CN109302792A - 空间用小型微波ecr等离子体电子束发生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置及方法，涉及电子束加工制造技术领域。该装置通过上磁轭、不锈钢衬和下磁轭围成放电腔，并在不锈钢衬的外侧设置永磁体，放电腔的上端分别与微波源和气体源连接，放电腔的下端连接电子引出孔和加速电极，该结构的电子束发生装置，体积小，占用空间少，同时，由于本发明装置中的等离子体电子由工质气体产生，不涉及电子束发生装置本身结构的消耗，所以，理论上电子束发生装置的使用寿命可以无限延长，因此，本发明提供的体积小、寿命长的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，十分适合用于空间环境下的焊接、制造等任务。
Description
技术领域
本发明涉及电子束加工制造技术领域，尤其涉及一种空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置及方法。
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，电子束增材制造包括电子束熔融技术和电子束自由成形技术，其中，电子束自由成形技术在地面上主要采用热阴极的方式，通过加热钨丝，表面产生大量的热电子，在阳极和阴极之间的高压电场作用下，热电子加速向阳极方向高速移动，并获得很高的动能，该种方式由于对钨丝的加热温度很高，需要定期的更换阴极材料，同时装置及附件的体积和重量都比较大，不易于维护和维修，更不适用于在轨的工作。空间条件下的电子束制造，有着很强的资源约束以及维护维修要求，现有的电子束设备以及发生装置普遍具有，体积重量大，附件复杂，核心部件寿命短，不易维护维修等问题，不能很好的完成在轨的电子束金属增材制造等相关任务。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置及方法，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：
一种空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，包括微波天线、上磁轭、不锈钢衬、下磁轭、永磁体、引出孔法兰、绝缘垫片、加速电极和加速电源；
所述不锈钢衬设置在所述上磁轭和所述下磁轭之间，并与所述上磁轭和所述下磁轭共同围成放电腔，所述永磁体位于所述不锈钢衬的外侧；
所述放电腔的上端通过所述微波天线与微波源连接，且通过进气孔与气体源连接，所述放电腔的下端与电子引出孔连接，且所述电子引出孔穿过依次连接的所述引出孔法兰、绝缘垫片和加速电极；
所述加速电源的负极连接至所述引出孔法兰，所述加速电源的正极连接至所述加速电极。
优选地，所述进气孔设置在所述上磁轭上，所述微波天线直接穿过所述上磁轭插入所述放电腔中。
优选地，所述电子引出孔首先穿过所述下磁轭，然后穿过依次连接的所述引出孔法兰、绝缘垫片和加速电极。
优选地，所述绝缘垫片的两侧内嵌有钢制螺纹孔，用于装置与其它部分固定。
优选地，所述下磁轭、引出孔法兰及绝缘垫片使用螺栓固定在一起，所述加速电极通过螺栓自下而上的固定在所述绝缘垫片上。
优选地，所述绝缘垫片的周边加工成波浪形，所述加速电极的周边设置有散热片，且所述加速电极与所述散热片加工成一体形式。
优选地，所述永磁体设置为多个，且均匀分布在所述不锈钢衬的外侧。
优选地，所述装置包括的各结构的连接处均加工有密封槽，且所述密封槽内均装有橡胶密封圈。
优选地，所述上磁轭、下磁轭、加速电极均采用不锈钢制作而成，所述不锈钢衬、引出孔法兰均采用钼钢制作而成.
一种利用上述的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置产生电子束的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，将装置整体与真空腔安装在一起；
S2，将真空腔整体连同电子束发生装置抽真空至要求的气压条件下；
S3，打开气体源，工质气体通过进气孔进入放电腔内；
S4，打开微波源，微波通过微波天线进入放电腔，微波在电子回旋共振的作用下将工质气体电离产生等离子体；
S5，打开加速电源，将等离子体中的电子从电子引出孔中引出并加速，产生电子束。
本发明的有益效果是：本发明提供的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置及方法，该装置通过上磁轭、不锈钢衬和下磁轭围成放电腔，并在不锈钢衬的外侧设置永磁体，放电腔的上端分别与微波源和气体源连接，放电腔的下端连接电子引出孔和加速电极，该结构的电子束发生装置，体积小，占用空间少，同时，与现有技术中，通过加热钨丝产生大量的热电子，需要消耗钨丝，导致电子束发生装置工作寿命短的方式相比，由于本发明装置中的等离子体电子由工质气体产生，不涉及电子束发生装置本身结构的消耗，所以，理论上电子束发生装置的使用寿命可以无限延长，因此，本发明提供的体积小、寿命长的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，十分适合用于空间环境下的焊接、制造等任务。
附图说明
图1是本发明提供的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置的外部结构示意图；
图2是本发明提供的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置的垂直方向剖视图；
