CN115602509A - 一种大功率气体放电电子枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率气体放电电子枪，属于电子枪技术领域，包括水冷放电腔室外壳以及置于水冷放电腔室外壳中的阴极和阳极，水冷放电腔室外壳、阴极和阳极构成放电腔室，在阳极远离阴极的一端安装有设置多孔气流导引组件，将传统的单一气流输入模式优化为多孔气流输入模式，可以保障输入到放电腔室内的气流沿着放电腔室内壁以层流状态均匀分布，减少低压大电流电弧放电发生几率；在放电腔室附近设置电弧放电红外检测单元，可以快速检测到放电腔室内低压大电流电弧放电发生与消失时刻，可为控制电路提供精准控制参数，调整气体放电电子枪电源的工作状态，从而保障气体放电电子枪长期稳定工作。

Description

一种大功率气体放电电子枪

技术领域

本发明属于电子枪技术领域，具体涉及一种大功率气体放电电子枪。

背景技术

电子束加工技术已经广泛应用于航空航天、船舶、汽车、化工、医疗等行业领域，取得显著的社会经济效益。电子束加工技术的核心装置是电子枪，电子枪按照电子产生的方式可以分为热阴极电子枪和冷阴极电子枪。

热阴极电子枪通常工作电压较高，工业领域常用的热阴极电子枪其最高工作电压最高可以达到-150kV，但是上百千瓦的高压大功率热阴极电子枪实现起来技术难度大，而且热阴极电子枪阴极工作寿命有限，一般仅有数十个小时，难以适应需要长期稳定工作大功率束流输出的工作环境。

冷阴极电子枪按照所发射电子的特征，可以严格划分为基于等离子体阴极的冷阴极气体放电电子枪和基于等离子体阳极的冷阴极气体放电电子枪。基于等离子体阴极的冷阴极气体放电电子枪特指将放电气体产生的等离子体作为一个极，从其中将电子引出的一种电子枪结构，由于将放电气体产生的等离子体中电子引出难度大，一般功率很难提高，通常无法应用于数十千瓦，甚至数百千瓦电子束流功率输出的工作环境中。而基于等离子体阳极的冷阴极气体放电电子枪的工作原理是在零点几帕或几十帕的压力环境下，放电腔室内充满工作气体，在阴极、阳极之间施加几千到几十千伏特的电压，使阴极、阳极之间产生气体放电，形成等离子体，等离子体中的正离子在电场作用下轰击阴极表面，产生二次电子，所述二次电子与等离子体中的电子经过阴-阳极之间的加速电压加速，并借助于此类电子枪的静电汇聚系统与电磁聚焦系统的聚焦功能，形成能量高度集中的电子束，所述基于等离子体阳极的冷阴极气体放电电子枪也称为气体放电电子枪，一般功率能够达到数百千瓦，在国内外均得到了应用。

所述气体放电电子枪功率大，要求工作气体均匀输入，才能保障电子束流稳定输出；并且在放电腔室内部不可避免的存在低压大电流电弧放电现象，需要快速检测这种现象并予以保护，才能维持电子束流稳定地输出。但是气体放电电子枪的工作气体一般通过单一的进气口输入到气体放电电子枪的放电腔室内，在放电腔室内的低气压环境下，工作气体难以实现沿着整个放电腔室内壁均匀层流分布，极易形成某一位置气流分布较多，其它位置气流分布较少的现象，不仅会导致电子束束斑能量分布不均匀，而且气流分布较多位置容易发生低压大电流的电弧放电，使得气体放电电子枪电子束流输出过程难以稳定。

目前针对气体放电电子枪出现低压大电流的电弧放电现象，常用的方法一般都是采用放电灭弧电路，当系统检测到气体放电电子枪出现低压大电流的电弧放电状态时，使电子枪的驱动电源关闭高压输出数毫秒至数十毫秒，待大电流电弧放电状态消失后，恢复高压输出至正常状态。此类检测方式，无法快速判断放电腔室内电弧放电发生与消失时刻，驱动电源关闭高压输出时间需要反复调整，获得电子束流稳定输出的放电灭弧电路参数调整十分繁琐；且当更换电子枪放电工作气体种类，或调节工作电压及输入气流量时，需要重新调节放电灭弧电路的参数，才能保障电子束流稳定输出，否则极易造成电子束流极大范围波动，影响加工质量，并可能对外产生电磁干扰，影响附近其它设备正常工作。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种大功率气体放电电子枪，可以实现工作气体沿着整个放电腔室内壁均匀层流分布，且能快速检测到低压大电流电弧放电发生与消失时刻并予以保护， 最终达到维持电子束流稳定输出的目的。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种大功率气体放电电子枪，包括水冷放电腔室外壳以及置于水冷放电腔室外壳中的阴极和阳极，所述阴极面向阳极的一端为内凹的球面结构，所述阳极为漏斗状结构，所述阳极面向阴极的一端外沿宽度大于阳极远离阴极的一端外沿宽度，所述水冷放电腔室外壳内壁设有起弧凸台，所述起弧凸台内沿与阴极正对阳极的一端外沿平行；

