CN104505325A

CN104505325A - 一种高电压气体放电电子枪装置

Info

Publication number: CN104505325A
Application number: CN201410775854.7A
Authority: CN
Inventors: 许海鹰; 左从进; 韩瑞清
Original assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Current assignee: AVIC Manufacturing Technology Institute
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2034-12-15
Also published as: CN104505325B

Abstract

本发明提供一种高电压气体放电电子枪装置，包括阴极绝缘子、高压绝缘子、密封顶盖、第一段枪壳体、绝缘气隔、阳极、第二段枪壳体、第一聚焦线圈、第二聚焦线圈以及偏转扫描线圈；其中，所述的阴极绝缘子、高压绝缘子、密封顶盖、绝缘气隔以及阳极位于所述第一段枪壳体内；所述第一聚焦线圈、第二聚焦线圈以及偏转扫描线圈位于所述第二段枪壳体内；所述阴极绝缘子、高压绝缘子、绝缘气隔、阳极、第一聚焦线圈、第二聚焦线圈以及偏转扫描线圈同轴，且沿轴线自上而下依次分布。本发明的高电压气体放电电子枪装置的阴极寿命会大幅提高，这有利于拓展冷阴极电子束加工技术的应用领域。

Description

一种高电压气体放电电子枪装置

技术领域

本发明关于电子枪装置，特别是关于气体放电电子枪装置，具体的讲是一种高电压气体放电电子枪装置。

背景技术

目前，电子束加工技术已经广泛应用于航空航天、兵器、汽车及其它民用工业领域。电子束加工设备的关键技术之一是电子枪的设计制造技术。根据电子产生的方式的差异，电子枪可分为热阴极电子枪和冷阴极电子枪。

热阴极电子枪通过直接或间接加热钨灯丝的方式产生电子，灯丝通常是钨基材料，需要加热到较高温度才能发射电子。为避免灯丝的损耗，热阴极电子枪产生电子的束源段都需要有较高的真空度。即便是如此，灯丝寿命也比较短，一般工作时间也只有数十个小时，如果一直工作于大功率束流输出状态，则灯丝的寿命会更短。这对于电子束冶炼、EB-PVD等需要电子束流稳定输出的场合，热阴极电子枪的阴极寿命短的弊端，将会极大影响加工质量和生产效率。

为了满足电子束冶炼、EB-PVD等需要电子枪长时间大功率输出的需求，上世纪七十年代，前苏联研制出冷阴极电子枪技术，此类电子枪利用几十千伏的电压电离阴、阳极之间的气体，形成等离子体，等离子体中的正离子在电场作用下轰击水冷阴极表面，产生二次电子，二次电子和等离子体中的电子经过阴、阳极之间的电压加速，借助于等离子形成的电子光学透镜及阴、阳极的特殊形状，产生静电汇聚效应，再经过电磁聚焦系统聚焦，形成电子束。此类电子枪结构简单紧凑，能够长期工作于恶劣真空环境中，阴极寿命长达1000小时以上。目前，冷阴极电子枪的最大功率超过600kW。

现有技术中常用的冷阴极电子枪的工作电压即用于电离气体，又用于加速电子，受到气体电离物理特性的影响，此类电子枪的工作电压一般都在40kV以下。工作电压较低，意味着电子的运动速度较低，使得此类电子枪很难适应电子束焊接场合，即使能用于电子束焊接，焊接大厚度材料只能通过增大功率方式进行，这样会导致焊接接头深宽比较小，接头组织粗大，体现不出电子束焊接的优越性。通常用于电子束焊接的电子枪，工作电压在60kV～150kV，在150kV时，电子的运动速度达到0.6倍以上光速，这将有利于获得深宽比极佳的优质焊缝。然而，目前常用的冷阴极电子枪很难适应60kV以上的工作条件。

针对现有技术中常用的冷阴极电子枪工作电压较低、很难适应电子束焊接场合，很难适应60kV以上的工作条件的难题，本领域急需一种高电压气体放电电子枪装置。

发明内容

为了解决现有技术中常用的冷阴极电子枪工作电压较低、很难适应电子束焊接场合，很难适应60kV以上的工作条件的难题，本发明提供了一种高电压气体放电电子枪装置，电子束源产生的电子运动速度将会大幅提高，与传统高压热阴极电子枪相比，本发明的高电压气体放电电子枪装置的阴极寿命将会大幅提高，这将有利于拓展冷阴极电子束加工技术的应用领域。

