CN103928278B - 一种高能量电子枪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能量电子枪，包括电子发射机构、聚焦机构、偏转机构、差分抽真空维持机构和电极调节机构。由于本发明采用了差分抽真空维持机构，同时配合阳极结构的特点，可以保持控制极所在空间具有较高的真空度。由于阳极小孔和电子束出口的小孔尺寸很小，所以真空腔室和控制极圆管的内部空间两个腔体之间的气体导通率很小，使得差分抽真空可行，从而提高了阴极灯丝的使用寿命，进而延长了整个高能量电子枪的使用寿命。本发明通过改变聚焦机构中空芯线圈电流的大小，进而改变其内部的磁场强度来实现电子束的聚焦，从而调整电子束束斑的大小。本发明通过改变偏转机构中环形线圈电流的大小，从而调整电子束束斑的位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种发射、聚焦并扫描高能量电子的装置，特别是一种高能量电子枪。
背景技术
固体表面的原子由于失去了本体原子的排列周期性，会表现出一系列不同的物理和化学性质而受到人们的关注，从而形成了凝聚态物理领域的一个重要分支-表面科学。表面科学在新材料分析和纳米科技中起着重要的作用，表面原子的排列方式和运动状态是表面科学的主要内容。典型的表面分析仪器有电子显微镜(TEM)、俄歇电子能谱仪(AES)、高能电子衍射仪(RHEED)等，这些仪器的核心都是电子枪(E-gun)。目前电子枪的基本构造是阴极、阳极和控制极三部分，虽然实现了电子发射的目的，但结构简单、电子能量低而且没有电子束的聚焦和偏转机构，难以实现电子束束斑大小和位置的调整。另外，为了维持电子发射灯丝的寿命，使用环境要求超高真空，这极大地限制了电子枪在特殊环境中的使用。同时，传统电子枪的用材不能满足高温烘烤的要求，这也限制了电子枪与真空腔室或其它真空设备的配合使用。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种使用寿命长、束斑大小可调、束斑位置可调、耐高温烘烤、结构简单和使用方便的高能量电子枪。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高能量电子枪，包括电子发射机构、聚焦机构、偏转机构、差分抽真空维持机构和电极调节机构；
所述的电极调节机构和电子发射机构均位于差分抽真空维持机构的内部，电子发射机构的后端依次为聚焦机构和偏转机构，所述的聚焦机构和偏转机构通过线圈隔环连接；所述的电子发射机构、聚焦机构、偏转机构、差分抽真空维持机构和电极调节机组装成整体，所述的整体通过连接法兰与真空腔室连接；
所述电子发射机构包括处于负高压的阴极灯丝、加载电压可调的控制极和处于零电位的阳极；所述阴极灯丝位于控制极的内部，阴极灯丝安装在钨丝电极上，并通过钨丝电极与外部结构连接；阳极位于控制极圆管的后端，控制极小孔和阳极小孔的中心轴线垂直；所述阴极灯丝通电发热后释放出热电子；
所述控制极为后端带有一小孔的圆管，其相对电位比阴极灯丝低，起着控制电子束发散程度和改变其与阴极灯丝之间电场分布的作用，控制射出电子的数量；
所述阳极为一筒状外壳，处于零电位，其前端中心有一个供电子射入的小孔，阳极和处于负电位的阴极灯丝之间的电位差决定最终射出电子的能量；
所述差分抽真空维持机构由调节波纹管、排气法兰、法兰和排气管道组成，排气法兰与排气管道之间通过焊接连接，排气管道与调节波纹管通过焊接连接，排气管道与法兰之间通过焊接连接；所述的差分抽真空维持机构通过法兰与底座法兰连接；
所述的阳极将真空腔室内部空间和控制极所在的圆管内部空间隔成两个部分，且阳极小孔尺寸很小，这个构造配合差分抽真空维持机构使得差分抽可行，从而使得真空腔室内导入较高气压时，控制极圆管的内部空间仍能维持较高真空；
所述聚焦机构由集束线圈罩、集束线圈轴和空芯线圈组成；集束线圈罩和集束线圈轴通过螺栓连接，且空芯线圈装在由集束线圈罩和集束线圈轴组成的内环形间隙内；聚焦机构中空芯线圈产生的磁场方向和电子束运动方向平行；通过改变空芯线圈电流的大小，进而改变其内部的磁场强度来实现电子束的聚焦；
