CN106683957B - 面板型电子束的气体放电电子枪以及带材连续镀膜生产线 - Google Patents

Abstract

一种面板型电子束的气体放电电子枪和一种带材连续镀膜生产线，电子枪包括：阴极，用于发射电子，发射表面为沿纵向直线延伸的圆弧面，该表面的横向截交线均为相同的圆弧形；阳极，与阴极之间形成电场，并且，阴极和阳极构成一个气体异常辉光放电腔，以形成从阴极发射出的电子束；以及阴阳极绝缘件，设置于阴极和阳极之间，以使阴极和阳极之间绝缘，其中，阳极还包括面对阴极的喉孔，喉孔为与阴极的发射电子的表面相应的沿纵向延伸的狭长开口；从阴极发射出的电子束是横截面为矩形的面板型电子束，该面板型电子束穿过喉孔射出。本发明能够有效地拓展电子枪在工业领域的应用，本发明的带材连续镀膜生产线能够以一种新的生产方式大规模地给带材镀膜。

Description

面板型电子束的气体放电电子枪以及带材连续镀膜生产线

技术领域

本发明涉及一种电子枪，尤其涉及气体放电电子枪及应用该电子枪的带材连续镀膜生产线。

背景技术

目前，工业生产用电子枪包括热阴极电子枪和气体放电电子枪。

百千瓦级的电子枪，通过在真空或低气压环境下的高效率、高密度的加热、熔化、焊接、蒸发和沉积过程，在航空航天、原子能、新能源和现代制造工业等领域有重要应用，例如可用于：所有高熔点材料金属、陶瓷、合金材料的熔化、提纯和制备；各种单一和复杂的金属、合金、陶瓷的单层和多层膜的沉积；各种沉积靶材及靶的制备；年产千万吨级的钢带表面镀膜；高性能电触点材料的生产；深层焊接；微粉和微孔材料的制备；同位素分离等。

热阴极电子枪要正常工作需要以下几项条件：一、高真空；二、需要灯丝电源、副高压电源和主高压电源；三、需要操作员工有较高的经验技术。以上三个基本的前提条件决定了电子枪系统需要配置：高真空抽系统；灯丝变压器、副高压变压器等电源系统等装置设备；以及较有经验的操作员工。因此，热阴极电子枪结构复杂，制造精度要求较高，配制辅助设备较多，对操作人员的技能、经验要求高，相应的制造和使用成本较高。

大功率热阴极电子枪技术至今主要由德国两大公司控制。

相较于热阴极电子枪，气体放电型大功率电子枪是首先在乌克兰发展起来的一种新型电子枪。该枪的性能很多技术指标均优于传统的热阴极电子枪，还具有结构简单、成本低、寿命长等特点，适合广泛推广和应用。

在气体放电电子枪领域，目前除乌克兰之外，中国是最早从乌克兰引进气体放电电子枪的设备的国家。如青海聚能钛业有限公司、东方钽业，宝山钢铁公司等，都较早认识到这项技术的优点，较早开始从乌克兰引进了配备有气体放电电子枪的装备。各引进设备的企业在枪的仿制方面有一定进展，但离彻底成功还有相当距离。北京长城钛金公司最先获得乌克兰提供的气体放电枪的基本技术资料，于2011年5月在北京市海淀区取得了气体放电枪的研制立项，已掌握气体放电电子枪的设计生产技术。

从技术发展的总体来看，我国在世界气体放电电子枪方面已是第二个开始掌握这项技术的国家，但使用气体放电电子枪的各种设备、工艺和应用还急待进一步的工作。

无论是国外制造的设备，还是我国仿制的外国设备，气体放电电子枪目前都还仅限于轴对称的直枪，即所谓的“皮尔斯枪”。

在前述的众多领域，气体放电电子枪都能起关键作用。例如，我国钢产量已经连续好几年保持世界第一了，目前的钢产量约是世界总产量的一半。比如，2014年，全国粗钢产量8.2亿吨，钢材(含重复材)产量11.3亿吨。我国带材年产量约6000万吨，通常，带材需要进行表面镀膜才能投入使用，相应地，我国镀层钢带年产量约6000万吨。钢带镀膜是一个巨大的市场，但是，当前只依靠热浸镀锌和电镀锡等方法生产，因而，如能在带材镀膜领域有效地应用气体放电电子枪，则效益是巨大的。

