CN105225917B - 一种降低直型电子枪阴极污染的离子阱装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低直型电子枪阴极污染的离子阱装置和方法，属于直型电子枪技术领域。所述的离子阱装置包括设置在水冷阳极座凹槽内的离子阱导电条以及保证二者绝缘的离子阱绝缘层。当蒸发材料蒸气在真空室压差作用下从主真空室进入到电子枪室并向阴极部件运动时，与电子束流碰撞并发生部分电离，离化蒸气将被离子阱吸附，避免进入电子枪内部，从而降低灯丝和栅极污染，延长灯丝使用寿命，提高加工过程的稳定性。

Description

一种降低直型电子枪阴极污染的离子阱装置和方法

技术领域

本发明涉及一种降低直型电子枪阴极污染的离子阱装置，更确切地说是一种降低直型电子枪栅极和灯丝等阴极高压部件受到蒸发材料蒸气污染的离子阱装置。在直型电子枪中设置该离子阱后，可以有效的降低阴极高压部件受蒸发材料蒸气的污染程度，延长电子枪灯丝的使用寿命，提高电子枪的运行稳定性。

背景技术

电子束技术是利用电子束作为热源的高能束流技术。目前，已经开发出了基于电子束的表面改性(如表面重熔致密化、硬化、毛化等)、熔炼(如难熔金属的提纯)、涂层(如热障涂层、抗氧化腐蚀涂层等)、焊接和增材制造(如电子束选区熔化、送丝熔化等)等先进制造技术。同其他高能束加工技术相比，电子束工作的高真空环境可避免被加工物受到氧化或其他污染，提高了被加工零件的品质。

根据结构的不同，可将电子枪分为偏转型电子枪和直型电子枪。偏转型电子枪的功率通常在10kW以内，电子枪灯丝寿命较短，常用在小功率电子束物理气相沉积设备中；直型电子枪则可实现数十W至数百kW功率，其应用从扫描电镜至大功率工业设备。目前，高达数百千瓦的电子枪已经广泛的应用于工业镀膜和熔炼生产中。

直型电子枪通常为双室结构，即包括主真空室和电子枪室，在各自腔室真空泵组的作用下，电子枪室和主真空室之间存在1～2个数量级的真空压差。在清洁的真空环境中，直型电子枪的阴极灯丝寿命约为150～200h。但在熔炼或涂层蒸发等存在大量被加工物料蒸气的环境下，电子枪室和主真空室之间的真空压差将导致主真空室中的蒸气沿电子枪的束流出口向电子枪室运动，并与电子束流作用发生电离，离化蒸气运动到电子枪灯丝附近，在灯丝和栅极上附着造成污染。灯丝污染会降低灯丝使用寿命，并可能影响热电子发射束流密度，造成电子束流的波动。当电子束流波动严重时，一方面会影响工件的加工质量，甚至造成工件局部过热烧损；另一方面会影响加工过程的稳定性，如在涂层过程中引起靶材喷溅，造成涂层缺陷。当栅极污染时，容易引起电子枪“打火”，造成加工过程的停顿。

发明内容

本发明涉及一种降低直型电子枪阴极污染的离子阱装置和方法，更确切的说是一种降低直型电子枪栅极和灯丝等阴极高压部件受到蒸发材料蒸气污染的离子阱装置。在使用该离子阱装置后，可以有效的降低直型电子枪阴极部件受蒸发材料蒸气的污染程度，延长电子枪灯丝的使用寿命，提高电子枪的运行稳定性。

本发明所述的离子阱装置设置于电子枪阳极下方电子束引出口附近，并施加对地负偏压。所述方法是指，当蒸发材料蒸气在真空室压差作用下从主真空室进入到电子枪室并向阴极部件运动时，与电子束流碰撞并发生部分电离，离化蒸气将被离子阱吸附，避免进入电子枪内部，从而降低灯丝和栅极污染，延长灯丝使用寿命，提高加工过程的稳定性。实现上述过程的带有离子阱装置的电子枪装置应包括：1)电子枪灯丝；2)栅极；3)水冷阳极；4)离子阱导电条；5)离子阱绝缘层；6)电子束磁偏转线圈。其中，离子阱导电条和离子阱绝缘层组成本发明所述的离子阱装置。离子阱装置工作在真空环境下，对地电压为-20V～-60V，在吸附离化蒸气的同时不会对电子束流产生明显的影响。

