìn) 水口和出水口；冷卻水從進(jìn)水口流入，并經(jīng)過冷卻腔后，從出水口流出。
[0006] 作為改進(jìn)，第一真空腔和第二等離子體窗口之間還進(jìn)一步設(shè)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(shè)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(dǎo)氣隙；導(dǎo)氣隙的一端設(shè)有進(jìn)氣 口，且導(dǎo)氣隙與氣流腔相連通;壓力氣體由進(jìn)氣口充入，經(jīng)導(dǎo)氣隙進(jìn)入氣流腔形成超音速氣 流噴入第一真空腔。
[0007] 作為進(jìn)一步改進(jìn)，氣動窗口上殼體同時(shí)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(shè)有第一真空栗，該第一真空栗為機(jī)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(shè)有第一真空栗，第二真空腔由羅茨栗和機(jī)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(shè)有第三真空栗，該第三真空栗由分子栗和機(jī)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(shè)有讓電子束順利通過的陽極孔，該陽極孔為孔板結(jié)構(gòu)。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：
[0013] 1、第一離子體窗口和第二離子體窗口產(chǎn)生的等離子體電流極性能夠使電子束產(chǎn) 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(lián)的組合式結(jié)構(gòu)，電子 槍中構(gòu)成真空梯度極大的電子束飛行路徑，進(jìn)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(jié)構(gòu)合二為一，能夠有效減小電子槍的尺寸及降低生 產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0016]圖1為一種大氣電子束加工設(shè)備用電子槍結(jié)構(gòu)的不意圖。
[0017] 圖中標(biāo)號：1、電子束發(fā)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(jié)構(gòu)的示意圖。
[0019]圖中標(biāo)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(jìn)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(jié)構(gòu)的不意圖。
[0021 ]圖中標(biāo)號：91、氣動窗口上殼體;92、導(dǎo)氣隙；93、氣動窗口下殼體;94、氣流腔;95、 進(jìn)氣口。
【具體實(shí)施方式】
[0022] -種大氣電子束加工設(shè)備用電子槍，如圖1所示，其整體呈軸對稱結(jié)構(gòu)，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(fā)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(shè)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(gè)獨(dú)立的腔室，其中位于陶瓷體72內(nèi)側(cè)的腔室構(gòu)成等離子體腔76,而位于 陶瓷體72外側(cè)腔室的構(gòu)成冷卻腔74。等離子體腔76上設(shè)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(nèi)側(cè)，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(nèi)側(cè)的等離子體窗口殼體73上。等離子體陰極71的中央開設(shè)有縱向貫通的陰 極孔，等離子體陽極77的中央開設(shè)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(jīng)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(shè)有進(jìn)水 口 75和出水口 78。具體來說，進(jìn)水口 75位于冷卻腔74的側(cè)方的下部，陶瓷體72外側(cè)的等離子 體窗口殼體73上；出水口 78位于相對側(cè)方的上部，陶瓷體72外側(cè)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(shí)產(chǎn)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(shù)的共同作用，等 離子體窗口上下兩窗口可產(chǎn)生氣體密度比為
1動態(tài)平衡;等離子體電流產(chǎn)生的磁場 類似于通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場，環(huán)繞于等離子體腔76軸線的周圍，當(dāng)電子束15穿過等離子 體腔76時(shí)，電子束15飛行方向與等離子體電流方向相反，根據(jù)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(fā)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(fù)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(shí)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(jī)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(dá)2000Pa~1250Pa。
[0027] 聚焦裝置10:產(chǎn)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(shè)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(dǎo)氣隙92。橫向方向上，導(dǎo)氣隙92的一端設(shè)有進(jìn)氣口 95?？v向方向上，導(dǎo)氣隙 92與氣流腔94相連通。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，氣動窗口上殼體91同時(shí)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(jìn)氣口95充入經(jīng)導(dǎo)氣隙92 進(jìn)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(chǎn)生氣體密度比
的動態(tài)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(fù)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(shí)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(jī)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(dá)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(jié)構(gòu)，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(jī)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(dá)lXl(T 2Pa~5Xl(T3Pa。
[0033]電子束發(fā)生器1:產(chǎn)生電子束15,電子束發(fā)生器1與陽極3間的加速電壓為lOOkV~ 200kV〇
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 大氣電子束加工設(shè)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(fā)生器(1);其特征在于： 第一真空腔（11)的下方還進(jìn)一步設(shè)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(jìn)一步設(shè)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(shè)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(gè)獨(dú)立的腔室，其中位于陶瓷體 (72)內(nèi)側(cè)的腔室構(gòu)成等離子體腔(76)和位于陶瓷體(72)外側(cè)的腔室構(gòu)成冷卻腔(74); 等離子體腔(76)上設(shè)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(shè)有縱向貫通的陰極孔，等離子體陽極(77)的中央開設(shè)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(jīng)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(shè)有進(jìn)水口（75)和出水口（78);冷卻水從進(jìn)水口（75)流入，并經(jīng)過冷卻 腔(74)后，從出水口（78)流出。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣電子束加工設(shè)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(jìn)一步設(shè)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(shè)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(dǎo)氣隙(9 2); 導(dǎo)氣隙（92)的一端設(shè)有進(jìn)氣口（95)，且導(dǎo)氣隙（92)與氣流腔(94)相連通;壓力氣體由 進(jìn)氣口（95)充入，經(jīng)導(dǎo)氣隙(92)進(jìn)入氣流腔(94)，形成超音速氣流噴入第一真空腔(11)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大氣電子束加工設(shè)備用電子槍，其特征在于:氣動窗口上殼體 (91)同時(shí)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種大氣電子束加工設(shè)備用電子槍，其特征在于:第一真空腔 (11)上設(shè)有第一真空栗(12)，該第一真空栗(12)為機(jī)械栗。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣電子束加工設(shè)備用電子槍，其特征在于:第二真空腔(5) 上設(shè)有第一真空栗(6)，第二真空腔(6)由羅茨栗和機(jī)械栗組成。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣電子束加工設(shè)備用電子槍，其特征在于:第三真空腔（2) 上設(shè)有第三真空栗(4)，該第三真空栗(4)由分子栗和機(jī)械栗組成。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣電子束加工設(shè)備用電子槍，其特征在于：陽極(3)的中央 設(shè)有讓電子束(15)順利通過的陽極孔，該陽極孔為孔板結(jié)構(gòu)。
【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(fā)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(dá)機(jī)電技術(shù)工程有限公司