发明内容

本发明目的之一是提供一种气体放电电子枪，其能够有效地拓展电子枪在工业领域的应用。

本发明之另一目的是提供一种带材连续镀膜生产线，其能够将气体放电电子枪应用于带材镀膜。

本发明提供一种面板型电子束的气体放电电子枪，包括：阴极，用于发射电子，该阴极的发射电子的表面为沿纵向直线延伸的圆弧面，该表面的横向截交线均为相同的圆弧形；阳极，用于与所述阴极之间形成电场，并且，所述阴极和所述阳极构成一个气体异常辉光放电腔，以形成从所述阴极发射出的电子束；以及阴阳极绝缘件，设置于所述阴极和所述阳极之间，以使所述阴极和所述阳极之间绝缘，其中，所述阳极还包括面对所述阴极的喉孔，该喉孔为与所述阴极的发射电子的表面相应的沿所述纵向延伸的狭长开口；并且，从所述阴极发射出的电子束是横截面为矩形的面板型电子束，该面板型电子束穿过所述喉孔射出。

作为优选方式，所述的气体放电电子枪还包括进气孔，用于向所述放电腔中通入气体。

作为优选方式，所述圆弧形的圆心可以不超过所述喉孔而位于所述放电腔内，可以位于所述喉孔处，也可以超过所述喉孔而位于所述阳极外面。

作为优选方式，所述气体放电电子枪还包括用于控制射出所述喉孔的面板型电子束的线圈，所述线圈的绕法设置为使所述线圈形成的磁场沿所述横向从上、下两个方向对所述面板型电子束进行压缩，而不沿所述纵向从两侧对所述面板型电子束进行压缩；并且，所述线圈包括聚焦线圈、扫描线圈和偏转线圈中的至少一种。

作为优选方式，所述阴极是水冷阴极，该水冷阴极的材料是铝合金。

作为优选方式，所述阴极的发射电子的表面的纵向尺寸的范围是250～2500毫米，横向尺寸的范围是10～100毫米；并且，所述喉孔的纵向尺寸的范围是250～2500毫米，横向尺寸的范围是5～100毫米。

作为优选方式，所述阴极的发射电子的表面的纵向尺寸的范围是300～2200毫米，横向尺寸的范围20～50毫米；并且，所述喉孔的纵向尺寸的范围是300～2200毫米，横向尺寸的范围是10～50毫米。

本发明还提供一种带材连续镀膜生产线，包括蒸镀单元，该蒸镀单元包括前面所述的气体放电电子枪，以使用于给带材镀膜的料材融化在所述蒸镀单元的蒸发源中。

作为优选方式，所述蒸镀单元包括真空室；待镀的带材在所述真空室的顶部连续地移动；所述气体放电电子枪和用于传送所述料材的送料室分别位于所述真空室的两侧；所述气体放电电子枪布置成使从阴极的发射出的面板型电子束的平面方向大致平行于在所述真空室的顶部移动的带材的方向，并且，所述气体放电电子枪包括偏转线圈，使所述面板型电子束经弯曲后向下射入所述真空室，从而击打从所述真空室的另一侧输送的料材而使所述料材融化在所述蒸发源中。

