CN106356269B - 一种沿面触发结构及其构成的真空弧离子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沿面触发结构，包括阴极、触发极、触发绝缘块、触发极馈电杆及触发电源，其中，触发绝缘块水平设置且其上端面为平面，触发极为圆环状，触发极水平设置于触发绝缘块上端面。阴极穿过触发绝缘块且其上端的端头部位设于触发极中央，阴极下端与触发电源负极连接。触发极馈电杆穿过触发绝缘块且其上端与触发极连接，触发极馈电杆下端与触发电源正极连接，触发绝缘块上端面位于阴极与触发极之间的区域涂覆有金属薄膜。本发明还公开了上述沿面触发结构构成的真空弧离子源。本发明整体结构简单，便于实现，成本低，且应用时能提升触发放电的可靠性和离子源稳定性，便于推广应用。

Description

一种沿面触发结构及其构成的真空弧离子源

技术领域

本发明涉及离子源，具体是一种沿面触发结构及其构成的真空弧离子源。

背景技术

离子源是一种产生并提供离子的装置，是离子注入、离子加速器等应用最重要的部件之一。在众多离子源中，触发型真空弧离子源因具有结构简单、得到的离子种类多、束流强度大等优点而备受人们青睐。触发型真空弧离子源工作在真空环境下，利用真空弧放电产生离子，其阴阳极导通需要触发放电提供种子电子，触发放电成功与否决定了离子源能否正常工作。现有触发型真空弧离子源应用时，其触发放电时可靠性和离子源稳定性较差，这一定程度上影响了触发型真空弧离子源的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种沿面触发结构，其应用时能提升触发放电的可靠性和离子源稳定性，便于推广应用；本发明还公开了上述沿面触发结构构成的真空弧离子源。

本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现：一种沿面触发结构，包括阴极、触发极、触发绝缘块、触发极馈电杆及触发电源，所述触发绝缘块水平设置且其上端面为平面，所述触发极为圆环状，触发极水平设置于触发绝缘块上端面；所述阴极穿过触发绝缘块且其上端的端头部位设于触发极中央，阴极下端与触发电源负极连接；所述触发极馈电杆穿过触发绝缘块且其上端与触发极连接，触发极馈电杆下端与触发电源正极连接；所述触发绝缘块上端面位于阴极与触发极之间的区域涂覆有金属薄膜。因金属的表面功函数比较低，更容易产生二次电子倍增过程，所以触发绝缘块表面设置金属薄膜后，它的绝缘性能会下降，在相同电压下，更容易击穿放电，即提高了触发可靠性，触发放电为离子源提供种子电子，有利于离子源稳定工作。如此，本发明能降低触发绝缘块表面的耐压性能，使得本发明在低电场强度下，触发极和阴极之间即可击穿，产生种子电子。

进一步的，所述金属薄膜的厚度为100nm～300nm。

因阴极和触发极之间距离越近，相同电压下电场强度越强，越有利于触发击穿和放电，此距离越大，需要的最低触发电压越高，触发工作可靠性越低，为了保证本发明工作性能的同时提高触发工作的可靠性。进一步的，所述阴极与触发极之间的间距为0.1 mm~0.3 mm。

为了提高等离子体中金属离子密度，增加引出束流流强，进一步的，所述阴极与金属薄膜的材料相同。触发放电时，金属薄膜材料受等离子体中离子轰击而蒸发，然后和电子碰撞电离产生薄膜材料离子。因此，本发明通过将金属薄膜材料与阴极材料设置为一致，将会提高阴极材料离子密度。

真空弧离子源，包括放电电源、阳极及上述沿面触发结构，所述放电电源的正极与阳极连接，其负极与阴极连接。本发明应用时，触发放电和阴阳极放电分别由两台独立电源控制，触发电源促使阴极和触发极之间发生放电，产生的种子电子在阴阳极间形成的电场中运动，发生电子倍增过程，诱使阴阳极之间发生主脉冲放电，实现离子源工作。

