技术领域
[0001] 本
发明涉及电子束加工制造技术领域，尤其涉及一种低气压长脉冲高能等离子体电子束发生装置及方法。
背景技术
[0002]
微波辐射是强流
粒子束与相应的微波介质相互作用所形成的产物，尤其是在等离子微波辐射源中，电子束
电流大小和电子束脉宽对微波辐射的
电磁波的
频率和辐射时间起着重要作用。
[0003] 传统的电子束有两种产生形式，一种是热
阴极发射，另一种是场致发射。热阴极能够产生直流电子束，但电子束电流较小，一般在几个毫安或十几个毫安。另外，热阴极材料易于损耗，寿命短。场致发射能产生大电流电子束，其电流能够达到千安级别，但电子束电流脉宽很短，通常在几十纳秒或几百纳秒。从等离子体中提取电子束能够产生大电流和长脉宽的电子束电流。在研究等离子体作为电子束源时，由于
辉光放电结构简单；等离子体形态稳定，不易熄灭；放电
温度较低，不需要考虑冷却，而且对阴极损耗很小，阴极寿命较长，因此辉光放电是作为等离子体电子束源的一种方法。
[0004] 一般来说，等离子体电子束源主要包括两个部分：1)基于某种放电的
等离子体发生器；2)电子束提取系统。辉光放电的工作气压一般为1-10pa，在该气压下，不可能形成脉冲很宽且
能量很大的电子束。因为此时
加速场气压较高，中性气体分子
密度大，电子在加速过程中与加速场中的中性
原子产生碰撞电离从而形成放
电击穿现象。因此，如何在低气压下(10-2pa)产生辉光等离子体是目前需要解决的问题。另外，在气体放电过程中产生了大量的带电粒子，这些带电粒子由于空间电荷效应扩散到加速场中。此时，带电粒子在
电场的作用下加速运动获得足够大的能量，并且很容易和加速场中性原子发生碰撞电离，从而使加速间隙闭合，不利于形成高能电子束。如何避免等离子体扩散到加速场中是目前需要解决的另一关键问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种低气压长脉冲高能等离子体电子束发生装置及方法，从而解决
现有技术中存在的前述问题。本发明能够在低气压下(<5×10-2pa)产生辉光等离子体，即降低了辉光放电的起辉气压，并且从原有的加速场分成提取场和加速场两个部分，通过改进相关结构，抑制了等离子体扩散到加速场中，从而保证了电子束的能量达到所需要求。
[0006] 本发明所采用的技术方案是：
[0007] 本发明提供一种低气压长脉冲高能等离子体电子束的发生装置，包括左侧
永磁体、左侧平板阴极、左侧孔型
阳极、右侧孔型阳极、右侧平板阴极、右侧永磁体、所述四
电极结构安放在
真空罐内部，永磁体安放在真空罐外部，双阳极上方设置提取场阳极，双阳极下方设置提取场阴极；所述放电腔的上端通过90°弧形螺线管结构与加速场相连，弧形螺线管的尾端为加速场阴极，加速场末端为加速场阳极，加速场阳极端与电子引出孔连接，且所述电子引出孔穿过连接的所述引出孔的收集极。
[0008] 更进一步的，所述提取场阴阳极设置在双阳极结构的放电空间中，提取场阳极采用孔型
铝板结构。
[0009] 更进一步的，所述电子引出孔即为提取场阳极，提取场阳极上方即为90°弧形螺线管装置，螺线管采用直流电源供电。电子从提取场提取出后直接进入到螺线管中，并且改变电子的运动方向。
[0010] 更进一步的，所述提取场阴阳极装备在放电空间内部。
[0011] 更进一步的，所述辉光阴阳极放电电源为直流电源、提取场电源为高压脉冲电源、励磁电源为恒流源，加速场为直流恒压源。加速场
电压的阴极接地、其余电源应采用悬浮电源供电。
[0012] 更进一步的，所述永磁体设置为左右两个，尺寸与阴极尺寸相当，且对称分布在真空罐的左右外侧。
[0013] 更进一步的，所述装置包括的各结构的连接处均加工有密封槽，且所述密封槽内均装有
橡胶密封圈。
[0014] 更进一步的，所述阴极、阳极、提取电极和加速电极均采用铝板制作而成，真空罐采用有机玻璃加工制成。
[0015] 本发明还提供一种低气压长脉冲高能等离子体电子束发生装置产生电子束的方法，包括如下步骤：
[0016] S1，将辉光放电阴阳电极板、阴阳极引出线、提取场阴阳极板、提取场引出线与真空罐安装在一起；
[0017] S2，将真空罐整体连同90°弧形螺线管、加速场装置一起抽真空至要求的气压条件下；
[0018] S3，打开辉光放电电源，产生辉光等离子体。
[0019] S4，打开提取场高压脉冲源，将等离子体中的电子从电子引出孔中提取出电子束源；
[0020] S5，打开励磁电流源，使得的初始的低能电子束沿着励磁电流所产生的
