CN1205646C - 带电粒子发射组件和具有它的焊接设备和带电粒子束组件 - Google Patents

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Abstract

一种带电粒子发射组件具有：一个发射件(5)用来发射一种极性的带电粒子；一个沿圆周环绕发射件的管状屏蔽电极(6)，并在使用时保持与带电粒子相同的极性；和一个基本上与屏蔽电极(6)同轴的加速电极(7)，并在使用时保持与屏蔽电极相反的极性。这样配置能使从发射件(5)发射的带电粒子在初时沿侧向向外扩散，然后被聚焦成能通过管状加速电极(7)的电子束。

Description

带电粒子发射组件和具有它的焊接设备和带电粒子束组件
技术领域
本发明涉及带电粒子发射组件和发射器。本发明例如有关大功率电子束(EB)的产生和在操作压力为约10-1毫巴到约数百毫巴(mbar)的真空室内的传送。但本发明也可用于其他型式的带电粒子束包括那些负离子和正离子形成的粒子束。为了便利起见，本文只论述电子束。
背景技术
通过从发射器释放自由电子并在电场内加速。便可容易地产生电子束。对于那些只是用来例如真空熔化金属的电子束，以能量密度分布、束亮度和束分布图表述的束质量并不重要。通常，亮度被定义为电流密度/立体弧度。
但对其他一些用途，束质量至关紧要，而且必须稳定并能复制。例如在电子束焊接(EBW)中，重复产生具有一致深度和宽度的深而窄的熔合区的能力主要取决于：
i)束能量密度分布
ii)相对于工件表面的焦点位置
iii)包括亮点大小和会聚角因素的束亮度
理论上，就电子束焊接而言，重要的是要得到一个清晰形成的能量密度分布，而通常这个分布成为高斯形式。而且，为了完成深而窄的焊接，必需将束的会聚角控制在一个较紧的范围内。对于钢的焊接，例如截面厚度为100mm-150mm时，大于1度的束半角肯定会导致焊池不稳定和内部缺陷。在另一方面，采用接近平行的电子束可很好地适合这样厚截面的焊接，但对1mm-10mm的钢截面又不适合用来产生非常窄的焊缝。另外，在截面较薄的情况下，焊接的束能量分布更为重要得多。如果由于某种理由，能量分布包括有显著的干涉条纹就会在焊接的熔合区形状上被反映出来。因此不是获得高斯分布中的接近平行的熔合区，而是产生具有所谓“钉子头”特征的宽得多的不平行的熔合区。但这样对相同的焊接深度就需要较高的电子束功率，而焊接后的侧向收缩总的来说也较大，并且由于顶部的焊接宽度大于底部的焊接宽度，发生不均匀的收缩，从而造成所显示出的构件的扭曲。对于精密的构件，这通常是不能接受的，并且还可导致焊缝的开裂。
特别是对于薄截面焊接，同样重要的是，在焦点上要达到足够的强度。对于产生接近平行的电子束的系统，即使没有干涉条纹，不足的强度也会导致较宽且带斜度的熔合区，与此伴随的是过度的扭曲，还有开裂的危险。接近平行的电子束并不一定能聚焦，尽管强烈的正离子有中和效应，但在真空环境下仍能有空间电荷分布。这样，进入聚焦透镜的接近平行的电子束企图经过长距离来聚焦时束直径会几乎没有减少。在中等和高功率下束分布图和强度特性确实在总体上常能被离子和电子的相互作用所支配。
因此从电子枪发射电子束十分重要的是该束须具有很好限定的发散(在规定的范围内)、高亮度、低像差并且没有干涉条纹。
用三极式电子枪在中高电子束电流的范围内克服空间电荷分布来得到较高的会聚角的一个可能方法是使电极产生较强的聚焦场。但当栅极场成为一个附加的有力的聚焦因素时，这会导致低电流下的过度会聚。即使对于高真空EBW，会聚角的大幅摆动一般都是不希望有的，它会给下列系统带来较大困难。该系统采用一个束转移系统以便用于减少压力(5×10-1到～250mbar)或非真空(～1000mbar)的操作，还采用小孔喷嘴以资限制气体漏入枪区域。
在高电流下克服空间电荷分布来得到较大会聚的另一个方法是在设计枪时将阴极、栅极和阳极设置在紧密靠近的地方。这会导致电子较快地加速越过一个较短的轴向距离，从而减少电子互斥的可能性。遗憾的是，这种配置会增加电极上的电表面应力并能导致高压击穿倾向增加。
为了从枪壳内的高真空(5×10-5～5×10-6mbar)区域将电子抽出到大约在5×10-2～1000mbar的压力范围内操作的工作室内而必须使电子束通过狭小的孔眼发射时，极端重要的是避免产生束干涉条纹和最佳地使电子束聚焦。此时，气体从工作室内泄漏到枪壳内的泄漏率主要取决于孔眼的数目与孔眼的直径和长度，及级间泵的泵压能力。
束干涉条纹有容纳大量功率的倾向，即使在总功率低(例如5KW)的操作中，在孔眼喷嘴上吸收这个外加功率的能力受到限制，甚至有相当大的水冷作用的情况下，仍有这样的倾向。与电子束功率非常小的电子显微镜装置不同，要除去出现在拦截光阑上的不需要的干涉条纹是不切合实际的。由于相似的原因，重要的是应该避免采用低亮度的、接近平行的电子束，因为它有一个大的束直径。
束质量和一个特定的电子枪是否能产生一个具有扩散度很好限定的、完全没有像差的电子束与该枪的设计特别是阴极的设计和在紧挨阴极的附近各个电极之间的明细的几何形状有十分密切的关系。
