CN220235041U - 一种等离子源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了等离子源，其包括具有进口和出口的放电室、电子发射部件、磁性部件以及供气部件，放电室包括室壁、上电极板、下电极板，且室壁与上电极板和/或下电极板构成放电电流回路；电子发射部件与放电电流回路绝缘设置，且电子发射部件包括电子发射件、加热件；等离子源还包括连接在放电室上方的发射室，其中发射室内形成上下贯通并与出口连通的发射通道。本实用新型一方面通过设置独立的放电电流回路，避免放电电流对加热件造成大的负荷，从而有效降低加热件损坏的概率，延长使用寿命，并提高离子源工作的安全性；另一方面能够使得形成的离子束流稳定且持续自发射通道射出，有效降低损耗，提升离子源的使用效率。

Description

一种等离子源

技术领域

本实用新型属于离子源技术领域，具体涉及一种等离子源。

背景技术

气体放电、电子束对气体原子(或分子)的碰撞，带电粒子束使工作物质溅射以及表面电离过程都能产生离子，并被引出成束。根据不同的使用条件和用途，已研制出多种类型的离子源。使用较广泛的有弧放电离子源、PIG离子源、双等离子体离子源和双彭源这些源都是以气体放电过程为基础的。

目前，常规的等离子源包括具有进口和出口的放电室、阳极、阴极、磁性部件、以及供气部件，其中磁性部件在放电室内形成磁场，供气部件用于向放电室内提供工作气体(氩气)和反应气体(如氧气)，阳极与放电室的室壁连接，阴极为设置在放电室内的灯丝，工作时，灯丝通电加热后产生热电子,并在磁场的作用下运动并轰击工作气体或反应气体的原子，使其离化，且最终在磁场的引导下形成离子束流自放电室的出口射出。

然而，在实际工作过程中，容易存在以下缺陷：

1、离子源的放电电流通过上述阴、阳极所构成的回路，因此，灯丝的加热电极需要承受过大的电流，容易导致加热电极过热损坏，使用寿命低，存在离子源工作安全隐患；

2、离子束流自出口射出时相对分散，且损耗大，难以形成持续稳定的离子束流。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的等离子源。

为解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案如下：

一种等离子源，其包括具有进口和出口的放电室、电子发射部件、磁性部件以及供气部件，其中供气部件与进口相连通，放电室包括室壁、连接在室壁顶部并形成出口的上电极板、连接在室壁底部并形成进口的下电极板，且室壁与上电极板和/或下电极板构成放电电流回路；电子发射部件与放电电流回路绝缘设置，且电子发射部件包括能够受热发射电子的电子发射件、与电子发射件相连接的加热件，其中电子发射件设置在放电室内并位于气体的流动路径上；等离子源还包括连接在放电室上方的发射室，其中发射室内形成上下贯通并与出口连通的发射通道；磁性部件在发射通道内形成磁场，放电室内形成的离子束流自出口进入发射通道，且在磁场的引导下集中向上射出。

根据本实用新型的一个具体实施和优选方面，出口处还设有连通放电室内腔与发射通道的辅助模块，其中辅助模块上形成有上下连通的上通道和下通道，且上通道呈圆柱状，下通道自下而上逐渐变窄设置。

优选地，磁性部件为绕设在发射室外周的电磁铁线圈。所产生的磁场是连续可调的，以便于调节离子源到一个最佳的工作状态。

根据本实用新型的一个具体实施和优选方面，供气部件包括与进口相连通的充气管道；放电室的内腔形成有与进口相连通的导流通道，其中导流通道自进口向出口方向延伸，电子发射件设置在导流通道内。在此，通过导流通道对气体的流动进行约束，从而有效提高电子轰击气体原子产生的离化效果。

优选地，导流通道包括内通道、套设在内通道外的外通道，其中外通道的高度高于内通道，电子发射件中空设置并抵触在内通道的上端与外通道的上端之间，且电子发射件的上端部和外通道的上端部形成相连通的通气孔，气体通过通气孔进入放电室的内腔后自出口流出。在此，结构简单、稳定，便于组装。

优选地，导流通道和电子发射件均呈柱状，且进口、出口、导流通道以及电子发射件的中心线重合设置。

具体的，通气孔的孔径为d1，导流通道的内径为d2，其中0.15d2≤d1≤0.25d2。在此，通过设置小孔径的通气孔，以降低气体流出导流通道的流速，从而保证电子与气体原子间充分发生碰撞。

根据本实用新型的又一个具体实施和优选方面，加热件包括导热模块、加热板、加热电源，其中导热模块包覆在导流通道的外周，加热板绝缘连接在下电极板上，且加热板一端部外露与加热电源连接、另一端部向上伸入放电室的内腔并与导热模块相连接。

优选地，导热模块包括中部形成插接通道的模块本体、连接在模块本体上并位于插接通道相对两侧的连接部，其中加热板分别与两侧的连接部相连接，导流通道插设在插接通道内。在此，模块本体两侧同步加热，从而提升加热效率，且确保导热均匀。