所述水冷放电腔室外壳内部设置阴极的一端安装有绝缘子，所述阴极安装在绝缘子面向阳极的一端上，所述绝缘子通过密封组件与阴极密封连接，所述绝缘子远离阳极的一端设置有顶端凸沿，所述绝缘子的顶端凸沿与水冷放电腔室外壳密封连接；

所述位于水冷放电腔室外壳内的绝缘子的顶端凸沿朝向水冷放电腔室外壳内侧设置了内置红外接收二极管组，所述内置红外接收二极管组包括若干红外探测二极管，红外探测二极管的检测信号引入到外置检测电路；

所述阳极远离阴极的一端安装在多孔气流导引组件上，所述多孔气流导引组件与水冷放电腔室外壳靠近阳极的一端密封连接，所述多孔气流导引组件沿着远离阴极的方向依次设有凹止口和中心通孔，所述阳极远离阴极的一端安装在多孔气流导引组件的凹止口内，所述多孔气流导引组件的凹止口内侧壁与阳极之间存在缝隙，所述阳极也设有中心通孔，所述阳极的中心通孔与多孔气流导引组件的凹止口、中心通孔处于同一轴线上；所述多孔气流导引组件外侧壁设置有一个气流输入端口，所述多孔气流导引组件的凹止口内侧壁设置若干气流输出端口，所述气流输入端口与气流输出端口通过多孔气流导引组件内部管道连接。

优选的：所述外置检测电路包括若干比较器电路，比较器电路的数量与红外探测二极管的数量相同且比较器电路与红外探测二极管一一对应，所述比较器电路的结构均相同，每个比较器电路包括1个比较器，比较器的正输入端通过1个电阻连接VCC正电压以及通过1个电阻接地，比较器的负输入端连接对应红外探测二极管的正极，比较器的负输入端通过1个电阻连接VCC正电压，对应红外探测二极管的负极接地，比较器的输出端即为相应比较器电路的输出端，该比较器的输出端通过1个电阻连接VCC正电压，比较器的输出端通过二极管连接外置检测电路的第一输出端，其中比较器的输出端连接该二极管的正极，外置检测电路的第一输出端通过1个电阻接地，比较器的输出端还通过二极管连接外置检测电路的第二输出端，其中比较器的输出端连接该二极管的负极，外置检测电路的第二输出端通过1个电阻连接VCC正电压。

优选的：所述阳极面向阴极的一端外沿与水冷放电腔室外壳的内壁间隙小于1mm；

所述起弧凸台内沿与阴极正对阳极的一端外沿之间间距不小于10mm。

优选的：所述水冷放电腔室外壳为中空结构，设有水冷放电腔室外壳进水口和水冷放电腔室外壳出水口；

所述阴极为中空结构，设有阴极进水口与阴极出水口。

优选的：所述多孔气流导引组件内部管道包括第一气流缓冲管道和第二气流缓冲管道，所述第一气流缓冲管道连接气流输入端口，所述第二气流缓冲管道连接气流输出端口，所述第一气流缓冲管道和第二气流缓冲管道之间设置了气流遮挡壁，气流遮挡壁上设置了气流连接通孔。

优选的：在绝缘子的顶端凸沿至阴极安装端面的、正对水冷放电腔室外壳内壁的表面设置了若干凸台。

优选的：所述多孔气流导引组件远离阳极的一端安装有水冷束流导引通道，所述水冷束流导引通道与多孔气流导引组件同轴密封连接固定在一起，所述水冷束流导引通道中心设置通孔，通孔直径不小于阳极的中心通孔直径；

所述水冷束流导引通道上依次设置有预聚焦线圈、合轴线圈、主聚焦线圈和扫描线圈，其中：

所述水冷束流导引通道靠近多孔气流导引组件的一端安装预聚焦线圈；

在所述预聚焦线圈远离多孔气流导引组件的一端安装合轴线圈；

在所述合轴线圈远离预聚焦线圈的一端安装主聚焦线圈；

在所述主聚焦线圈远离合轴线圈的一端安装了扫描线圈。

优选的：在所述合轴线圈与主聚焦线圈之间设置了线圈水冷单元；所述线圈水冷单元设置了线圈水冷单元进水口与线圈水冷单元出水口。

优选的：所述水冷束流导引通道为中空结构，设置有水冷束流导引通道进水口和水冷束流导引通道出水口。

优选的：所述水冷束流导引通道远离多孔气流导引组件的一端设置安装法兰。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的有益效果：