EBW用的大多数电子枪是三极式的。采用栅极可以保证做到，在低的束电流下阴极发射被限制在阴极的中心部分，但由于栅极所造成的强电场的存在，能导致电子束产生相当大的像差。
在强栅极场中，外侧的电子轨迹具有较短的焦距，因为它们比更靠中心的电子更接近栅极杯孔的边缘。而且，随着栅极电压的降低和束电流的增大，发射区域会扩大，甚至可允许电子从阴极边缘上释放出去，那里的不利的几何细节会产生与主电子流根本不同的电子轨迹飞逸路径。再者，当电子束电流增大时，弱栅极场与电子束内增加的空间电荷结合能造成电子束的总体扩散和一次焦点的消失。而且，一次焦点腰部和虚像位置(对第一聚焦透镜显示的)都会随着电子束电流电平的变化，在电子束轴线的上下移动相当大的距离。
由这样一种枪、一次焦点随着电子束电流的大小而发生的漂移、在高电流时电子束会聚角的欠缺和在低电流时较高的会聚角这样一些问题所产生的束干涉条纹能够有害地影响焊接性能，即使对于将电子束发射到真空度较高(5×10-3mbar)的室内的传统系统也会造成危害。对于必须通过小孔眼才能发射的电子束可能会很难操作甚至不能操作，特别是进行高功率(如大于30KW)的操作。
发明内容
按照本发明的第一方面，带电粒子发射组件包括：一个用来发射具有一种极性的带电粒子的发射件；一个管状的屏蔽电极，沿圆周包围着发射件并保持使用与带电粒子相同的极性；和一个管状的加速电极，该加速电极被定位在与屏蔽电极基本相同的轴线上并保持使用与屏蔽电极相反的极性；上述这些元件被这样配置，使从发射件发射出来的带电粒子最初向侧边且向外散布，然后被聚焦成为带电粒子束，通过管状加速电极而被加速射出。
本发明包括一个特殊的二极式电子枪的构造。二极式电子枪与三极式电子枪相比，具有许多突出的优点，它们包括：
i)能够在实际上消除像差；
ii)在高电流下比三极式电子枪更容易控制电子束的形状和质量；
iii)在高电流下能够达到足够的束会聚，而在低电流下不会有过度的会聚，
iv)在温度受限制的模式下操作时，在用枪放电的条件下，束电流不会骤增而发生电涌，而在三极式电子枪中，在枪电极和大地之间的高压击穿时会促使栅极供电短路并使全部电子束功率在瞬间释放；
v)二极式电子枪只需较少的辅助电源(在传统的间接加热的二极管中为两个；如果用射频RF激励的间接加热的二极管为一个；如果用直接加热的二极管为一个)；以及
vi)二极式电子枪的电缆和连接比较简单，特别是RF激励的二极管只需一个HT(高温)连接，不需辅助供电连接；RF功率是用感应方法与远距离的高频天线或定位在枪壳内的初级绕组耦合的。
就二极式电子枪而言，由于没有栅极场的聚焦作用，特别是在高的电流电平下采用小直径的阴极时，在电子束内的空间电荷的高密度能够造成电子束的扩散以致不能有限定得很好的一次焦点；确实是这样，该电子束甚至被扩散得不足以用来瞄准通过阳极孔。当然，一个办法是采用大直径的阴极来防止电子束的过分扩散，但这样会从根本上降低束亮度，使设备复杂并增加费用。
在本发明中，先是使电子束显著地膨胀，造成一个人为的大束源，然后由极间枪内的主要阴极/阳极电场用较大的会聚角聚焦。
就给定的加速电压在电子束内所能达到的束亮度而言，这取决于许多因素，但对大功率EBW枪而言，这与阴极直径和枪的设计有很大关系。从根本上说，极其重要的一点是要尽量缩小阴极的直径，因为对于一个给定的束会聚角和操作电压，在枪聚焦之后的系统内的任何地方，亮点的大小总是正比于阴极的直径，并正比于以开氏绝对温度计算的阴极操作温度的平方根。
本发明能使阴极直径或更严格地说为发射直径受到限制，因此能提高束亮度。另外，限制的阴极直径和阴极的总表面面积以及操作温度可减少辅助加热所需的电力、辅助供电费用，还可缩小枪的操作温度和电极几何形状的热扭曲作用。降低枪的热输入又可降低对冷却的需求，该需求对于一个悬挂在真空室内而装在一个长的高电压绝缘件的端头上的EBW枪总是难以满足的，因为该绝缘件不仅是电的不良导体，也是热的不良导体。
自然，阴极发射面积必须适当，才能在一方面产生所需的电子束电流，在另一方面达到给定的阴极使用寿命，因为离子腐蚀、氧化和气化率都是随着阴极温度而增加的；这时可将有矛盾的因素如发射密度和束亮度优化来取得最佳的结果。
在本发明的一个例子中，在存在着空间电荷重大负载的枪区域内电子束聚焦是用一个深凹的阴极屏蔽电极与一个长而直径小的阳极组合起来完成的，该阳极位在阴极屏蔽电极的端头附近或者甚至在其内。这样可造成一个强烈的聚焦作用，该作用在低、中、高的功率电平下都能很好工作。
电子束的膨胀或侧向扩散可用多种方式达到。一种方法是选择阴极直径和电极几何形状使电子的加速初时较慢，从而使空间电荷能够扩散而产生强烈的径向向外运动。要做到这一点可将一个较小的阴极设置在一个深凹的阴极屏蔽杯内。这时如果阴极直径太小，将会在该枪尚未对空间电荷限制之前，就已限制给定加速电压所需的最大电子速电流，并且初始的扩散作用只能达到这样大，以致在极间空隙内由一般的阴极屏蔽/阳极的电极几何形状所产生的会聚静电场已不足使该电子束重新聚焦成显著的腰部或交迭点。在另一方面，如果阴极太大，在阴极上的发射密度将会太低以致不能产生所需的初始束膨胀，这样，该束的会聚就不足以防止在加速最后阶段的扩散。因此为了得到最佳的效果，对于一个给定的加速电压和功率操作范围，电极形状和阴极大小的组合至关紧要。
