CN107633986A - 一种产生电子束的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及等离子体放电领域的一种产生电子束的方法，空心阴极通入氢气或氩气；电子枪通入氮气；空心阴极气压达到特定值时，在阳极盘与空心阴极之间施加电压，空心阴极上施加负压，从‑2kV逐渐增加到‑55kV，使得阳极盘与空心阴极之间产生击穿；并在空心阴极和浮地阳极之间产生连续的击穿，从而产生更多放电电子；调整触发模块与发射管外侧出口距离，以达到特定的触发击穿条件，在触发模块的指形触点电极与金属电极盘之间施加电势差为0到‑3kV时，触发模块也发射出初始电子；漂移区域施加高电场，所述初始电子与步骤四中产生的放电电子一起加速并进入漂移区域，与中性气体原子碰撞；调节漂移区域内中性气体气压，使电子束达到不同聚焦效果。

Description

一种产生电子束的方法

技术领域

本发明涉及等离子体放电技术领域，特别是一种能够有效控制伪火花放电过程中空心阴极的电子束能量和束流、通过改变击穿机制和放电操作条件，使得电子束的能量及束流更容易控制，装置寿命更长的一种产生电子束的方法。

背景技术

伪火花放电是一种低压气体放电现象，通过控制放电室内电离气体的工作气压和外加电压，达到巴申曲线的放电条件，能在极短的时间内完成真空击穿，在放电室的阴阳两极同时引出高功率密度的离子束和电子束。伪火花放电产生的强流脉冲电子束在脉冲电子束物理、材料表面改性等领域有广泛的应用前景。对这种高压放电的有效初始电离及其控制是技术研究和应用上的难点，为了降低初始电离的难度，使其电离过程在一定范围内精确可控，通常使用触发器。目前常用的电触发机制的触发过程是，位于阴极腔内的触发电极在高触发电压下发生放电击穿，由于绝缘层材料蒸发和气体分解，在触发电极附近及阴极腔内初步形成电子束。在主电场的作用下，电子束迅速移动使主放电装置内的电离化碰撞频率显著增加，从而极大的提高主放电区的放电电流和电子束密度等输出特性的强度和幅值，现有技术的缺陷，一是，基于伪火花放电的等离子阴极电子枪中，电子束在空心阴极电离过程下的能量和束流是较难控制的；二是，一般的空心阴极中，热电子发射材料位于一个导电的空心圆柱管又称为阴极管，加热器位于阴极管的的外侧，阴极管包裹在另一个导电的圆柱管(阴极罩)内，阴极罩用于保护阴极管以及加热器。加热器通常由加热丝绕成螺旋线构型，在现有的技术方案中，加热丝在末端没有良好的导热性，导致了工作过程中出现局部过热的情况，减少了加热器的使用寿命，所述一种产生电子束的方法能解决问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明为一种基于伪火花放电的等离子体阴极电子枪，其具有多个电极间隙，有效产生两个电离过程的电子束，即空心阴极电离过程以及后续的传导电离过程；空心阴极相的电子束的能量和束流密度通过不同的击穿方法来控制。