1、本发明设置了多孔气流导引组件，将传统的单一气流输入模式优化为多孔气流输入模式，可以保障输入到放电腔室内的气流沿着放电腔室内壁以层流状态均匀分布，减少低压大电流电弧放电发生几率；

2、本发明将基于红外探测二极管的电弧放电红外检测单元安装于气体放电电子枪上，可以快速检测到放电腔室内低压大电流电弧放电发生与消失时刻，可为控制电路提供精准控制参数，调整气体放电电子枪电源的工作状态，从而保障气体放电电子枪长期稳定工作；

3、本发明设置了预聚焦线圈、合轴线圈、主聚焦线圈、扫描线圈组成的气体放电电子枪的电子光学系统，可以更加方便调整电子束束斑形貌及电子束在工件表面能量分布状态，满足更加复杂的电子束加工工艺需求。

附图说明

图1是本发明所述的一种大功率气体放电电子枪示意图；

图2是本发明多孔气流导引组件剖面图；

图3是本发明多孔气流导引组件内部气流连接通孔、气流输出端口布局示意图；

图4是本发明电弧放电红外检测单元的外置检测电路框图；

图5是本发明电弧放电红外检测单元的内置红外接收二极管组布局示意图；

图中：1、阴极；101、阴极密封组件；102、阴极进水口；103、阴极出水口；2、阳极；3、绝缘子；4、起弧凸台；5、内置红外接收二极管组；501、第一红外探测二极管；502、第二红外探测二极管；503、第三红外探测二极管；504、第四红外探测二极管；6、外置检测电路；7、高压导线；8、多孔气流导引组件；801、气流输入端口；802、第一气流缓冲管道；803、第二气流缓冲管道；804、气流遮挡壁；9、水冷放电腔室外壳；901、水冷放电腔室外壳进水口；902、水冷放电腔室外壳出水口；10、预聚焦线圈；11、合轴线圈；12、线圈水冷单元；121、线圈水冷单元进水口；122、线圈水冷单元出水口；13、主聚焦线圈；14、扫描线圈；15、水冷束流导引通道；151、水冷束流导引通道进水口；152、水冷束流导引通道出水口；153、安装法兰。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

针对当前气体放电电子枪的放电腔室内气流分布状态难以获得沿壁层流均布的效果，以及放电腔室内电弧放电现象的发生及消失时刻检测不及时等问题所导致束流输出不稳定的现状，本发明公开了一种大功率气体放电电子枪，设置多孔气流导引组件，可以保障输入到放电腔室内的气流沿着放电腔室内壁以层流状态均匀分布，减少低压大电流电弧放电发生几率；并且在放电腔室附近设置电弧放电红外检测单元，可以快速检测到低压大电流电弧放电发生与消失时刻，将检测到的信号反馈给电源控制系统，实现高压输出快速关闭及启动，不仅可保护电子枪及电源系统，且能够保持功率输出稳定，满足特种加工领域对数百千瓦大功率电子束流稳定输出的需求。

如图1、图2所示，本发明所述的大功率气体放电电子枪包括水冷放电腔室外壳9以及置于水冷放电腔室外壳9中的阴极1和阳极2，所述阴极1连接负高压，所述阳极2接地，所述水冷放电腔室外壳9接地，所述阴极1面向阳极2的一端为内凹的球面结构，所述阳极2为漏斗状结构，所述阳极2面向阴极1的一端外沿宽度大于阳极2远离阴极1的一端外沿宽度，所述阳极2面向阴极1的一端外沿与水冷放电腔室外壳9的内壁间隙小于1mm，所述水冷放电腔室外壳9内壁设有起弧凸台4，所述起弧凸台4内沿与阴极1正对阳极2的一端外沿平行，且所述起弧凸台4内沿与阴极1正对阳极2的一端外沿之间间距不小于10mm，所述阳极2、阴极1、起弧凸台4以及水冷放电腔室外壳9共同包围的空间为一个放电腔室。

