CN107195519A - 一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口 - Google Patents

一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口，其窗口的主体由等离子体纵向引射式气动窗口组成，利用了超音速等离子体的动能压力和等离子体高温双重隔离作用，引出窗口能获得极大的真空梯度，真空隔离效果极佳，此外，通过改变电极与主电源的正负极接线，可实现等离子体对通过其的带不同电性粒子束起向心汇聚作用。本发明能够解决高能带电粒子束加工制造装备在大气环境中进行加工制造存在的两大关键技术难题。

Description

一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口
技术领域
本发明涉及高能带电粒子束加工制造装备技术领域，具体涉及一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口。
背景技术
高能带电粒子束加工技术以其优越的加工性能在工业领域中得到广泛应用，但是由于高能带电粒子束粒子质量极小，从粒子束产生到发射到大气的过程中，会受到大气分子的撞击，导致粒子束能量与密度的降低，使加工效果变差，因此目前传统的高能带电粒子束加工技术被限制在真空环境中进行，但真空环境的维系需要耗费巨大的加工成本，同时降低加工效率，更是制约高能带电粒子束加工技术应用于大型工件的加工制造。
为了破除真空机制的制约，高能带电粒子束的引出需要解决两大关键技术难题：一是高能带电粒子束由真空环境引出到大气中的能量损失不能太大，二是高能带电粒子束由真空环境通过引出窗口到达工件前的能量密度不能降得过低。然而，目前的引出窗口，隔绝真空能力有限,远远无法满足日益复杂的高能带电粒子束非真空加工技术需要。
发明内容
本发明解决现有高能带电粒子束加工制造装备在大气环境中进行加工制造存在的两大关键技术难题，提供一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口，其整体为中间开有轴向贯通的通孔的轴对称结构；该引出窗口本体主要由窗口外壳、上电极、下电极、等离子体腔壳、引弧电极、主电源和引弧电源组成；
窗口外壳为中空的金属外壳体；窗口外壳的上端面与真空环境相接；窗口外壳的内腔形成密闭的第二真空腔，该第二真空腔上接有第二真空泵；窗口外壳的下端面与大气环境相接，工件放置在窗口外壳的下方；
上电极嵌于窗口外壳的上端面上，并直接与窗口外壳电气导通；下电极嵌于窗口外壳的下端面上，并通过绝缘垫层与窗口外壳电气绝缘；上电极和下电极的中心均开设有轴向贯通的通孔，上电极上的通孔与下电极上的通孔位置轴向正对，以供粒子束通过；
等离子体腔壳环设在窗口外壳的内腔中，并处于上电极与下电极之间；等离子体腔壳的内侧壁所围空间形成柱状开放的等离子体腔，粒子束从该等离子体腔的中轴线处通过；等离子体腔壳外侧壁与窗口外壳的内侧壁所围空间形成环状密闭的水冷腔，该水冷腔上设有进水口和出水口；
上电极呈倒锥台形，上电极和等离子体腔壳之间的窗口外壳上开设有进气口；上电极的下侧表面与等离子体腔壳的上表面之间形成狭窄的导气隙，导气隙的一端接进气口，导气隙的另一端接等离子体腔；2个以上的引弧电极环绕均布在上电极的外侧，并经由导气隙指向上电极；
下电极与主电源中与粒子束极性相反的电极相连；所有引弧电极与引弧电源中与粒子束极性相反的电极相连；引弧电源中与粒子束极性相同的电极、主电源中与粒子束极性相同的电极、窗口外壳和工件和大地相连。
上述方案中，当粒子束为带负电的粒子束时，下电极与主电源的正极相连；所有引弧电极与引弧电源的正极相连；引弧电源的负极、主电源的负极、窗口外壳和工件和大地相连。当粒子束为带正电的粒子束时，下电极与主电源的负极相连；所有引弧电极与引弧电源的负极相连；引弧电源的正极、主电源的正极、窗口外壳和工件和大地相连。
上述方案中，引弧电极呈中心对称地环设在上电极的外侧。
上述方案中，等离子体腔壳的材料为高温陶瓷。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、引出窗口的主体由等离子体纵向引射式气动窗口组成，利用了超音速等离子体的动能压力和等离子体高温双重隔离作用，引出窗口能获得极大的真空梯度，真空隔离效果极佳。
2、通过改变电极与主电源的正负极接线，可实现等离子体对通过其的带不同电性粒子束起向心汇聚作用。