本发明所采用的技术方案是：

所述一种产生电子束的方法，装置主要包括空心阴极、触发模块、绝缘片、浮地阳极、阳极盘、连接件、气管、储气罐、漂移区域、束流探测器、电流馈通、示波器、放电电源、脉冲电源及电缆，所述空心阴极主要包括石墨阴极管、不锈钢基座、铝内套、陶瓷加热管、发射管、石墨套筒、钨弹簧、铝外套、陶瓷阴极管座、石墨同轴加热管、陶瓷辐射屏底座、钽制内辐射屏、钽制外辐射屏、石墨阴极罩、不锈钢气体入口、铼制加热丝、支撑杆，不锈钢气体入口位于阴极管与基座连接的一端，所述不锈钢气体入口、钨弹簧、石墨套筒、发射管依次对接地位于所述石墨阴极管内，陶瓷阴极管座、石墨同轴加热管、陶瓷加热管依次对接并套于石墨阴极管外围，支撑杆依次穿过不锈钢气体入口、钨弹簧、石墨套筒，所述空心阴极、浮地阳极、阳极盘、连接件、漂移区域、束流探测器、电流馈通依次排列连接，所述储气罐通过连接件和气管连接于所述漂移区域，所述触发模块、脉冲电源、放电电源、示波器依次电缆连接，所述空心阴极与放电电源电缆连接，所述束流探测器通过电流馈通和电缆连接到所述示波器以能够分析束流，石墨阴极管内径4毫米、外径6毫米、长度48毫米、开口直径2毫米，发射管外径4毫米，长度10毫米，石墨阴极罩外径16毫米、长度52毫米，使用直径0.25毫米的铼制加热丝能够对阴极进行加热，石墨同轴加热管与阴极管间具有铝内套，陶瓷阴极管座外围具有陶瓷辐射屏底座，陶瓷辐射屏底座的内侧和外侧表面分别与钽制内辐射屏和钽制外辐射屏连接，石墨阴极罩罩于陶瓷辐射屏底座外围、且连接不锈钢基座，石墨同轴加热管能够通过贯穿陶瓷阴极管座的高压电极连接外部电源；

支撑杆中空且其内能穿过电缆，触发模块连接于支撑杆前端，支撑杆能沿空心阴极轴线方向前后移动，从而使得触发模块能够悬在发射管内移动，以便能够调节触发模块的位置；发射管材料六硼化铈，触发模块主要由电介质盘、指形触点电极和金属电极盘组成，所述电介质盘位于指形触点电极和金属电极盘之间，电介质盘材料是以钛酸钡为主体的介电材料，也可以包括一定比例的钛酸钙、钛酸锶或钛酸铅，其中电介质盘与指形触点电极导通，金属电极支撑电介质盘并导通，通过在指形触点电极和金属电极盘之间施加3kV-6kV电势来产生电子；所述浮地阳极和阳极盘均具有中心孔，浮地阳极为一个环形电极，两个浮地阳极的中心孔大小均一致、间距4毫米，每个相邻的所述浮地阳极之间具有绝缘片，各浮地阳极之间的距离相等，以使得击穿过程中电势分布是相似的；陶瓷加热管外表面上具有螺旋形凹槽，所述凹槽绕有铼制加热丝，石墨同轴加热管与陶瓷加热管对接的一段的外表面也具有所述螺旋形凹槽，陶瓷加热管外表面的所述铼制加热丝能够延续绕到同轴加热管的该段所述凹槽上，铼制加热丝的一端插入石墨阴极管上的一个凹坑与陶瓷加热管之间，铝外套底部具有狭缝、且当紧密地套在陶瓷加热管以及部分石墨同轴加热管外围时，能够保持铼制加热丝嵌入所述螺旋形凹槽，铼制加热丝另一端插入铝外套上的狭缝，并使得铼制加热丝完全包裹于铝外套内、且铼制加热丝上无焊接点，完全是靠陶瓷加热管及石墨同轴加热管上的螺旋形凹槽和铝外套的内壁之间的相互挤压来实现电接触的，使得加热端具有较低的电阻，能够使得大部分电流产生的能量分布在发射管所在的区域；加热电流的传导路径依次是：高压电极、石墨同轴加热管、铼制加热丝、石墨阴极管、不锈钢基座。

所述一种产生电子束的方法步骤为：

一.通过不锈钢气体入口向空心阴极通入氢气或氩气；

二.打开储气罐，向电子枪内通入氮气；

三.当空心阴极内气压达到特定值时，铼制加热丝通电流，在阳极盘与空心阴极之间施加电压，阳极保持接地，同时空心阴极上施加负压，从-2kV逐渐增加到-55kV，使得阳极盘与空心阴极之间产生击穿；

四.浮地阳极造成了击穿的延迟，使得在空心阴极和浮地阳极之间产生连续的击穿，此时空心阴极内的电场穿透能够显著增加，从而产生更多放电电子；

五.通过支撑杆调整触发模块位置，即调节触发模块的表面与发射管外侧出口的距离，以达到特定的触发击穿条件，在触发模块的指形触点电极与金属电极盘之间施加电势，电势差为0到-3kV时，所述触发模块也发射出初始电子；

