CN109671601B - 基于热电子放电的电子源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热电子放电的电子源，包括法兰座以及两个电极，法兰座背对电极的一面固定安装有放电法兰腔，法兰座内部设有第一冷却腔，放电法兰腔内设有第三冷却腔，放电法兰腔的内腔为放电腔，放电腔外壁设有进气孔，两个电极之间连接钨丝，放电腔外壁设有连通的电子通道及加长放电腔，钨丝电极上设有第二冷却腔，电极上的进水管与第二冷却腔之间有流动间隙，电极外壁设有出水口，加长放电腔外套装有磁体，可有效增加电子的运动行程，提升电子浓度；本发明通过第一冷却腔、第二冷却腔以及第三冷却腔的设计保证热电子稳定且长期的进行放电，并通过接通不同电位及磁场约束来提高电子的离化率以及电子浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子源，特别涉及一种基于热电子放电的电子源。
背景技术
传统的热放电电子源通常按照其在应用中的不同需求，由钨丝缠绕成不同的形状和发射面积，钨丝在电流加热到较高的条件下会产生大量的热电子，通过产生的大量电子可对真空镀膜设备的待镀工件表面进行清洗。传统的电子源包括法兰座、固设于法兰座的两个电极以及连接两个电极的钨丝，法兰座上固设有罩设钨丝的放电法兰腔，法兰座内设有水冷腔，放电法兰腔外分别设有进气孔以及电子通道。由于钨丝与电极进行连接，使得热电子放电产生的高温在热传导的作用下会集中作用于电极，将电极融化；而通过设置于法兰座的水冷腔难以对电极起到较好的冷却作用，没办法使热电子长期稳定的进行放电。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于热电子放电的电子源，该基于热电子放电的电子源能达到更好的冷却作用，从而保证热电子长期稳定的进行放电。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于热电子放电的电子源，包括法兰座以及安装于法兰座其中一面的两个电极，所述法兰座背对电极的一面固定安装有放电法兰腔，所述法兰座内部开设有第一冷却腔，所述放电法兰腔的内腔为放电腔，所述放电法兰腔外壁设有连通放电腔的进气孔，两个所述电极之间连接有位于放电腔内部的钨丝，所述放电法兰腔外壁设有连通放电腔的电子通道及加长放电腔，所述电极背对钨丝的一端面开设有第二冷却腔，所述电极上固设有延伸进第二冷却腔的进水管，所述进水管的外表面与第二冷却腔之间形成有流动间隙，所述电极外壁设有连通流动间隙的出水口；所述加长放电腔外套装磁体。
通过采用上述技术方案，钨丝加载低电压(直流、交流)大电流，受热并发射电子，电子受放电腔电场作用，穿过电子通道，进入加长放电腔，加长放电腔与放电腔同电位，电子受磁场及电场相互作用，与进气孔进入放电腔室的工艺气体发生碰撞，进一步提升等离子体的浓度，被放电腔加速的电子经过开口处进入真空腔室内。第一冷却腔的设置对法兰座进行冷却、第二冷却腔的设置对电极进行冷却，并通过将进水管设置为延伸进第二冷却腔的方式，使得从进水管中流出的水流在经过流动间隙后才能从出水口中流出，增大了水流在于电极内部的流动行程与流动时间，使位于第二冷却腔内的水流能对电极起到更好的冷却作用，保证热电子能长期稳定的进行放电。
进一步设置为：所述法兰座朝向电极的一面设有绝缘底座，所述的电极安装于绝缘底座，所述电极的外周壁固设有凸环，所述电极上设有用于压持凸环固定于绝缘底座的绝缘盖板，螺栓穿过绝缘盖板以及绝缘底座并与法兰座之间螺纹连接，所述的进水管与第二冷却腔的内壁螺纹连接。
通过采用上述技术方案，绝缘盖板、绝缘底座以及螺栓三者之间的配合对电极进行夹持固定并实现电极与法兰座之间的绝缘，使电极在于法兰座上的安装更加便捷；并通过将进水管与第二冷却腔之间设为螺纹连接的方式，在简便安装操作的基础上能保证进水管与第二冷却腔之间的密封性。
进一步设置为：所述电极朝向钨丝的一端面螺纹连接有紧固螺母，所述的钨丝穿设进紧固螺母并抵触于电极，所述紧固螺母与钨丝之间设有用于紧配两者的夹紧钼管。
