CN109935504B - 基于热电子放电的矩形电子源 - Google Patents

Abstract

一种基于热电子放电的矩形电子源，包括方法兰板，方法兰板上排列有多组电极组，电极组包括第一电极单元与第二电极单元，电极单元包含正极、负极接线柱，每个接线柱内形成冷却腔，可对放电中的电极组进行冷却，方法兰板上设有方法兰腔，方法兰腔的内腔为放电腔，电极组上设有钨丝，方法兰腔上设有射出口并套装磁体，方法兰板内部设有第一冷却腔，方法兰腔内部设有第二冷却腔，法兰前装配有阴极栅网，加速电子并吸收阳离子。本发明通过矩形形状配合多组带冷却腔的电极组、第一冷却腔配合第二冷却腔，以及在套装的磁体及阴极栅网的相互作用下，使得电子源的辐射面更广、放电均匀且能达到更好的冷却效果。

Description

基于热电子放电的矩形电子源

技术领域

本发明属于电子源技术领域，涉及一种电子源，尤其涉及一种基于热电子放电的矩形电子源。

背景技术

传统的热电子放电的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圆筒形放电法兰腔，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。由于现有真空镀膜设备的炉体高度较高，而传统的圆筒形放电法兰腔的辐射面积有限，从而导致传统的电子源难以对炉体进行较好的清洗；且钨丝在通电后会产生较高的温度，通过传统的水冷腔设置难以对电子源起到较好的冷却作用，使得传统的电子源在实际的运用中不具有很好的实用性。

因此，如何解决上述问题，是本来领域技术人员着重要研究的内容。

发明内容

为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种基于热电子放电的矩形电子源，该基于热电子放电的矩形电子源能达到更好的冷却作用且辐射面广放电均匀，在实际的运用中具有更好的实用性。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于热电子放电的矩形电子源，包括方法兰板，所述方法兰板上沿其长度方向排列有多组电极组，所述电极组包括第一电极单元和第二电极单元，所述第一电极单元包括第一正极接线柱和第一负极接线柱、所述第二电极单元包括第二正极接线柱和第二负极接线柱，第一正极接线柱、第一负极接线柱、第二正极接线柱和第二负极接线柱内均形成冷却腔，所述冷却腔通过进水管及回水管之间的水流带走每个接线柱工作中产生的热量，所述方法兰板背对电极组的一面固定安装有方法兰腔，所述方法兰腔的内腔为放电腔，所述第一正极接线柱与第一负极接线柱之间、第二正极接线柱与第二负极接线柱之间均连接有位于放电腔内部的钨丝，所述方法兰腔外壁设有连通放电腔且位于钨丝正下方的射出口，所述方法兰腔外套装有磁体，射出口前装配有阴极栅网，所述方法兰板内部设有与多组电极组一一对应的第一冷却腔，相邻所述第一冷却腔之间连通设置，所述第一冷却腔围绕于第一正极接线柱、第一负极接线柱、第二正极接线柱与第二负极接线柱，所述方法兰板上分别设有连通第一冷却腔的第一进水口与第一出水口，所述方法兰腔内部设有第二冷却腔，所述第二冷却腔围绕于放电腔形成一环形，所述方法兰腔上分别设有连通第二冷却腔的第二进水管与第二出水管。

进一步地，位于同一所述电极组的第一正极接线柱外端与第二正极接线柱外端之间、第一负极接线柱外端与第二负极接线柱外端之间均连接有接线板。所述接线板的设置实现第一电极单元与第二电极单元之间的串联，使得线路的连接更加简便。

进一步地，所述方法兰板朝向电极组的一面设有绝缘套，所述的每个接线柱安装于绝缘套上，接线柱的灯丝座外周壁固设有凸环，凸环上套装固定于绝缘套的绝缘压盖，螺栓穿过压盖以及绝缘套并与方法兰板之间螺纹连接，电极座与灯丝座螺纹连接，内部形成冷却腔，并设置有密封圈实现水密封，钨丝通过灯丝压盖固定在灯丝座上。所述冷却腔的设置实现了灯丝接线柱的高效冷却。

进一步地，位于所述射出口的下方设有阴极栅网，所述阴极栅网射出口之间间隔设置，所述方法兰腔与阴极栅网之间固定连接有支架，阴极栅网与方法兰腔之间通过绝缘组件电位绝缘，阴极栅网上将加载负电，加速电子，吸收阳离子。所述阴极栅网与方法兰腔电位悬浮，并加载负电，在钨丝受热放电射出过程中，可对电子进行加速，同时可吸收阳离子。

