CN201508820U - 一种电子轰击式离子源放电室 - Google Patents

Abstract

一种电子轰击式离子源放电室，设有环绕放电室的磁体(2)，放电室纵向后端设有阴极(14)，磁体后部设有延伸到阴极侧部的后极靴(1)，中部设有向纵向中心轴线方向延伸的中极靴(3)，前部设有向纵向中心轴线方向延伸的前极靴(5)，放电室里设有杯体形阳极(9)，其环形侧壁位于中极靴、前极靴极尖内侧，底面位于后侧，阴极(14)前端穿过杯体形阳极底面设置的中心孔(9a)，伸进阳极的杯形放电空腔，杯体形阳极的环形底内设有带冷却液入口和出口的冷却液腔(13)。本装置可降低离子源放电室内的温度，保证磁场性能的稳定和磁场分布的均匀，同时杯体形阳极为一体化结构，便于装卸、清洗、维修。

Description

一种电子轰击式离子源放电室

技术领域

本实用新型属一种离子源装置，具体涉及电子轰击式离子源放电室的阳极和磁场分布结构。

背景技术

电子轰击式离子源(通常称考夫曼源)源于空间推进，但目前已被广泛应用于材料表面改性：如大面积离子注入(见专利号862010756)、离子束动态共混，以及材料表面加工：如刻蚀、抛光、溅射及辅助镀膜等.其结构主要包括放电室和离子束引出系统.放电室用于产生离子，离子束引出系统用于引出和加速离子。放电室包含发射电子的阴极和接受电子在放电室内产生放电的阳极，在阴极与阳极之间设有按不同形状分布的磁场，其作用是使从阴极发射的电子产生回旋与进入放电室的气体原子或分子发生碰撞，使气体游离，化为离子和电子，从而在阳极和阴极间产生放电，而放电室产生的离子再由装在放电室一端的离子束引出系统引出。

由于放电消耗功率，再加上热电子发射阴极所耗功率，这类装置放电室的温度可高达3-4百度。现有技术均采用高居里点永久磁钢的非水冷阳极结构如图1所示。其阳极均由非水冷圆筒形或多个圆环组成。高性能磁钢虽工作温度可高于此温度值，但由干其磁场强度随温度变化，当温度过分升高时，磁场强度下降明显，尤其是由于离子源工作时频繁开停，使磁钢温度频繁变化，从而导致磁性能降低，致使放电室磁场分布改变，从而影响离子源性能。其结果是使放电效率下降，引出束流减少，且束流分布均匀性改变.若使用环境允许温度低于此温度，离子源就无法使用。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种可以降低工作温度、保持磁场磁性能及分布稳定的电子轰击式离子源放电室。

解决上述问题的技术方案是(参见实施例图)：本实用新型设有环绕放电室的磁体(2)，放电室纵向后端设有阴极(14)，磁体(2)后部设有延伸到阴极侧部的后极靴(1)，中部设有向纵向中心轴线方向延伸的中极靴(3)，前部设有向纵向中心轴线方向延伸的前极靴(5)，其特征在于：放电室里设有杯体形阳极(9)，其环形侧壁位于中极靴、前极靴极尖内侧，底面位于后侧，阴极(14)前端穿过杯体形阳极底面设置的中心孔(9a)，伸进阳极的杯形放电空腔，杯体形阳极的环形底内设有带冷却液入口和出口的冷却液腔(13)。

进一步方案是：杯体形阳极(9)环形底内设置的冷却腔液腔(13)从外周边向前延伸到杯体形阳极的侧壁内(参见图4)。

本实用新型带冷却液腔的杯体形阳极具有局部冷却或全冷却功能，在工作中，可通过循环的冷却液对阳极进行冷却，降低离子源放电室内的温度，保证磁场性能的稳定，消除温升对离子源性能产生的不良影响，同时杯体形阳极为一体化结构，便于装卸、清洗、维修。

附图说明

图1、现有离子源放电室结构示意图

A-发散场结构示意图

B-多极场结构示意图

C-会切场(CMF)结构示意图

图2、本实用新型实施例1结构示意图

图3、图2所示实施例放电室拆分状态结构示意图

图4、本实用新型实施例2结构示意图

图5、图4所示实施例的杯体形阳极9结构示意图

图6、本实用新型实施例3的阳极结构示意图

1-后极靴 2-磁体 3-中极靴 5-前极靴 6-屏栅 7-加速栅 8-外套9-阳极 10-磁力线 11-输出管 12-输入管 13-冷却液腔 14-阴极15-阴极固定架 16-阳极电源 17-阴极电源 18-加速极电源 19-屏极电源