所述水冷放电腔室外壳9为中空结构，设有水冷放电腔室外壳进水口901和水冷放电腔室外壳出水口902，为水冷放电腔室外壳9提供水冷。

所述阴极1为中空结构，阴极1通过阴极进水口102与阴极出水口103与阴极水冷系统连接，所述阴极水冷系统为阴极1提供独立水冷，所用水为去离子水。

所述水冷放电腔室外壳9内部设置阴极1的一端安装有绝缘子3，所述阴极1固定安装在绝缘子3面向阳极2的一端上，所述绝缘子3将阴极1与水冷放电腔室外壳9进行有效绝缘，所述绝缘子3可保障阴极1与水冷放电腔室外壳9之间耐压不小于30kV，所述绝缘子3远离阳极2的一端设置有顶端凸沿，所述绝缘子3的顶端凸沿与水冷放电腔室外壳9密封连接，且在绝缘子3的顶端凸沿至阴极1安装端面的、正对水冷放电腔室外壳9内壁的表面设置了多个凸台，以增大爬电距离。所述绝缘子3还通过密封组件101与阴极1密封连接，具体的：阴极进水口102与阴极出水口103穿过绝缘子3和密封组件101连接到阴极水冷系统，所述阴极1位于绝缘子3与水冷放电腔室外壳9构成的空间内，所述阴极水冷系统位于绝缘子3与水冷放电腔室外壳9构成的空间外，此时阴极1所在的环境为真空环境，阴极水冷系统所在的环境为大气环境，密封组件101可以起到防止真空泄漏的作用；同时阴极1的中空结构中带有水冷，密封组件101可以起到防水的作用。

所述位于水冷放电腔室外壳9内的绝缘子3的顶端凸沿朝向放电腔室内侧设置了内置红外接收二极管组5，所述内置红外接收二极管组5至少包括4个红外探测二极管，红外探测二极管的检测信号通过真空航插引入到外置检测电路6，所述真空航插能够隔绝大气环境和真空环境。本发明的一种实施例中，为了减少干扰且令连接线尽可能短，所述外置检测电路6和内置红外接收二极管组5分别位于绝缘子3的顶端凸沿两侧的对应位置。所述外置检测电路6包括若干比较器电路，比较器电路的数量与红外探测二极管的数量相同且比较器电路与红外探测二极管一一对应，所述比较器电路的结构均相同，每个比较器电路包括1个比较器，比较器的正输入端通过1个电阻连接VCC正电压以及通过1个电阻接地，比较器的负输入端连接对应红外探测二极管的正极，对应红外探测二极管的正极即比较器的负输入端通过1个电阻连接VCC正电压，对应红外探测二极管的负极接地，上述比较器的正输入端、负输入端连接电阻的阻值均相等，比较器的输出端即为相应比较器电路的输出端，该比较器的输出端通过1个电阻连接VCC正电压，比较器的输出端通过二极管连接外置检测电路6的第一输出端，其中比较器的输出端连接该二极管的正极，外置检测电路6的第一输出端通过1个电阻接地，比较器的输出端通过二极管连接外置检测电路6的第二输出端，其中比较器的输出端连接该二极管的负极，外置检测电路6的第二输出端通过1个电阻连接VCC正电压。所述内置红外接收二极管组5与外置检测电路6共同组成电弧放电红外检测单元。

当气体放电电子枪正常工作时，所有红外探测二极管均导通，外置检测电路6的比较器的正输入端均大于负输入端，比较器均输出高电平，比较器电路的输出端信号可以用二进制表示为全1；外置检测电路6的第一输出端和第二输出端均输出高电平，输出信号用二进制表示为“11”；

当气体放电电子枪发生低压大电流电弧放电时，至少有1个红外探测二极管无法检测到放电腔室内部的红外光，该红外探测二极管由于无法接收红外光而不能导通，并至少有1个红外探测二极管能够检测到放电腔室内部的电弧放电状态，该红外探测二极管由于可接收红外光而导通，此时外置检测电路6的比较器电路的输出端信号可以表示为除了全1、全0以外二进制格式；外置检测电路6的第一输出端和第二输出端输出分别为高电平、低电平，输出信号用二进制表示为“10” ；当检测到第一输出端和第二输出端输出为“10”，即可判断气体放电电子枪发生电弧放电现象，或者处于电弧放电状态；

当气体放电电子枪内部电弧放电结束时，所有红外探测二极管均不导通，外置检测电路6的比较器的负输入端均大于正输入端，比较器均输出低电平，比较器电路的输出端信号可以用二进制表示为全0；外置检测电路6的第一输出端和第二输出端输出均为低电平，输出信号用二进制表示为“00”。

本发明的一种实施例中：所述内置红外接收二极管组5包括4个红外探测二极管，分别为第一红外探测二极管501、第二红外探测二极管502、第三红外探测二极管503和第四红外探测二极管504，所述4个红外探测二极管间隔90°，均匀分布在一个环形电路板上，环形电路板设置在绝缘子3的顶端凸沿，红外探测二极管的检测信号通过真空航插引入到外置检测电路6；