在阴极可不需高电流密度的条件下得到人为大电子源的第二种方法为在阴极的紧前面产生一个合适的静电场来使电子束扩散。将阴极装在一个圆锥形或圆柱形突起件的顶部使它高于阴极屏蔽杯的基体就可做到这一点。
阴极的面积可超过5mm2，这样便能在超过100kW的功率电平下工作。
如上所述，由空间电荷扩散所造成的初始电子束膨胀可用一个合适的静电场来增强。在初始电子束膨胀后的表观电子源的这种在大小上的增加使得后来能够在宽电流范围内产生一个具有明确限定焦点的、高度会聚的电子束。另外还有一个可能促进初始束膨胀的方法是使阴极表面如下所述地成形，使得至少发射器是基本外凸的或圆锥形的。
本发明的第一方面能被用于包括在5×10-5mbar至5×10-2mbar的压力范围内操作的真空室的各种焊接设备。但本发明特别适用于在中间压力范围内如10-1mbar到数百mbar，甚至于在高压和非真空下操作的焊接设备。
认定这种设备的潜在利益的典型工业部门有：厚截面的钢管生产商、海上和岸上管材焊接商、核废料处理公司、发电设备生产商及宇航构件制造商。
对许多用途来说，要在一次行程中完成焊接的材料壁厚可超过15mm并且可高达150mm或更多。在任何一种情况下，对快速焊接的需要要求电子束功率电平至少为30kW，而在某些情况下，可高达100kW或更多。
对于所有的二极式电子枪，包括上面说明的那一个，存在着一个到本发明之前大部分还没有解决的主要问题，那就是阴极的侧边会发射出不需要的电子，其飞行路径无法控制。为了防止发生这个问题，许多研究和开发小组曾持续数十年的努力尝试过各种方法。其中最简单的一种配置曾在美国专利3,878,424(1973.07.17申请)中说明过，其中曾提出采用一个平面二极管来克服栅电极的球面像差效应。在这二极管内，氧化物(如钡锶钙的氧化物)被填塞在耐熔金属的阴极“加热板”的孔内，该板能用各种方法加热。在另一变型中，氧化物被覆盖在耐熔金属板的表面上。加热该板到温度远比耐熔金属阴极板的发射点低时，便会发生低逸出功的氧化物的强烈发射，这样便可避免边缘效应。这种装置极其适合用来产生电子显微镜所需的低能电子束，其时氧化物覆盖层或孔内塞子的直径只有大约100微米，但高能EBW枪却不同，该枪不断地受到离子轰击、及来自焊池的气体和微粒物质的作用，氧化物阴极会很快地被毒化以致损害其发射性能。而且，在氧化物薄膜通常只有50微米厚的情况下，在EBW系统内很快会被侵蚀。另外，平面阴极板会扭曲，从而在束扩散和束发射的方向上造成有害的和不可预计的变化。在两个不同材料之间的不同的膨胀还能引起发射器的开裂和剥落。
在防止额外的边缘发射的另一个尝试中，Bull等在MetalConstruction and B.W.J.(金属构造和英国焊接期刊)1970年11月2(11)期490页的论文“An electrostatic electron gun”(静电电子枪)中曾说，生产一个球形电极、间接加热的二极式电子枪，在该枪内在耐熔金属阴极的周围设置许多小孔以资限制向中央区域的发射。但这种枪也要承受中央阴极区域的热扭曲，并且小孔会允许最初被返回轰击的电子移动通过而进入到主要电子束内，这样会进一步引起主电子束的扭曲效应。将添加的电子阻挡层插入到阴极屏蔽的后部上可使最初电子的流动有所减少，但阴极扭曲仍然是一个问题。
我们曾研究过控制边缘发射的多种其他方法。
按照下面将要较详细说明的方法将阴极安装在一个连续的圆锥件上可以阻止最初电子泄漏到电子束内。
具有类似形状的阴极还可由显示不同逸出功的两种材料组合起来，其中发射器由一种低功能材料如六硼化镧制成，该材料在EBW过程中不易被毒化，而外面的支承结构可由耐熔金属如钽制成。这种配置也曾在EP-A-0627121中被说明过。类似的配置曾被分开地开发过并曾在GB-A-1549127中被说明过，但这种特定的枪在许多方面都与本发明截然不同。
在这些早期的发展中，为了支承六硼化镧钮扣电极，必需将它放置在耐熔金属夹持器内的一个唇状物的后面。但该唇状物仍会强烈地干扰电场并造成可观的球面像差，就三极式电子枪而言，该像差表现在外侧的电子比靠近轴线的电子聚焦在一较短的焦距上。唇厚可用仔细的机加工使它减少，或者可将一个薄的耐熔金属垫圈放置在阴极的前面，但在这两种情况下，热扭曲都会使该唇向外扭曲，这样又会导致额外的电子从唇或垫圈的后面发射出来。
另一个曾经部分成功的技术是将暴露的低逸出功材料的外环用高逸出功材料覆盖起来。例如由所谓六硼化镧制成的阴极在其周边的周围和在其前面的环形上都用钨覆盖起来。虽然在前面曾对这种技术寄以希望，但这种技术要承受在使用过程中由于离子损坏、氧化和气化而招致的覆盖层的损失。在组装时，这个技术还难于避免薄的覆盖层不被损坏。另外，夹持器的唇状物虽然可减少对聚焦的影响，但它仍然产生不能接受的像差。