通过采用上述技术方案，紧固螺母的设置方便钨丝与电极之间的连接固定，并由于夹紧钼管的材料具有耐高温的特性，能对电极起到保护作用，延长电极的使用寿命，同时便于拆卸保养、更换钨丝。
进一步设置为：所述放电法兰腔内开设有围绕于放电腔的第三冷却腔，所述放电法兰腔外壁分别设有连通第三冷却腔的进水孔与出水孔且进水孔与出水孔两者之间靠拢设置，所述第三冷却腔内位于进水孔与出水孔之间的位置固设有限制水流未绕过放电腔而从出水孔中流出的隔板。
通过采用上述技术方案，第三冷却腔的设置对放电法兰腔进行冷却，并通过设置的隔板，使得从进水孔中进入到第三冷却腔内部的水流，必须在第三冷却腔内部围绕于放电腔流动后才能从出水孔中流出，增大了水流与第三冷却腔的接触面积与接触时间，从而达到更好的冷却作用。
进一步设置为：所述电子通道的宽度等于放电腔的宽度。
通过采用上述技术方案，同宽度的电子通道将使得电子在放电腔就与气体发生碰撞，极大的增加了碰撞次数。
进一步设置为：所述加长放电腔的内腔为碰撞放电腔。
通过采用上述技术方案，加长放电腔的设置增大电子与工作气体之间的接触时间和碰撞次数，提高等离子体浓度及电子浓度。
进一步设置为：位于所述加长放电腔的下方设有引出极栅网。
通过采用上述技术方案，通过引出极栅网的设计将所需粒子进行引出，方便操作。
进一步设置为：所述的磁体为永磁体或电磁体。
通过采用上述技术方案，其中磁体的磁场可以是同性永磁体或单个电磁线圈的单一极向磁场，也可以为多组同性永磁体或异性永磁体组成的复合磁场，亦可以为电磁线圈产生的旋转磁场。通过多种模式的磁场设计，可利用电子在磁场中的螺旋运动，增加电子在碰撞放电腔内的有效行程，可极大的提升与工艺气体的碰撞次数，碰撞将会产生更多的电子及提升等离子体的浓度。
进一步设置为：所述电磁线圈既可以是由绕组线圈的旋转磁场，绕组线圈按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组线圈采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节旋转磁场的强度，通过电流频率调节旋转磁场的旋转速度；亦可以为正弦、余弦、三角、矩形多种波形的频率、电压可调的电磁线圈。
通过采用上述技术方案，钨丝加载低电压大电流，将会加热并发射电子，电子受放电腔电场作用，穿过电子通道，进入加长放电腔，加长放电腔与放电腔同电位，电子受磁场及电场相互作用，与进气孔进入放电腔室的工艺气体发生碰撞，进一步提升等离子体的浓度，被放电腔加速的电子经过开口处进入真空腔室内。
进一步设置为：所述电子通道上固设有钼管。
通过采用上述技术方案，电子通道上固设钼管，钼管材料具有耐高温且将大束电子流从钼管细孔中进入碰撞放电腔，并受磁场作用进一步在碰撞放电腔内与气体发生碰撞并产生更多的电子。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明通过第一冷却腔、第二冷却腔以及第三冷却腔的设计保证热电子稳定且长期的进行放电，并通过接通不同电位的方式提高电子的离化率以及电子浓度。
附图说明
图1为实施例一的立体图；
图2为实施例一的俯视图；
图3为图2中A-A处的剖视图；
图4为图2中C-C处的剖视图；
图5为图2中B-B处的剖视图；
图6为图3中A部放大图；
图7为实施例一的局部剖视图；
图8为实施例二的剖视图；
图9为实施例三的剖视图；
图10为实施例三中磁体单一磁极磁场示意图；
图11为实施例四的剖视图；
图12为实施例四中复合磁场示意图；
图13为实施例五的剖视图；
图14为实施例五中电磁线圈示意图。
图中：1、法兰座；2、电极；3、放电法兰腔；4、第一冷却腔；5、放电腔；6、进气孔；7、钨丝；8、电子通道；9、第二冷却腔；10、进水管；11、流动间隙；12、出水口；13、绝缘底座；14、凸环；15、绝缘盖板；16、紧固螺母；17、夹紧钼管；18、第三冷却腔；19、进水孔；20、出水孔；21、隔板；22、钼管；24、磁体；25、引出极栅网；26、碰撞放电腔；27、接电板；28、进水道；29、出水道；30、加长放电腔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一