所述外置检测电路6设置了4个比较器电路，分别为第一比较器电路、第二比较器电路、第三比较器电路和第四比较器电路，每个比较器电路中分别设有1个比较器，分别为比较器U1、比较器U2、比较器U3和比较器U4，所述4个比较器分别连接4个红外探测二极管的检测信号，具体的：

比较器U1的正输入端通过电阻R1连接VCC正电压，比较器U1的正输入端通过电阻R2接地，比较器U1的负输入端通过电阻R3连接VCC正电压，比较器U1的负输入端连接第一红外探测二极管501的正极（即图4、图5中的a01端），第一红外探测二极管501的负极（即图4、图5中的a02端）接地，比较器U1的输出端通过电阻R4连接VCC正电压，比较器U1的输出端连接二极管D5的正极和二极管D6的负极，二极管D5的负极通过电阻R17接地，二极管D6的正极通过电阻R18连接VCC正电压，比较器U1的输出端连接第一比较器电路的输出端即OUT1端，二极管D5的负极连接外置检测电路6的第一输出端即PTC1端，二极管D6的正极连接外置检测电路6的第二输出端即PTC2端；

比较器U2的正输入端通过电阻R5连接VCC正电压，比较器U2的正输入端通过电阻R6接地，比较器U2的负输入端通过电阻R7连接VCC正电压，比较器U2的负输入端连接第二红外探测二极管502的正极（即图4、图5中的b01端），第二红外探测二极管502的负极（即图4、图5中的b02端）接地，比较器U2的输出端通过电阻R8连接VCC正电压，比较器U2的输出端连接二极管D7的正极和二极管D8的负极，二极管D7的负极通过电阻R17接地，二极管D8的正极通过电阻R18连接VCC正电压，比较器U2的输出端连接第二比较器电路的输出端即OUT2端，二极管D7的负极连接外置检测电路6的第一输出端即PTC1端，二极管D8的正极连接外置检测电路6的第二输出端即PTC2端；

比较器U3的正输入端通过电阻R9连接VCC正电压，比较器U3的正输入端通过电阻R10接地，比较器U3的负输入端通过电阻R11连接VCC正电压，比较器U3的负输入端连接第三红外探测二极管503的正极（即图4、图5中的c01端），第三红外探测二极管503的负极（即图4、图5中的c02端）接地，比较器U3的输出端通过电阻R12连接VCC正电压，比较器U3的输出端连接二极管D9的正极和二极管D10的负极，二极管D9的负极通过电阻R17接地，二极管D10的正极通过电阻R18连接VCC正电压，比较器U3的输出端连接第三比较器电路的输出端即OUT3端，二极管D9的负极连接外置检测电路6的第一输出端即PTC1端，二极管D10的正极连接外置检测电路6的第二输出端即PTC2端；

比较器U4的正输入端通过电阻R13连接VCC正电压，比较器U4的正输入端通过电阻R14接地，比较器U4的负输入端通过电阻R15连接VCC正电压，比较器U4的负输入端连接第四红外探测二极管504的正极（即图4、图5中的d01端），第四红外探测二极管504的负极（即图4、图5中的d02端）接地，比较器U4的输出端通过电阻R16连接VCC正电压，比较器U4的输出端连接二极管D11的正极和二极管D12的负极，二极管D11的负极通过电阻R17接地，二极管D12的正极通过电阻R18连接VCC正电压，比较器U4的输出端连接第四比较器电路的输出端即OUT4端，二极管D11的负极连接外置检测电路6的第一输出端即PTC1端，二极管D12的正极连接外置检测电路6的第二输出端即PTC2端。

当气体放电电子枪正常工作时，4个红外探测二极管501、502、503、504均导通，外置检测电路6的四个比较器U1、U2、U3、U4的正输入端均大于负输入端，4个比较器U1、U2、U3、U4均输出高电平，4个比较器U1、U2、U3、U4的输出信号（即4个比较器电路的输出端OUT1端、OUT2端、OUT3端和OUT4端的信号）可以用二进制表示为“1111”；外置检测电路6的输出端PTC1、PTC2端均输出高电平，输出信号用二进制表示为“11”；

当气体放电电子枪发生低压大电流电弧放电时，至少有1个红外探测二极管无法检测到放电腔室内部的红外光，该红外探测二极管由于无法接收红外光而不能导通，并至少有1个红外探测二极管能够检测到放电腔室内部的电弧放电状态，该红外探测二极管由于可接收红外光而导通，此时外置检测电路6的四个比较器U1、U2、U3、U4的输出信号可以表示为除了“1111”、“0000”以外二进制格式，分别可为“1000”、“0100”、“0010”、“0001”、“1100”、“0110”、“0011”、“1001”、“0101”、“1010”、“0111”、“1101”、“1110”、“1011”；外置检测电路6的PTC1、PTC2端输出分别为高电平、低电平，输出信号用二进制表示为“10” ；当检测到PTC1、PTC2端输出为“10”，即可判断气体放电电子枪发生电弧放电现象，或者处于电弧放电状态；