还有另一种可被应用的技术即用一种化合物如二硅化钼将低逸出功材料的钮扣电极钎焊到夹持器内。完成一个高质量的无孔的钎焊而不污染到LaB6材料是不能没有问题的；在最佳的情况下在使用时由于反复的热循环，钎焊材料也会开裂。
按照本发明的第二方面，带电粒子发射器具有一个安装在支承件的孔眼内的发射件，发射件与支承件电连接，发射件具有比支承件低的逸出功，从而在工作温度下，发射件从其暴露的表面发射出带电粒子。其特征在于，发射件的暴露表面被设置在支承件的环绕孔眼的面向外的表面之后或者最好与后一表面齐平。
在本发明的较优形式中，低逸出功的阴极材料被机加工成“帽”状形式而可适贴配合到一个中心孔内。顺便说一下，发射件在支承件的孔内为紧配合。
部分支承件和部分发射件可制出相应的斜度。
可替代地或增添地用一与发射件和支承件接合的夹子将发射件固定到支承件上。
在最佳的配置中，发射件的暴露表面和支承件的面向外的表面形成一个共同的平面。
按照本发明的第三方面，用来安装到一个抽真空的带电粒子束源室内的带电粒子束柱状组件具有一系列被控制的压力室，每一压力室都有输入孔和输出孔，带电粒子束可流动通过这些孔，还有一个抽真空口可用来连接到泵上使室内的压力能被控制，从而在使用时可使连续室内的压力逐渐增加，其特征在于，抽真空口通过一个导管被连接到一个在下游的室内，而该导管在该组件内延伸经过至少一个在上游的室。
这样便能在维修时迅速地拿掉和插入要更换的枪柱件。传统上采用含有侧边接入的多级泵压系统以资在各喷嘴之间进行泵压。这样对不能容易地插入真空室内和从其内抽出的具有复杂的几何形状的柱件有利。采用同心泵压的革新步骤可克服上述困难并且对某些用途如在海上敷设J形管特别重要，因为在那里由于大型敷设平底船的租费极高，时间成为重要因素，并且事实上在任何一个时间都只有一条管线能被焊接和敷设。
更详细地说，本发明的这个方面关系到以紧凑的配置或设备提供一系列的真空或部分真空的室或开口。特别是，本发明能被用于所谓非真空或压力减少的EB系统，在该系统内枪的头部具有多个室，范围从阴极区内的真空到出口端的接近大气压力，在出口端电子束发散到开阔的环境中。这些室需在允许电子束通过的合适的部分真空压力下进行维护。本发明也可在最末一个室为大气压或者甚至超过大气压时使用，例如在水下进行焊接时。
这种设备通常构造庞大，因为它需要好几个不同的真空泵压管线连接到枪头内的各该室内。这些连接管线限制人们进入到输出电子束的区域内。不仅由于这种设备的笨重，而且由于进入到各室区域内的困难限制着真空泵压的效率。因此，这几条真空管线必须具有较大的孔径，使它不再限制和妨碍真空泵压。
本发明在这方面为这种一系列的室，例如用在非真空和压力减少的EB系统中的室提供一个比较紧凑和细长的设计。本发明还能提供多个室，特别是在枪头的输出区域内，至少在头部组件的下面的(或输出的)半部上，这些室的直径通常可小于170mm。这样便可避免在操作枪头输出的附近使用真空管线或管道，另外还能提供使这些室(它们最好被维持在从接近真空到接近大气压的压力下)的泵压有效的设施。
在一种配置中，这些室是由位于一个外管内的一组管段形成的，每一管段有一沿径向面向外的孔眼，每一室的沿径向面向外的孔眼在圆周上与所有其他室的沿径向面向外的孔眼偏离；并且有一组沿轴向延伸的分隔壁设置在管段与外管之间，从而形成各个导管，每一导管将一个室的沿径向面向外的孔眼与相应的抽真空口连接起来。
或者，多个室可被布置成为一连串具有合适孔眼的碟片，该碟片组被配装在一个公用而分段的套筒内。每一段都允许通过足够的横截面进入到其相关室或口内，如同心布置的那样。
还有，可将同心管段和分段圆筒组合起来以资在所需压力的地方提供合适而有效的真空泵压，同时给予合适的横截面以便进入到相关的口或室内。
室的行列能容易地被拆散以便更换孔眼，这些孔眼由于金属的溅射会部分被堵塞，或者由于与电子束交叉会被破坏。因此已做好准备可以分别对这些同心管段(或杯)或分段的圆筒进行装、拆，同时仍保持孔眼对电子束轴线的合适的对准。这种布置还可减少在部分压力和周围大气压下操作的各室之间的泄漏路径。应该知道，在同心的布置中，具有较高真空的区域被包含在具有部分压力的区域内，因此并不直接向周围环境的大气暴露，这样可以大大减少密封内细小泄漏的影响。
在同心杯的布置中，每一部分都可有整体螺钉配装到设有相应螺纹部的公用基体上，如果需要，可配上O形环密封。在各杯上可设有叶片、间隔片或等同物以资保持它们在组件内的同心度。
对分段的布置，同样，相应的部分可用可压缩的密封配合在一起，同时用机械的方式保持合适的间距和同心度。在所有这些布置中，真空泵压管线基本上被安排在枪头的后面，离开输出的电子束，并通过合适的连接器连接到在不同压力下操作的各室的紧凑组件的有关区段或环形孔眼上。
附图说明
现在结合附图说明电子束发生组件和采用这种组件的焊接设备的一些例子，并与已知的组件对比，在附图中：
图1为通过一个已知的三极式电子枪的部分剖面，图中示出电子的轨迹和等电位线；
图2a-2d示出图1所示的三极式电子枪中，改变栅极偏压对束分布图和束电流的影响；