作为优选方式，所述真空室中还设置有强化电离电极。

本发明的气体放电电子枪能够有效地拓展电子枪在工业领域的应用。

本发明的带材连续镀膜生产线的蒸镀单元采用面板型电子束的气体放电电子枪，从而能够以一种新的生产方式大规模地给带材镀膜，生产效率高，工艺简单。

附图说明

下面将简要说明本申请所使用的附图，显而易见地，这些附图仅用于解释本发明的构思。

图1是本发明的气体放电电子枪第一实施例的沿横向剖切的剖视示意图。

图2是本发明的气体放电电子枪第一实施例的沿纵向剖切的剖视示意图。

图3是本发明的气体放电电子枪第一实施例的俯视示意图。

图4是本发明的气体放电电子枪第一实施例的仰视示意图。

图5是本发明的气体放电电子枪第二实施例的沿横向剖切的剖视示意图。

图6是本发明的气体放电电子枪第二实施例的沿纵向剖切的剖视示意图。

图7是本发明的气体放电电子枪第二实施例的俯视示意图。

图8是本发明的气体放电电子枪第二实施例的仰视示意图。

图9是本发明的第三实施例的带材连续镀膜生产线的示意图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的气体放电电子枪以及带材连续镀膜生产线的实施例。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括对在此记载的实施例做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部分的结构，各附图之间不一定按照相同的比例绘制。相同或相似的参考标记用于表示相同或相似的部分。

第一实施例

参见图1-4，本实施例提供的面板型电子束的气体放电电子枪包括阳极1、阴极2和阴阳极绝缘件3，还包括辅助装置4。

阴极2用于发射电子，包括阴极发射件22和阴极保护环23，阴极保护环23共同设置于阴阳极绝缘件3，以夹紧阴极发射件22。参见图1和2，阴极发射件22的发射电子的表面21为沿纵向直线延伸的圆弧面，该表面的横向截交线如图所示均为相同的圆弧形，在图1和2中，阴极保护环23的外端与阴极发射件22的发射表面21的沿纵向直线延伸的两侧平齐。

阴阳极绝缘件3设置于阴极2和阳极1之间，以使阴极2和阳极1之间绝缘。

阳极1用于与阴极2之间形成电场，并且，阳极1为筒形，与阴极2一起构成一个气体异常辉光放电腔，在该放电腔内产生异常辉光放电的等离子体，等离子体中的离子轰击水冷阴极产生用以形成束流的电子，由此，形成从阴极22的发射表面21发射出的电子束。

在图1和2所示实施例中，为了加工方便，阳极1采用分体的形式，包括阳极筒体12和前端盖13，该前端盖13的中心部位设置有喉孔14。在阳极筒体12和前端盖13之间设置有密封圈，如图所示。在阳极筒体12的外侧还包括阳极外壁11，以形成水冷夹层，对阳极1进行冷却。

如图1、2和4所示，喉孔14为与阴极2的发射表面21相应的沿纵向延伸的狭长开口，并且，从阴极2发射出的电子束是横截面为矩形的面板型电子束，该面板型电子束穿过喉孔14射出。

可以将喉孔14设置为音速界面，当所发射的电子束在喉孔14处达到音速，则阳极外的扰动对放电腔里面的电子束形成无影响。

图1示出了圆弧形的发射表面21，所述圆弧形的圆心超过喉孔14而位于阴极2的外面，因此，从表面21发射的众多电子集束为会聚于阳极1的外面。不过，本发明的电子枪的发射表面的21的圆弧形的圆心可以不超过喉孔14而位于所述放电腔内，还可以位于喉孔14处。发射表面21的圆弧形的圆心的位置可以根据具体的需要来确定，主要需考虑的因素是希望利用或调节哪一段的电子束。也就是说，发射表面21的焦距可调，前伸或后拉均可，设计者根据需要在靶面上使用合适的电子束图形。

如图1和2所示，经过放电腔的作用，从表面21发射的众多电子形成为会聚的电子束，并且，电子束是横截面为矩形的面板型电子束，沿横向从上、下两个方面逐渐受到压缩进而会聚，而沿纵向从两侧并没有受到压缩，因而形成为面板型电子束。

在本实施例中，辅助装置4包括出水管41、进水管42、真空测量孔43和进气孔44等。如图2清楚所示，所述阴极是水冷阴极，进水管42和出水管41分别用于向阴极发射件21后的夹层中输入和输出冷却水，以冷却阴极。冷却水例如可以采用纯净水质或去离子水，流量≥200升/分钟，进水温度≤25℃，出水温度≤65℃。

基于本发明的发射电子束的结构，包括对阴极2进行水冷，阴极2不需要采用硬质金属，可以采用铝合金。用铝合金制造阴极工艺简单，成本低。阴极采用负高压，例如DC3万伏。本发明的冷阴极预计也能够达到3000工作小时的寿命。