进一步地，所述阴极栅网上分布有复数个通孔。这些通孔的设置用于阻挡离子，使电子更好的外射。

进一步地，所述方法兰腔外套装有磁体。磁场的设置增加了电子的振荡，从而进一步提高了电子的运动行程，增大了与气体的碰撞次数，极大地提高了气体的离化率，提升了电子浓度。

进一步地，所述的磁体为永磁体或电磁场，其中，所述磁体的磁场为同性永磁体或单个电磁线圈的单一极向磁场、多组同性永磁体或异性永磁体组成的复合磁场或电磁线圈产生的旋转磁场的一种。

进一步地，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。

进一步地，所述矩形电子源形成三个冷却腔，每个接线柱内的冷却腔、每个接线柱之间相互连通的第一冷却腔、方法兰腔上设置的第二冷却腔。所述钨丝加载低电压大电流，将会加热并发射电子，电子从方法兰腔射出，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，等离子体中的阳离子被阴极栅网吸收，电子被加速溢出；矩形电子源设置三个冷却腔可很好的实现接线柱、方形法兰、法兰腔的冷却，实现矩形电子源的稳定放电。

进一步地，通过采用上述技术方案，第一正极接线柱、第一负极接线柱、第二正极接线柱与第二负极接线柱上同时加载低电压（直流、交流）大电流，钨丝受热并发射电子，电子受放电腔电场、阴极栅网及磁场作用从射出口中射出，为气相沉积提供稳定的电子流。通过方法兰板与方法兰腔的形状设置使得两者之间的组合构成一长矩形，并配合设置的多组电极组，在增大电子源对于炉体辐射面积的基础上，使得电子源能更加均匀的放电。再将第一冷却腔设置为围绕于第一正极接线柱、第一负极接线柱、第二正极接线柱与第二负极接线柱的方式，增大水流与电极组的接触面积，并通过形状为环形的第二冷却腔的设置对方法兰腔进行冷却，同时每个接线柱内形成的冷却腔可对工作中的接线柱进行冷却，使得该电子源能达到更好的冷却作用，保证热电子能长期稳定且均匀的进行放电。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的有益效果如下：

本发明通过矩形形状配合多组电极组、第一冷却腔配合第二冷却腔及接线柱冷却腔、阴极栅网及磁体，使得电子源的辐射面更广、放电均匀且能达到更好的冷却作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例一的立体图；

图2为本发明实施例一的俯视图；

图3为图2中A-A处的剖视图；

图4为图2中B-B处的剖视图；

图5为本发明阴极栅网结构示意图；

图6为本发明灯丝电极结构示意图；

图7为本发明实施例中单一磁极磁场示意图；

图8为本发明实施例二中复合磁场示意图

图9为本发明实施例三电磁线圈示意图。

图中：1、方法兰板；2、电极组；21、第一电极单元；211、第一正极接线柱；212、第一负极接线柱；22、第二电极单元；221、第二正极接线柱；222、第二负极接线柱；3、方法兰腔；4、放电腔；5、钨丝；6、射出口；7、磁体；8、第一冷却腔；9、第一进水口；10、第一出水口；11、第二冷却腔；12、第二进水管；13、第二出水管；14、接线板；15、挡板；16、支架；17、通孔；01、接线柱冷却腔；011、进水管；012、回水管；001、电极座；002、灯丝座；003、压盖；004、绝缘套；005、灯丝压盖。

具体实施方式

以下结合附图，由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

实施例一：

参考图1至图7，一种基于热电子放电的矩形电子源，包括形状为长方形且水平设置的方法兰板1，方法兰板1的上表面固定设置有沿其长度方向间隔排列设置的多组电极组2，电极组2包括第一电极单元21与第一电极单元21间隔设置的第二电极单元22；第一电极单元21包括固定设置于方法兰板1的第一正极接线柱211与固定设置于方法兰板1的第一负极接线柱212、第二电极单元22包括固定设置于方法兰板1的第二正极接线柱221与固定设置于方法兰板1的第二负极接线柱222，同一个电极组2的第一正极接线柱211外端与第二正极接线柱221外端之间、第一负极接线柱212外端与第二负极接线柱222外端之间均固定连接有接线板14。

方法兰板1朝向电极组2的一面设有绝缘套004，所述的每个接线柱安装于绝缘套004上，接线柱的灯丝座002外周壁固设有凸环，凸环上套装固定于绝缘套004的绝缘压盖003，螺栓穿过压盖 003以及绝缘套004并与方法兰板1之间螺纹连接，所述的电极座001与灯丝座002螺纹连接，内部形成冷却腔01，并设置有密封圈实现水密封，钨丝通过灯丝压盖005固定在灯丝座002上。