图3为按照本发明的电子束枪的第一例的概略的纵剖面图；
图4为按照本发明的电子束枪的第二例的概略的纵剖面图；
图5为通过图4所示枪的部分阴极组件的横剖面图；
图6到14为通过一组不同安装配置的阴极组件的横剖面图；
图15为按照本发明的电子束枪的第三例的纵剖面图；
图16为图15所示电子束枪的束电流为3mA时的电子轨迹；
图17到19为与图16类似的视图，只是束电流分别为166、225和358mA；
图20为采用按照本发明的电子束枪的一例的焊接设备的部分为剖面的概略视图；
图21示出真空室的新颖配置的一例；
图22示出图20的电子束枪连同图21所示的真空室的配置；
图23为与图20类似的视图只是所示为一种不同的真空室配置；
图24为与图5类似的视图只是所示为另一种发生一次电子的配置；
图25为图24所示配置的部分剖掉的透视图；
图26为一电路图，示出图24和25的配置所用电路。
具体实施方式
为了理解本发明，在图1中示出已知三极式电子枪的一例，束条件为150kV×15.3mA，栅极偏压为-2kV。该枪包括一个电子发射丝极1，被一栅极杯2环绕着，并与一个间隔开的阳极3对准。等电位线100连同一些电子轨迹101在图1中被示出。从图可见，在强烈的栅极场中，外侧的电子轨迹具有较短的焦矩，因为它们比中央的电子更接近栅极杯孔的边缘。另外，当电子束电流增加时，减弱的栅极场连同电子束内增加的空间电荷能造成电子束的总体扩散和一次焦点的消失。而且，一次焦点腰部4有一虚像位置能根据电子束电流电平在束轴线的上下移动相当大的距离，如从图2a-2d可见(电子束电流“i”如图中所示)。
本发明涉及一种二极式电子枪，其中没有栅极场提供任何聚焦作用。因此，特别是在采用小直径阴极和高电流电平时，电子束内的空间电荷的高密度能造成电子束的扩散和缺乏很好限定的一次焦点。在图3所示的一个实施例中，阴极5设在一个深凹的阴极屏蔽电极6内，阴极5与具有较大长度的圆筒形阳极7对准。阳极7的面向阴极5的一端定位成靠近阴极屏蔽6的端头所形成的平面或者可以深入到阴极屏蔽6的容积内。这样便可造成在低、中和高功率电平都能很好发挥的强烈聚焦作用。电子束的形状如标号8所示，可以看到一开始电子就向侧边扩散，形成一个膨胀9，然后向阳极7内的一个腰部10聚焦。膨胀9的作用是产生一个人为大束源，使它能被极间空隙内的主要阴极/电极场用较大的会聚角聚焦。在本例中，阴极5由丝极11以传统方式加热以资造成电子的发射。
将阴极5设置在深凹阴极屏蔽杯6内的作用是使电子的加速最初较慢，这样便可使空间电荷扩散，从而产生一个强烈的沿径向向外的运动。
图4示出在阴极不需高电流密度的条件下也可得到人为大电子源的第二种方法。该方法包括在阴极的紧前面产生一个静电场使电子束扩散。在本例中，阴极5装在一个圆锥形支承21的顶部，该圆锥形支承21构成阴极屏蔽6的部分基部，并突起到屏蔽6的空间内。
如前所述，已知二极式电子枪的一个问题是从阴极的侧边或边缘发射不需要的电子。图5所示的配置可缩小或免去这个问题。阴极5装在阴极屏蔽6的基部的一个圆锥形突起20A的孔眼内的阴极圆锥21内。位在阴极之下为由丝极夹持器23支承着的丝极22。丝极22通过圆锥形保护器25的孔眼向阴极5露出。
这样就可限制在一次丝极22和阴极圆锥21之间的电子。在这特殊的例子中，由于阴极被安装在主要阴极屏蔽上的圆锥包围，固体耐熔金属阴极5的边缘发射可被减少。沿径向的圆锥到阴极的间距在室温下对4.5mm直径的阴极钮扣测量时最好在0.05mm到0.1mm的范围内。这样可减少边缘发射但不能予以消除。将阴极设置在圆锥21之后0.3mm可进一步改善电子束，但由于在阴极附近、在阴极和阴极屏蔽之间几何形状的不连续而造成一些边缘发射和球面像差仍会发生。尽管如此，这种枪的设计能在150kV时产生功率高达100kW的电子束并且当发射到一个较高真空(5×10-3mbar)的环境内时能产生高质量的焊缝。
阴极5的一种可替代的安装布置在图6中示出。在本例中，阴极5被保持抵压在阴极保持器31的沿径向面向内的唇部30，该保持器31有一插接段32例如用焊接保持在阴极圆锥21的圆筒形部内。阴极5用一开口簧环33被夹持在位，该簧环33定位并保持在插接段32的一个凹槽34内并作用在一环形垫片35上。对于约为4mm的发射直径，唇部30的厚度通常为0.1mm-0.3mm。将一个薄的耐熔金属垫圈36放置在阴极5的前面能够减少有效的不连续性，但不论放置还是不放置，热扭曲部能使垫圈或唇部向外扭曲，又一次会导致额外的电子发射从垫圈或唇部之后发出。
较好的方法在图7中示出，从图可见，低逸出功的阴极材料被机加工成一个帽状形式，适贴地配合在由唇部30形成的阴极保持器31的中心孔内。
六硼化镧和其他材料的机加工用激光技术或电火花烧蚀来实现。这种形式的阴极的发射件钮扣5被一装在槽34内的耐熔金属C形簧环33保持在位，可产生极少的额外发射，已被使用有限元软件的详细计算机分析证实，而且也被束功率电平达100kW、操作电压达200kV的大范围的实地试验证实。阴极钮扣表面可被理想地设置得与金属保持器的边缘齐平或者可从保持器的边缘缩进去最大为0.04mm。