优选地，导热模块和导流通道的材质均采用石墨；和/或，电子发射件为六硼化镧、钽、钼中的任一种。在一些具体实施方式中，电子发射件采用六硼化镧(LAB6)，通过调整加热的功率，调节LAB6的温度，实现发射电子数量的连续可调。可以在最大范围内调节最终离子的强度，且能够实现的最大工作电流达100A及以上；而且相较于普通的灯丝，使用寿命长，不用频繁拆卸更换灯丝。

此外，室壁与上电极板之间连接有绝缘陶瓷；室壁和下电极板之间连接有密封环并构成电流回路。在此，防止短路，提高设备的安全性。

由于以上技术方案的实施，本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

现有的离子源存在加热电极容易过热损坏、使用寿命低、离子束流射出时损耗大难以持续稳定的缺陷，而本实用新型通过对等离子源进行整体设计、以巧妙地解决了现有结构的各种不足。采取该等离子源后，气体进入放电室放电形成的放电电流通过上下电极板以及放电室内腔所构成的电流回路中，且电子发射件通过加热件加热时，与该电流回路绝缘；形成的离子束流进入发射通道，并在磁场引导下快速射出，因此，与现有技术相比，本实用新型一方面通过设置独立的放电电流回路，避免放电电流对加热件造成大的负荷，从而有效降低加热件损坏的概率，延长使用寿命，并提高离子源工作的安全性；另一方面能够使得形成的离子束流稳定且持续自发射通道射出，有效降低损耗，提升离子源的使用效率。

附图说明

图1为本实施例等离子源的结构示意图；

图2为本实施例等离子源的结构分解示意图；

图3为本实施例等离子源的主视示意图；

图4为图3中A-A向剖视示意图；

其中：1、放电室；10、室壁；t1、导流通道；t10、内通道；t11、外通道；11、下电极板；k1、进口；h、密封环；12、上电极板；k2、出口；f、辅助模块；f1、上通道；f2、下通道；c、绝缘陶瓷；

2、供气部件；20、充气管道；

3、电子发射部件；30、电子发射件；k3、通气孔；31、加热件；310、导热模块；a1、模块本体；t2、插接通道；a2、连接部；311、加热板。

4、发射室；t3、发射通道；

5、磁性部件。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”“水平的”“上”“下”“左”“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1至图4所示，本实施例的等离子源，其包括具有进口k1和出口k2的放电室1、供气部件2、电子发射部件3、发射室4以及磁性部件5。

具体的，放电室1包括室壁10、连接在室壁10底部并形成进口k1的下电极板11、连接在室壁10顶部并形成出口k2的上电极板12，其中室壁10与上电极板12连接有绝缘陶瓷c以防止短路现象；室壁10和下电极板11之间连接有密封环h以形成电流回路；上电极板12和下电极板11均采用铜电极。

本例中，供气部件2包括与进口k1相连通的充气管道20；在一些具体实施方式中，放电室1的内腔形成有与进口k1相连通的导流通道t1，其中导流通道t1自进口k1向出口k2方向延伸，气体自进口k1沿着导流通道t1向上流动。

具体的，导流通道t1包括内通道t10、套设在内通道t10外的外通道t11，其中外通道t11的高度高于内通道t10，且外通道t11的上端部与出口k2间隔设置。

本例中，电子发射部件3与放电电流回路绝缘设置，且电子发射部件3包括能够受热发射电子的电子发射件30、与电子发射件30相连接的加热件31，其中电子发射件30设置在放电室1内并位于气体的流动路径上。

为了方便实施，电子发射件30设置在导流通道t1内。在一些具体实施方式中，电子发射件30中空设置并抵触在内通道t10的上端与外通道t11的上端之间，且电子发射件30的上端部和外通道t11的上端部形成相连通的通气孔k3，气体通过通气孔k3进入放电室1的内腔后自出口k2流出；电子发射件30的材质采用六硼化镧。

同时，导流通道t1和电子发射件30均呈柱状，且进口k1、出口k2、导流通道t1以及电子发射件30的中心线重合设置；通气孔k3的孔径为d1，导流通道t1的内径为d2，其中0.15d2≤d1≤0.25d2，最佳的，d1＝0.2d2。

本例中，加热件31包括导热模块310、加热板311、加热电源，其中导热模块310包覆在导流通道t1的外周，加热板311绝缘连接在下电极板11上，且加热板311一端部外露与加热电源连接、另一端部向上伸入放电室1的内腔并与导热模块310相连接。

具体的，导热模块310包括中部形成插接通道t2的模块本体a1、连接在模块本体a1上并位于插接通道t2相对两侧的连接部a2，其中加热板311分别与两侧的连接部a2相连接，导流通道t1插设在插接通道t2内；导热模块310和导流通道t1的材质均采用石墨。