方法兰板1的内部开设有与多组电极组2一一对应的第一冷却腔8，相邻第一冷却腔8之间连通设置，方法兰板1的上表面分别开设有连通第一冷却腔8的第一进水口9与第一出水口10。方法兰板1的下表面固定设置有横截面形状为长方形的方法兰腔3，方法兰腔3外周壁套设有线圈7；位于方法兰腔3的下方设有挡板15，挡板15与方法兰腔3之间间隔设置，方法兰腔3与挡板15之间通过支架16固定连接。

方法兰腔3的内腔为放电腔4，第一正极接线柱211与第一负极接线柱212之间、第二正极接线柱221与第二负极接线柱222之间均固定连接有位于放电腔4内部的钨丝5，方法兰腔3的底部设有连通放电腔4的射出口6。第一冷却腔8围绕于第一正极接线柱211、第一负极接线柱212、第二正极接线柱221与第二负极接线柱222设置，方法兰腔3内部开设有第二冷却腔11，第二冷却腔11围绕于放电腔4形成一环形，方法兰板1的上表面分别固定设置有连通第二冷却腔11的第二进水管12与第二出水管13。

阴极栅网15通过支架16固定在法兰腔3上，并与法兰腔3通过绝缘组件实现电位悬浮，阴极栅网15上加工有大量通孔17，阴极栅网将施加负电，一方面可吸收放电过程中的阳离子，另一方面可对放电过程中的电子进行加速。

单一极性的磁体7套装在法兰腔3上，磁体7中的磁靴上装载的为同极性的永磁铁N（S），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，电子发生螺旋运动，增大了在放电腔中的行程，提升了与气体碰撞的次数，将会产生更多的电子。

两个电极上的钨丝5施加低电压大电流（直流、交流电），钨丝受热，钨丝中的电子动能增加，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4既可以为悬浮电位，也可以为负电位；阴极栅网与法兰腔3电位绝缘，其为负电位。当放电腔4为悬浮电位时，阴极栅网负电位（-20V），逸出的热电子一部分经碰撞后回到钨丝，大部分经过进入放电腔4，在放电腔4中，电子受套装在放电腔4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；在放电腔4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，从出口处溢出，溢出的等离子体受阴极栅网电场的影响，阳离子被吸附在阴极栅网上，获得电子变为氩气，电子受阴极栅网负电压加速，进入工艺区；当放电腔4为负电位时，逸出的热电子在放电腔5受电场的作用，加速在放电腔4中运动，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壁上，并重新变为气体，而电子从出口处溢出。

说明：对于放电腔4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4带负电时，将会有更多的电子以更高的速度及能量从放电腔4中溢出，其对整个电子源放电有很大的有益处。

故在下面的实施例中仅对放电腔4带负电进行说明。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别之处在于，如图8所示，法兰腔3上套装的磁体7为复合磁场，复合磁场包括单一极向的磁场及双极性磁场，其中，双极性磁场为方形环状磁靴上放置不同极性的磁铁（NS），其相邻磁铁极性相反，双极性磁靴所形成的磁场为闭合环形径向磁场，单一极性的磁场及双极性磁场相邻放置，环形双极性磁场在放电腔4周向方向形成一定数量的环形闭合磁场，电子在放电腔4中将先收到单一极向的磁场影响，发生螺旋运动，在向出口运动的过程中，进入环形双极性磁场范围内，多个轴向闭合磁场加大了电子在运动过程中与工艺气体进行碰撞的次数，产生更多的电子。

两个电极上的钨丝5施加低电压大电流（直流、交流电），钨丝受热，钨丝中的电子动能增加，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4为负电位，阴极栅网与法兰腔3电位绝缘，其为负电位。当放电腔4为负电位（-20V）时，阴极栅网负电位（-20V），逸出的热电子受放电腔4电场的影响，在放电腔4中，电子受套装在放电腔4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；在放电腔4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，从出口处溢出，溢出的等离子体受阴极栅网电场的影响，阳离子被吸附在阴极栅网上，获得电子变为氩气，电子受阴极栅网负电压加速，进入工艺区。

实施例三：

本实施例与实施例二的区别之处在于，如图9所示，法兰腔3上套装的磁体7为电磁场，磁体4可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。

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，相对应的其可在放电腔4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。旋转线圈套装在放电腔4上时，可在放电腔4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。

