CN109300757A - 微波ecr等离子体阴极环形束电子枪及3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波ECR等离子体阴极环形束电子枪及3D打印方法，涉及电子束增材制造技术领域。电子枪通过设置中空的环形结构放电腔，并在放电腔的前端连接有微波源，后端依次连接有引出加速电极和聚焦永磁体，在使用过程中，微波源利用电子回旋共振产生等离子体，引出加速电极将电子引出并在聚焦永磁体的作用下聚束，打印金属丝材从放电腔的中心通过，在聚焦电子束的作用下熔融成型。所以，本发明中的电子枪不仅提供了等离子体阴极，为空间金属增材制造提供热源，而且使用无极放电，免去了材料电极寿命不足的缺点，有利于在空间中使用；另外，金属丝材可以从电子枪的中心通过，环形电子束可以与金属丝材实现自对中，省去了复杂的对中过程。

Description

微波ECR等离子体阴极环形束电子枪及3D打印方法

技术领域

本发明涉及电子束增材制造技术领域，尤其涉及一种微波ECR等离子体阴极环形束电子枪及3D打印方法。

背景技术

基于电子束的太空增材制造技术因其能量利用效率高、制造速度快、工作环境为真空环境等一系列优势，成为最适合于未来太空环境下原位制造和修复用的一项工艺技术。

目前，通常使用的热阴极电子束源一般通过加热钨或硼化镧等阴极使阴极内部电子能量增加，达到逸出功时电子逸出阴极表面形成电子云，电场作用下形成电子束；而该方法中，由于热阴极式电子束源的阴极温度需要高达2400℃左右，所以阴极寿命只为250-300h，而且一般必须设计复杂的水冷系统用于散热，从而加大了设备的尺寸、重量及复杂度，同时因为要维持高温，功耗要求自然也非常高，导致系统整体功耗很大，效率较低。另外，电子束自由成形制造技术(Electron beam freeform fabrication，EBF3)是在真空环境下通过高能量密度的电子束照射形成熔池，送丝系统提供的焊丝进入熔池熔化，逐层熔敷焊丝形成冶金结合，并通过编程调节熔敷轨迹从而实现任意形状实体制造过程。而采用热阴极式电子束源，送丝系统和电子束熔池的匹配精度一直以来存在着不稳定性，如果束斑打在基板上的点和丝材不能很好的匹配，将影响熔融层叠的过程，最终影响打印的品质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波ECR等离子体阴极环形束电子枪及3D打印方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种微波ECR等离子体阴极环形束电子枪，包括放电腔，所述放电腔为中空的环形结构，金属丝材可穿过所述中空结构，且所述金属丝材的末端位于所述电子枪的后方设置的工作平台上，所述放电腔的前端连接有微波源以及气体源，所述放电腔的后端连接有引出加速电极，所述引出加速电极相较于所述放电腔为正电位，所述放电腔的外围包裹有ECR永磁体，所述引出加速电极的后端连接有聚焦永磁体。

优选地，所述放电腔与所述微波源之间设置有绝缘层，所述放电腔与所述引出加速电极之间有绝缘层。

一种利用上述的微波ECR等离子体阴极环形束电子枪进行3D打印的方法，包括如下步骤：

S1，在本底真空下，打开气体源，将中性气体通入放电腔中，待气压稳定后，打开微波源，在放电腔中产生放电等离子体；

S2，打开引出加速电极的电源，调节电压将放电等离子体中的电子引出并形成高能电子束；

S3，调节聚焦永磁体将电子束会聚于工作平台上，熔融金属丝材，实现3D打印。

本发明的有益效果是：本发明提供的微波ECR等离子体阴极环形束电子枪及3D打印方法，该电子枪通过设置中空的环形结构放电腔，并在放电腔的前端连接有微波源，后端依次连接有引出加速电极和聚焦永磁体，在使用过程中，微波源利用电子回旋共振产生等离子体，引出加速电极利用电场将等离子体中的电子引出并在聚焦永磁体的作用下聚束，打印金属丝材从放电腔的中心通过，在聚焦电子束的作用下熔融成型。所以，本发明中的电子枪不仅提供了等离子体阴极，为空间金属增材制造提供热源，而且使用的微波ECR放电属于无极放电，免去了材料电极寿命不足的缺点，可以实现超长时间的运行，有利于在空间中使用；另外，金属丝材可以从电子枪的中心通过，环形电子束可以聚焦在电子枪的轴线位置上，与金属丝材实现自对中，省去了复杂的对中过程。

