CN209087761U - 一种新型等离子体阴极电子束源及3d打印机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型等离子体阴极高能电子束源，包括等离子体阴极系统、阳极、负高压电源、电子束靶板；负高压电源的高压端与等离子体阴极相连，负高压电源的接地端与阳极、电子束靶板相连接，并接大地；等离子体阴极系统包括新型微波ECR等离子体源、微波源，新型微波ECR等离子体源包括微波共振腔、非对称的永磁体组件、阴极板；本实用新型还提供一种3D打印机；本实用新型的有益效果：在微波共振腔中将产生高电子密度的等离子体，借助永磁体组件在共振腔中产生轴向非对称磁镜场，可以在很低的气流量下就能产生高能电子束，能做到长寿命、低维护、高可靠性。

Description

一种新型等离子体阴极电子束源及3D打印机

技术领域

本实用新型涉及一种电子束源及其应用，尤其涉及的是一种新型等离子体阴极电子束源及3D打印机。

背景技术

高能电子束源主要是由处在高负电位上的阴极电子源，和处在地电位加速电子的阳极构成。现有的高能电子束源主要有两类：一类使用热阴极产生电子，用阳极加速形成高能电子束：另一类使用电极放电的电弧等离子体或空心阴极等离子体产生的电子，用阳极加速形成高能电子束。

热阴极电子束源使用的阴极是传统的固体材料，可以在高真空状态下加热发射电子，所以应用于工业生产装备中既可以稳态运行，也可以脉冲运行；但是热阴极寿命短，维护量大，可靠性差，影响产品的质量和生产效率；热阴极发射的电流比较小，难以提高高能电子束的流强。

电弧等离子体阴极电子束源和空心阴极等离子体阴极电子束源是近年来研发的两款新型脉冲高能电子束源。由于两者需要在较高的气压下放电才能在等离子体阴极区产生足够高的电子密度，致使阴阳极之间气压较高，很容易引起高电位差的阴阳极之间产生电弧放电，以至于很难构建成稳态高能电子束源，只能应用于脉冲高能电子束的工况。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供了一种解决上述背景技术中难以构建稳态高能电子束源的新型等离子体阴极电子束源，还提供一种采用该新型等离子体阴极电子束源的3D打印机。

本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的：本实用新型一种新型等离子体阴极电子束源，包括等离子体阴极系统、加速电子的阳极、电子束靶板、为等离子体阴极系统与阳极提供电位差的负高压电源；负高压电源的高压端与等离子体阴极系统相连，负高压电源的接地端与阳极、电子束靶板相连接，并接大地；阳极处于等离子体阴极系统的下方，电子束靶板与阳极间隔排列；

所述等离子体阴极系统包括新型微波ECR等离子体源、为新型微波ECR等离子体源提供微波能的微波源、微波传输系统、为新型微波ECR等离子体源提供气体的气源，微波源产生的微波通过微波传输系统注入新型微波ECR等离子体源，气源连接在新型微波ECR等离子体源上端侧面；

新型微波ECR等离子体源包括微波窗、介质波导、微波共振腔、套接在微波共振腔外的非对称的永磁体组件、阴极板，微波共振腔的上端由依次由微波窗和介质波导覆盖，阴极板置于新型微波ECR等离子体源底部。

优选的，所述微波传输系统包括激励腔、含水负载的环形器、调配器、高压隔离波导；激励腔的一端连接微波源，另一端依次连接环形器、调配器、高压隔离波导，所述环形器为三通结构，其两端分别连接激励腔与调配器，另一端连接水负载。

优选的，微波源为磁控管。

优选的，所述微波共振腔为带有风冷结构的铝制材质圆筒。

优选的，所述永磁体组件由轴向充磁、间隔设置、高度不相等的两块圆环形永磁体串联组成。

优选的，还包括用于隔离阴极板与阳极的高电压绝缘环，安装在阴极板底部，并套接在阳极外围。

本实用新型还提供一种采用所述的新型等离子体阴极电子束源的3D打印机，包括新型等离子体阴极电子束源、电子枪室、工作真空腔室、聚焦线圈和偏转线圈，所述工作真空腔室内设有工作台，工作真空腔室上部连接偏转线圈，偏转线圈上连接聚焦线圈，聚焦线圈上连接电子枪室，电子枪室上部设有上聚焦线圈，电子枪室上端连接等新型离子体阴极电子束源。

优选的，所述工作真空腔室为不锈钢材质制得的圆筒形结构，工作真空腔室内设有水冷结构。

优选的，所述工作真空腔室上设有抽气接口、送丝接口、若干接口法兰、观察窗。

优选的，所述观察窗为透、反两用的观察窗。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：本实用新型在微波共振腔中将产生高电子密度的等离子体，由于永磁体组件在共振腔中产生>0.09T轴向非对称磁镜场，所以可以在很低的气流量下就能产生高电子密度等离子体，由于该新型等离子体源是无电极微波ECR放电产生等离子体，所以能做到产生稳态高能电子束，且具有长寿命、低维护、高可靠性。