附图说明

图1为带有离子阱装置的电子枪原理示意图。

图2A和图2B分别为使用离子阱装置前后进行涂层加工50h后的灯丝对比照片。

图中：

1.栅极； 2.灯丝； 3.阳极； 4.电子束出口A段；

5.水冷阳极座； 6.离子阱绝缘层； 7.离子阱导电条； 8.电子束出口B段；

9.连接部分； 10.线圈座； 11.磁偏转线圈； 12.电子束出口C段；

13.电子束。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种降低直型电子枪阴极污染的离子阱装置，如图1所示为带有离子阱装置的电子枪原理示意图。栅极1和灯丝2为电子枪的阴极部件，连接高压电源负极，其余部件(包括阳极3、水冷阳极座5和线圈座10)均接地并与高压电源正极连接。经灯丝2发射出的热电子在栅极1的聚焦作用下，依次沿着阳极3的电子束出口A段4、水冷阳极座5的电子束出口B段8及线圈座10和磁偏转线圈11所包围的电子束出口C段12引出，形成电子束13。连接部分9通过螺纹连接于水冷阳极座5与线圈座10之间，实现二者的连接固定。通过调整磁偏转线圈11可实现电子束13的聚焦和程序扫描。当主真空室中产生并充满蒸发材料蒸气时，蒸气将在气压差的作用下沿电子束出口C段12进入电子枪室，并继续沿着电子束出口B段8和电子束出口A段4进入到电子枪内部，附着到栅极1和灯丝2上，造成电子枪的阴极部件污染。阴极部件污染有可能引起高压“打火”和灯丝热电子发射不稳定，造成加工过程的波动。为了避免阴极部件污染，本发明在水冷阳极座5中设置离子阱装置实现离子吸附功能。所述的离子阱装置包括离子阱绝缘层6和离子阱导电条7。离子阱绝缘层6的作用是实现水冷阳极座5与离子阱导电条7的绝缘。离子阱绝缘层6可由尼龙、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、ABS等塑料材料或氧化铝等陶瓷材料加工制成，离子阱绝缘层6厚度不低于2mm，用以满足蒸发蒸气环境下离子阱导电条7与水冷阳极座5之间的绝缘。水冷阳极座5通过机械加工方式加工出相应凹槽与离子阱导电条7实现紧配合固定。水冷阳极座5加工出的凹槽不影响内部水冷流通道。离子阱导电条7与直流电源负极连接，对地电压为-20V～-60V。当入射蒸气到达电子束出口B段8时，与灯丝2发射出的电子束流相互作用，部分蒸气电离成带正电荷的离子，将在离子阱导电条7的吸引作用下附着到离子阱导电条7表面，从而可减少抵达电子枪阴极部件的蒸气量，降低阴极部件的污染。离子阱导电条7由无氧铜或不锈钢加工制成长条形，长度方向与电子束出口B段8长度尺寸保持一致，厚度为3～5mm，避免厚度过大对电子束流产生影响。离子阱导电条7通过紧配合嵌入到水冷阳极座5的凹槽内，并在离子阱导电条7与所述凹槽之间设置离子阱绝缘层6。

图2A和图2B所示为使用离子阱前后进行涂层加工50h后的灯丝对比照片，其中离子阱装置对地电压设置为-40V。从图2A可见，未使用离子阱装置时，栅极上附着有较多的沉积物，同时在栅极有“打火”痕迹，灯丝2污染严重并产生一定的形变；当使用离子阱装置后(图2B)，栅极1和灯丝2的污染明显减轻，灯丝2外观良好。

Claims (5)

1.一种降低直型电子枪阴极污染的离子阱装置，其特征在于：包括离子阱导电条和离子阱绝缘层，所述的离子阱导电条嵌入在电子枪的水冷阳极座上的凹槽内，处于电子枪内的电子束出口B段；在所述的离子阱导电条和所述凹槽之间设置离子阱绝缘层；离子阱导电条与直流电源负极连接，对地电压为-20V～-60V；当入射蒸气到达电子束出口B段时，与灯丝发射出的电子束相互作用，部分蒸气电离成带正电荷的离子，将在离子阱导电条的吸引作用下附着到离子阱导电条表面；所述的电子束出口B段是指电子枪中对应水冷阳极座的电子束出口段。

2.根据权利要求1所述的一种降低直型电子枪阴极污染的离子阱装置，其特征在于：离子阱导电条由无氧铜或不锈钢材料加工制成长条形，长度方向与电子束出口B段长度尺寸保持一致，厚度为3～5mm。

3.根据权利要求1所述的一种降低直型电子枪阴极污染的离子阱装置，其特征在于：离子阱绝缘层由尼龙、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、ABS塑料或氧化铝陶瓷材料加工制成，离子阱绝缘层厚度不低于2mm。

4.一种带有降低直型电子枪阴极污染的离子阱装置的电子枪装置，包括栅极、灯丝、阳极、水冷阳极座、线圈座、磁偏转线圈，经灯丝发射出的热电子在栅极的聚焦作用下，依次沿着阳极的电子束出口A段、水冷阳极座的电子束出口B段及线圈座和磁偏转线圈所包围的电子束出口C段引出，形成电子束；其特征在于：水冷阳极座上加工出凹槽，离子阱导电条通过紧配合嵌入到水冷阳极座的凹槽内，并在离子阱导电条与所述凹槽之间设置离子阱绝缘层；所述的离子阱导电条和离子阱绝缘层组成离子阱装置，所述的离子阱装置工作在真空环境下，用于吸附离化蒸气；所述离子阱导电条与直流电源负极连接，对地电压为-20V～-60V。

5.一种降低直型电子枪阴极污染的方法，其特征在于：当蒸发材料蒸气在真空室压差作用下从主真空室进入到电子枪室并向阴极部件运动时，与电子束流碰撞并发生部分电离，离化蒸气将被离子阱装置吸附；所述的离子阱装置包括离子阱导电条和离子阱绝缘层，所述的离子阱导电条设置在电子枪装置中的水冷阳极座上电子束出口B段，安装在所述水冷阳极座的凹槽内，并通过设置离子阱绝缘层实现离子阱导电条和水冷阳极座之间的绝缘。