真空测量孔43用于测量电子枪内的真空度。

进气孔44用于向电子枪内输入气体，一般是混合气体，例如氢气和氧气，例如混合气体中氢气占95％，而氧气占5％。进气孔44的位置并不限于此位置，例如，也可以在阳极筒体12和阳极外壁11与前端盖13之间的接缝处设置进气孔，如环向进气孔。即，进气孔44的位置可以根据实际需要来确定。而且，在有些不需要进气的应用中，也可以不必设置进气孔。

此外，还要说明：阴极2的发射电子的表面21的纵向尺寸的范围可以是250～2500毫米，横向尺寸的范围可以是10～100毫米；相应地，喉孔14的纵向尺寸的范围可以是250～2500毫米，横向尺寸的范围可以是5～100毫米。

优选地，阴极2的发射电子的表面21的纵向尺寸的范围是300～2200毫米，横向尺寸的范围20～50毫米；并且，优选地，喉孔的纵向尺寸的范围是300～2200毫米，横向尺寸的范围是10～50毫米。

第二实施例

图4-8示出本发明的气体放电电子枪的第二实施例，与第一实施例相比，第二实施例的结构仅增加了波导管，其它部分与第一实施例相同。因此，下面仅描述与第一实施例不同的内容，与第一实施例相同的结构请参见前面的说明，在此不再描述。

第二实施例的波导管结构包括第一级聚焦线圈5、第二级聚焦线圈6、以及扫描线圈7。如图5和6所示，电子束穿过阳极1的喉孔14进入波导管，在波导管内经过第一级聚焦线圈5和第二级聚焦线圈6两级磁聚焦后，再经扫描线圈7控制后射向靶面，在靶面上形成所要求的扫描图形。

再参见图5和6，经过放电腔的作用，从表面21发射的众多电子形成为会聚的电子束，并且，电子束是横截面为矩形的面板型电子束，沿横向从上、下两个方面逐渐受到压缩进而会聚，而沿纵向从两侧并没有受到压缩，因而形成为面板型电子束穿过喉孔14射出。

第一级聚焦线圈5、第二级聚焦线圈6、以及扫描线圈7的绕法均设置为使这些线圈形成的磁场沿横向从上、下两个方向对所述面板型电子束进行压缩，而不沿所述纵向从两侧对所述面板型电子束进行压缩，因此，第一级聚焦线圈5、第二级聚焦线圈6、以及扫描线圈7的控制仅是改变了所述面板型电子束沿横向的厚度(参见图5)，而没有改变所述面板型电子束沿纵向的宽度(参见图6)。因此，在本实施例中，电子束仅是厚度发现起伏的变化，而宽度并不改变，顶多只是边缘效应会稍稍改变一下宽度，但并不会发生明显的变化。

虽然在图示实施例中的电子枪没有采用偏转线圈，但本领域技术人员可以根据需要选用。

在本申请中，聚焦线圈是指对穿过喉孔的电子束进行聚焦的线圈，扫描线圈指对电子束控制而在靶面上形成所要求的扫描图形的线圈，偏转线圈是指使电子束在总体的方向上进行偏转的线圈。

在图5、6和8中，还示出了与波导管连接的法兰8，用于固定该电子枪。

在第一实施例中所描述的阴极发射表面和喉孔的尺寸范围均适合于第二实施例。

上面描述了本发明的气体放电电子枪的第一和第二实施例，在此要说明的是，关于本发明的气体放电电子枪的结构，上面没有描述或没有涉及的技术内容均可参考现有技术或公知常识，例如，目前国内外普遍采用的皮尔斯枪的构造，包括枪体和电源。本发明创新性地提出了一种能够产生面板型电子束的气体放电电子枪的构思，其改进在于提出了一种新的阴极和阳极的组合而产生面板型电子束，阴极的发射表面和喉孔与现有技术相比显着不同。至于如何由放电腔产生电子束，则可以借助于现有技术或公知常识对于放电腔的具体结构进行设计，例如阳极的筒体内壁与绝缘件和阴极之间的特定距离，阳极筒体的不同阶段的尺寸等等，都可以进行具体设计，从而得到本发明所需要的面板型电子束。再如控制电子束的线圈的磁场，可以通过线圈的绕法来确定，这是利用现有技术或公知常识能够解决的问题。