磁场方向进行偏转，并且使电子束源进入到加速场中；
[0021] S6，打开加速场恒压源，使得电子束加速获得高能电子束。
[0022] 本发明的优点在于：
[0023] 1)本发明提供的低气压长脉冲高能等离子体电子束发生装置及方法，该结构的电子束发生装置，体积小，占用空间少，同时，与现有技术中，通过加热热阴极产生大量的热电子，需要消耗阴极材料，导致电子束发生装置工作寿命短的方式相比，由于本发明装置中的等离子体电子由气体放电产生，且不需要馈气，不涉及电子束发生装置本身结构的消耗，所以，理论上电子束发生装置的使用寿命可以无限延长，因此，本发明提供的电子束源体积小、寿命长，且能够承受束微波介质中等离子体填充器件的反向
离子轰击等特点。
[0024] 2)本发明提供的低气压长脉冲高能等离子体电子束发生装置及方法，与传统的等离子体气体发生装置比，放电气压能够减小到5×10-2pa以下，扩大了辉光放电的起辉条件。在整个电子束装置中，由于气压的降低也减小了电子与加速场中性原子的碰撞几率，因此提高了电子束的加速电压，增大了电子束的
动能。另外，通过改进的四电极结构，将提取电极放置在辉光放电空间中，增大了提取阳极的孔径，提高了电子束源中的电子密度，也就是增大了电子束电流。
[0025] 3)本发明提供的低气压长脉冲高能等离子体电子束发生装置及方法，与传统的等离子体电子束发生装置比，在电子束脉宽达到10us-100us的
基础上，理论上加速场电压能够达到100Kv。并且，根据该装置的电子束的结构提取特点，还可以进一步将单次脉冲的电子束扩展到可重频的高能电子束装置，仅仅需要将提取场中的单次高压脉冲源换成可重频的高压脉冲源。
附图说明
[0026] 图1是辉光放电阴极和阳极结构示意图；其中，a是阴极板结构，b是孔型阳极板结构；
[0027] 图2是辉光放电阴极和阳极安装示意图；
[0028] 图3是真空罐密封槽结构(侧视图)；
[0029] 图4是真空罐密封槽结构(俯视图)；
[0030] 图5是双阳极辉光放电结构(侧视图)；
[0031] 图6是双阳极辉光放电结构(俯视图)；
[0032] 图7是提取场放置
位置以及90°弧形螺线管结构图；
[0033] 图8是加速场聚焦装置图；
[0034] 图9是低气压长脉冲高能等离子体电子束结构总体
框图；
[0035] 图中：1、接线孔；2、永磁体；3、真空罐；4、孔型阳极；5、平板阴极；6、下
法兰盘；7、上法兰盘；8、抽气口；9、提取场阳极口；10、90°弧形金属不锈
钢管；11、螺线管线圈；12、提取场平板铝制阴极；13、提取场网状阳极；图4中：14、加速场阴极；15、加速场阳极；16、电子束收集极；17、弧形带孔金属电极；18、金属螺杆；19、真空装置密封槽。
具体实施方式
[0036] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0037] 通常情况下，辉光放电的工作气压要求在10Pa以上，空心阴极辉光放
电能够使放电气压降低到1Pa，如果要求在更低的气压下产生辉光等离子体，则需要引入磁场或其他条件。本发明将永磁体安放在真空罐外部左右两侧，在真空罐内部的
磁力线从N极到S极(注意：真空罐内部磁力线不是NN极或SS极相互排斥)，磁力线穿过阴极板和阳极孔，阴阳极用铝制材料加工。磁场的引入使得电子被约束在阴阳极间往返运动，增大了电子的运动路径，提高了电子与中性原子的碰撞几率，降低了辉光放电的起辉气压。
[0038] 传统的气体放电是在阴极板和阳极板之间产生辉光等离子体。本发明中在真空罐内部采用四电极结构，从左到右的安装顺序为阴极板，阳极孔，阳极孔，阴极板，其目的是为了利用磁场的作用使得电子能够穿过阳极孔从而达到电子在阴阳极间往返振荡的效果。另外，采用双阳极结构的目的是有利于提取场在放电空间内上下电极的安放，并且提高了等离子体在双阳极区域内的密度均匀性。
[0039] 一般地，电子束的加速场和提取场两者是结合在一起的，在该情况下，针对热阴极电子束而言是没有区别的，但热阴极由于自身电子发射能力低的
缺陷导致电子束电流不大，无法满足相关要求，对于场致发射和等离子体提取这两种形式的电子束源而言，必须要要考虑等离子体带电粒子扩散的情形，当电子提取加速之后，通常提取场和加速场结合在一起，因此这两者电场的方向相同，加速电子易于在场间隙闭击穿而从导致加速场电压不能过大，因此电子束获得的能量较低。本发明将提取场和加速场分开，中间用90°弧形结构连接，电子束在提取过程中采用5-10Kv，单次脉宽为10us-100us，提取后通过螺线管内部磁偏转漂移进入加速场，而等离子体由于空间电荷效应的作用则不受螺线管内部磁场的影响，所以等离子体不会改变漂移方向，从而等离子体会轰击到螺线管内壁而损失掉。通过90°弧形结构进而分离了等离子体和电子束，避免了等离子体扩散到加速场中，提高了电子束的加速电压。