当气体放电电子枪内部电弧放电结束时，4个红外探测二极管501、502、503、504均不导通，外置检测电路6的四个比较器U1、U2、U3、U4的负输入端均大于正输入端，四个比较器U1、U2、U3、U4均输出低电平，四个比较器U1、U2、U3、U4的输出信号可以用二进制表示为“0000”； 外置检测电路6的PTC1、PTC2端输出均为低电平，输出信号用二进制表示为“00”。

所述外置检测电路6的第一输出端和第二输出端信号可以连接上位机或者灭弧电路，可精确判定气体放电电子枪的电弧放电发生时刻及电弧放电结束时刻，为气体放电电子枪电源的闭环控制提供关键参数。

所述外置检测电路6的比较器电路的输出端也可分别连接控制系统的DSP或单片机的4个I/O端口，通过程序判断气体放电电子枪的电弧放电发生时刻及电弧放电结束时刻。

所述阳极2远离阴极1的一端安装在多孔气流导引组件8上，所述多孔气流导引组件8与水冷放电腔室外壳9靠近阳极2的一端密封连接，具体的：所述多孔气流导引组件8沿着远离阴极1的方向依次设有凹止口和中心通孔，所述多孔气流导引组件8的凹止口内径大于多孔气流导引组件8的中心通孔内径，所述阳极2远离阴极1的一端安装在多孔气流导引组件8的凹止口内，所述阳极2也设有中心通孔，所述阳极2的中心通孔与多孔气流导引组件8的凹止口、中心通孔处于同一轴线上；

所述多孔气流导引组件8外侧壁设置有一个气流输入端口801，所述多孔气流导引组件8的凹止口内侧壁与阳极2之间存在缝隙，优选的，所述阳极2远离阴极1的一端外侧壁与多孔气流导引组件8的凹止口内侧壁之间间隙1mm，且在凹止口内侧壁设置多个气流输出端口，所述气流输入端口801与多个气流输出端口通过多孔气流导引组件8内部管道连接。

工作气体通过所述多孔气流导引组件8的气流输入端口801，从气流输出端口输出并进入到阳极2与多孔气流导引组件8之间的缝隙，再以层流状态通过阳极2与水冷放电腔室外壳9的内壁之间的间隙，沿着水冷放电腔室外壳9的内壁，上升至水冷放电腔室外壳9内部设置的起弧凸台4面向阳极2的一端表面；继而均匀地输入到阴极1面向阳极2的表面附近，满足气体放电电子枪工作需求。

本发明的一种实施例中，所述多孔气流导引组件8内部管道包括第一气流缓冲管道802和第二气流缓冲管道803，所述第一气流缓冲管道802连接气流输入端口801，所述第二气流缓冲管道803连接气流输出端口，所述第一气流缓冲管道802和第二气流缓冲管道803之间设置了气流遮挡壁804，气流遮挡壁804上设置了与气流输出端口相同数量的气流连接通孔，所述气流连接通孔与气流输出端口错位分布。

具体的：所述多孔气流导引组件8在凹止口内侧壁设置四个气流输出端口ng1、ng2、ng3、ng4，所述气流输入端口801与四个气流输出端口ng1、ng2、ng3、ng4通过第一气流缓冲管道802和第二气流缓冲管道803连接；在第一气流缓冲管道802和第二气流缓冲管道803之间设置了气流遮挡壁804，气流遮挡壁804上设置了与气流输出端口ng1、ng2、ng3、ng4相同数量的气流连接通孔g1、g2、g3、g4，所述气流连接通孔g1、g2、g3、g4与气流输出端口ng1、ng2、ng3、ng4错位分布。

所述多孔气流导引组件8远离阳极2的一端安装有水冷束流导引通道15，所述水冷束流导引通道15与多孔气流导引组件8同轴密封连接固定在一起，所述水冷束流导引通道15中心设置可使束流输出的通孔，通孔直径不小于阳极2的中心通孔直径，所述水冷束流导引通道15为中空结构，外侧壁设置有水冷束流导引通道进水口151和水冷束流导引通道出水口152。

所述水冷束流导引通道15远离多孔气流导引组件8的一端设置安装法兰153，用于将气体放电电子枪与真空室连接。

所述水冷束流导引通道15上依次设置有预聚焦线圈10、合轴线圈11、主聚焦线圈13和扫描线圈14，其中：

所述水冷束流导引通道15靠近多孔气流导引组件8的一端安装预聚焦线圈10，用于避免由阳极2孔发射出电子束在无场空间过度发散，导致气体放电电子枪束流无法正常输出现象的发生；