本发明的目的是，提供一种高电压气体放电电子枪装置，所述的高电压气体放电电子枪装置包括阴极绝缘子1、高压绝缘子2、密封顶盖3、第一段枪壳体4、绝缘气隔5、阳极6、第二段枪壳体7、第一聚焦线圈8、第二聚焦线圈9以及偏转扫描线圈10；其中，所述的阴极绝缘子1、高压绝缘子2、密封顶盖3、绝缘气隔5以及阳极6位于所述第一段枪壳体4内；所述第一聚焦线圈8、第二聚焦线圈9以及偏转扫描线圈10位于所述第二段枪壳体7内；所述阴极绝缘子1、高压绝缘子2、绝缘气隔5、阳极6、第一聚焦线圈8、第二聚焦线圈9以及偏转扫描线圈10同轴，且沿轴线自上而下依次分布。

在本发明的优选实施方式中，所述阴极绝缘子1的下端为放电阴极11；所述阴极绝缘子1的上端为的筒状结构；所述冷阴极绝缘子1的内部充满蓖麻油或变压器油。

在本发明的优选实施方式中，所述的放电阴极11为铝型材杯状结构，所述阴极绝缘子1的筒状结构由环氧树脂浇铸而成。

在本发明的优选实施方式中，所述的高电压气体放电电子枪装置还包括：穿过所述密封顶盖3设置的蛇形水冷管31以及气体导管32，所述的蛇形水冷管31具有进水口以及出水口，所述蛇形水冷管31浸没于所述冷阴极绝缘子1的内部的蓖麻油或变压器油中，用于带走所述冷阴极11产生的热量。

在本发明的优选实施方式中，所述的高压绝缘子2内嵌有导电法兰22，用于为所述冷阴极11供电；所述高压绝缘子2内置放电阳极21；所述高压绝缘子2外置高压导入端子23；所述高压绝缘子2中用于电离气体的高压电负端、电离气体的高压电正端，通过所述高压导入端子23分别连接至所述导电法兰22以及所述放电阳极21。

在本发明的优选实施方式中，所述的高压绝缘子2由环氧树脂浇铸而成；所述的放电阳极21为表面光滑的漏斗状不锈钢结构。

在本发明的优选实施方式中，所述的放电阴极11、放电阳极21以及高压绝缘子2组成气体放电腔室24，所述的气体放电腔室24用于电离气体，产生电子。

在本发明的优选实施方式中，所述的阳极6为中心通孔的不锈钢锥形结构，所述的阳极6安装于所述第一段枪壳体4的最下端。

在本发明的优选实施方式中，所述第一段枪壳体4设置有一阳极区45，所述阳极区45设置有一连接外部真空泵的法兰43，用于连接外部真空泵，以将所述阳极区45的真空度保持在10^-2～10^-3Pa之间。

在本发明的优选实施方式中，所述第一段枪壳体4设置有一凸台42，用于固定所述高压绝缘子2。

在本发明的优选实施方式中，所述第二段枪壳体7的下端设置有电子枪安装固定基座73，用于所述电子枪与真空室连接。

在本发明的优选实施方式中，所述第一段枪壳体4为夹层结构，夹层结构内设置有冷却水路，所述第一段枪壳体4设置有第一段枪壳体进水口41以及第一段枪壳体出水口44；所述第二段枪壳体7为夹层结构，夹层结构内设置有冷却水路，第二段枪壳体7设置有第二段枪壳体进水口71以及第二段枪壳体出水口72。

本发明的有益效果在于，提供了一种高电压气体放电电子枪装置，电子束源产生的电子运动速度将会大幅提高，与传统高压热阴极电子枪相比，本发明的高电压气体放电电子枪装置的阴极寿命将会大幅提高，这将有利于拓展冷阴极电子束加工技术的应用领域，解决了现有技术中常用的冷阴极电子枪工作电压较低、很难适应电子束焊接场合，很难适应60kV以上的工作条件的难题。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高电压气体放电电子枪装置的示意图。

附图标号：

1～阴极绝缘子；

11～放电阴极；

2～高压绝缘子；

21～放电阳极；

22～导电法兰；

23～高压导入端子；

24～气体放电腔室；

3～密封顶盖；

31～蛇形水冷管；

32～气体导管；

4～第一段枪壳体；

41～第一段枪壳体进水口；

42～凸台；

43～联接真空泵的法兰；

44～第一段枪壳体出水口；

45～阳极区；

5～绝缘气隔；

6～阳极；

7～第二段枪壳体；

71～第二段枪壳体进水口；

72～第二段枪壳体出水口；

73～电子枪安装固定基座

8～第一聚焦线圈；

9～第二聚焦线圈；

10～偏转扫描线圈。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明涉及一种高电压气体放电电子枪装置，具体的说，是一种利用气体电离产生的正离子轰击冷阴极发射电子的高压电子枪装置，尤其涉及一种在工业领域应用的大功率长寿命高电压电子枪装置。