进一步的，所述阳极为圆筒状，所述触发绝缘块为圆柱状，触发绝缘块的外径与阳极的内径匹配，触发绝缘块嵌入阳极内且与阳极形成过盈配合。如此，本发明的阳极除了当电极外，还是离子源外壳。

进一步的，真空弧离子源，还包括阳极绝缘块，所述触发极与触发绝缘块同轴设置，且触发极的外径小于触发绝缘块的直径；所述阳极绝缘块填充触发极与阳极之间的区域。

进一步的，所述阳极内壁构成有位于触发极上方的第一环形限位平台，所述第一环形限位平台内径小于触发极外径，所述阳极绝缘块还填充触发极与第一环形限位平台之间的区域。本发明应用时触发极在阳极绝缘块的下压作用下与触发绝缘块上端面紧密接触，使得本发明采用沿面触发的方式能得到有效实施。

为了保证放电电源启动时，阴阳极之间仍存在足够的种子电子，进一步的，所述阴极与阳极接通的回路的通电时间不能落后阴极与触发极接通的回路通电时间超过0.3 μs。

综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明整体结构简单，便于实现，成本低，本发明在阴极和触发极之间的绝缘表面上涂覆金属薄膜能降低触发对电压的要求，保证低电压下阴极和触发极之间也能放电，同时提高触发工作的可靠性和离子源稳定性，如此，本发明应用时便于推广应用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一个具体实施例中沿面触发结构的结构示意图；

图2为本发明一个具体实施例中真空弧离子源的结构示意图。

附图中标记所对应的零部件名称：1、阴极，2、触发极，3、触发绝缘块，4、金属薄膜，5、触发极馈电杆，6、触发电源，7、放电电源，8、阳级绝缘块，9、阳极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，一种沿面触发结构，包括阴极1、触发极2、触发绝缘块3、触发极馈电杆5及触发电源6，其中，阴极1为圆柱形金属电极，触发绝缘块3水平设置且其上端面为平面，触发极2为圆环状，触发极2水平设置于触发绝缘块3上端面。本实施例的阴极1和触发极馈电杆5均竖直设置，阴极1穿过触发绝缘块3且其上端的端头部位设于触发极2中央，阴极1与触发极2之间的间距优选为0.1 mm~0.3 mm，阴极1下端与触发电源6负极连接。触发极馈电杆5穿过触发绝缘块3且其上端与触发极2连接，触发极馈电杆5下端与触发电源6正极连接。本实施例的触发绝缘块3上端面位于阴极1与触发极2之间的区域涂覆有金属薄膜4，金属薄膜4的厚度优选为100nm～300nm。本实施例在具体设置时，阴极1与金属薄膜4的材料相同，为了取材便捷，两者的材料优选采用铜、铝等纯度较高的常见金属。

本实施例应用时，触发电源6给阴极1和触发极2提供脉冲高压，促使阴极1和触发极2之间发生放电，产生种子电子。本实施例通过金属薄膜4降低绝缘表面耐压性能，触发放电所需的电压随之下降，从而达到降低高压和提高可靠性的目的。

实施例2：

如图2所示，本实施例为基于实施例1所述的沿面触发结构构成的真空弧离子源，本实施例包括放电电源7、阳极9及实施例1所述的沿面触发结构，其中，放电电源7的正极与阳极9连接，其负极与阴极1连接。本实施例的阴极1和触发极2组成触发回路，阴极1连触发电源6负极，触发极2连触发电源6正极，电子将在阴极1而非触发极2上产生，当阴阳极间有电压时，可使得击穿产生的种子电子更容易向阳极9运动。本实施例的阴极1和阳极9之间的回路为放电回路，触发回路与放电回路为两个独立的回路。本实施例中阴极1与阳极9接通的回路的通电时间不能落后阴极1与触发极2接通的回路通电时间超过0.3 μs，即放电回路的通电时间不能落后触发回路的通电时间超过0.3μs。本实施例在具体设置时，优选使得放电回路早于触发回路通电。