另外，虽然气体放电电子枪的电源是一种相对复杂的电气装置，但是在上面的描述中没有提到气体放电电子枪的电源，这是因为：本发明的创新点并不在于对电源进行了改进，本领域技术人员可以清楚地知道，利用电源的现有技术或公知常识，例如皮尔斯枪的电源技术，能够获得相应的电源，实现对本发明气体放电电子枪的电气控制。

本发明的面板型电子束的气体放电电子枪能够应用于很多任务业领域，例如：

1、燃气轮机和航空发动机叶片镀膜：利用自主研发的大功率气体放电电子枪建立起国内自己的从靶材研制到设备生产和工艺研究的完整配套的产业练。

2、自主组织生产和开发用于熔炼、提纯、制备各种耐高温的金属、合金和陶瓷材料的设备和工艺。

3、钢带镀膜：我国镀层钢带年产量约6000万吨，当前只依靠热浸镀锌和电镀锡等方法生产，急需发展新的镀膜技术，该领域急待结合大功率气体放电电子枪，以期尽早研制和制造出国产真空镀的生产线。以气体放电电子枪镀膜，使钢带镀膜不仅能镀锌、锡等软金属，也可以镀镍等硬得多的金属。

4、刀具、模具的强化：鉴于现有工模具镀膜技术设备价格太高、生产效率低，不适于大量推广应用、可立足自主生产的大功率气体放电电子枪建立适于大范围推广应用的工模具强化的设备和工艺。

5、电子束蒸发的同位素分离技术。

6、气体放电电子枪的特殊钢冶金技术。

7、多层钼铜合金的新型电触点技术、微孔膜和微孔薄板技术、钕铁硼磁铁的镀层技术、难熔金属、合金和陶瓷的微粉技术、各种气相沉积技术用的靶材和靶的制造技术等。

第三实施例

第三实施例是一种带材连续镀膜生产线，其是本发明的气体放电电子枪在产量巨大的带材镀膜领域的具体应用。该带材连续镀膜生产线包括蒸镀单元9，该蒸镀单元9包括本发明的气体放电电子枪92，以使用于给带材91镀膜的料材98熔化在该蒸镀单元9的蒸发源中，具体来说是熔化于图示实施例的坩埚94。

具体地说，在本发明的带材连续镀膜生产线中：

蒸镀单元9包括真空室96；

待镀的带材91在真空室96的顶部连续地移动，移动方向如图中带材91上方的箭头所示；

本发明的气体放电电子枪92和用于传送料材91的送料室97分别位于真空室96的两侧；并且

本发明的气体放电电子枪92布置成使被偏转前的面板型电子束99的平面方向大致平行于在真空室96顶部移动的带材91的方向，并且，本发明的气体放电电子枪92包括偏转线圈，使面板型电子束99经弯曲后向下射入真空室96，具体来说是射向坩埚94，从而击打从真空室96的另一侧输送的料材98，进而使该料材98融化于坩埚94中，形成熔融液95。

另外，如图9所示，真空室96中还可以设置强化电离电极93，以利于提高蒸镀膜层的结合力，以及在反应性蒸镀时，提高效果。在图示的该蒸镀单元9中，强化电离电极93实为一个与坩埚94内的镀材绝缘的电极，其安置在坩埚94的侧上方，在坩埚94内的镀材和该电极93之间引燃一个大电流的蒸汽电弧，以加强该蒸汽的电离。

本发明的气体放电电子枪具有面板型电子束，该面板型电子束99的宽度可以具有与带材91的宽度相对应的尺寸，从而可以适当地、高效地用于对带材91镀膜。例如，目前带材的最大宽度为2200毫米，本发明的气体放电电子枪也可以设计为具有宽度为2200毫米的面板型电子束，使该面板型电子束有效地运用于蒸镀单元。