具体实施方式

实施例1

本例为用于电子轰击式离子源(或称考夫曼源)的放电室。

参见图2、图3，本例放电室的磁路组件D设有环绕放电室的永久磁体2，该磁体是由若干与纵向中心轴线OO^/平行的永久磁棒环绕纵向中心轴线OO^/圆周向均匀排列形成的圆筒形，磁体2后端设有向纵向中心轴线OO^/方向延伸的圆环状后极靴1，该圆环状后极靴1与在靠近其中心孔1a的部位设置的向前延伸形成的前端开口的圆筒形后极靴1c为一整体。磁体2中部设有向纵向中心轴线OO^/方向延伸的中极靴3，前端设有向纵向中心轴线OO^/方向延伸的前极靴5。

后极靴1、中极靴3和前极靴5均为低碳钢材料。

在由磁体极靴1、3、5的极尖围成的空腔里，设有前部开口的杯体形阳极9，见图3，阳极9呈底部带中心孔9a的杯形体，见图2，杯体形阳极9环形侧壁位于中极靴3和前极靴5极尖的内侧(所述的“内侧”是指中、前极靴的极尖连线与纵向中心轴线OO^/相邻的一侧)，阳极的环形侧壁前端靠近前极靴5极尖后部，阳极9的杯底部分在后侧，呈圆环状的平面，阳极9的材料是导热非导磁材料。

设置于靠近后极靴中心孔1a部位的圆筒形后极靴1c的前端靠近杯体形阳极9杯底的中心孔9a，固定在后极靴1后部阴极固定座15上的阴极14前端穿过圆筒形后极靴1c和阳极9杯底的中心孔9a，伸进杯体形阳极9围成的放电空腔内，阴极固定座15上设有与放电空腔连通的进气口15a，用于向放电空腔内进气。

杯体形阳极9的环形杯底内设有带冷却液入口和出口的环形冷却液腔13，分别与冷却液腔入口和出口连接的输入管12和输出管11向后穿过后极靴1上设置的通孔1a、1b与冷却液循环系统连通。

环绕放电室的永久磁体2内壁面装有不锈钢外套8。

磁路组件D与阴极14与装在放电室前端的离子源屏栅6同电位，但与阳极9及装在放电室前部的加速栅7绝缘。

本例把阳极9设计成杯形，使放电区域包含在磁路组件所形成昀磁场内，并对阳极进行冷却液冷却，从而可降低放电室内的工作温度约30％，达到保证磁场性能稳定和磁场分布均匀的目的。

本例放电室的磁场分布如图2中虚线10所示：后极靴1与中极靴3极尖之间构成的双会切场将杯体形阳极的底部和部分侧壁包覆在内，中极靴3与前极靴5极尖之间构成的双会切场将杯体形阳极的侧壁包覆在内，从而使从阴极发射的原初电子必须通过磁场才能到达阳极，保证了放电效率.同时仍保持会切场放电室近杯形(如10所指虚线所示)无磁场区的特征，保证了引出离子束的束密均匀性。

本实施例的具体参数和性能是：离子源引出束径为8cm，离子束引出电压1000V，(束能量1000eV)，加速电压400V，进气量8sccm(氩)，阳极电压25V，阳极电流1.5A，引出离子束流125mA，放电效率300ev/ion，束密均匀区～80％束径，(￠6.5cm)，不均匀性±5％.采用饮用自来水冷却，可使离子源最高温度从300c°降至195c°。

本实用新型在低及中等引出电压(低于2000V)时，阳极冷却液可采用饮用自来水(进口水温低于25℃)；如果需要高引出电压时(高于2000V)，采用的冷却液必须有高绝缘电阻，一般可采用去离子介质，如去离子水或其它冷却液，以保证对地绝缘。

采用本例结构的另一特点是，参见图3，由于阳极是杯体形的一体化结构，所以本放电室可分解成阴极14、磁路组件D、杯形阳极9三个独立部分，拆卸时，将阴极14从磁路组件D后部取出，将一体化的阳极从磁路组件D前部取出即可，安装时反之，装卸方便，从而可极大简化离子源的清洗、维修和保养。

实施例2

参见图4、图5，与实施例1不同的是：本例杯体形阳极9环形底内设置的冷却腔液腔13从外环周边向前延伸到杯体形阳极的侧壁内，为全冷式冷却，在与实施例1同样条件下，可使放电室温度从300c°降至150c°，降低了50％，进一步提高了阳极的冷却效果。