六.在漂移区域施加电压范围3kV-5kV的轴向电场，前级所述的初始电子与步骤四中产生的放电电子一起加速并进入漂移区域，与漂移区域的中性气体原子碰撞；

七.调节漂移区域内中性气体的气压，使电子束达到不同的聚焦效果；

八.通过束流探测器、示波器，能够分析束流。

本发明的有益效果是：

本发明通过改变击穿机制和放电操作条件而不需要装置构型上的变化，来有效控制伪火花放电过程中空心阴极的电子束能量和束流，在本装置电子枪的短脉冲操作中，通过在相同条件下改变触发击穿模式的气体种类，使得在原有的电势下电子束能量增加。装置工作更稳定，易于制造，寿命长，更换加热丝不需要特别的工具，简单易行。

附图说明

下面结合本发明的图形进一步说明：

图1是本发明结构示意图；

图2是空心阴极侧剖面放大结构示意图。

图中，1.空心阴极，1-1.石墨阴极管，1-2.不锈钢基座，1-3.铝内套，1-4.陶瓷加热管，1-5.发射管，1-6.石墨套筒，1-7.钨弹簧，1-8.铝外套，1-9.陶瓷阴极管座，1-10.石墨同轴加热管，1-11.陶瓷辐射屏底座，1-12.钽制内辐射屏，1-13.钽制外辐射屏，1-14.石墨阴极罩，1-15.不锈钢气体入口，1-16.铼制加热丝，1-17.支撑杆，

2.触发模块，3.绝缘片，4.浮地阳极，5.阳极盘，6.连接件，7.气管，8.储气罐，9.漂移区域，10.束流探测器，11.电流馈通，12.示波器，13.放电电源，14.脉冲电源。

具体实施方式

如图1是本发明结构示意图，如图2是空心阴极侧剖面放大结构示意图，装置主要包括空心阴极(1)、触发模块(2)、绝缘片(3)、浮地阳极(4)、阳极盘(5)、连接件(6)、气管(7)、储气罐(8)、漂移区域(9)、束流探测器(10)、电流馈通(11)、示波器(12)、放电电源(13)、脉冲电源(14)及电缆，所述空心阴极(1)主要包括石墨阴极管(1-1)、不锈钢基座(1-2)、铝内套(1-3)、陶瓷加热管(1-4)、发射管(1-5)、石墨套筒(1-6)、钨弹簧(1-7)、铝外套(1-8)、陶瓷阴极管座(1-9)、石墨同轴加热管(1-10)、陶瓷辐射屏底座(1-11)、钽制内辐射屏(1-12)、钽制外辐射屏(1-13)、石墨阴极罩(1-14)、不锈钢气体入口(1-15)、铼制加热丝(1-16)、支撑杆(1-17)，不锈钢气体入口(1-15)位于阴极管(1-1)与基座(1-2)连接的一端，所述不锈钢气体入口(1-15)、钨弹簧(1-7)、石墨套筒(1-6)、发射管(1-5)依次对接地位于所述石墨阴极管(1-1)内，陶瓷阴极管座(1-9)、石墨同轴加热管(1-10)、陶瓷加热管(1-4)依次对接并套于石墨阴极管(1-1)外围，支撑杆(1-17)依次穿过不锈钢气体入口(1-15)、钨弹簧(1-7)、石墨套筒(1-6)，所述空心阴极(1)、浮地阳极(4)、阳极盘(5)、连接件(6)、漂移区域(9)、束流探测器(10)、电流馈通(11)依次排列连接，所述储气罐(8)通过连接件(6)和气管(7)连接于所述漂移区域(9)，所述触发模块(2)、脉冲电源(14)、放电电源(13)、示波器(12)依次电缆连接，所述空心阴极(1)与放电电源(13)电缆连接，所述束流探测器(10)通过电流馈通(11)和电缆连接到所述示波器(12)以能够分析束流，石墨阴极管(1-1)内径4毫米、外径6毫米、长度48毫米、开口直径2毫米，发射管(1-5)外径4毫米，长度10毫米，石墨阴极罩(1-14)外径16毫米、长度52毫米，使用直径0.25毫米的铼制加热丝(1-16)能够对阴极进行加热，石墨同轴加热管(1-10)与阴极管(1-1)间具有铝内套(1-3)，陶瓷阴极管座(1-9)外围具有陶瓷辐射屏底座(1-11)，陶瓷辐射屏底座(1-11)的内侧和外侧表面分别与钽制内辐射屏(1-12)和钽制外辐射屏(1-13)连接，石墨阴极罩(1-14)罩于陶瓷辐射屏底座(1-11)外围、且连接不锈钢基座(1-2)，石墨同轴加热管(1-10)能够通过贯穿陶瓷阴极管座(1-9)的高压电极连接外部电源；