本实施例在触发高压加载时，阴极1朝阳极9发射种子电子，种子电子进入阴极1和阳极9之间的真空间隙，在放电电压形成的电场作用下，发生电子雪崩过程，导致阴阳极之间击穿放电，离子源开始工作。

实施例3：

本实施例在实施例2的基础上做出了如下进一步限定：本实施例的阳极9为圆筒状，触发绝缘块3为圆柱状，触发绝缘块3的外径与阳极9的内径匹配，触发绝缘块3嵌入阳极9内且与阳极9形成过盈配合。如此，本实施例的阳极9作为离子源外壳，阴极1、触发极2、触发绝缘块3及触发极馈电杆5均布设于阳极9所形成的壳体内，使得本实施例应用时便于统一转运和管理。

实施例4：

本实施例在实施例3的基础上做出了如下进一步限定：本实施例还包括阳极绝缘块8，其中，触发极2与触发绝缘块3同轴设置，且触发极2的外径小于触发绝缘块3的直径。本实施例在具体设置时，阳极绝缘块8填充触发极2与阳极9之间的区域。为了使触发极2紧贴触发绝缘块3，本实施例的阳极9内壁构成有位于触发极2上方的第一环形限位平台，第一环形限位平台内径小于触发极2外径，阳极绝缘块8还填充触发极2与第一环形限位平台之间的区域。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种沿面触发结构，其特征在于，包括阴极（1）、触发极（2）、触发绝缘块（3）、触发极馈电杆（5）及触发电源（6），所述触发绝缘块（3）水平设置且其上端面为平面，所述触发极（2）为圆环状，触发极（2）水平设置于触发绝缘块（3）上端面；所述阴极（1）穿过触发绝缘块（3）且其上端的端头部位设于触发极（2）中央，阴极（1）下端与触发电源（6）负极连接；所述触发极馈电杆（5）穿过触发绝缘块（3）且其上端与触发极（2）连接，触发极馈电杆（5）下端与触发电源（6）正极连接；所述触发绝缘块（3）上端面位于阴极（1）与触发极（2）之间的区域涂覆有金属薄膜（4）。

2.根据权利要求1所述的一种沿面触发结构，其特征在于，所述金属薄膜（4）的厚度为100nm～300nm。

3.根据权利要求1所述的一种沿面触发结构，其特征在于，所述阴极（1）与触发极（2）之间的间距为0.1 mm~0.3 mm。

4.根据权利要求1所述的一种沿面触发结构，其特征在于，所述阴极（1）与金属薄膜（4）的材料相同。

5.真空弧离子源，其特征在于，包括放电电源（7）、阳极（9）及权利要求1～4中任意一项所述的沿面触发结构，所述放电电源（7）的正极与阳极（9）连接，其负极与阴极（1）连接。

6.根据权利要求5所述的真空弧离子源，其特征在于，所述阳极（9）为圆筒状，所述触发绝缘块（3）为圆柱状，触发绝缘块（3）的外径与阳极（9）的内径匹配，触发绝缘块（3）嵌入阳极（9）内且与阳极（9）形成过盈配合。

7.根据权利要求6所述的真空弧离子源，其特征在于，还包括阳极绝缘块（8），所述触发极（2）与触发绝缘块（3）同轴设置，且触发极（2）的外径小于触发绝缘块（3）的直径；所述阳极绝缘块（8）填充触发极（2）与阳极（9）之间的区域。

8.根据权利要求7所述的真空弧离子源，其特征在于，所述阳极（9）内壁构成有位于触发极（2）上方的第一环形限位平台，所述第一环形限位平台内径小于触发极（2）外径，所述阳极绝缘块（8）还填充触发极（2）与第一环形限位平台之间的区域。

9.根据权利要求5～8中任意一项所述的真空弧离子源，其特征在于，所述阴极（1）与阳极（9）接通的回路的通电时间不能落后阴极（1）与触发极（2）接通的回路通电时间超过0.3μs。