为了获得一种阴极寿命长，电子运动速度高的电子束流发生技术，本发明提供了一种高电压气体放电电子枪装置。

图1为本发明实施例提供的一种高电压气体放电电子枪装置的示意图，由图1可知，所述的高电压气体放电电子枪装置包括阴极绝缘子1、高压绝缘子2、密封顶盖3、第一段枪壳体4、绝缘气隔5、阳极6、第二段枪壳体7、第一聚焦线圈8、第二聚焦线圈9以及偏转扫描线圈10；

其中，所述的阴极绝缘子1、高压绝缘子2、密封顶盖3、绝缘气隔5以及阳极6位于所述第一段枪壳体4内；

所述第一聚焦线圈8、第二聚焦线圈9以及偏转扫描线圈10位于所述第二段枪壳体7内；

所述阴极绝缘子1、高压绝缘子2、绝缘气隔5、阳极6、第一聚焦线圈8、第二聚焦线圈9以及偏转扫描线圈10同轴，且沿轴线自上而下依次分布。

在本发明的其他实施方式中，所述阴极绝缘子1的下端为放电阴极11，所述阴极绝缘子1的上端为的筒状结构，所述冷阴极绝缘子1的内部充满蓖麻油或变压器油。所述的放电阴极11为铝型材杯状结构，所述的筒状结构由环氧树脂浇铸而成。

在本发明的其他实施方式中，所述的高电压气体放电电子枪装置还包括：穿过所述密封顶盖3设置的蛇形水冷管31以及气体导管32，所述的蛇形水冷管31具有进水口以及出水口，所述蛇形水冷管31浸没于所述冷阴极绝缘子1的内部的蓖麻油或变压器油中，用于带走所述冷阴极11产生的热量。

在本发明的其他实施方式中，所述的高压绝缘子2内嵌有导电法兰22，用于为所述冷阴极11供电；所述高压绝缘子2内置放电阳极21；所述高压绝缘子2外置高压导入端子23；所述高压绝缘子2中用于电离气体的高压电负端、电离气体的高压电正端，通过所述高压导入端子23分别连接至所述导电法兰22以及所述放电阳极21。

所述的高压绝缘子2由环氧树脂浇铸而成；所述的放电阳极21为漏斗状不锈钢结构。

在本发明的其他实施方式中，所述的放电阴极11、放电阳极21以及高压绝缘子2组成气体放电腔室24，所述的气体放电腔室24用于电离气体，产生电子。

所述的阳极6为中心通孔的不锈钢锥形结构，所述的阳极6安装于所述第一段枪壳体4的最下端。

所述第一段枪壳体4设置有一阳极区45，所述阳极区45设置有一连接外部真空泵的法兰43，用于连接外部真空泵，以将所述阳极区45的真空度保持在10^-2～10^-3Pa之间。

所述第一段枪壳体4设置有一凸台42，用于固定所述高压绝缘子2。

所述第二段枪壳体7的下端设置有电子枪安装固定基座73，用于所述电子枪与真空室连接。

在本发明的其他实施方式中，所述第一段枪壳体4为夹层结构，夹层结构内设置有冷却水路，所述第一段枪壳体4设置有第一段枪壳体进水口41以及第一段枪壳体出水口44；所述第二段枪壳体7为夹层结构，夹层结构内设置有冷却水路，第二段枪壳体7设置有第二段枪壳体进水口71以及第二段枪壳体出水口72。

下面结合图1简要说明本发明提供的高电压气体放电电子枪装置电子束流产生过程。

由图1可知，本发明提供的具体实施例中的高电压气体放电电子枪装置中，阴极绝缘子、高压绝缘子、密封顶盖、第一段枪壳体、绝缘气隔、阳极、第二段枪壳体、第一聚焦线圈、第二聚焦线圈、偏转扫描线圈。阴极绝缘子1、高压绝缘子2、封闭顶盖3、绝缘气隔5、阳极6位于第一段枪壳体4内；所述第一聚焦线圈8、第二聚焦线圈9、偏转扫描线圈10位于第二段枪壳体7内。