垫圈35、36、37由钽制成，但应注意封装垫圈35正好突起到槽34的边缘之上通常约0.03mm，使钨丝簧环33维持一个压缩力。
阴极5和保持器31能被成形成多种式样来得到适贴配合，为的是减少边缘发射，同时避免表面的不连续或有台阶如图8到10所示。在图8中，唇部30的边缘和阴极5的相应表面都被以相似方式制有斜度。在图9中，阴极5只是有一制有斜度的导引部，不像以前的例子那样，还有一个凹槽。在图10中，阴极5具有一个截圆锥形状，与保持器31的内表面的形状对应。
还曾证实有可能在初始时将阴极5安装得略微突起，这样便可在随后仔细研磨，从而可使在发射件和环绕的夹持器边缘之间没有不连续或台阶。
最好，在阴极钮扣5的边缘和耐熔金属保持器31之间的接触面积应尽可能小，例如在图7和9中所示的那样，借以减少热损失。
当然，也可能使组合的阴极和保持器的剖面轮廓成为外凸形、圆锥形、内凹形或在凸面上重新凹入的圆锥形以资增强电子束的成形效果，这些形状分别如图11到14所示。
当结合二极式电子枪使用阴极钮扣和防止边缘发射的安装方法时，在该枪内先诱导出一个初始的电子束膨胀为的是可以得到以后的强烈的电极聚焦，这种做法曾被证实对高真空、一般的压力减少和非真空的操作都极为有效。在后两种情况下，喷嘴的被交切和加热在宽的功率和电压操作电平范围内都曾被降低到可以忽略的程度。另外，即使束电流从零功率被调节到全功率，在一次焦点位置上也只有较小的变化，以致对通过喷嘴组件用来聚焦电子束的一次聚焦透镜电流只需作极小的调节甚至不需调节。这样便可使设备的操作十分简单，这是与以前使用的二极式电子枪，特别是三极式电子枪对比而言，在这两种枪中，球面像差作用和一次交迭点的严重移动为其固有特征。
电极的一种较优形式在图15中示出。其中包括一个具有多重孔构造的狭长阳极40(长度在70-90mm的范围内)和一个深凹的阴极屏蔽41(深度在30-40mm的范围内)。有一阴极发射件42被安装一个中空的圆锥形支承43上并坐落在阴极屏蔽内的一个井44内。如图15所示，还有一个丝极45位在阴极42之后。这种特定的电极形式当束电流电平分别为3mA、166mA、225mA和358mA而加速电压为175kV时，所产生的电子束通过有限元计算机分析得出的电子轨迹如图16到19所示。在图16的低电流(3mA)时，尚无可观的空间电荷，由安装在阴极屏蔽42中心凹腔44内的突起阴极42的扩散透镜作用造成一个小而显著的膨胀46。一次交迭点47被明确地形成，电子轨迹被聚焦到差不多集中一点，再从该点差不多沿径向发散。当束电流增大时(图17的166mA、图18的225mA、图19的358mA)，电子束逐渐增大以资提供一个显然越来越大的电子源，从该电子源电子束能重新被聚焦。电子束的某些扩散和轴向运动被保持着，但即使在358mA，仍可在电子束上维持一个明显的腰部47(图19)，这样在走出阳极成为一个扩散的电子束后能立即被重新聚焦成一个直径极小的电子束，从而可通过细孔喷嘴。
采用图15所示配置的焊接设备的例子在图20中示出。图15中的电子束枪被设置在一个真空壳体100内。直流电源102被偶联到阴极屏蔽41和阴极42，而RF射频电源101则通过感应器103与丝极45偶联。丝极45被加热并发射电子，该电子被加速走向阴极42于是产生电子束104，该电子束在流动通过阳极40后流出真空室100，进入到一个压力被保持得比室100高的室105内。电子束104被限制在一个延伸通过该室105的导管106内，该导管106被一个聚焦线圈107和两组对准线圈108包围着。在室105内的压力被一通过管109与室105偶联的泵(未示出)控制着。该室105延伸通过一个在焊接室111的壁上的孔眼110。室105远离阳极40的一端被制成一个喷嘴112，通过该喷嘴电子束104被聚焦，这样就进入到另一个压力保持得比室105还要高的室113内，该室113通过一个连接到另一个泵(未示出)的管子116被抽真空。该室113包括一个与喷嘴112对准的喷嘴113A，与另一个室130连通，而这另一个室130又包括另一个聚焦线圈114和使电子束偏转的束致偏线圈115。室111通过一个孔眼131通往室111。有一对要被焊接的工件如钢管117、118被安装在室111内的支承119上，工件的连接线120与聚焦在连接线上的电子束104对准。在本例中，支承119可环绕其轴线旋转使连接线120横越电子束移动。在另一个布置(未示出)中，支承119可保持固定，而室和枪可转动。
图20所示配置的缺点之一是，从每一个泵必须用分开的管109、116延伸通过室111的壁连接到相关的室105、113内。
图21以部分切开的形式示出一种新型的室配置。沿着一个圆筒形的管子设有四个壁51-54，从而形成三个相关的室55-57。每一壁51-54都有一个设在中央的喷嘴51A-54A(在图21中不能见到喷嘴52A)。这些喷嘴都互相对准使一个电子束能够流动通过。一组三个扁长的分隔板150被安装在管子50的外侧。当图21所示的组件位在一个与分隔板150接合的圆筒形外管之内时，就在每一对分隔板150和外管之间形成各自的空气通道。