在所述预聚焦线圈10远离多孔气流导引组件8的一端安装合轴线圈11，可以调整束流输出偏离气体放电电子枪中心轴位置，避免由于阴极1和绝缘子3的机械安装与气体放电电子枪中心轴不同轴导致而束流偏离轴线、束斑质量变差的现象发生；

在所述合轴线圈11远离预聚焦线圈10的一端安装主聚焦线圈13，所述主聚焦线圈13与预聚焦线圈10构成气体放电电子枪电子光学系统的电磁汇聚系统，用于调节电子束在工件表面的束斑形貌及电子束能量分布状态；

为了满足气体放电电子枪长期稳定工作的需求，在所述的一种大功率气体放电电子枪的合轴线圈11与主聚焦线圈13之间，设置了线圈水冷单元12；所述线圈水冷单元12为中空结构，设置了线圈水冷单元进水口121与线圈水冷单元出水口122；

在所述主聚焦线圈13远离合轴线圈11的一端安装了扫描线圈14，用于实现电子束在工件表面扫描，满足特殊工艺需求。

本发明所述大功率气体放电电子枪的工作过程如下：

步骤1：阴极1中通入冷却水，阴极1通过高压导线7连接负高压电源，阳极2、多孔气流导引组件8、水冷放电腔室外壳9、水冷束流导引通道15等均接地；

步骤2：工作气体通过多孔气流导引组件8的气流输入端口801 进入到阳极2与多孔气流导引组件8之间的缝隙，再以层流状态通过阳极2与水冷放电腔室外壳9的内壁之间的缝隙，沿着水冷放电腔室外壳9的内壁，上升至水冷放电腔室外壳9内部设置的起弧凸台4下端面；继而均匀地输入到阴极1表面附近；由于阴极1与起弧凸台4之间存在高压电场，工作气体在此处首先开始放电，继而在阴极1、水冷放电腔室外壳9 的部分内壁、阳极2之间产生等离子体，等离子体中的正离子轰击阴极1，阴极1发射二次电子，所述二次电子和等离子体中的电子在阴极1与阳极2之间组成静电场作用下，向阳极2的中心通孔处汇聚，继而通过气体放电电子枪电子光学系统的调控，获得满足工艺需求的束斑形貌；

步骤3：当气体放电电子枪正常工作时，电源控制系统检测到外置检测电路6输出信号为“11”， 电源控制系统按照设定输出工作电压；

步骤4：当电源控制系统检测到外置检测电路6输出信号为“10”，即气体放电电子枪内部发生电弧放电时，电源控制系统停止工作电压输出5ms，进行灭弧；否则，跳转至步骤6；

步骤5：电源控制系统检测到外置检测电路6输出信号为“00”时，即电弧放电结束，电源控制系统恢复设定工作电压；否则，跳转至步骤4；

步骤6：返回步骤3，直到工作结束。

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为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大功率气体放电电子枪，其特征在于：包括水冷放电腔室外壳（9）以及置于水冷放电腔室外壳（9）中的阴极（1）和阳极（2），所述阴极（1）面向阳极（2）的一端为内凹的球面结构，所述阳极（2）为漏斗状结构，所述阳极（2）面向阴极（1）的一端外沿宽度大于阳极（2）远离阴极（1）的一端外沿宽度，所述水冷放电腔室外壳（9）内壁设有起弧凸台（4），所述起弧凸台（4）内沿与阴极（1）正对阳极（2）的一端外沿平行；

所述水冷放电腔室外壳（9）内部设置阴极（1）的一端安装有绝缘子（3），所述阴极（1）安装在绝缘子（3）面向阳极（2）的一端上，所述绝缘子（3）通过密封组件与阴极（1）密封连接，所述绝缘子（3）远离阳极（2）的一端设置有顶端凸沿，所述绝缘子（3）的顶端凸沿与水冷放电腔室外壳（9）密封连接；

所述位于水冷放电腔室外壳（9）内的绝缘子（3）的顶端凸沿朝向水冷放电腔室外壳（9）内侧设置了内置红外接收二极管组（5），所述内置红外接收二极管组（5）包括若干红外探测二极管，红外探测二极管的检测信号引入到外置检测电路（6）；