附图说明
图1为一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口(高能带负电粒子束引出窗口)的示意图。
图2为另一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口(高能带正电粒子束引出窗口)的示意图。
图中标号：1、粒子束；2、第一真空腔；3、第一真空泵；4、上电极；5、导气隙；6、引弧电极；7、出水口；8、水冷腔；9、等离子体腔；10、等离子体腔壳；11、第二真空泵；12、第二真空腔；13、工件；14、下电极；15、绝缘垫层；16、主电源；17、进水口；18、窗口外壳；19、引弧电源；20、进气口。
具体实施方式
下面结合本发明具体实施例中的附图,对本发明的技术方案进行详细地描述。
一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口，其整体为中间开有轴向贯通的通孔的轴对称结构。引出窗口本体主要由窗口外壳18、上电极4、下电极14、等离子体腔壳10、引弧电极6、主电源16和引弧电源19组成。
窗口外壳18为中空的金属外壳体。窗口外壳18的上端面与真空环境相接，窗口外壳18的上端面的上方为第一真空腔2，带电粒子束1从发生器发射出来后首先进入第一真空腔2。第一真空腔2上接有第一真空泵3，第一真空泵3由机械泵和分子泵串联组成，由第一真空泵3对第一真空腔2抽真空，使得第一真空腔2的空腔真空度优于5×10-2Pa。窗口外壳18的内腔形成密闭的第二真空腔12，带电粒子束1从第二真空腔12射入大气环境。第二真空腔12上接有第二真空泵11，该第二真空泵11为机械泵，由第二真空泵11对第二真空腔12抽真空，使得第二真空腔12真空度优于3×103Pa。窗口外壳18的下端面与大气环境相通，工件13放置在引出窗口的下方，且工件13接地。
上电极4呈倒锥台形，上电极4嵌于窗口外壳18的上端面上，并直接与窗口外壳18电气导通。下电极14呈锥台形，下电极14嵌于窗口外壳18的下端面上，并通过绝缘垫层15与窗口外壳18电气绝缘。上电极4和下电极14的中心均开设有轴向贯通的通孔，上电极4上的通孔与下电极14上的通孔位置轴向正对，以供粒子束1通过。
等离子体腔壳10环设在窗口外壳18的内腔中，并处于上电极4与下电极14之间。等离子体腔壳10的材料为高温陶瓷。等离子体腔壳10的内侧壁所围空间形成柱状开放的等离子体腔9，粒子束1从该等离子体腔9的中轴线处通过。等离子体腔壳10外侧壁与窗口外壳18的内侧壁所围空间形成环状密闭的水冷腔8，该水冷腔8上设有进水口17和出水口7，冷却水从进水口17流入，从出水口7流出，冷却水主要作用是冷却离子体腔壳10。
上电极4和等离子体腔壳10之间的窗口外壳18上开设有进气口20。上电极4的下侧表面与等离子体腔壳10的上表面之间形成狭窄的导气隙5。导气隙5的一端接进气口20，导气隙5的另一端接等离子体腔9，正压气体由进气口20进入导气隙5，并经导气隙5进入等离子体腔9形成超音速气流，超音速气流由上至下穿越等离子体腔9。2个以上的引弧电极6环绕均布在上电极4的外侧，并经由导气隙5指向上电极4。在本发明优选实施例中，引弧电极6呈中心对称地环设在上电极4的外侧。
下电极14与主电源16中与粒子束1极性相反的电极相连。所有引弧电极6与引弧电源19中与粒子束1极性相反的电极相连。引弧电源19中与粒子束1极性相同的电极和主电源16中与粒子束1极性相同的电极相连接，并与窗口外壳18、工件13和大地相连。具体来说：当粒子束1为带负电的粒子束1时，下电极14通过导线与主电源16的正极相连，所有引弧电极6通过导线与引弧电源19的正极相连，引弧电源19的负极和主电源16的负极相连接，并与窗口外壳18、工件13和大地相连，参见图1。当粒子束1为带正电的粒子束1时，下电极14通过导线与主电源16的负极相连。所有引弧电极6通过导线与引弧电源19的负极相连，引弧电源19的正极和主电源16的正极相连接，并与窗口外壳18、工件13和大地相连，参见图2。
高压脉冲引弧电源19作用于引弧电极6与上电极4，使得引弧电极6与上电极4产生尖端放电。当正压气体经进气口20通过导气隙5进入等离子体腔9时，同时把引弧电极6与上电极4产生尖端放电所产生的带电粒子中的与粒子束1极性相同的带电粒子(图1为带负电，图2为带正电)吹向下电极14，在主电源16的作用下，使得上电极4和下电极14产生电离，最终发展成等离子体腔9中充满超音速的等离子体，上电极4和下电极14间等离子体电流产生的磁场对穿越等离子体腔9的高能带电粒子束1始终产生向心汇聚作用。