阴极绝缘子1、高压绝缘子2、绝缘气隔5、阳极6、第一聚焦线圈8、第二聚焦线圈9、偏转扫描线圈10保持同轴，沿轴线自上而下依次分布，沿轴线自上而下依次安装。

为了提高电子的速度，获得高稳定的束流输出，冷阴极电子枪将电离气体的电压叠加在-60kV～150kV的高压电上，这意味即需要保证放电阴极11与地之间的绝缘强度，又需要保证放电阴极11、放电阳极21与阳极6之间的绝缘强度。因此，本发明设计出如图1所示冷阴极绝缘子1，所述冷阴极绝缘子1下端是铝型材杯状结构的冷阴极11，上端是环氧树脂或其它耐高压绝缘材料铸成的筒状结构。其外表面均匀分布高度相同的凸台，用于延长爬电距离。所述冷阴极绝缘子1内部充满蓖麻油或变压器油。蛇形水冷管31的进水口和出水口穿过密封顶盖3，流过冷却水的所述蛇形水冷管31浸没于蓖麻油或变压器油中，带走冷阴极11工作过程中产生的热量。

高压绝缘子2由环氧树脂或其它耐高电压、耐高温材料浇铸而成，内嵌能够为冷阴极11供电的导电法兰22，所述高压绝缘子2内置一个漏斗状不锈钢结构的放电阳极21。

所述高压绝缘子2外置高压导入端子23，能够电离气体的高压电负端、电离气体的正端通过端子23分别联接到导电法兰22和放电阳极21。所述高压绝缘子2固定于所述第一段枪壳体(4)的一凸台42上。

为了保证电子束的束流品质，在电子由放电腔室24输出后，利用轴对称电场的静电汇聚效应对电子束进行预聚焦，轴对称电场是中心通孔的不锈钢锥形结构的阳极6，所述阳极6安装于第一段枪壳体4的最下端。在第一段枪壳体4阳极区45附近设置一个连接真空泵的法兰接口43。用于安装真空泵，维持电子枪内的真空度。

所发明电子枪在第二段枪壳体下端设置了电子枪安装固定基座。用于连接真空室。为了保证所发明电子枪能够在大功率条件下工作，将第一段枪壳体4、第二段枪壳体7设计成夹层结构，夹层内设置冷却水路。每一段电子枪的壳体均设置有进水口和出水口。冷却水从第一段枪壳体4的进水口41流入，从出水口44流出；冷却水从第二段枪壳体7的进水口71流入，由出水口72流出。

为了保证工作过程的安全性，将第一段枪壳体4、第二段枪壳体7均良好接地。

氢、氧混合气体或者惰性气体混合气体通过密封顶盖上安装的气体导管，沿着阴极绝缘子与高压绝缘子之间的缝隙导入到所述放电腔室内。阴极绝缘子上的放电阴极与高压绝缘子内置的放电阳极之间施加电压为0～-10kV。高压绝缘子内置的放电阳极与阳极之间的电压为-60kV～-150kV。调节所述阴极绝缘子上的放电阴极与高压绝缘子之间的电压，使放电腔室内的气体电离，形成一个等离子区，等离子体中的正离子向放电阴极运动，轰击放电阴极表面，产生二次电子，所述二次电子与等离子体中的电子在电离电场的作用下，向放电阳极运动，当所述电子通过放电阳极的中心孔，进入放电阳极与阳极之间的高压电场区，被高压电场加速后，再经过阳极的静电汇聚、电磁聚焦系统的电磁聚焦后形成电子束流。

氢、氧混合气体或者惰性气体混合气体通过所述气体导管32，沿着阴极绝缘子1与高压绝缘子2之间的缝隙导入到所述放电腔室内。气体放电腔室24内的真空度0.1～100Pa，启动电子枪联接的真空泵，使阳极区45及其下方的枪体内部真空度10^-2～10^-3Pa。将高压绝缘子2内置的放电阳极21与阳极6之间的电压提高到-60kV以上。调节阴极绝缘子2上的放电阴极11与高压绝缘子2内置的放电阳极21之间的电压使放电腔室内气体电离，形成一个等离子区，等离子体中的正离子向冷阴极11运动，轰击冷阴极11表面，产生二次电子，所述二次电子与等离子体中的电子在电场作用下，向放电阳极21运动，当所述电子通过放电阳极21的中心孔，进入放电阳极21与阳极6之间的高压电场区，被高压电场加速后，再经过阳极6的静电汇聚，第一聚焦线圈8与第一聚焦线圈9电磁聚焦系统的电磁聚焦后形成电子束流。