如前所述，我国带材产量巨大，而镀膜方法的效率有待提高，成本有待下降。本发明的带材连续镀膜生产线利用本发明的面板型电子束的气体放电电子枪进行生产，创造出新的蒸镀单元，能够显著地改善目前所存在的问题，具有极大的经济和社会效益，是对现有技术的巨大改进。

以上对本发明的气体放电电子枪和带材连续镀膜生产线的实施方式进行了说明。对于本发明的气体放电电子枪和带材连续镀膜生产线的具体特征如形状、尺寸和位置可以根据上述披露的特征的作用进行具体设计，这些设计均是本领域技术人员能够实现的。而且，上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据本发明之目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。

Claims (10)

1.一种面板型电子束的气体放电电子枪，包括：

阴极，用于发射电子，该阴极的发射电子的表面为沿纵向直线延伸的圆弧面，该表面的横向截交线均为相同的圆弧形；

阳极，用于与所述阴极之间形成电场，并且，阳极为筒形，所述阴极和所述阳极构成一个气体异常辉光放电腔，以形成从所述阴极发射出的电子束，所述阳极采用分体的形式，包括阳极筒体和前端盖；以及

阴阳极绝缘件，设置于所述阴极和所述阳极之间，以使所述阴极和所述阳极之间绝缘，

其中，所述阳极还包括面对所述阴极的喉孔，所述喉孔设置在所述前端盖的中心部位，该喉孔为与所述阴极的发射电子的表面相应的沿所述纵向延伸的狭长开口；并且

从所述阴极发射出的电子束是横截面为矩形的面板型电子束，该面板型电子束穿过所述喉孔射出。

2.如权利要求1所述的气体放电电子枪，还包括进气孔，用于向所述放电腔中通入气体。

3.如权利要求1所述的气体放电电子枪，其中，所述圆弧形的圆心可以不超过所述喉孔而位于所述放电腔内，可以位于所述喉孔处，也可以超过所述喉孔而位于所述阳极外面。

4.如权利要求1-3中任一项所述的气体放电电子枪，还包括用于控制射出所述喉孔的面板型电子束的线圈，所述线圈的绕法设置为使所述线圈形成的磁场沿所述横向从上、下两个方向对所述面板型电子束进行压缩，而不沿所述纵向从两侧对所述面板型电子束进行压缩；并且

所述线圈包括聚焦线圈、扫描线圈和偏转线圈中的至少一种。

5.如权利要求1-3中任一项所述的气体放电电子枪，其中，所述阴极是水冷阴极，该水冷阴极的材料是铝合金。

6.如权利要求1-3中任一项所述的气体放电电子枪，其中，所述阴极的发射电子的表面的纵向尺寸的范围是250～2500毫米，横向尺寸的范围是10～100毫米；并且

所述喉孔的纵向尺寸的范围是250～2500毫米，横向尺寸的范围是5～100毫米。

7.如权利要求6所述的气体放电电子枪，其中，所述阴极的发射电子的表面的纵向尺寸的范围是300～2200毫米，横向尺寸的范围20～50毫米；并且

所述喉孔的纵向尺寸的范围是300～2200毫米，横向尺寸的范围是10～50毫米。

8.一种带材连续镀膜生产线，包括蒸镀单元，该蒸镀单元包括如权利要求1-6中任一项所述气体放电电子枪，以使用于给带材镀膜的料材融化在所述蒸镀单元的蒸发源中。

9.如权利要求8所述的带材连续镀膜生产线，其中，

所述蒸镀单元包括真空室；

待镀的带材在所述真空室的顶部连续地移动；

所述气体放电电子枪和用于传送所述料材的送料室分别位于所述真空室的两侧；

所述气体放电电子枪布置成使从阴极的发射出的面板型电子束的平面方向大致平行于在所述真空室的顶部移动的带材的方向，并且，所述气体放电电子枪包括偏转线圈，使所述面板型电子束经弯曲后向下射入所述真空室，从而击打从所述真空室的另一侧输送的料材而使所述料材融化在所述蒸发源中。

10.如权利要求9所述的带材连续镀膜生产线，其中，所述真空室中还设置有强化电离电极。