CN110797242B - 一种用于镀膜的冷阴极电子枪装置 - Google Patents

Abstract

一种用于镀膜的冷阴极电子枪装置，包括室外枪体组件和室内偏转线圈组件，室外枪体组件的电子枪壳体的外部一端安装固定套环、另一端通过法兰固定在真空室壁上，并与真空室内的室内偏转线圈组件连接；电子枪壳体的内部一端设有阴极组件、另一端设有阳极组件，阴极组件通过绝缘子与固定套环连接，阴极组件包括导电套环，水冷散热器和金属阴极，金属阴极的一端内凹形成反球面、另一端嵌入陶瓷套筒，陶瓷套筒中设有六硼化铼阴极，水冷散热器的内部设置环形水冷通道。本发明可使阴极组件寿命大幅提高，从而减少更换频率，提高镀膜质量。

Description

一种用于镀膜的冷阴极电子枪装置

技术领域

本发明涉及光学镀膜技术领域，特别是涉及一种用于镀膜的冷阴极电子枪装置。

背景技术

近年来，光学镀膜技术得到了持续发展，镀膜设备市场增长趋势显著。

光学镀膜的真空镀膜方法通常包括电阻蒸镀、电子束蒸镀、磁控溅射、离子束溅射、离子束直接沉积等，其中：电阻蒸镀难以用于钨、钼、钽等难熔金属的蒸镀，而且由于蒸镀材料与坩埚的温度差异易发生化学反应，降低镀膜质量；电子束蒸发真空镀膜技术是一种利用电子束为热源加热坩埚中的镀膜材料使其气化并沉积到温度较低的基片上，形成需要的薄膜，电子束源的应用极大扩展了真空镀膜技术的镀膜材料选择范围；磁控溅射技术对靶材利用率不高，一般只有40％，制备多层膜各膜层之间易受污染；离子束溅射一般轰击靶材面积较小，沉积效率一般不高，且溅射装置比较复杂，运行成本高；离子束直接沉积技术镀膜材料范围广，但是常用制备高品质膜层的RF离子源结构复杂，操作维护难度较大。

当前，应用较多的还是电子束蒸发真空镀膜，而电子束蒸发真空镀膜技术国内外研究机构所研制的电子束源几乎都是基于热阴极的电子束源技术。热阴极电子束源通常采用钨灯丝作为阴极，而阴极加热会带来钨蒸气的挥发，会导致膜层质量降低；并且阴极寿命有限，一只有般20～30小时，难以适用高品质膜层制备。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于镀膜的冷阴极电子枪装置，通过在阴极组件中设置水冷通道，保障阴极组件长期稳定工作，使得阴极组件寿命大幅提高，从而减少阴极组件更换频率，有效提高镀膜质量。

一种用于镀膜的冷阴极电子枪装置，包括室外枪体组件和室内偏转线圈组件，所述室外枪体组件的电子枪壳体的外部一端安装固定套环、另一端通过法兰固定在真空室壁上，并与真空室内的室内偏转线圈组件连接；所述电子枪壳体的内部一端设有阴极组件、另一端设有阳极组件，所述阴极组件通过绝缘子与固定套环连接，其中，

所述阴极组件包括与绝缘子同轴安装的导电套环，及与所述导电套环的内壁连接的水冷散热器和金属阴极，所述金属阴极朝向所述阳极组件的一端内凹形成反球面、另一端内凹并嵌入陶瓷套筒，所述陶瓷套筒中安装六硼化铼阴极，所述水冷散热器的内部设置密封的环形水冷通道，所述环形水冷通道通过水冷散热器上设置的进水管和出水管与外部水冷系统连接；