本例中，发射室4连接在放电室1上方，其中发射室4内形成上下贯通并与出口连通的发射通道t3，具体的，发射室4与上电极板12之间通过绝缘陶瓷c相固定连接；磁性部件5在发射通道t3内形成磁场，放电室1内形成的离子束流自出口k2进入发射通道t3，且在磁场的引导下集中向上射出。

为了方便实施，出口k2处还设有连通放电室1内腔与发射通道t3的辅助模块f，其中辅助模块f上形成有上下连通的上通道f1和下通道f2，且上通道f1呈圆柱状，下通道f2自下而上逐渐变窄设置。

此外，磁性部件5为绕设在发射室4外周的电磁铁线圈。

综上，气体进入放电室放电形成的放电电流通过上下电极板以及放电室内腔所构成的电流回路中，且电子发射件通过加热件加热时，与该电流回路绝缘；形成的离子束流进入发射通道，并在磁场引导下快速射出，因此，与现有技术相比，本实用新型一方面通过设置独立的放电电流回路，避免放电电流对加热件造成大的负荷，从而有效降低加热件损坏的概率，延长使用寿命，并提高离子源工作的安全性；另一方面能够使得形成的离子束流稳定且持续自发射通道射出，有效降低损耗，提升离子源的使用效率；第三方面通过导流通道对气体的流动进行约束，并通过设置小孔径的通气孔，以降低气体流出导流通道的流速，从而保证电子与气体原子间充分发生碰撞，从而有效提高电子轰击气体原子产生的离化效果；第四方面电子发射件采用六硼化镧(LAB6)，通过调整加热的功率，调节LAB6的温度，实现发射电子数量的连续可调。可以在最大范围内调节最终离子的强度，且能够实现的最大工作电流达100A及以上，而且相较于普通的灯丝，使用寿命长，不用频繁拆卸更换灯丝。

以上对本实用新型做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本实用新型的内容并加以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种等离子源，其包括具有进口和出口的放电室、电子发射部件、磁性部件以及供气部件，其中所述供气部件与所述进口相连通，其特征在于：

所述放电室包括室壁、连接在所述室壁顶部并形成所述出口的上电极板、连接在所述室壁底部并形成所述进口的下电极板，且所述室壁与所述上电极板和/或所述下电极板构成放电电流回路；所述电子发射部件与所述放电电流回路绝缘设置，且所述电子发射部件包括能够受热发射电子的电子发射件、与所述电子发射件相连接的加热件，其中所述电子发射件设置在所述放电室内并位于气体的流动路径上；

所述等离子源还包括连接在所述放电室上方的发射室，其中所述发射室内形成上下贯通并与所述出口连通的发射通道；所述磁性部件在所述发射通道内形成磁场，所述放电室内形成的离子束流自所述出口进入所述发射通道，且在磁场的引导下集中向上射出。

2.根据权利要求1所述的等离子源，其特征在于：所述出口处还设有连通所述放电室内腔与所述发射通道的辅助模块，其中所述辅助模块上形成有上下连通的上通道和下通道，且所述上通道呈圆柱状，所述下通道自下而上逐渐变窄设置。

3.根据权利要求1所述的等离子源，其特征在于：所述磁性部件为绕设在所述发射室外周的电磁铁线圈。

4.根据权利要求1所述的等离子源，其特征在于：所述供气部件包括与所述进口相连通的充气管道；所述放电室的内腔形成有与所述进口相连通的导流通道，其中所述导流通道自所述进口向所述出口方向延伸，所述电子发射件设置在所述导流通道内。

5.根据权利要求4所述的等离子源，其特征在于：所述导流通道包括内通道、套设在所述内通道外的外通道，其中所述电子发射件中空设置并抵触在所述内通道的上端与所述外通道的上端之间，且所述电子发射件的上端部和所述外通道的上端部形成相连通的通气孔，气体通过所述通气孔进入所述放电室的内腔后自所述出口流出。

6.根据权利要求5所述的等离子源，其特征在于：所述导流通道和所述电子发射件均呈柱状，且所述进口、出口、导流通道以及电子发射件的中心线重合设置。

7.根据权利要求6所述的等离子源，其特征在于：所述通气孔的孔径为d1，所述导流通道的内径为d2，其中0.15d2≤d1≤0.25d2。

8.根据权利要求4所述的等离子源，其特征在于：所述加热件包括导热模块、加热板、加热电源，其中所述导热模块包覆在所述导流通道的外周，所述加热板绝缘连接在所述下电极板上，且所述加热板一端部外露与所述加热电源连接、另一端部向上伸入所述放电室的内腔并与所述导热模块相连接。

9.根据权利要求8所述的等离子源，其特征在于：所述导热模块包括中部形成插接通道的模块本体、连接在所述模块本体上并位于所述插接通道相对两侧的连接部，其中所述加热板分别与两侧的连接部相连接，所述导流通道插设在所述插接通道内。

10.根据权利要求8或9所述的等离子源，其特征在于：所述导热模块和导流通道的材质均采用石墨；和/或，所述电子发射件为六硼化镧、钽、钼中的任一种。