图3是本发明提供的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置的水平方向剖视图。
图中，各符号的含义如下：
1微波天线、2进气孔、3上磁轭、4永磁体、5不锈钢衬、6下磁轭、7引出孔法兰、8绝缘垫片、9加速电极、10加速电源、11放电腔、12电子引出孔。
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。
本发明的目的在于提供一种可以极大程度地缩小空间尺寸并能显著的提升使用寿命的电子束发生装置，可以实现在空间环境中占用资源较小的情况下长时间的产生可供使用的电子束流，可以应用于空间环境下的焊接、制造等领域。
实施例一
如图1-3所示，本发明提供了一种空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，包括微波天线1、上磁轭3、不锈钢衬5、下磁轭6、永磁体5、引出孔法兰7、绝缘垫片8、加速电极9和加速电源10；
所述不锈钢衬5设置在所述上磁轭3和所述下磁轭6之间，并与所述上磁轭3和所述下磁轭6共同围成放电腔11，所述永磁体4位于所述不锈钢衬5的外侧；
所述放电腔11的上端通过所述微波天线1与微波源连接，且通过进气孔2与气体源连接，所述放电腔11的下端与电子引出孔12连接，且所述电子引出孔12穿过依次连接的所述引出孔法兰7、绝缘垫片8和加速电极9；
所述加速电源10的负极连接至所述引出孔法兰7，所述加速电源10的正极连接至所述加速电极9。
其中，永磁体可以选用钐钴永磁体，还可以为其他永磁体或电磁铁。由于钐钴永磁铁具有高磁能积，极低的温度系数，故其磁能积、温度稳定性及化学性能均超过其他形式的磁体，故在本发明中优先选用钐钴永磁体，可以消耗最少的资源取得最大的效果。
绝缘垫片的材料可以选用聚四氟乙烯垫片，还可以选用其他具有绝缘性、磁导率低的性质且具有一定机械强度的材料(例如陶瓷、大理石)。本实施例中，由于利用聚四聚乙烯材料制备垫片，成本较低且易于加工，所以优先选用聚四聚乙烯材料。
上述结构中，进气孔用于将工质气体引入到放电腔中，微波天线用于将微波引入到放电腔中，永磁体产生的磁场可以使放电腔中的初始电子做回旋运动，进入放电腔的微波在电子回旋共振的作用下将工质气体电离产生等离子体，加速电源打开后，加速电极的电位相对于引出孔法兰为正电位，则可以将等离子体中的电子通过电子引出孔从放电腔中引出，并加速形成高能电子束。
上述结构中，首先，选用了小型微波天线式的微波源，在源头方面极大地缩小了装置的体积；其次，本装置使用ECR电离疝气的方法产生等离子体，需要的工质气体很小，相应需要的放电腔也很小，在放电腔部分缩小了装置的体积；最后，由于放电腔的缩小，使得与放电腔相配套的引出电极、加速电极都能够极大的缩小体积。所以，本发明提供的电子束发生装置，与现有技术相比，可以极大的缩小体积。
与现有技术中通过加热钨丝产生大量的热电子，需要消耗钨丝，导致电子束发生装置工作寿命短的方式相比，本发明装置中的等离子体电子由工质气体产生，不涉及电子束发生装置本身结构的消耗，所以，理论上电子束发生装置的使用寿命可以无限延长，只要工质气体能够源源不断的供应，本发明提供的电子束发生装置就可以源源不断的产生电子束。
因此，本发明提供的体积小、寿命长的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，十分适合用于空间环境下的焊接、制造等任务。
本实施例中，所述进气孔2设置在所述上磁轭3上，所述微波天线1直接穿过所述上磁轭3插入所述放电腔11中。
采用上述结构可以省去微波发生装置占用的体积，缩小电子枪的大小。
本实施例中，所述电子引出孔12首先穿过所述下磁轭6，然后穿过依次连接的所述引出孔法兰7、绝缘垫片8和加速电极9。
采用上述结构，工质气体在放电腔内产生等离子体后，需要在引出孔法兰上外加一个电位，将等离子体中的电子引出放电腔内，使放电腔内的等离子体形成一个电子发射面，然后需要在加速电极上外加另一个电位，使得引出放电腔的电子在加速电极的电场作用下完成加速，而引出孔法兰与加速电极之间电位不同，故需要用绝缘垫片隔离开，下磁轭是组成放电腔的结构部分。故引出孔依次穿过下磁轭、引出孔法兰、绝缘垫片和加速电极。
本实施例中，所述绝缘垫片8的两侧内嵌有钢制螺纹孔，用于装置与其它部分固定。
由于在绝缘垫片上直接攻螺纹孔会导致其使用寿命减少，为了增加结构的使用寿命，使用内嵌钢制螺纹孔的方法增加绝缘垫片的使用寿命。
本实施例中，所述下磁轭6、引出孔法兰7及绝缘垫片8使用螺栓固定在一起，所述加速电极9通过螺栓自下而上的固定在所述绝缘垫片8上。
采用上述结构可以方便装置本身的安装。
本实施例中，所述绝缘8的周边加工成波浪形，所述加速电极9的周边设置有散热片，且所述加速电极9与所述散热片加工成一体形式。
其中，将绝缘垫片的周边加工成波浪形，可以防止爬电。
将加速电极与散热片加工成一体形式，可以增强加速电极的散热效果。
本实施例中，所述永磁体4设置为多个，且均匀分布在所述不锈钢衬5的外侧。
采用上述结构，可以使得产生的磁场均匀，能够均匀的使少量初始电子做回旋运动。
本实施例中，所述装置包括的各结构的连接处均加工有密封槽，且所述密封槽内均装有橡胶密封圈。
采用上述结构，可以保证电子束发生装置内的密封性。
本实施例中，所述上磁轭3、下磁轭6、加速电极9均可以采用不锈钢制作而成，所述不锈钢衬5、引出孔法兰7均可以采用钼钢制作而成.