[0040] 如图1所示，阴极(图中a所示)为平板铝制电极，厚2mm，长120mm，宽80mm；阳极(图中b所示)为方孔型铝制电极，电极厚2mm，外边缘长120mm，宽80mm，方孔内边缘长100mm，宽60mm；接线孔大小为φ6，利用金属螺杆穿过接线孔，每个电极接线孔两端用
螺母固定。
[0041] 如图2所示，本发明真空罐内部一共有四个电极，分别为两个阴极和两个阳极，需安装固定在真空罐内，真空罐采用有机玻璃材料，厚20mm，内直径为160mm，两个阴极外边缘间距70mm，两个阳极内边缘相距46mm，阴阳极左右对称安装；在真空罐相应位置打通孔(阴极中心线位置处左右两边，各打上下两个通孔)，将金属螺杆18穿出真空外，并且将真空罐内外壁用螺母固定，且在真空罐内外钻孔处用绝缘
树脂密封，以保证真空罐抽气的密闭性。
[0042] 如图3和4所示，在真空罐内外半径之间开槽，槽深3mm，槽外半径与内半径差为5mm，利用5mm厚的橡胶圈安装在真空装置密封槽19内，抽气时，在上方直接用金属平板或有机材料的平板压紧即可。
[0043] 如图5和图6所示，真空罐3两端设置上法兰盘7和下法兰盘6，真空罐3的上端为提取场阳极口9，下端为抽气口8，在真空罐3内部，两孔型阳极4安装在内侧，两平板阴极5安装在外侧，且四电极左右对称安装，图中未画出电极固定的螺杆。在真空罐外部，左右两永磁体2对称安装，且两磁体在真空罐内所产生的磁力线为从N极到S极，而不是N极N极或S极S极相互排斥，这种安装方式对产生辉光等离子体有重要作用。真空罐底部作为抽气口，真空罐下方为真空
泵抽气装置。真空罐高170mm。真空罐上部为电子束源引出口，并与90°弧形螺线管相连。磁体可以固定在外部的绝缘
支架上(图中未画出)。
[0044] 如图7所示，提取场网状阳极13和提取场平板铝制阴极12位于真空罐上下两个位置，且固定在双阳极中间区域。提取场阳极可以通过螺杆与上法兰盘固定，阴极可以通过螺杆与下法兰盘固定；提取场阴极采用平板铝制电极，提取场阳极采用网状(网格2mm*2mm)或孔型(孔径不大于双阳极间距)金属板制成。在真空罐上方安装90°弧形螺线管线圈11装置，90°弧形金属
不锈钢管10可以和真空罐上法兰盘无缝密闭
焊接，这中连接方式并不会对提取场的电场分布以及螺线管中的磁场分布有过多的影响。在保证真空抽气强度的基础上，尽可能减小弧形金属管壁厚，目的是保证在弧形管缠绕线圈时更加紧凑。
[0045] 如图8所示，在加速场聚焦装置结构图中，在90°弧形螺线管引出处密封焊接法兰盘，作为电子束加速场阴极14，右侧外接另一真空罐，同样采用有机玻璃加工而成。加速场阳极15法兰盘连接弧形带孔金属电极17，且中间开孔，孔直径为10mm，目的是为了进行电子束加速聚焦；电子穿出加速场阳极聚焦孔后，入射到电子束收集极16。在实际应用中，比如作为微波辐射源，并不需要上述所示的收集极，电子束从阳极孔穿出后应直接进入相应的微波介质进行相互作用。
[0046] 本发明低气压长脉冲高能等离子体电子束的发生装置的整体结构如图9所示。
[0047] 综上所述，本发明提供了一种低气压长脉冲高能等离子体电子束的发生装置及方法，涉及电子束加工制造技术领域。该装置通过在真空室外安放左右两个永磁体、真空
室内设计成四电极结构，两平板阴极安放在外侧，两孔型阳极安放在内侧，并在提取场和加速场中间设计成90°弧形螺线管结构。放电腔的上端连接提取场的阳极，提取场阳极采用孔型结构；放电腔的下端连接提取场的阴极，提取场阴极采用平板结构。该结构的电子束发生装置，体积小，占用空间少，同时，由于本发明装置中的等离子体电子由工质气体产生，不涉及电子束发生装置本身结构的消耗，所以，理论上电子束发生装置的使用寿命可以无限延长。另外，本装置能够在5×10-2pa以下产生辉光等离子体，以及利用90°弧形结构，本装置能够在更高的电压下对电子束进行加速和聚焦，因此能够产生能量较高的电子束，适用于等离子体微波辐射源的激励等用途。
[0048] 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本发明的保护范围。