参考图1至图7，一种基于热电子放电的电子源，包括水平放置的法兰座1，法兰座1的上表面设置有两个绝缘底座13，绝缘底座13上均设有竖直向下穿过绝缘底座13以及法兰座1的电极2；电极2外周壁一体设置有抵触绝缘底座13上表面的凸环14，电极2上套设有位于凸环14上方的绝缘盖板15，螺栓依次穿过绝缘盖板15、绝缘底座13并与法兰座1之间螺纹连接，凸环14与绝缘底座13之间设有密封圈。电极2的上端面开设有第二冷却腔9，第二冷却腔9内螺纹连接有延伸进第二冷却腔9的进水管10，进水管10与电极2端面之间设有密封圈，进水管10的外周壁与第二冷却腔9之间、进水管10位于第二冷却腔9内部的一端面与第二冷却腔9之间形成所述的流动间隙11。进水管10外套设有接电板27，电极2外侧壁开设有连通第二冷却腔9的出水口12，通过该种设置使得从进水管10中进入到第二冷却腔9内部水流的流动路径为U字形。
法兰座1内开设有围绕于两个电极2的第一冷却腔4，法兰座1的外周壁分别开设有连通第一冷却腔4的进水道28和出水道29，进水道28与出水道29两者之间相对设置。位于法兰座1的下方固设有放电法兰腔3，放电法兰腔3的内腔为放电腔5，电极2的下端均螺纹连接有位于放电腔5内的紧固螺母16，两个紧固螺母16之间连接有钨丝7，钨丝7的自由端穿设进紧固螺母16并与电极2的下端面抵触。紧固螺母16与钨丝7之间设有围绕钨丝7的夹紧钼管17，通过夹紧钼管17产生的抵紧摩擦力，实现紧固螺母16与钨丝7两者之间的固定。
放电法兰腔3的外周壁开设有连通放电腔5的进气孔6，放电法兰腔3的内部开设有围绕于放电腔5的第三冷却腔18，放电法兰腔3的底部开设有连通放电腔5的电子通道8，第三冷却腔18的横截面形状为L形。放电法兰腔3的外周壁分别开设有连通第三冷却腔18进水孔19与出水孔20，进水孔19与出水孔20两者之间靠拢设置，第三冷却腔18内靠近进水孔19的位置且位于进水孔19与出水孔20两者之间的位置一体设置有隔板21，通过隔板21的设置，使得水流必须绕过放电腔5后才能从出水孔20中流出。
位于放电法兰腔3的下方螺纹连接有形状为筒状的加长放电腔30，加长放电腔30与电子通道8之间同轴设置，电子通道8的直径小于放电腔5的直径，电子通道8内固设有钼管22且加长放电腔30的内腔为碰撞放电腔26；放电腔5的体积小于碰撞放电腔26的体积，加长放电腔30外套设有磁体24。
通过进气孔6朝向放电腔5内部通入工作气体，并在两个电极2上接交流电、加长放电腔30接正电，钨丝7发热产生的电子与工作气体之间进行振荡并产生更多的电子，电子在阳极的牵引下进入到碰撞放电腔26中，实现对电子的牵引；工作气体可为氩气等气体。
实施例二
参考图8，本实施例与实施例一的区别之处在于，电子通道8的宽度等于与放电腔5的宽度相同，第三冷却腔18的横截面形状从原有的L形变成了I字形；且不需要在电子通道8上设置所述的钼管22。
实施例三
参考图9和图10，在实施例一的基础上将磁体24的磁场锁设置为单一极向磁场，单一极向磁场是由同极性的磁铁形成的套装在加长放电腔30上的磁组，其磁场方向平行于轴向方向，电子在单一极向的磁场作用下，受磁场影响，电子螺旋运动，增大了在碰撞放电腔5的有效行程，提升了与工艺气体碰撞的次数，同时产生了更多的电子。
e+Ar＝Ar++2e
电子源中的两个电极2上的钨丝7施加低电压大电流(直流电、交流电)，钨丝7受热，钨丝7中的电子动能增加，在其动能超过电子逸出能时，大量电子从钨丝7表面逸出。
放电腔5及碰撞放电腔26为同电位，其既可以为悬浮电位，也可以为负电位。当放电腔5及碰撞放电腔26为悬浮电位时，逸出的热电子一部分经碰撞后回到钨丝7，大部分经过电子通道8上的钼管22进入碰撞放电腔26，在碰撞放电腔26中，电子受套装在加长放电腔30上的单一极向磁场的影响，电子向出口处运动的过程中，发生螺旋运动，运动过程中与通过进气孔6所通入的工作气体发生碰撞，在碰撞过程中，氩气被激活或变为氩离子，同时会产生一个新的电子；在碰撞放电腔26中大量的电子随热电子与气体碰撞过程中产生，同时在磁场作用下，从加长放电腔30处溢出；当放电腔5及碰撞放电腔26为负电位时，逸出的热电子在放电腔5受电场的作用，经电子通道8加速从放电腔5中溢出，在碰撞放电腔26中，电子受电场及单一磁向磁场的影响，发生更为剧烈的碰撞，产生浓度更高的等离子体，并在电场作用下，氩离子被吸附在碰撞放电腔5壁上，并重新变为气体，而电子从出口处溢出。