实施例二
一种利用实施例一所述的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置产生电子束的方法，包括如下步骤：
S1，将装置整体与真空腔安装在一起；
S2，将真空腔整体连同电子束发生装置抽真空至要求的气压条件下；
S3，打开气体源，工质气体通过进气孔进入放电腔内；
S4，打开微波源，微波通过微波天线进入放电腔，微波在电子回旋共振的作用下将工质气体电离产生等离子体；
S5，打开加速电源，将等离子体中的电子从电子引出孔中引出并加速，产生电子束。
上述方法中，使用的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，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：本发明提供的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置及方法，该装置通过上磁轭、不锈钢衬和下磁轭围成放电腔，并在不锈钢衬的外侧设置永磁体，放电腔的上端分别与微波源和气体源连接，放电腔的下端连接电子引出孔和加速电极，该结构的电子束发生装置，体积小，占用空间少，同时，与现有技术中，通过加热钨丝产生大量的热电子，需要消耗钨丝，导致电子束发生装置工作寿命短的方式相比，由于本发明装置中的等离子体电子由工质气体产生，不涉及电子束发生装置本身结构的消耗，所以，理论上电子束发生装置的使用寿命可以无限延长，因此，本发明提供的体积小、寿命长的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，十分适合用于空间环境下的焊接、制造等任务。
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 (10)
1.一种空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，其特征在于，包括微波天线、上磁轭、不锈钢衬、下磁轭、永磁体、引出孔法兰、绝缘垫片、加速电极和加速电源；
所述不锈钢衬设置在所述上磁轭和所述下磁轭之间，并与所述上磁轭和所述下磁轭共同围成放电腔，所述永磁体位于所述不锈钢衬的外侧；
所述放电腔的上端通过所述微波天线与微波源连接，且通过进气孔与气体源连接，所述放电腔的下端与电子引出孔连接，且所述电子引出孔穿过依次连接的所述引出孔法兰、绝缘垫片和加速电极；
所述加速电源的负极连接至所述引出孔法兰，所述加速电源的正极连接至所述加速电极。
2.根据权利要求1所述的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，其特征在于，所述进气孔设置在所述上磁轭上，所述微波天线直接穿过所述上磁轭插入所述放电腔中。
3.根据权利要求1所述的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，其特征在于，所述电子引出孔首先穿过所述下磁轭，然后穿过依次连接的所述引出孔法兰、绝缘垫片和加速电极。
4.根据权利要求1所述的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，其特征在于，所述绝缘垫片的两侧内嵌有钢制螺纹孔，用于装置与其它部分固定。
5.根据权利要求1所述的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，其特征在于，所述下磁轭、引出孔法兰及绝缘垫片使用螺栓固定在一起，所述加速电极通过螺栓自下而上的固定在所述绝缘垫片上。
6.根据权利要求1所述的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，其特征在于，所述绝缘垫片的周边加工成波浪形，所述加速电极的周边设置有散热片，且所述加速电极与所述散热片加工成一体形式。
7.根据权利要求1所述的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，其特征在于，所述永磁体设置为多个，且均匀分布在所述不锈钢衬的外侧。
8.根据权利要求1所述的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，其特征在于，所述装置包括的各结构的连接处均加工有密封槽，且所述密封槽内均装有橡胶密封圈。
9.根据权利要求1所述的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置，其特征在于，所述上磁轭、下磁轭、加速电极均采用不锈钢制作而成，所述不锈钢衬、引出孔法兰均采用钼钢制作而成。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述的空间用小型微波ECR等离子体电子束发生装置产生电子束的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，将装置整体与真空腔安装在一起；
S2，将真空腔整体连同电子束发生装置抽真空至要求的气压条件下；
S3，打开气体源，工质气体通过进气孔进入放电腔内；
S4，打开微波源，微波通过微波天线进入放电腔，微波在电子回旋共振的作用下将工质气体电离产生等离子体；
S5，打开加速电源，将等离子体中的电子从电子引出孔中引出并加速，产生电子束。
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