每一室55-57通过管子50上一个切开的部分55A-57A与各自的空气通道连通。每一个空气通道又通过导管59与各自的真空泵连通。
采用这种配置便能将导管59设置在组件的一端，使每一个泵用各自的导管59与相应的室55-57连接。
图22示出图20中的焊接设备只是改用了图21所示型式的室配置。电子束发生器概略地用标号100′指出，并可用与图20所示发生器100类似的构造。如同以前一样，电子束被限制在一导管106内，环绕该导管设有一个聚焦线圈107和一对对准线圈108，所有这些都包含在室55内。另一个聚焦线圈114和一对对准线圈115则被设在室57内。将这些室配置安装在其内的外套筒在图22中用虚线示出。
图23示出采用室配置第二例的另一个焊接设备的例子，图23中那些与图20中对应的类似构件也用相同的标号指出。室组件具有一个延伸通过室111上孔眼110的外套140。在外套140的先导端上形成室130′，在其内设有聚焦线圈114和一对对准线圈115。有一壁141延伸越过外套140的全部横剖面并形成一个中心喷嘴142，电子束104就通过该喷嘴喷出。
有一在内部的圆筒形套筒143被支承在外套140的后部，从而形成室105′。在内、外套筒143、140之间的空间144形成室113′，该室113′通过通道145被一泵(未示出)抽成真空。室105′通过延伸通过外套140的通道146与一泵(未示出)连通。
特别应该注意到，这两个通道145、146都是位在室111的外侧，因此特别容易将它们连接到泵上，因此可避免要另外提供通道通过室111的壁的复杂性。
在迄今为止所有上述例子中，丝极(例如图23中的丝极45)曾被用来产生一次电子，该一次电子冲撞在阴极上，阴极便产生构成电子束的二次电子。在许多用途中，这样做是令人满意的，但对某些用途如电子束焊接，由于电子束必须维持一个相当长的时间，致使丝极的寿命很短。因此，在一较优的方法中，就用感应加热的一次发射件来代替丝极，图24-26就示出这种情况。如同以前那样，一次阴极5被安装在一圆锥形支承21上(如在图5的例子中)。在阴极5之后隔开一个距离为一个圆盘形的一次发射件200，该一次发射件可由任何一种合适的导热陶瓷如六硼化镧或耐熔金属如钨或钽制成。这个一次发射件200被支承在一个支杆201上，而该支杆201又被一个支杆夹持器202夹持在位，该夹持器202则在206处被螺钉217旋紧到一个裂开的耦合环基体208上。有一平头螺丝(未示出)设在螺钉217内可将支杆201锁定在铜件202内。
一次发射件200可用任何一种方便的形式装在支杆201上，但是由于圆锥形支承21能将从阴极5返回发射到发射件200上的电子聚焦，因此最好用一能接受聚焦束的中心铆钉来固定发射件200，这样来避免损坏一次发射件。
为了加热一次发射件200，环绕一次发射件200设有一个感应耦合环203，该环被连接到如图26所示的电路内。感应耦合环203被一陶瓷绝缘子204支承着。
感应耦合环203被连接到分裂式的耦合环基体208上。方便的做法是用一个单一的金属块例如铜块将感应耦合环203和分裂式的耦合环基体208同时机加工出来。
如图2b所示，用来使图24和25所示组件充电的电路一般如同EP-A-0627121中所说明的那样，包括一个连接到RF放大器(未示出)上的匹配电路，该电路包括连接在一次线圈(天线)213上的感应器211和可调电容器212。天线213在一个与谐振电容器215耦合的二次线圈214内诱导出一个电压，该电压通过裂开的耦合环基体208来到感应耦合环203。二次线圈214还被连接到一次发射件200和主阴极5上。产生的越过感应器214和电容器215的电压当阴极相对于一次发射件为正时被用来使从一次发射件200到阴极5的电子加速。
图25示出的多个带螺纹的孔216是为接纳图26所示电路构件如二次线圈214和谐振电容器215用的。
曾经发现采用感应加热的一次发射件可得到有相当增长的使用寿命(与传统的丝极相比)致使这种配置特别适用于电子束焊接。

Claims (34)

1.一种带电粒子发射组件，具有：一个发射件，用来发射一种极性的带电粒子；一个管状屏蔽电极，沿圆周环绕上述发射件，并在使用时保持与带电粒子相同的极性；和一个管状加速电极，基本上与上述屏蔽电极同轴，并在使用时保持与上述屏蔽电极相反的极性；这样配置能使从上述发射件发射的带电粒子在初时沿侧向向外扩散，然后被聚焦成能通过上述管状加速电极的带电粒子束。
2.按权利要求1的组件，其特征为，上述电极被这样配置，使所产生的静电场能使在初时沿着从上述发射件射向上述管状加速电极的方向发射的带电粒子束扩散。
3.按权利要求2的组件，其特征为，上述发射件被安装在从上述屏蔽电极的基体突起的中心部分上。
4.权利要求3的组件，其特征为，上述突起的中心部分在朝向上述屏蔽电极的基体的方向上向外倾斜。