所述偏转机构由偏向线圈罩、线圈支架和环形线圈组成；线圈支架通过螺栓与偏向线圈罩连接，环形线圈位于由偏向线圈罩围成的内环形壳子里；偏转机构的环形线圈所产生的磁场方向和电子束运动方向垂直；通过改变环形线圈电流的大小，进而改变其内部的磁场强度来实现电子束的偏转；
所述的电极调节机构安装在控制极的前端，且钨丝电极安装在电极调节机构的小孔中，所述的电极调节机构用来调节阴极灯丝和控制极后端小孔之间的同心度；
所述的差分抽真空维持机构中的调节波纹管及旋钮用来调节电子发射机构与阳极小孔之间的同心度。
本发明所述的电子发射机构、聚焦机构、偏转机构、差分抽真空维持机构和电极调节机构的非绝缘部分的材料均为304不锈钢、绝缘部分的材料为Al2O3。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于本发明的阴极灯丝和阳极之间的电位差决定了最终射出电子的能量，所以当两者之间加几十千伏的电压时，使得射出的电子具有更高的能量。
2、由于本发明采用了差分抽真空维持机构，同时配合阳极结构的特点，可以保持控制极所在空间具有较高的真空度。由于阳极小孔和电子束出口的小孔尺寸很小，所以真空腔室和控制极圆管的内部空间两个腔体之间的气体导通率很小，使得差分抽真空可行，从而提高了阴极灯丝的使用寿命，进而延长了整个高能量电子枪的使用寿命。
3、本发明通过改变聚焦机构中空芯线圈电流的大小，进而改变其内部的磁场强度来实现电子束的聚焦，从而调整电子束束斑的大小。
4、本发明通过改变偏转机构中环形线圈电流的大小，进而改变其内部的磁场强度来实现电子束的偏转，从而调整电子束束斑的位置。
5、本发明由于高能量电子枪的用材为SUS304，所以可耐220℃的高温烘烤。
6、为了使高能量电子枪中产生的电子束聚焦性能更好，需增加各个机构之间的同心度。故本发明中增加电极调节机构用来调整阴极灯丝和控制极前端小孔之间的同心度。
7、为了实现电子束具有较好的聚焦性，故本发明中增加差分抽真空维持机构中的调节波纹管及旋钮可用来调节电子发射机构和准直孔之间的同心度。
附图说明
本发明共有附图12张，其中：
图1为本发明的总体结构图。
图2为图1的中心剖面图。
图3为本发明的原理图。
图4为图2的I处结构示意图。
图5为差分抽真空维持机构的结构示意图。
图6为电极调节机构的结构示意图。
图7为实现差分抽真空的结构示意图。
图8为图2的II处结构示意图。
图9为聚焦机构的剖面图。
图10为聚焦机构的聚焦原理图。
图11为偏转机构的偏转原理图。
图12为阴极灯丝、阳极和控制极的电源原理图。
图中：1、法兰外罩，2、线圈支架，3、集束线圈罩，4、排气法兰，5、连接法兰，6、偏向线圈罩，7、管A，8、电极，9、底座法兰，10、绝缘座，11、高压杆，12、绝缘体A，13、管B，14、压环，15、转接杆，16、电极固定管，17、钨丝座，18、隔环，19、半圆法兰，20、法兰A，21、电子束出口，22、法兰B，23、电极调节，24、钨丝电极，25、绝缘体B，26、控制极，27、阴极灯丝，28、绝缘罩，29、阳极，30、排气管道，31、调整波纹管，32、法兰C，33、法兰D，34、空芯线圈，35、集束线圈轴，36、线圈隔环，37、环形线圈。
具体实施方式
为使本发明的实施例的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1-8所示，一种高能量电子枪，主要包括：电子发射机构、差分抽真空维持机构、聚焦机构、偏转机构和电极调节机构。
由图2可知，控制极26经隔环18、钨丝座17、电极固定管16、绝缘体A12、绝缘座10与底座法兰9连接。其中，底座法兰9与绝缘座10、绝缘座10与绝缘体A12都是通过螺栓连接。控制极26为前端带有一小孔的圆管，控制极26上的电压经由电极8、高压杆11、电极固定管16、钨丝座17导入。