两个电极上的钨丝5施加低电压大电流（直流、交流电），钨丝受热，钨丝中的电子动能增加，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4为负电位，阴极栅网与法兰腔3电位绝缘，其为负电位。当放电腔4为负电位（-20V）时，阴极栅网负电位（-20V），逸出的热电子受放电腔4电场的影响，在放电腔4中，电子受套装在放电腔4上的电磁场的影响，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；在放电腔4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，从出口处溢出，溢出的等离子体受阴极栅网电场的影响，阳离子被吸附在阴极栅网上，获得电子变为氩气，电子受阴极栅网负电压加速，进入工艺区。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种基于热电子放电的矩形电子源，其特征在于：包括方法兰板(1)，所述方法兰板(1)上沿其长度方向排列有多组电极组(2)，所述电极组(2)包括第一电极单元(21)和第二电极单元(22)，所述第一电极单元(21)包括第一正极接线柱(211)和第一负极接线柱(212)、所述第二电极单元(22)包括第二正极接线柱(221)和第二负极接线柱(222)，第一正极接线柱(211)、第一负极接线柱(212)、第二正极接线柱(221)和第二负极接线柱(222)内均形成冷却腔（01），所述冷却腔（01）通过进水管（011）及回水管（012）之间的水流带走每个接线柱工作中产生的热量，所述方法兰板(1)背对电极组(2)的一面固定安装有方法兰腔(3)，所述方法兰腔(3)的内腔为放电腔(4)，所述第一正极接线柱(211)与第一负极接线柱(212)之间、第二正极接线柱(221)与第二负极接线柱(222)之间均连接有位于放电腔(4)内部的钨丝(5)，所述方法兰腔(3)外壁设有连通放电腔(4)且位于钨丝(5)正下方的射出口(6)，所述方法兰腔(3)外套装有磁体(7)，射出口（6）前装配有阴极栅网（15），所述方法兰板(1)内部设有与多组电极组(2)一一对应的第一冷却腔(8)，相邻所述第一冷却腔(8)之间连通设置，所述第一冷却腔(8)围绕于第一正极接线柱(211)、第一负极接线柱(212)、第二正极接线柱(221)与第二负极接线柱(222)，所述方法兰板(1)上分别设有连通第一冷却腔(8)的第一进水口(9)与第一出水口(10)，所述方法兰腔(3)内部设有第二冷却腔(11)，所述第二冷却腔(11)围绕于放电腔(4)形成一环形，所述方法兰腔(3)上分别设有连通第二冷却腔(11)的第二进水管(12)与第二出水管(13)；所述方法兰板(1)朝向电极组(2)的一面设有绝缘套(004)，所述的每个接线柱安装于绝缘套(004)上，接线柱的灯丝座（002）外周壁固设有凸环，凸环上套装固定于绝缘套(004)的绝缘压盖(003)，螺栓穿过压盖(003)以及绝缘套(004)并与方法兰板(1)之间螺纹连接，电极座(001)与灯丝座（002）螺纹连接，内部形成冷却腔（01），并设置有密封圈实现水密封，钨丝（5）通过灯丝压盖（005）固定在灯丝座（002）上。

2.根据权利要求1所述的基于热电子放电的矩形电子源，其特征在于：位于同一所述电极组(2)的第一正极接线柱(211)外端与第二正极接线柱(221)外端之间、第一负极接线柱(212)外端与第二负极接线柱(222)外端之间均连接有接线板(14)。

3.根据权利要求1所述的基于热电子放电的矩形电子源，其特征在于：位于所述射出口(6)的下方设有阴极栅网(15)，所述阴极栅网(15)与射出口(6)之间间隔设置，所述方法兰腔(3)与阴极栅网(15)之间固定连接有支架(16)，阴极栅网（15）与方法兰腔（3）之间通过绝缘组件电位绝缘，阴极栅网（15）上将加载负电，加速电子，吸收阳离子。

4.根据权利要求3所述的基于热电子放电的矩形电子源，其特征在于：所述阴极栅网(15)上分布有复数个通孔(17)。

5.根据权利要求1所述的基于热电子放电的矩形电子源，其特征在于：所述的磁体（7）为永磁体或电磁体，其中，所述磁体（7）的磁场为同性永磁体或单个电磁线圈的单一极向磁场、多组同性永磁体或异性永磁体组成的复合磁场或电磁线圈产生的旋转磁场的一种。

6.根据权利要求5所述的基于热电子放电的矩形电子源，其特征在于：所述电磁线圈既可以为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。

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