实施例四
参考图11和图12，本实施例与实施例一的区别之处在于，在位于加长放电腔30的正下方设置引出极栅网25，同时加长放电腔30上套装的磁体24为复合磁场，复合磁场包括环形单一极向的磁场及环形双极性磁场，其中，环形双极性磁场为环形磁靴上放置不同极性的磁铁(NS),其磁铁磁场方向平行于加长放电腔30径向方向，两种不同极性的磁场相邻放置，环形双极性磁场在加长放电腔30周向方向形成一定数量的环形闭合磁场，电子从放电腔5溢出后，在继续向加长放电腔30出口处运动时，将先受到环形单一极向的磁场的影响，发生螺旋运动，并继续向加长腔30出口处运动，在进入环形双极性磁场时，多个周向闭合磁场加大了电子在运动过程中与工艺气体进碰撞的次数，产生更多的电子。
电子源中的两个电极2上的钨丝7施加低电压大电流(直流电、交流电)，钨丝7受热，钨丝7中的电子动能增加，在其动能超过电子逸出能时，大量电子从钨丝7表面逸出。
放电腔5及碰撞放电腔26为同电位，其既可以为悬浮电位，也可以为负电位。当放电腔5及碰撞放电腔26为悬浮电位时，逸出的热电子一部分经碰撞后回到钨丝，大部分经过电子通道8上的钼管22进入碰撞放电腔26，在碰撞放电腔26中，电子受套装在加长放电腔30上的复合磁场的影响，电子向出口处运动的过程中，发生螺旋运动，运动过程中与通过进气孔6所通入的工作气体发生碰撞，在碰撞过程中，氩气被激活或变为氩离子，同时会产生一个新的电子；在碰撞放电腔26中大量的电子随热电子与气体碰撞过程中产生，同时在磁场作用下，从加长放电腔30的下端口处溢出；当放电腔5及碰撞放电腔26为负电位时，逸出的热电子在放电腔5受电场的作用，经电子通道8加速从放电腔中溢出，在碰撞放电腔26中，电子受电场及复合磁场的影响，发生更为剧烈的碰撞，产生浓度更高的等离子体，并在电场作用下，氩离子被吸附在碰撞放电腔壁上，并重新变为气体，而电子从出口处溢出。
引出极栅网25可施加正电，从碰撞放电腔26中溢出的电子，受引出极栅网25的电场作用，加速向引出极栅网25运动，并可从引出极栅网25上的栅网空隙中进入真空腔室内。
说明：对于放电腔5及碰撞放电腔26来说，电位悬浮及电位带负电，都可以实现电子源的正常工作，但当放电腔5及碰撞放电腔26带负电时，将会有更多的电子从放电腔5中溢出，其对整个电子源放电有很大的有益处。
实施例五
参考图13和图14，本实施例与实施例二的区别之处在于，在磁体24加载电磁线圈作为磁场源，为电子源提供稳定可控的电磁场；并在位于加长放电腔30的正下方设置引出极栅网25。电磁线圈可以是常规的单相绕制的电磁线圈，其上可施加正弦、余弦、方波、三角波等各种波形，频率及电流可调的负载，相对应的其可在加长放电腔30内形成频率一定的振荡磁场，电子在振荡磁场中的运动，其有效运动行程相较于单一极性磁场来说进一步的加大，可与更多的工艺气体进行碰撞，产生更多的电子。
电磁线圈也可以为由绕组线圈的旋转磁场，绕组线圈按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组线圈采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节旋转磁场的强度，通过电流频率调节旋转磁场的旋转速度。旋转线圈套装在加长放电腔30上时，可在加长放电腔30内形成磁场强度及方向更为多变的旋转磁场，电子在旋转磁场中的运动，相较于振荡电磁场来说，其有效运动行程可增长数十倍，从而能够与更多的工艺气体进行碰撞，产生更多的电子。
电子源中的两个电极2上的钨丝7施加低电压大电流(直流电、交流电)，钨丝受热，钨丝中的电子动能增加，在其动能超过电子逸出能时，大量电子从钨丝表面逸出。