支撑杆(1-17)中空且其内能穿过电缆，触发模块(2)连接于支撑杆(1-17)前端，支撑杆能沿空心阴极轴线方向前后移动，从而使得触发模块(2)能够悬在发射管内移动，以便能够调节触发模块(2)的位置；发射管(1-5)材料六硼化铈，触发模块(2)主要由电介质盘、指形触点电极和金属电极盘组成，所述电介质盘位于指形触点电极和金属电极盘之间，电介质盘材料是以钛酸钡为主体的介电材料，也可以包括一定比例的钛酸钙、钛酸锶或钛酸铅，其中电介质盘与指形触点电极导通，金属电极支撑电介质盘并导通，通过在指形触点电极和金属电极盘之间施加3kV-6kV电势来产生电子；所述浮地阳极(4)和阳极盘(5)均具有中心孔，浮地阳极(4)为一个环形电极，两个浮地阳极(4)的中心孔大小均一致、间距4毫米，每个相邻的所述浮地阳极(4)之间具有绝缘片(3)，各浮地阳极(4)之间的距离相等，以使得击穿过程中电势分布是相似的；陶瓷加热管(1-4)外表面上具有螺旋形凹槽，所述凹槽绕有铼制加热丝(1-16)，石墨同轴加热管(1-10)与陶瓷加热管(1-4)对接的一段的外表面也具有所述螺旋形凹槽，陶瓷加热管(1-4)外表面的所述铼制加热丝(1-16)能够延续绕到同轴加热管(1-10)的该段所述凹槽上，铼制加热丝(1-16)的一端插入石墨阴极管(1-1)上的一个凹坑与陶瓷加热管(1-4)之间，铝外套(1-8)底部具有狭缝、且当紧密地套在陶瓷加热管(1-4)以及部分石墨同轴加热管(1-10)外围时，能够保持铼制加热丝(1-16)嵌入所述螺旋形凹槽，铼制加热丝(1-16)另一端插入铝外套(1-8)上的狭缝，并使得铼制加热丝(1-16)完全包裹于铝外套(1-8)内、且铼制加热丝(1-16)上无焊接点，完全是靠陶瓷加热管(1-4)及石墨同轴加热管(1-10)上的螺旋形凹槽和铝外套(1-8)的内壁之间的相互挤压来实现电接触的，使得加热端具有较低的电阻，能够使得大部分电流产生的能量分布在发射管(1-5)所在的区域；加热电流的传导路径依次是：高压电极、石墨同轴加热管(1-10)、铼制加热丝(1-16)、石墨阴极管(1-1)、不锈钢基座(1-2)。

所述一种产生电子束的方法步骤为：

一.通过不锈钢气体入口(1-15)向空心阴极(1)通入氢气或氩气；

二.打开储气罐(8)，向电子枪内通入氮气；

三.当空心阴极(1)内气压达到特定值时，铼制加热丝(1-16)通电流，在阳极盘(5)与空心阴极(1)之间施加电压，阳极保持接地，同时空心阴极(1)上施加负压，从-2kV逐渐增加到-55kV，使得阳极盘(5)与空心阴极(1)之间产生击穿；