5.按以上权利要求中任一项的组件，其特征为，它还具有用来使上述发射件发射带电粒子的装置。
6.按权利要求5的组件，其特征为，上述用来使上述发射件发射带电粒子的装置具有一个被安排用来轰击上述发射件的第二带电粒子的供源。
7.按权利要求6的组件，其特征为，上述供源所发射的带电粒子为电子。
8.按权利要求1的组件，其特征为，上述发射件所发射的带电粒子为电子。
9.按权利要求6的组件，其特征为，上述第二带电粒子的供源包括一个感应加热的辅助发射件。
10.按权利要求1的组件，其特征为，上述屏蔽电极有一基本上为圆筒形的侧边。
11.按权利要求1的组件，其特征为，上述管状加速电极终止在上述屏蔽电极的边缘所定义的一个平面的附近。
12.按权利要求1的组件，其特征为，上述发射件安装在支承件的一个孔眼内并在电路上与该支承件连通，上述发射件具有比上述支承件低的逸出功，从而在工作温度下，上述发射件从一个暴露的表面上发射带电粒子。
13.按权利要求12的组件，其特征为，上述发射件的暴露表面基本上与上述孔眼周围的面向外的表面齐平或从该表面向后设置。
14.按权利要求13的组件，其特征为，上述发射件以紧配合装在上述支承件的孔眼内。
15.按权利要求13或14的组件，其特征为，上述支承件的一部分和上述发射件的一部分制有相应的锥度。
16.按权利要求15的组件，其特征为，上述支承件的一部分和上述发射件的一部分的锥度在朝向上述发射件暴露表面的方向上向内倾斜。
17.按权利要求13的组件，其特征为，上述发射件用一个开口簧环固定在上述支承件上，该簧环同时与这两个件接合。
18.按权利要求17的组件，其特征为，上述开口簧环被接纳在上述支承件的一个槽内。
19.按权利要求13的组件，其特征在为，上述发射件的暴露表面和上述支承件的面向外的表面形成一个共同平面。
20.按权利要求19的组件，其特征为，上述发射件的暴露表面和上述支承件的面向外的表面形成一个外凸的、圆锥的、内凹的、或在凸面上重新凹入的形状。
21.按权利要求13的组件，其特征为，上述支承件包括一个圆锥形的部分。
22.按权利要求13的组件，其特征为，上述发射件当加热到工作温度时发射电子。
23.按权利要求13的组件，其特征为，上述发射件含有六硼化镧。
24.按权利要求13的组件，其特征为，上述支承件含有钽。
25.焊接设备，包括：一个用于产生带电粒子束的带电粒子发射组件；一个工件支承，用来支承对带电粒子束暴露的工件；和用来在带电粒子束和上述工件支承之间造成相对运动的设施；其特征为，上述带电粒子发射组件具有：一个发射件，用来发射一种极性的带电粒子；一个管状屏蔽电极，沿圆周环绕上述发射件，并在使用时保持与带电粒子相同的极性；和一个管状加速电极，基本上与上述屏蔽电极同轴，并在使用时保持与上述屏蔽电极相反的极性；这样配置能使从上述发射件发射的带电粒子在初时沿侧向向外扩散，然后被聚焦成能通过上述管状加速电极的带电粒子束。
26.一种带电粒子束组件，该带电粒子束组件具有一个束柱组件，该束柱组件具有一系列被控制的压力室，每一压力室都有输入孔和输出孔，带电粒子束可流动通过这些孔，还有一个抽真空口可用来连接到泵上使室内的压力能被控制，从而在使用时可使连续室内的压力逐渐增加，其特征为，上述抽真空口通过一个导管被连接到一个在下游的室内，而该导管在该束柱组件内延伸至少经过一个在上游的室；一个真空带电粒子束源室与上述束柱组件耦联，而上述束柱组件包括一种带电粒子发射组件，它具有：一个发射件，用来发射一种极性的带电粒子；一个管状屏蔽电极，沿圆周环绕上述发射件，并在使用时保持与带电粒子相同的极性；和一个管状加速电极，基本上与上述屏蔽电极同轴，并在使用时保持与上述屏蔽电极相反的极性；这样配置能使从上述发射件发射的带电粒子在初时沿侧向向外扩散，然后被聚焦成能通过上述管状加速电极的带电粒子束。
27.按权利要求26的组件，其特征为，这些室是由多个套叠的管形成的，而每一个导管是由形成该导管所连接的室的管壁和下一个上游室的管壁形成的。
28.按权利要求27的组件，其特征为，这些套叠的管基本上是同轴的。
29.按权利要求26到28中任一项的组件，其特征为，这些室由位于一个外管内的一组管段形成，每一管段有一沿径向面向外的孔眼，每一室的沿径向面向外的孔眼在圆周上与所有其他室的沿径向面向外的孔眼偏离；并且有一组沿轴向延伸的分隔壁设置在管段与外管之间，从而形成各个导管，每一导管将一个室的沿径向面向外的孔眼与相应的抽真空口连接起来。
30.按权利要求29的组件，其特征为，这些管段具有基本相同的直径。
31.按权利要求27的组件，其特征为，上述套叠的管或管段基本上都是圆筒形的。
32.按权利要求26的组件，其特征为，一个室的输入孔是由上一个邻近的上游室的输出孔形成的。
33.按权利要求26的组件，其特征为，上述输入孔和输出孔形成一条电子束的直线路径。
34.按权利要求33的组件，其特征为，离开上述带电粒子束源室最远一个室的压力被保持在大气压之下。
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