所述室内偏转线圈组件用于将从所述阳极组件输出的电子束偏转，以使电子束达到位于所述阳极组件一侧的靶材的上表面上。

进一步地，所述水冷散热器的一端外壁与所述绝缘子的内壁螺纹连接，另一端的外壁与所述导电套环的内壁螺纹连接、且中部凸起部分伸入到所述陶瓷套筒中抵住所述六硼化铼阴极；

所述金属阴极的外壁与所述导电套环的内壁螺纹连接。

进一步地，所述金属阴极与所述水冷散热器接触的表面上涂抹导热硅脂。

进一步地，所述水冷散热器中设有高压输入连接端子，所述高压输入连接端子用于将所述阴极组件与负高压电源联接；

所述阳极组件接地，以使与所述阴极组件之间形成加速电场。

进一步地，所述阳极组件包括阳极主体，所述阳极主体的一端卡在所述电子枪壳体的端部、另一端延伸入所述电子枪壳体的内部，其中，

所述阳极主体的中心轴线上设置供电子束通过的阳极孔；

所述阳极主体的内部设置环形水道，所述环形水道通过阳极主体上设置的阳极进水管和阳极出水管与外部水冷系统连接；

所述阳极主体的外壁上设有导气管，内侧设有出气孔。

进一步地，所述环形水道的内部设有隔板，所述阳极进水管和阳极出水管分别位于所述隔板的两侧。

进一步地，所述室内偏转线圈组件包括紧靠所述阳极组件依序设置的聚焦线圈、第一偏转线圈和扫描线圈，与所述扫描线圈以45°夹角安装的第二偏转线圈，以及设于所述第二偏转线圈和所述靶材之间的永磁体偏转磁场。

进一步地，所述第二偏转线圈采用对称极靴线圈结构。

进一步地，所述室内偏转线圈组件包括紧靠所述阳极组件依序设置的聚焦线圈、扫描线圈和第二偏转线圈，以及设于所述第二偏转线圈和所述靶材之间的永磁体偏转磁场。

进一步地，所述第二偏转线圈采用一对平面螺旋线结构。

综上，本发明通过在阴极组件中设置水冷通道，保障阴极组件长期稳定工作，使得阴极组件寿命大幅提高，从而减少阴极组件更换频率，有效提高镀膜质量；通过所述金属阴极及其中的反球面和六硼化铼阴极，可以使得阴极组件发射的二次电子集中在六硼化铼阴极表面，可显著缩小冷阴极电子枪装置输出电子束的束斑直径，改善束斑能量密度分布；通过调整室内偏转线圈组件流过电流大小、方向，可以满足冷阴极电子枪装置在真空室壁上进行垂直倒立安装或水平安装的需求，使电子束束流输出偏转达90°～180°到达靶材的上表面上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例中用于镀膜的冷阴极电子枪装置的结构示意图。

图2是图1中的阴极组件的结构示意图。

图3是图1中的阳极组件的安装示意图。

图4是图3中的阳极组件的俯视图。

图5是图1中第二偏转线圈的结构示意图。

图6本发明第二实施例中用于镀膜的冷阴极电子枪装置的结构示意图。

图7是图6中第二偏转线圈的结构示意图。

图中：

1-阴极组件；100-六硼化铼阴极；1000-室外枪体组件；101-陶瓷套筒；102-金属阴极；103-导电套环；104-水冷散热器；105-出水管；106-进水管；107-高压接线端子；2-绝缘子；3-电子枪壳体；4-阳极组件；400-阳极主体；401-阳极进水管；402-阳极出水管；403-导气管；404-环形水道；405-出气孔；406-阳极孔；407-螺纹孔；5-聚焦线圈；6-第一偏转线圈；7-扫描线圈；8-第二偏转线圈；9-永磁体偏转磁场；10-电子束；11-靶材；12-固定套环；2000-室内偏转线圈组件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参阅图1至图5，本发明第一实施例中提供的一种用于镀膜的冷阴极电子枪装置，包括室外枪体组件1000和室内偏转线圈组件2000，所述室外枪体组件1000的电子枪壳体3的外部一端安装固定套环12、另一端另一端通过法兰固定在真空室壁上，并与真空室内的室内偏转线圈组件2000连接；，所述电子枪壳体3的内部一端设有阴极组件1、另一端设有阳极组件4，所述阴极组件1通过绝缘子2与固定套环12连接，其中，