所述阳极（2）远离阴极（1）的一端安装在多孔气流导引组件（8）上，所述多孔气流导引组件（8）与水冷放电腔室外壳（9）靠近阳极（2）的一端密封连接，所述多孔气流导引组件（8）沿着远离阴极（1）的方向依次设有凹止口和中心通孔，所述阳极（2）远离阴极（1）的一端安装在多孔气流导引组件（8）的凹止口内，所述多孔气流导引组件（8）的凹止口内侧壁与阳极（2）之间存在缝隙，所述阳极（2）也设有中心通孔，所述阳极（2）的中心通孔与多孔气流导引组件（8）的凹止口、中心通孔处于同一轴线上；所述多孔气流导引组件（8）外侧壁设置有一个气流输入端口（801），所述多孔气流导引组件（8）的凹止口内侧壁设置若干气流输出端口，所述气流输入端口（801）与气流输出端口通过多孔气流导引组件（8）内部管道连接。

2.根据权利要求1所述的一种大功率气体放电电子枪，其特征在于：所述外置检测电路（6）包括若干比较器电路，比较器电路的数量与红外探测二极管的数量相同且比较器电路与红外探测二极管一一对应，所述比较器电路的结构均相同，每个比较器电路包括1个比较器，比较器的正输入端通过1个电阻连接VCC正电压以及通过1个电阻接地，比较器的负输入端连接对应红外探测二极管的正极，比较器的负输入端通过1个电阻连接VCC正电压，对应红外探测二极管的负极接地，比较器的输出端即为相应比较器电路的输出端，该比较器的输出端通过1个电阻连接VCC正电压，比较器的输出端通过二极管连接外置检测电路（6）的第一输出端，其中比较器的输出端连接该二极管的正极，外置检测电路（6）的第一输出端通过1个电阻接地，比较器的输出端还通过二极管连接外置检测电路（6）的第二输出端，其中比较器的输出端连接该二极管的负极，外置检测电路（6）的第二输出端通过1个电阻连接VCC正电压。

3.根据权利要求1所述的一种大功率气体放电电子枪，其特征在于：所述阳极（2）面向阴极（1）的一端外沿与水冷放电腔室外壳（9）的内壁间隙小于1mm；

所述起弧凸台（4）内沿与阴极（1）正对阳极（2）的一端外沿之间间距不小于10mm。

4.根据权利要求1所述的一种大功率气体放电电子枪，其特征在于：所述水冷放电腔室外壳（9）为中空结构，设有水冷放电腔室外壳进水口（901）和水冷放电腔室外壳出水口（902）；

所述阴极（1）为中空结构，设有阴极进水口（102）与阴极出水口（103）。

5.根据权利要求1所述的一种大功率气体放电电子枪，其特征在于：所述多孔气流导引组件（8）内部管道包括第一气流缓冲管道（802）和第二气流缓冲管道（803），所述第一气流缓冲管道（802）连接气流输入端口（801），所述第二气流缓冲管道（803）连接气流输出端口，所述第一气流缓冲管道（802）和第二气流缓冲管道（803）之间设置了气流遮挡壁（804），气流遮挡壁（804）上设置了气流连接通孔。

6.根据权利要求1所述的一种大功率气体放电电子枪，其特征在于：在绝缘子（3）的顶端凸沿至阴极（1）安装端面的、正对水冷放电腔室外壳（9）内壁的表面设置了若干凸台。

7.根据权利要求1所述的一种大功率气体放电电子枪，其特征在于：所述多孔气流导引组件（8）远离阳极（2）的一端安装有水冷束流导引通道（15），所述水冷束流导引通道（15）与多孔气流导引组件（8）同轴密封连接固定在一起，所述水冷束流导引通道（15）中心设置通孔，通孔直径不小于阳极（2）的中心通孔直径；

所述水冷束流导引通道（15）上依次设置有预聚焦线圈（10）、合轴线圈（11）、主聚焦线圈（13）和扫描线圈（14），其中：

所述水冷束流导引通道（15）靠近多孔气流导引组件（8）的一端安装预聚焦线圈（10）；

在所述预聚焦线圈（10）远离多孔气流导引组件（8）的一端安装合轴线圈（11）；

在所述合轴线圈（11）远离预聚焦线圈（10）的一端安装主聚焦线圈（13）；

在所述主聚焦线圈（13）远离合轴线圈（11）的一端安装了扫描线圈（14）。

8.根据权利要求7所述的一种大功率气体放电电子枪，其特征在于：在所述合轴线圈（11）与主聚焦线圈（13）之间设置了线圈水冷单元（12）；所述线圈水冷单元（12）设置了线圈水冷单元进水口（121）与线圈水冷单元出水口（122）。

9.根据权利要求7所述的一种大功率气体放电电子枪，其特征在于：所述水冷束流导引通道（15）为中空结构，设置有水冷束流导引通道进水口（151）和水冷束流导引通道出水口（152）。

10.根据权利要求7所述的一种大功率气体放电电子枪，其特征在于：所述水冷束流导引通道（15）远离多孔气流导引组件（8）的一端设置安装法兰。

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