附图说明

图1是本实用新型实施例一种新型等离子体阴极高能电子束源的原理示意图；

图2是本实用新型实施例一种新型等离子体阴极高能电子束源的结构示意图；

图3是共振腔与永磁体的结构示意图；

图4是高电压绝缘环的结构示意图；

图5是新型等离子体阴极高能电子束源工作结构示意图；

图6是本实用新型实施例一种3D打印机的结构示意图。

图中标号：

等离子体阴极系统1、新型微波ECR等离子体源21、微波共振腔211、永磁体组件212、阴极板213、微波源22、微波传输系统23、激励腔231、环形器232、高压隔离波导233、水负载234、调配器235、进气口236、高电压绝缘环237、微波电源24、

阳极2、负高压电源3、电子束靶板4、电子束5、电子枪室6、枪室分子泵61、上聚焦线圈62、工作真空腔室7、工作台71、抽气接口72、送丝接口73、聚焦线圈8、偏转线圈9。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-2所示，本实施例一种新型等离子体阴极电子束源，包括等离子体阴极系统1、加速电子的阳极2、为等离子体阴极系统1与阳极2提供电位差的负高压电源3、电子束靶板4；负高压电源3的高压端与等离子体阴极1相连，负高压电源3的接地端与阳极和电子束靶板4相连接，并接大地；阳极处于等离子体阴极的下方，电子束靶板4与阳极2间隔排列，电子束5处于阳极2与电子束靶板4之间，由阳极2像电子束靶板4发射；

所述等离子体阴极系统1包括新型微波ECR等离子体源21、为新型微波ECR等离子体源21提供微波能的微波源22、微波传输系统23、为新型微波ECR等离子体源21提供气体的气源，微波源22产生的微波通过微波传输系统23注入新型微波ECR等离子体源21，气源连接在新型微波ECR等离子体源21上端侧面；

新型微波ECR等离子体源21包括微波窗2111、介质波导2112、微波共振腔211、套接在微波共振腔211外的非对称的永磁体组件212、阴极板213，微波共振腔211的上端由依次由微波窗2111和介质波导2112覆盖，阴极板213置于新型微波ECR等离子体源21底部。

如图2所示，所述微波传输系统23包括激励腔231、含水负载的环形器232、调配器235、高压隔离波导233；激励腔231的一端连接微波源22，另一端依次连接环形器232、调配器235、高压隔离波导233，所述环形器232为三通结构，其两端分别连接激励腔231与调配器235，另一端连接水负载234。本实施例中，微波源22为磁控管，磁控管可提供频率为2.45GHz，功率100-1000W的连续波，反射波信号由水负载234通过检波器提供，高压隔离波导233能使微波产生和传输系统工作在地电位。所述高压隔离波导233上连接钉调配器235，用于调节微波匹配，调配器235为三销钉调配器。还设有微波电源24，微波电源24连接磁控管。

结合图3所示，所述微波共振腔211为带有风冷结构、铝制材质制得的圆筒形结构，其中，风冷结构为多层散热片的结构或其它能够实现风冷的结构，微波共振腔211的上端依次由微波窗2111和介质波导2112覆盖，安装在微波窗2111下、微波共振腔211上部的介质波导2112，一方面起到导入微波的作用，还起到阻止返流离子轰击微波窗的作用，下端由用中心开有1-9mm小孔的等离子体阴极板213覆盖。

结合图3所示，所述永磁体组件212由轴向充磁、间隔设置、高度不相等的两块圆环形永磁体串联组成，永磁体组件212在共振腔211中产生轴向非对称磁镜场，磁镜中心磁场高于900Gs，磁镜中具有875Gs电子回旋共振层。

如图4所示，本实施例中还包括用于隔离阴极板213与阳极2的高电压绝缘环237，安装在阴极板213底部，并套接在阳极2外围，以实现密封真空和隔离高压的作用。

本实用新型工作过程：

结合图5所示，其工作原理是，将该新型等离子体阴极高能电子束源置于具有有1000-2000L/s抽速的的真空系统上，将由抽气系统进行抽气，抽至高真空(小于3×10^-4Pa)，用气源向共振腔中充入微量氩气(少于0.1sccm)，气源流量由安装在绝缘高压的高精度小流量质量流量计控制，用微波系统向共振腔211中输入100W-200W微波，在共振腔211中将产生高电子密度的等离子体，由于永磁体组件212在共振腔211中产生轴向非对称磁镜场，磁镜中心磁场高于900Gs，磁镜中具有875Gs电子回旋共振层，所以可以在很低的气流量(～0.1sccm)下就能产生高电子密度等离子体。很低的气流量使得共振腔211中的气压很低，所以在高电位差的阴极板213与阳极2之间的气压也足够低，可以应用数十kV电压稳态加速电子获得高能电子束。因此，该新型等离子体阴极高能电子束源既能像热阴极电子束源那样，使电子束加速间隙运行在足够高的真空状态，能稳态引出高能强束流电子束；也能像用电极放电的电弧等离子体和空心阴极等离子体源那样产生足够高的电子密度，能引出高能强束流电子束。由于该新型等离子体源是无电极微波ECR放电产生等离子体，所以能做到长寿命、低维护、高可靠性。