所述阴极组件1包括与绝缘子2同轴安装的导电套环103，及与所述导电套环103的内壁连接的水冷散热器104和金属阴极102，所述金属阴极102朝向所述阳极组件4的一端内凹形成反球面、另一端内凹并嵌入陶瓷套筒101，所述陶瓷套筒101中安装六硼化铼阴极100，所述水冷散热器104的内部设置密封的环形水冷通道，所述环形水冷通道通过水冷散热器104上设置的进水管106和出水管105与外部水冷系统连接；

所述室内偏转线圈组件用于将从所述阳极组件4输出的电子束10进行偏转，以使电子束10达到位于所述阳极组件4一侧的靶材11的上表面上。

需要说明的是，本实施例中，所述绝缘子2用于固定安装所述阴极组件1，以保障所述阴极组件1与所述电子枪壳体3之间的耐压。所述绝缘子2、固定套环12与电子枪壳体3之间安装密封圈13，保障电子枪内部的真空度。

请参阅图1和图2，所述水冷散热器104的一端外壁与所述绝缘子2的内壁螺纹连接，另一端的外壁与所述导电套环103的内壁螺纹连接、且中部凸起部分伸入到所述陶瓷套筒101中抵住所述六硼化铼阴极100；

所述金属阴极102的外壁与所述导电套环103的内壁螺纹连接，即所述导电套环103的内壁同时连接所述金属阴极102和水冷散热器104，使得所述金属阴极102和水冷散热器104处于相同电位。

具体的，所述金属阴极102上表面为光滑平面，以便于与所述水冷散热器104的表面密切贴合，下表面为光滑反球面结构，以便于形成加速电场，对所述阴极组件1发射的二次电子进行初次汇聚和加速。所述陶瓷套筒101下表面设置环形凸台，以保障六硼化铼阴极100不从陶瓷套筒101中掉落。所述金属阴极102嵌入陶瓷套筒101部分设置有凸台，保障陶瓷套筒101能够得到固定。所述水冷散热器104下表面中部设置一个圆形凸台，所述圆形凸台表面与六硼化铼阴极100上表面密切贴合，保障负高压能传输到六硼化铼阴极100。

作为一种优选实施方式，所述金属阴极101与所述水冷散热器104接触的表面上涂抹导热硅脂，保障其与水冷散热器104下表面密切贴合，进行快速散热。

请参阅图1和图2，所述水冷散热器104中设有高压输入连接端子107，所述高压输入连接端子107用于将所述阴极组件1与负高压电源联接；

所述阳极组件4接地，以使与所述阴极组件1之间形成加速电场，该加速电场对阴极组件1发射的二次电子进行初次汇聚和加速。

请参阅图1和图3，所述阳极组件4包括阳极主体400，所述阳极主体400的一端卡在所述电子枪壳体3的端部、另一端延伸入所述电子枪壳体3的内部，其中，

所述阳极主体400的中心轴线设置供电子束通过的阳极孔406；

所述阳极主体400的内部设置环形水道404，所述环形水道404通过阳极主体400上设置的阳极进水管401和阳极出水管402与外部水冷系统连接；

所述阳极主体400的外壁上设有导气管403，内侧设有出气孔405。

需要说明的是，所述导气管403用于将放电气体导入到电子枪装置内部的阴极组件1、电子枪壳体3和阳极组件4之间形成的腔室中。

作为一种优选实施方式，所述环形水道404的内部设有隔板，所述阳极进水管401和阳极出水管402分别位于所述隔板的两侧，防止进水、出水相互干扰。

请参阅图1和图4，所述阳极主体400设置外法兰，所述外法兰上均布多个螺纹孔407，通过螺栓穿过螺纹孔407与电子枪壳体3下端设置的法兰连接，所述外法兰与电子枪壳体3下端设置的法兰之间设置密封圈，以保障电子枪装置内部的真空度。