放电腔5及碰撞放电腔26为同电位，其既可以为悬浮电位，也可以为负电位。当放电腔5及碰撞放电腔26为负电位时，逸出的热电子在放电腔5受电场的作用，经电子通道8加速向碰撞放电腔26运动，在碰撞放电腔26中，电子受电场及振荡电磁场或旋转磁场的影响，发生更为剧烈的碰撞，产生浓度更高的等离子体，并在电场作用下，氩离子被吸附在碰撞放电腔壁上，并重新变为气体，而电子从出口处溢出。
引出极栅网25可施加正电，从碰撞放电腔26中溢出的电子，受引出极栅网25的电场作用，加速向引出极栅网25运动，并可从引出极栅网25上的栅网空隙中进入真空腔室内。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种基于热电子放电的电子源，包括法兰座(1)以及安装于法兰座(1)其中一面的两个电极(2)，所述法兰座(1)背对电极(2)的一面固定安装有放电法兰腔(3)，所述法兰座(1)内部开设有第一冷却腔(4)，其特征在于：所述放电法兰腔(3)的内腔为放电腔(5)，所述放电法兰腔(3)外壁设有连通放电腔(5)的进气孔(6)，两个所述电极(2)之间连接有位于放电腔(5)内部的钨丝(7)，所述放电法兰腔(3)外壁设有连通放电腔(5)的电子通道(8)及加长放电腔（30），所述电极(2)背对钨丝(7)的一端面开设有第二冷却腔(9)，所述电极(2)上固设有延伸进第二冷却腔(9)的进水管(10)，所述进水管(10)的外表面与第二冷却腔(9)之间形成有流动间隙(11)，所述电极(2)外壁设有连通流动间隙(11)的出水口(12)；所述加长放电腔(30)外套装磁体(24)。
2.根据权利要求1所述的基于热电子放电的电子源，其特征在于：所述法兰座(1)朝向电极(2)的一面设有绝缘底座(13)，所述的电极(2)安装于绝缘底座(13)，所述电极(2)的外周壁固设有凸环(14)，所述电极(2)上设有用于压持凸环(14)固定于绝缘底座(13)的绝缘盖板(15)，螺栓穿过绝缘盖板(15)以及绝缘底座(13)并与法兰座(1)之间螺纹连接，所述的进水管(10)与第二冷却腔(9)的内壁螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的基于热电子放电的电子源，其特征在于：所述电极(2)朝向钨丝(7)的一端面螺纹连接有紧固螺母(16)，所述的钨丝(7)穿设进紧固螺母(16)并抵触于电极(2)，所述紧固螺母(16)与钨丝(7)之间设有用于紧配两者的夹紧钼管(17)。
4.根据权利要求1所述的基于热电子放电的电子源，其特征在于：所述放电法兰腔(3)内开设有围绕于放电腔(5)的第三冷却腔(18)，所述放电法兰腔(3)外壁分别设有连通第三冷却腔(18)的进水孔(19)与出水孔(20)且进水孔(19)与出水孔(20)两者之间靠拢设置，所述第三冷却腔(18)内位于进水孔(19)与出水孔(20)之间的位置固设有限制水流未饶过放电腔(5)而从出水孔(20)中流出的隔板(21)。
5.根据权利要求1所述的基于热电子放电的电子源，其特征在于：所述电子通道(8)的宽度等于放电腔（5）的宽度。
6.根据权利要求1所述的基于热电子放电的电子源，其特征在于：所述加长放电腔(30)的内腔为碰撞放电腔(26)。
7.根据权利要求6所述的基于热电子放电的电子源，其特征在于：位于所述加长放电腔(30)的下方设有引出极栅网(25)。
8.根据权利要求1所述的基于热电子放电的电子源，其特征在于：所述的磁体（24）为永磁体或电磁体。
9.根据权利要求1所述的基于热电子放电的电子源，其特征在于：所述磁体（24）的磁场为由绕组线圈的旋转磁场，绕组线圈按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组线圈采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节旋转磁场的强度，通过电流频率调节旋转磁场的旋转速度；亦可以为正弦、余弦、三角、矩形多种波形的频率、电压可调的电磁线圈。
10.根据权利要求1所述的基于热电子放电的电子源，其特征在于：所述电子通道（8）上固设有钼管(22)。
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