如图6所示，本实用新型还提供一种3D打印机，包括等离子体阴极电子束源、电子枪室6、工作真空腔室7、聚焦线圈8和偏转线圈9，所述工作真空腔室7内设有工作台71，工作真空腔室71上连接偏转线圈9，偏转线圈9上连接聚焦线圈8，聚焦线圈8上连接电子枪室6，电子枪室6上连接等离子体阴极电子束源，聚焦线圈和偏转线圈分别调整电子束聚焦及射点。电子枪室6中包含枪室分子泵61，还安装了上聚焦线圈62，可以将电子束源产生的电子束整形成平行电子束。

所述工作真空腔室7为不锈钢材质制得的带有水冷槽的圆筒形结构，其中安装在工作真空腔室7上的法兰上设有冷却水道，可通过输入水进行冷却，或者其他能够实现冷却的现有技术中的结构均可。其内为真空腔，真空状态为打印工作环境。

所述工作真空腔室7上设有抽气接口72、送丝接口73、若干接口法兰以及观察窗，观察窗是透、反两用观察窗，能够透过观察窗看到工作台71，抽气接口72用于连接抽气组件，送丝接口73用于连接送丝组件，均通过接口法兰进行法兰螺栓连接。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型等离子体阴极电子束源，其特征在于，包括等离子体阴极系统、加速电子的阳极、电子束靶板、为等离子体阴极系统与阳极提供电位差的负高压电源；负高压电源的高压端与等离子体阴极系统相连，负高压电源的接地端与阳极、电子束靶板相连接，并接大地；阳极处于等离子体阴极系统的下方，电子束靶板与阳极间隔排列；

所述等离子体阴极系统包括新型微波ECR等离子体源、为新型微波ECR等离子体源提供微波能的微波源、微波传输系统、为新型微波ECR等离子体源提供气体的气源，微波源产生的微波通过微波传输系统注入新型微波ECR等离子体源，气源连接在新型微波ECR等离子体源上端侧面；

新型微波ECR等离子体源包括微波窗、介质波导、微波共振腔、套接在微波共振腔外的非对称的永磁体组件、阴极板，微波共振腔的上端依次由微波窗和介质波导覆盖，阴极板置于新型微波ECR等离子体源底部。

2.根据权利要求1所述的一种新型等离子体阴极电子束源，其特征在于，所述微波传输系统包括激励腔、含水负载的环形器、调配器、高压隔离波导；激励腔的一端连接微波源，另一端依次连接环形器、调配器、高压隔离波导，所述环形器为三通结构，其两端分别连接激励腔与调配器，另一端连接水负载。

3.根据权利要求1所述的一种新型等离子体阴极电子束源，其特征在于，所述微波源为磁控管。

4.根据权利要求1所述的一种新型等离子体阴极电子束源，其特征在于，所述微波共振腔为带有风冷结构的铝制材质圆筒。

5.根据权利要求1所述的一种新型等离子体阴极电子束源，其特征在于，所述永磁体组件由轴向充磁、间隔设置、高度不相等的两块圆环形永磁体串联组成。

6.根据权利要求1所述的一种新型等离子体阴极电子束源，其特征在于，还包括用于隔离阴极板与阳极的高电压绝缘环，安装在阴极板底部，并套接在阳极外围。

7.一种采用上述权利要求1所述的新型等离子体阴极电子束源的3D打印机，其特征在于，包括新型等离子体阴极电子束源、电子枪室、工作真空腔室、聚焦线圈和偏转线圈，所述工作真空腔室内设有工作台，工作真空腔室上部连接偏转线圈，偏转线圈上连接聚焦线圈，聚焦线圈上连接电子枪室，电子枪室上部设有上聚焦线圈，电子枪室上端连接新型等离子体阴极电子束源。

8.根据权利要求7所述的一种3D打印机，其特征在于，所述工作真空腔室为不锈钢材质制得的圆筒形结构，工作真空腔室内设有水冷结构。

9.根据权利要求7所述的一种3D打印机，其特征在于，所述工作真空腔室上设有抽气接口、送丝接口、若干接口法兰、观察窗。

10.根据权利要求9所述的一种3D打印机，其特征在于，所述观察窗为透、反两用的观察窗。