所述的高能带电粒子束1束流引出窗口主体部分由纵向引射式气动窗口部分与等离子体窗口部分耦合形成。纵向引射式气动窗口部分中间开有纵向贯通的通孔，包括进气口20，导气隙5和等离子体腔9。等离子体窗口部分包括上电极4、引弧电极6、等离子体腔9和下电极14。等离子窗口中高温等离子体与低温气体达到压力平衡时产生气体密度差，在下电极14上下出口产生气体密度为1:40-1:50的动态平衡。纵向引射式气动窗口利用气体的动能压和静压的合作用使窗口的上出口和下出口产生气体密度为1:100-1:150的动态平衡。两者耦合上下出口产生气体密度为1:4000-1:7500的动态平衡。同时利用等离子体电流产生的磁场对穿越窗口的高能带电粒子束1始终产生向心汇聚作用。因此本引出窗口隔绝真空效果更好，对引出的粒子束1的加工性能也更佳。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口，包括引出窗口本体，其特征在于：
所述引出窗口本体整体为中间开有轴向贯通的通孔的轴对称结构；该引出窗口本体主要由窗口外壳(18)、上电极(4)、下电极(14)、等离子体腔壳(10)、引弧电极(6)、主电源(16)和引弧电源(19)组成；
窗口外壳(18)为中空的金属外壳体；窗口外壳(18)的上端面与真空环境相接；窗口外壳(18)的内腔形成密闭的第二真空腔(12)，该第二真空腔(12)上接有第二真空泵(11)；窗口外壳(18)的下端面与大气环境相接，工件(13)放置在窗口外壳(18)的下方；
上电极(4)嵌于窗口外壳(18)的上端面上，并直接与窗口外壳(18)电气导通；下电极(14)嵌于窗口外壳(18)的下端面上，并通过绝缘垫层(15)与窗口外壳(18)电气绝缘；上电极(4)和下电极(14)的中心均开设有轴向贯通的通孔，上电极(4)上的通孔与下电极(14)上的通孔位置轴向正对，以供粒子束(1)通过；
等离子体腔壳(10)环设在窗口外壳(18)的内腔中，并处于上电极(4)与下电极(14)之间；等离子体腔壳(10)的内侧壁所围空间形成柱状开放的等离子体腔(9)，粒子束(1)从该等离子体腔(9)的中轴线处通过；等离子体腔壳(10)外侧壁与窗口外壳(18)的内侧壁所围空间形成环状密闭的水冷腔(8)，该水冷腔(8)上设有进水口(17)和出水口(7)；
上电极(4)呈倒锥台形，上电极(4)和等离子体腔壳(10)之间的窗口外壳(18)上开设有进气口(20)；上电极(4)的下侧表面与等离子体腔壳(10)的上表面之间形成狭窄的导气隙(5)，导气隙(5)的一端接进气口(20)，导气隙(5)的另一端接等离子体腔(9)；2个以上的引弧电极(6)环绕均布在上电极(4)的外侧，并经由导气隙(5)指向上电极(4)；
下电极(14)与主电源(16)中与粒子束(1)极性相反的电极相连；所有引弧电极(6)与引弧电源(19)中与粒子束(1)极性相反的电极相连；引弧电源(19)中与粒子束(1)极性相同的电极、主电源(16)中与粒子束(1)极性相同的电极、窗口外壳(18)和工件(13)和大地相连。
2.根据权利要求1所述的一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口，其特征在于：
当粒子束(1)为带负电的粒子束(1)时，下电极(14)与主电源(16)的正极相连；所有引弧电极(6)与引弧电源(19)的正极相连；引弧电源(19)的负极、主电源(16)的负极、窗口外壳(18)和工件(13)和大地相连；
当粒子束(1)为带正电的粒子束(1)时，下电极(14)与主电源(16)的负极相连；所有引弧电极(6)与引弧电源(19)的负极相连；引弧电源(19)的正极、主电源(16)的正极、窗口外壳(18)和工件(13)和大地相连。
3.根据权利要求1所述的一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口，其特征在于：引弧电极(6)呈中心对称地环设在上电极(4)的外侧。
4.根据权利要求1所述的一种高能带电粒子束从真空到大气的引出窗口，其特征在于：等离子体腔壳(10)的材料为高温陶瓷。
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