所述法兰与真空室壁通过螺栓可拆卸式连接，使电子枪壳体固定在真空室上，

请参阅图1和图5，所述室内偏转线圈组件包括紧靠所述阳极组件4依序设置的聚焦线圈5、第一偏转线圈6和扫描线圈7，与所述扫描线圈7以45°夹角安装的第二偏转线圈8，以及设于所述第二偏转线圈8和所述靶材11之间的永磁体偏转磁场9。

需要说明的是，本实施例中，所述聚焦线圈5、第一偏转线圈6、扫描线圈7与绝缘子2、阴极组件1、阳极组件4同轴垂直安装，所述聚焦线圈5、第一偏转线圈6、扫描线圈7均安装于真空室内部。所述第一偏转线圈6提供一个垂直射入纸面的磁场；所述扫描线圈7包括X向、Y向两组线圈，分别通入相同幅值、频率的正弦波电流、余弦波电流，使得电子束10以圆形轨迹扫描靶材11加热区域，保证靶材均匀加热蒸发；所述第二偏转线圈8采用对称极靴线圈结构，提供一个垂直射入纸面的磁场。

具体过程是：电子束10从阳极孔406输出，经过聚焦线圈5进行聚焦，再经过第一偏转线圈6向左偏转45°；电子束10在经过第二偏转线圈8再次向左偏转45°后，达到永磁体偏转磁场9中，所述永磁体偏转磁场9产生垂直射入纸面的均匀磁场使得电子束10再偏转90°，以达到靶材11的上表面上。

进一步需要说明的是，在其它实施例中，所述第一偏转线圈6、第二偏转线圈8、永磁体偏转磁场9还可产生垂直射出纸面的均匀磁场，使得电子束10从阳极孔406输出后，可以产生向右180°偏转，以满足其它安装方式的需求。

请参阅图6和图7，为本发明第二实施例中提供的一种用于镀膜的冷阴极电子枪装置，本实施例中与第一实施例的不同的在于室内偏转线圈组件。

具体的，所述室内偏转线圈组件2000包括紧靠所述阳极组件4依序设置的聚焦线圈5、扫描线圈7和第二偏转线圈8，以及设于所述第二偏转线圈8和所述靶材11之间的永磁体偏转磁场9。

需要说明的是，本实施例中，所述第二偏转线圈8与扫描线圈7之间水平安装。所述扫描线圈7包括X向、Y向两组线圈，分别通入相同幅值、频率的正弦波电流、余弦波电流，使得电子束10以圆形扫描靶材11加热区域，保证靶材均匀加热蒸发；所述第二偏转线圈8采用一对平面螺旋线结构，平面螺旋线结构可以绕制成圆形，也可以绕制成方形，所述第二偏转线圈8提供一个垂直射入纸面的磁场。

具体过程是：所述电子束10从阳极孔406输出，经过聚焦线圈5进行聚焦，再经过第二偏转线圈8偏转90°后，达到永磁体偏转磁场9中，所述永磁体偏转磁场9产生垂直射入纸面的均匀磁场使得电子束10再偏转90°，以达到靶材11的上表面上。

进一步需要说明的是，在其它实施例中，所述第二偏转线圈8、永磁体偏转磁场9还可产生垂直射出纸面的均匀磁场，使得电子束10从阳极孔406输出后，可以产生向右180°偏转，以满足其它安装方式的需求。