综上所述，本发明提供了一种高电压气体放电电子枪装置，电子束源产生的电子运动速度将会大幅提高，与传统高压热阴极电子枪相比，本发明的高电压气体放电电子枪装置的阴极寿命将会大幅提高，这将有利于拓展冷阴极电子束加工技术的应用领域，解决了现有技术中常用的冷阴极电子枪工作电压较低、很难适应电子束焊接场合，很难适应60kV以上的工作条件的难题。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个高电压气体放电电子枪装置的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种高电压气体放电电子枪装置，其特征是，所述的高电压气体放电电子枪装置包括阴极绝缘子(1)、高压绝缘子(2)、密封顶盖(3)、第一段枪壳体(4)、绝缘气隔(5)、阳极(6)、第二段枪壳体(7)、第一聚焦线圈(8)、第二聚焦线圈(9)以及偏转扫描线圈(10)；

其中，所述的阴极绝缘子(1)、高压绝缘子(2)、密封顶盖(3)、绝缘气隔(5)以及阳极(6)位于所述第一段枪壳体(4)内；

所述第一聚焦线圈(8)、第二聚焦线圈(9)以及偏转扫描线圈(10)位于所述第二段枪壳体(7)内；

所述阴极绝缘子(1)、高压绝缘子(2)、绝缘气隔(5)、阳极(6)、第一聚焦线圈(8)、第二聚焦线圈(9)以及偏转扫描线圈(10)同轴，且沿轴线自上而下依次分布。

2.根据权利要求1所述的高电压气体放电电子枪装置，其特征是：

所述阴极绝缘子(1)的下端为放电阴极(11)；

所述阴极绝缘子(1)的上端为的筒状结构；

所述冷阴极绝缘子(1)的内部充满蓖麻油或变压器油。

3.根据权利要求2所述的高电压气体放电电子枪装置，其特征是：

所述的放电阴极(11)为铝型材杯状结构；

所述的阴极绝缘子(1)的筒状结构由环氧树脂浇铸而成。

4.根据权利要求2或3所述的高电压气体放电电子枪装置，其特征是，所述的高电压气体放电电子枪装置还包括：

穿过所述密封顶盖(3)设置的蛇形水冷管(31)以及气体导管(32)，所述的蛇形水冷管(31)具有进水口以及出水口，所述蛇形水冷管(31)浸没于所述冷阴极绝缘子(1)的内部的蓖麻油或变压器油中，用于带走所述冷阴极(11)产生的热量。

5.根据权利要求4所述的高电压气体放电电子枪装置，其特征是：

所述的高压绝缘子(2)内嵌有导电法兰(22)，用于为所述冷阴极(11)供电；

所述高压绝缘子(2)内置放电阳极(21)；

所述高压绝缘子(2)外置高压导入端子(23)；

所述高压绝缘子(2)中用于电离气体的高压电负端、电离气体的高压电正端，通过所述高压导入端子(23)分别连接至所述导电法兰(22)以及所述放电阳极(21)。

6.根据权利要求5所述的高电压气体放电电子枪装置，其特征是：

所述的高压绝缘子(2)由环氧树脂浇铸而成；

所述的放电阳极(21)为表面光滑的漏斗状不锈钢结构。

7.根据权利要求5或6所述的高电压气体放电电子枪装置，其特征是，所述的放电阴极(11)、放电阳极(21)以及高压绝缘子(2)组成气体放电腔室(24)，所述的气体放电腔室(24)用于电离气体，产生电子。

8.根据权利要求7所述的高电压气体放电电子枪装置，其特征是：

所述的阳极(6)为中心通孔的不锈钢锥形结构；

所述的阳极(6)安装于所述第一段枪壳体(4)的最下端。

9.根据权利要求8所述的高电压气体放电电子枪装置，其特征是：

所述第一段枪壳体(4)设置有一阳极区(45)；

所述阳极区(45)设置有一连接外部真空泵的法兰(43)，用于连接外部真空泵，以将所述阳极区(45)的真空度保持在10^-2～10^-3Pa之间。

10.根据权利要求9所述的高电压气体放电电子枪装置，其特征是，所述第一段枪壳体(4)设置有一凸台(42)，用于固定所述高压绝缘子(2)。

11.根据权利要求9所述的高电压气体放电电子枪装置，其特征是，所述第二段枪壳体(7)的下端设置有电子枪安装固定基座(73)，用于所述电子枪与真空室连接。

12.根据权利要求11所述的高电压气体放电电子枪装置，其特征是：

所述第一段枪壳体(4)为夹层结构，夹层结构内设置有冷却水路，所述第一段枪壳体(4)设置有第一段枪壳体进水口(41)以及第一段枪壳体出水口(44)；

所述第二段枪壳体(7)为夹层结构，夹层结构内设置有冷却水路，第二段枪壳体(7)设置有第二段枪壳体进水口(71)以及第二段枪壳体出水口(72)。