实施例3(图6)

实施例1和实施例2所述杯体形阳极9的杯底部分为平面，与实施例1不同的是，本例杯体形阳极9的带中心孔9a的杯底部分9b为向后拱出的环形圆锥面。

实施例4(省略附图)

实施例1所述环绕放电室的磁体2是由若干与纵向中心轴线平行的永久磁棒组成，与实施例1不同的是：本例环绕放电室的磁体2是整体圆筒形的永久磁体，永久磁体2后端设置向纵向中心轴线OO^/方向延伸的圆环状后极靴1，该圆环状后极靴1与在靠近其中心孔1a部位设置的向前延伸形成的前端开口的圆筒形后极靴1c为一整体。磁体2中部设有向纵向中心轴线OO^/方向延伸的中极靴3，前端设有向纵向中心轴线OO^/方向延伸的前极靴5。

实施例5(省略附图)

实施例1的环绕放电室的磁体2其外周由若干永久磁棒环绕纵向中心轴线(OO^/)圆周向均匀排列形成的圆筒形，本例环绕放电室的磁体2其外周由若干永久磁棒环绕纵向中心轴线(OO^/)圆周向均匀排列形成的向前扩径的圆锥形或喇叭形。

实施例6(省略图)

实施例4的杯体形阳极9侧壁为圆筒形，与实施例4不同的是，本例杯体形阳极9的侧壁为前后两端开口、直径向前渐增的圆锥形或喇叭形.

上述实施例1的中极靴3为一个，也可根据需要设置2个或2个以上。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种电子轰击式离子源放电室，设有环绕放电室的磁体(2)、放电室纵向后端设有阴极(14)，磁体(2)后部设有延伸到阴极侧部的后极靴(1)，中部设有向纵向中心轴线方向延伸的中极靴(3)，前部设有向纵向中心轴线方向延伸的前极靴(5)，其特征在于：放电室里设有杯体形阳极(9)，其环形侧壁位于中极靴、前极靴极尖内侧，底面位于后侧，阴极(14)前端穿过杯体形阳极底面设置的中心孔(9a)，伸进阳极的杯形放电空腔，杯体形阳极的环形底内设有带冷却液入口和出口的冷却液腔(13)。

2.根据权利要求1所述的电子轰击式离子源放电室，其特征在于：所述杯体形阳极(9)环形底内设置的冷却液腔(13)从外周边向前延伸到杯体形阳极的侧壁内。

3.根据权利要求1所述的电子轰击式离子源放电室，其特征在于：所述杯体形阳极(9)带中心孔(9a)的杯底部分为圆环状的平面。

4.根据权利要求1所述的电子轰击式离子源放电室，其特征在于：所述杯体形阳极(9)带中心孔(9a)的杯底部分为向后拱出的环形圆锥面。

5.根据权利要求1所述的电子轰击式离子源放电室，其特征在于：所述环绕放电室的磁体(2)是呈圆筒形的永久磁体。

6.根据权利要求1所述的电子轰击式离子源放电室，其特征在于：所述环绕放电室的磁体(2)是呈向前扩径的圆锥形或喇叭形的永久磁体。

7.根据权利要求1所述的电子轰击式离子源放电室，其特征在于：所述环绕放电室的磁体(2)是由若干永久磁棒环绕纵向中心轴线(OO^/)圆周向均匀排列形成的呈圆筒形，或者是向前扩径的圆锥形或喇叭形。

8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的电子轰击式离子源放电室，其特征在于：磁体(2)后端设置的向纵向中心轴线方向延伸的后极靴(1)呈圆环状，该圆环状后极靴与在靠近其中心孔(1a)部位设置的向前延伸形成的前端开口的圆筒形后极靴(1c)为一整体，圆筒形后极靴(1c)前端靠近杯体形阳极(9)杯底的中心孔(9a)，固定在后极靴(1)后部阴极固定座(15)上的阴极(14)前端穿过圆筒形后极靴(1c)和杯体形阳极(9)杯底的中心孔(9a)，伸进杯体形阳极(9)围成的放电空腔内。

9.根据权利要求8所述的电子轰击式离子源放电室，其特征在于：阴极固定座(15)上设有与杯体形阳极(9)围成的放电空腔连通的进气口(15a)。

10.根据权利要求1-7任一权利要求所述的电子轰击式离子源放电室，其特征在于：所述阳极(9)的环形侧壁前端靠近前极靴(5)极尖后部。

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