四.浮地阳极(4)造成了击穿的延迟，使得在空心阴极(1)和浮地阳极(4)之间产生连续的击穿，此时空心阴极(1)内的电场穿透能够显著增加，从而产生更多放电电子；

五.通过支撑杆(1-17)调整触发模块(2)位置，即调节触发模块(2)的表面与发射管(1-5)外侧出口的距离，以达到特定的触发击穿条件，在触发模块(2)的指形触点电极与金属电极盘之间施加电势，电势差为0到-3kV时，所述触发模块(2)也发射出初始电子；

六.在漂移区域(9)施加电压范围3kV-5kV的轴向电场，前级所述的初始电子与步骤四中产生的放电电子一起加速并进入漂移区域(9)，与漂移区域(9)的中性气体原子碰撞；

七.调节漂移区域(9)内中性气体的气压，使电子束达到不同的聚焦效果；

八.通过束流探测器(10)、示波器(12)，能够分析束流。

本发明通过改进阳极结构并在特定的击穿机制和放电条件下工作，能够在伪火花放电过程中产生有效控制能量和束流的电子束，并通过改进空心阴极的结构延长了装置的工作寿命。

Claims (1)

1.一种产生电子束的方法，装置主要包括空心阴极(1)、触发模块(2)、绝缘片(3)、浮地阳极(4)、阳极盘(5)、连接件(6)、气管(7)、储气罐(8)、漂移区域(9)、束流探测器(10)、电流馈通(11)、示波器(12)、放电电源(13)、脉冲电源(14)及电缆，所述空心阴极(1)主要包括石墨阴极管(1-1)、不锈钢基座(1-2)、铝内套(1-3)、陶瓷加热管(1-4)、发射管(1-5)、石墨套筒(1-6)、钨弹簧(1-7)、铝外套(1-8)、陶瓷阴极管座(1-9)、石墨同轴加热管(1-10)、陶瓷辐射屏底座(1-11)、钽制内辐射屏(1-12)、钽制外辐射屏(1-13)、石墨阴极罩(1-14)、不锈钢气体入口(1-15)、铼制加热丝(1-16)、支撑杆(1-17)，不锈钢气体入口(1-15)位于阴极管(1-1)与基座(1-2)连接的一端，所述不锈钢气体入口(1-15)、钨弹簧(1-7)、石墨套筒(1-6)、发射管(1-5)依次对接地位于所述石墨阴极管(1-1)内，陶瓷阴极管座(1-9)、石墨同轴加热管(1-10)、陶瓷加热管(1-4)依次对接并套于石墨阴极管(1-1)外围，支撑杆(1-17)依次穿过不锈钢气体入口(1-15)、钨弹簧(1-7)、石墨套筒(1-6)，所述空心阴极(1)、浮地阳极(4)、阳极盘(5)、连接件(6)、漂移区域(9)、束流探测器(10)、电流馈通(11)依次排列连接，所述储气罐(8)通过连接件(6)和气管(7)连接于所述漂移区域(9)，所述触发模块(2)、脉冲电源(14)、放电电源(13)、示波器(12)依次电缆连接，所述空心阴极(1)与放电电源(13)电缆连接，所述束流探测器(10)通过电流馈通(11)和电缆连接到所述示波器(12)以能够分析束流，石墨阴极管(1-1)内径4毫米、外径6毫米、长度48毫米、开口直径2毫米，发射管(1-5)外径4毫米，长度10毫米，石墨阴极罩(1-14)外径16毫米、长度52毫米，使用直径0.25毫米的铼制加热丝(1-16)能够对阴极进行加热，石墨同轴加热管(1-10)与阴极管(1-1)间具有铝内套(1-3)，陶瓷阴极管座(1-9)外围具有陶瓷辐射屏底座(1-11)，陶瓷辐射屏底座(1-11)的内侧和外侧表面分别与钽制内辐射屏(1-12)和钽制外辐射屏(1-13)连接，石墨阴极罩(1-14)罩于陶瓷辐射屏底座(1-11)外围、且连接不锈钢基座(1-2)，石墨同轴加热管(1-10)能够通过贯穿陶瓷阴极管座(1-9)的高压电极连接外部电源；支撑杆(1-17)中空且其内能穿过电缆，触发模块(2)连接于支撑杆(1-17)前端，支撑杆能沿空心阴极轴线方向前后移动，从而使得触发模块(2)能够悬在发射管内移动，以便能够调节触发模块(2)的位置；发射管(1-5)材料六硼化铈，触发模块(2)主要由电介质盘、指形触点电极和金属电极盘组成，所述电介质盘位于指形触点电极和金属电极盘之间，电介质盘材料是以钛酸钡为主体的介电材料，也可以包括一定比例的钛酸钙、钛酸锶或钛酸铅，其中电介质盘与指形触点电极导通，金属电极支撑电介质盘并导通，通过在指形触点电极和金属电极盘之间施加3kV-6kV电势来产生电子；所述浮地阳极(4)和阳极盘(5)均具有中心孔，浮地阳极(4)为一个环形电极，两个浮地阳极(4)的中心孔大小均一致、间距4毫米，每个相邻的所述浮地阳极(4)之间具有绝缘片(3)，各浮地阳极(4)之间的距离相等，以使得击穿过程中电势分布是相似的；陶瓷加热管(1-4)外表面上具有螺旋形凹槽，所述凹槽绕有铼制加热丝(1-16)，石墨同轴加热管(1-10)与陶瓷加热管(1-4)对接的一段的外表面也具有所述螺旋形凹槽，陶瓷加热管(1-4)外表面的所述铼制加热丝(1-16)能够延续绕到同轴加热管(1-10)的该段所述凹槽上，铼制加热丝(1-16)的一端插入石墨阴极管(1-1)上的一个凹坑与陶瓷加热管(1-4)之间，铝外套(1-8)底部具有狭缝、且当紧密地套在陶瓷加热管(1-4)以及部分石墨同轴加热管(1-10)外围时，能够保持铼制加热丝(1-16)嵌入所述螺旋形凹槽，铼制加热丝(1-16)另一端插入铝外套(1-8)上的狭缝，并使得铼制加热丝(1-16)完全包裹于铝外套(1-8)内、且铼制加热丝(1-16)上无焊接点，完全是靠陶瓷加热管(1-4)及石墨同轴加热管(1-10)上的螺旋形凹槽和铝外套(1-8)的内壁之间的相互挤压来实现电接触的，使得加热端具有较低的电阻，能够使得大部分电流产生的能量分布在发射管(1-5)所在的区域；加热电流的传导路径依次是：高压电极、石墨同轴加热管(1-10)、铼制加热丝(1-16)、石墨阴极管(1-1)、不锈钢基座(1-2)，其特征是：所述一种产生电子束的方法步骤为：