附图说明

图1是本发明提供的微波ECR等离子体阴极环形束电子枪的外部结构示意图；

图2是本发明提供的微波ECR等离子体阴极环形束电子枪的内部结构示意图。

图中，各符号的含义如下：

1放电腔、2微波源、3绝缘层、4气体源、5等离子体、6ECR永磁体、7引出加速电极、8电子束、9聚焦永磁体、10工作平台、11金属丝材。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1-2所示，本发明实施例提供了一种微波ECR等离子体阴极环形束电子枪，包括放电腔1，所述放电腔1为中空的环形结构，金属丝材11可穿过所述中空结构，且所述金属丝材11的末端位于所述电子枪的后方设置的工作平台10上，所述放电腔1的前端连接有微波源2以及气体源4，所述放电腔1的后端连接有引出加速电极7，所述引出加速电极7相较于所述放电腔1为正电位，所述放电腔1的外围包裹有ECR永磁体6，所述引出加速电极7的后端连接有聚焦永磁体9。

上述结构，在使用过程中，放电腔被ECR永磁体包围，可以使得进入到放电腔中的中性气体放电产生等离子体；微波源位于放电腔前端，可以为中性气体放电提供所需能量；引出加速电极位于放电腔后端，且相较于放电腔为正电位，可以通过电场将等离子体中的电子引出和加速，形成电子束；聚焦永磁体位于引出加速电极之后，可以通过洛伦兹力改变电子的运动，使得电子束聚焦在电子枪的轴线位置上，与位于工作平台上的金属丝材自动对准，熔融金属丝材，实现3D打印。

可见，采用本发明实施例提供的微波ECR等离子体阴极环形束电子枪，提供了等离子体阴极，使用的微波ECR放电属于无极放电，免去了材料电极寿命不足的缺点，可以实现超长时间的运行，有利于在空间中使用；而且，金属丝材可以从电子枪的中心通过，环形电子束可以聚焦在电子枪的轴线位置上，与金属丝材实现自对中，省去了复杂的对中过程。可以应用于空间金属材料的3D打印领域，作为一种长寿命电子枪为空间金属增材制造提供热源。

本实施例中，所述放电腔1与所述微波源2之间可以设置有绝缘层，所述放电腔1与所述引出加速电极7之间可以设置有绝缘层。

采用上述结构，可以防止在放电腔处于高电压的时候微波源带电，并且在放电腔和加速电极之间形成加速电场，用以引出电子。

实施例二

本发明实施例提供了一种利用实施例一所述的微波ECR等离子体阴极环形束电子枪进行3D打印的方法，包括如下步骤：

S1，在本底真空下，打开气体源，将中性气体通入放电腔中，待气压稳定后，打开微波源，在放电腔中产生放电等离子体；

S2，打开引出加速电极的电源，调节电压将放电等离子体中的电子引出并形成环形高能电子束；

S3，调节聚焦永磁体将电子束会聚于工作平台上，熔融金属丝材，实现3D打印。

上述方法中使用的微波ECR等离子体阴极环形束电子枪，其结构可参见实施例一的描述，在此不再赘述。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明提供的微波ECR等离子体阴极环形束电子枪及3D打印方法，该电子枪通过设置中空的环形结构放电腔，并在放电腔的前端连接有微波源，后端依次连接有引出加速电极和聚焦永磁体，在使用过程中，微波源利用电子回旋共振产生等离子体，引出加速电极利用电场将等离子体中的电子引出并在聚焦永磁体的作用下聚束，打印金属丝材从放电腔的中心通过，在聚焦电子束的作用下熔融成型。所以，本发明中的电子枪不仅提供了等离子体阴极，为空间金属增材制造提供热源，而且使用的微波ECR放电属于无极放电，免去了材料电极寿命不足的缺点，可以实现超长时间的运行，有利于在空间中使用；另外，金属丝材可以从电子枪的中心通过，环形电子束可以聚焦在电子枪的轴线位置上，与金属丝材实现自对中，省去了复杂的对中过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种微波ECR等离子体阴极环形束电子枪，其特征在于，包括放电腔，所述放电腔为中空的环形结构，金属丝材可穿过所述中空结构，且所述金属丝材的末端位于所述电子枪的后方设置的工作平台上，所述放电腔的前端连接有微波源以及气体源，所述放电腔的后端连接有引出加速电极，所述引出加速电极相较于所述放电腔为正电位，所述放电腔的外围包裹有ECR永磁体，所述引出加速电极的后端连接有聚焦永磁体。

2.根据权利要求1所述的微波ECR等离子体阴极环形束电子枪，其特征在于，所述放电腔与所述微波源之间设置有绝缘层，所述放电腔与所述引出加速电极之间有绝缘层。

3.一种利用权利要求1-2任一项所述的微波ECR等离子体阴极环形束电子枪进行3D打印的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，在本底真空下，打开气体源，将中性气体通入放电腔中，待气压稳定后，打开微波源，在放电腔中产生放电等离子体；

S2，打开引出加速电极的电源，调节电压将放电等离子体中的电子引出并形成高能电子束；

S3，调节聚焦永磁体将电子束会聚于工作平台上，熔融金属丝材，实现3D打印。