由图2可知，阴极灯丝27位于控制极圆管的内部，阴极灯丝27经钨丝电极24、电极调节23、转接杆15与外部的电极8连接。同时阴极灯丝27中电流可调，调节范围为0∽2A。其中，钨丝电极24经绝缘体B25连接到电极调节23中的小孔中，而电极调节23装在绝缘体A12中的小孔中。
由图2可知，阳极29为一筒状外壳，其前端中心有一个供电子射入的小孔。阳极29位于控制极26的后端，且控制极小孔与阳极小孔的中心轴线相互垂直。
由图12可知，阳极29处于零电位，控制极26的电位比阴极灯丝27的电位低，且两者都处于负电位。阴极灯丝27通电后释放出热电子；由于控制极26的电位比阴极灯丝27的电位低，所以控制极26起着控制电子束发散程度和改变其与阴极灯丝27之间电场分布的作用，从而控制射出电子的数量；阳极29和处于负电位的阴极灯丝27之间的电位差决定最终射出电子的能量，两者之间电位可以相差几十千伏，从而使得射出的电子具有很高的能量。
由图5可知，差分抽真空维持结构由排气管道30、调节波纹31、排气法兰4、法兰C32和法兰D33组成。它们之间是通过焊接连接到一起的。此结构通过法兰C32与底座法兰9通过螺栓连接到一起。
从图12可知，高能量电子枪通过连接法兰5与真空腔室连接，从而实现后续的各种工作。由图7可知，阳极29将真空腔体所在空间一和控制极26所在空间二分成两个封闭的空间，且阳极小孔尺寸很小，这个构造特点配合差分抽真空维持机构使得差分抽可行，从而使得真空腔室内导入较高气压时，控制极所在空间仍能维持较高真空，从而使得阴极灯丝27的使用寿命大大提高，进而延长整个高能量电子枪的寿命。
差分抽真空维持机构中的调节波纹管31及旋钮可用来调节电子发射机构和阳极小孔之间的同心度。
所述电极调节机构的结构示意图见图6，它用来调整阴极灯丝27和控制极26后端小孔之间的同心度；
由图8可知，所述聚焦机构由集束线圈罩3、集束线圈轴35和空芯线圈34组成。集束线圈罩和集束线圈轴通过螺栓连接，且空芯线圈34装在由集束线圈罩3和集束线圈轴35组成的内环形间隙内。由图2可知，集束线圈轴35通过法兰B22、管A7、法兰A20、半圆法兰19与差分抽真空维持机构中的法兰D33连接。其中，管A7与法兰B22、法兰A20通过焊接连接在一起，法兰A20与半圆法兰19、半圆法兰19与法兰D33通过螺栓连接到一起。通过改变空芯线圈34电流的大小，实现电子束的聚焦。本发明中为了增强磁感强度，将空芯线圈34置于一个由软磁材料304不锈钢制成的内环形间隙的壳子里，如图9所示。该聚焦机构的聚焦原理图如图10所示。当给聚焦机构通一稳定直流电时，其内部形成的磁场方向和电子束运动方向平行。若足够长，则可认为内部为匀强磁场。在匀强磁场中某处A有一束带电粒子，当带电粒子的速度V与B的夹角θ很小时，各粒子的速率V大致相同，这些粒子具有相同的速率，经过一个回转周期后，它们各自经过不同的螺距h轨道重新汇聚到A′点，发散粒子依靠磁场作用汇聚与一点的现象称为磁聚焦。可见，带电粒子经聚焦机构之后，实现了电子束的聚焦。
由图8所示，所述偏转机构由偏向线圈罩6、线圈支架2和环形线圈37组成；线圈支架2通过螺栓和螺母与偏向线圈罩6连接，环形线圈37位于由偏向线圈罩6围成的内环形壳子里。此偏转机构通过线圈隔环36与聚焦机构连接，其中线圈隔环36与聚焦机构和偏转机构都是通过螺栓连接的。通过改变线圈电流的大小，进而改变其内部的磁场实现电子束的偏转。其偏转原理如图11所示。带电粒子通过磁场时，在洛伦兹力的作用下会发生偏转。由于偏转机构中加的是环形线圈，所产生的磁场方向和电子束运动方向垂直。设方框内有匀强磁场，磁感应强度B的方向与垂直纸面向外。若电子以速度V┴垂直进入磁场B，受洛伦兹力F的作用，在磁场区域内做半径为R的匀速圆周运动。
根据牛顿定律得，F＝BeV┴＝mV┴2/R
所以
R＝mV┴/Be(1)
设偏转角θ较小，则有tanθ≈d/R＝D/L(2)
其中d为磁场宽度，D为偏转量，L磁场中心到样品的距离。
由(1)和(2)可得
D＝edBL/mV┴(3)
由于本发明中磁偏转中的磁场是有一对载流线圈产生，其磁感应强度的B大小
B＝KU0nI(4)