综上，本发明通过在阴极组件1中设置水冷通道，保障阴极组件1长期稳定工作，使得阴极组件1寿命大幅提高，从而减少阴极组件1更换频率，有效提高镀膜质量；通过所述金属阴极102及其中的反球面和六硼化铼阴极100，可以使得阴极组件1发射的二次电子集中在六硼化铼阴极100表面，可显著缩小冷阴极电子枪装置输出电子束的束斑直径，改善束斑能量密度分布；通过调整室内偏转线圈组件2000各线圈流过电流大小、方向，可以满足冷阴极电子枪装置在真空室壁上进行垂直倒立安装或水平安装，使电子束束流偏转90°～180°到达靶材的上表面上。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见装置实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种用于镀膜的冷阴极电子枪装置，包括室外枪体组件和室内偏转线圈组件，其特征在于，室外枪体组件的电子枪壳体的外部一端安装固定套环、另一端通过法兰固定在真空室壁上，并与真空室内的室内偏转线圈组件连接；所述电子枪壳体的内部一端设有阴极组件、另一端设有阳极组件，所述阴极组件通过绝缘子与固定套环连接，其中，

所述阴极组件包括与绝缘子同轴安装的导电套环，及与所述导电套环的内壁连接的水冷散热器和金属阴极，所述金属阴极朝向所述阳极组件的一端内凹形成反球面、另一端内凹并嵌入陶瓷套筒，所述陶瓷套筒中安装六硼化铼阴极，所述水冷散热器的内部设置密封的环形水冷通道，所述环形水冷通道通过水冷散热器上设置的进水管和出水管与外部水冷系统连接；

所述室内偏转线圈组件用于将从所述阳极组件输出的电子束偏转，以使电子束达到位于所述阳极组件一侧的靶材的上表面上；

所述水冷散热器的一端外壁与所述绝缘子的内壁螺纹连接，另一端的外壁与所述导电套环的内壁螺纹连接、且中部凸起部分伸入到所述陶瓷套筒中抵住所述六硼化铼阴极；所述金属阴极的外壁与所述导电套环的内壁螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的用于镀膜的冷阴极电子枪装置，其特征在于，所述金属阴极与所述水冷散热器接触的表面上涂抹导热硅脂。

3.根据权利要求1所述的用于镀膜的冷阴极电子枪装置，其特征在于，所述水冷散热器中设有高压输入连接端子，所述高压输入连接端子用于将所述阴极组件与负高压电源联接；

所述阳极组件接地，以使与所述阴极组件之间形成加速电场。

4.根据权利要求1所述的用于镀膜的冷阴极电子枪装置，其特征在于，所述阳极组件包括阳极主体，所述阳极主体的一端卡在所述电子枪壳体的端部、另一端延伸入所述电子枪壳体的内部，其中，

所述阳极主体的中心轴线上设置供电子束通过的阳极孔；

所述阳极主体的内部设置环形水道，所述环形水道通过阳极主体上设置的阳极进水管和阳极出水管与外部水冷系统连接；

所述阳极主体的外壁上设有导气管，内侧设有出气孔。

5.根据权利要求4所述的用于镀膜的冷阴极电子枪装置，其特征在于，所述环形水道的内部设有隔板，所述阳极进水管和阳极出水管分别位于所述隔板的两侧。

6.根据权利要求1所述的用于镀膜的冷阴极电子枪装置，其特征在于，所述室内偏转线圈组件包括紧靠所述阳极组件依序设置的聚焦线圈、第一偏转线圈和扫描线圈，与所述扫描线圈以45°夹角安装的第二偏转线圈，以及设于所述第二偏转线圈和所述靶材之间的永磁体偏转磁场。

7.根据权利要求6所述的用于镀膜的冷阴极电子枪装置，其特征在于，所述第二偏转线圈采用对称极靴线圈结构。

8.根据权利要求1所述的用于镀膜的冷阴极电子枪装置，其特征在于，所述室内偏转线圈组件包括紧靠所述阳极组件依序设置的聚焦线圈、扫描线圈和第二偏转线圈，以及设于所述第二偏转线圈和所述靶材之间的永磁体偏转磁场。

9.根据权利要求8所述的用于镀膜的冷阴极电子枪装置，其特征在于，所述第二偏转线圈采用一对平面螺旋线结构。

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