一.通过不锈钢气体入口(1-15)向空心阴极(1)通入氢气或氩气；

二.打开储气罐(8)，向电子枪内通入氮气；

三.当空心阴极(1)内气压达到特定值时，铼制加热丝(1-16)通电流，在阳极盘(5)与空心阴极(1)之间施加电压，阳极保持接地，同时空心阴极(1)上施加负压，从-2kV逐渐增加到-55kV，使得阳极盘(5)与空心阴极(1)之间产生击穿；

四.浮地阳极(4)造成了击穿的延迟，使得在空心阴极(1)和浮地阳极(4)之间产生连续的击穿，此时空心阴极(1)内的电场穿透能够显著增加，从而产生更多放电电子；

五.通过支撑杆(1-17)调整触发模块(2)位置，即调节触发模块(2)的表面与发射管(1-5)外侧出口的距离，以达到特定的触发击穿条件，在触发模块(2)的指形触点电极与金属电极盘之间施加电势，电势差为0到-3kV时，所述触发模块(2)也发射出初始电子；

六.在漂移区域(9)施加电压范围3kV-5kV的轴向电场，前级所述的初始电子与步骤四中产生的放电电子一起加速并进入漂移区域(9)，与漂移区域(9)的中性气体原子碰撞；

七.调节漂移区域(9)内中性气体的气压，使电子束达到不同的聚焦效果；

八.通过束流探测器(10)、示波器(12)，能够分析束流。