U0为真空中的磁导率；n为单位线圈中的匝数；I为线圈电流；K为线圈产生磁场中的修正系数0<K≤1。将式(4)带入(3)得
D＝edLKU0nI/mV┴
对于给定的磁偏转机构和线圈,K、n、d、L均为常量。上式表明，当V┴一定时，电子束在磁场中的磁偏转量D和线圈的电流I成正比。
所以在本发明的偏转机构中，可以通过调整线圈的电流I的大小，精确调整电子束到样品的入射角度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种高能量电子枪，其特征在于：包括电子发射机构、聚焦机构、偏转机构、差分抽真空维持机构和电极调节机构；
所述的电极调节机构和电子发射机构均位于差分抽真空维持机构的内部，电子发射机构的后端依次为聚焦机构和偏转机构，所述的聚焦机构和偏转机构通过线圈隔环(36)连接；所述的电子发射机构、聚焦机构、偏转机构、差分抽真空维持机构和电极调节机构组装成整体，所述的整体通过连接法兰(5)与真空腔室连接；
所述电子发射机构包括处于负高压的阴极灯丝(27)、加载电压可调的控制极(26)和处于零电位的阳极(29)；所述阴极灯丝(27)位于控制极(26)的内部，阴极灯丝(27)安装在钨丝电极(24)上，并通过钨丝电极(24)与外部结构连接；阳极(29)位于控制极(26)圆管的后端，控制极(26)小孔和阳极(29)小孔的中心轴线垂直；所述阴极灯丝(27)通电发热后释放出热电子；
所述控制极(26)为后端带有一小孔的圆管，其相对电位比阴极灯丝(27)低，起着控制电子束发散程度和改变其与阴极灯丝(27)之间电场分布的作用，控制射出电子的数量；
所述阳极(29)为一筒状外壳，处于零电位，其前端中心有一个供电子射入的小孔，阳极(29)和处于负电位的阴极灯丝(27)之间的电位差决定最终射出电子的能量；
所述差分抽真空维持机构由调节波纹管(31)、排气法兰(4)、法兰C(32)、法兰D(33)和排气管道(30)组成，排气法兰(4)与排气管道(30)之间通过焊接连接，排气管道(30)与调节波纹管(31)通过焊接连接，排气管道(30)与法兰C(32)之间通过焊接连接；所述的差分抽真空维持机构通过法兰C(32)与底座法兰(9)连接；所述的法兰D(33)与半圆法兰(19)连接；
所述的阳极(29)将真空腔室内部空间和控制极(26)所在的圆管内部空间隔成两个部分，且阳极(29)小孔尺寸很小，这个构造配合差分抽真空维持机构使得差分抽可行，从而使得真空腔室内导入较高气压时，控制极(26)圆管所在的内部空间仍能维持较高真空；
所述聚焦机构由集束线圈罩(3)、集束线圈轴(35)和空芯线圈(34)组成；集束线圈罩(3)和集束线圈轴(35)通过螺栓连接，且空芯线圈(34)装在由集束线圈罩(3)和集束线圈轴(35)组成的内环形间隙内；聚焦机构中空芯线圈(34)产生的磁场方向和电子束运动方向平行；通过改变空芯线圈(34)电流的大小，进而改变其内部的磁场强度来实现电子束的聚焦；
所述偏转机构由偏向线圈罩(6)、线圈支架和环形线圈(37)组成；线圈支架通过螺栓与偏向线圈罩(6)连接，环形线圈(37)位于由偏向线圈罩(6)围成的内环形壳子里；偏转机构的环形线圈(37)所产生的磁场方向和电子束运动方向垂直；通过改变环形线圈(37)电流的大小，进而改变其内部的磁场强度来实现电子束的偏转；
所述的电极调节机构安装在控制极(26)的前端，且钨丝电极(24)安装在电极调节机构的小孔中，所述的电极调节机构用来调整阴极灯丝(27)和控制极(26)后端小孔之间的同心度；
所述的差分抽真空维持机构中的调节波纹管(31)及旋钮用来调节电子发射机构与阳极(29)小孔之间的同心度。
2.根据权利要求1所述的一种高能量电子枪，其特征在于：所述的电子发射机构、聚焦机构、偏转机构、差分抽真空维持机构和电极调节机构的非绝缘部分的材料均为304不锈钢，绝缘部分的材料为Al2O3。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160120 Termination date: 20200509 |