阅读说明：本技术 一种金属离子源发射装置 (Metal ion source emitter ) 是由 廖斌 欧阳潇 王国梁 欧阳晓平 罗军 庞盼 陈琳 张旭 吴先映 英敏菊 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种金属离子源发射装置,包括密封连接的陶瓷筒、引出电极室和三个并排设置的阴极,触发电极固定在陶瓷绝缘电极上,阴极靶材固定在间接冷却通道上,限位电极固定在固定电极上,固定电极通过螺扣将间接冷却通道固定在阴极冷却管上,阴极冷却管固定在阴极法兰上,触发接线柱通过导线和触发电极相连；引出电极室中位于阴极正下方设置有引出电极和加速电极,加速电极和引出电极上均设置有引出缝隙。该金属离子源发射装置,能够在一个阳极的情况下,同时让3个阴极进行工作,增大了离子源的照射面积,提高了工作效率、能源利用率；发射源更加紧凑,处理面积更大。(The invention discloses a metal ion source emission device, which comprises a ceramic cylinder, an extraction electrode chamber and three cathodes arranged side by side, wherein the ceramic cylinder, the extraction electrode chamber and the three cathodes are connected in a sealing manner; an extraction electrode and an accelerating electrode are arranged in the extraction electrode chamber and are positioned right below the cathode, and extraction gaps are arranged on the accelerating electrode and the extraction electrode. The metal ion source emission device can simultaneously work by 3 cathodes under the condition of one anode, thereby increasing the irradiation area of the ion source and improving the working efficiency and the energy utilization rate; the emission source is more compact and the processing area is larger.)

一种金属离子源发射装置

技术领域

本发明涉及离子发射源技术领域，特别是涉及一种金属离子源发射装置。

背景技术

现有的发射源工作稳定性差，在一个加速电压的情况下，只有一个发射源，对能源的利用率不高，而且发射的离子源能量高，对产品的质量会造成一定的损坏、灼伤。同时，单个发射源束流直径小，处理效率偏低。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属离子源发射装置，解决了现有金属离子源发射装置能耗高、连续工作稳定性差、束流和效率低、束流直径偏小等难题。本发明在阴极发射端进行涂铅操作，保证了各组件之间的电阻能够稳定到一定范围。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种金属离子源发射装置，包括密封连接的陶瓷筒、引出电极室和三个并排设置的阴极，三个阴极结构相同，伸入所述陶瓷筒内的所述阴极包括有阴极靶材、触发电极、陶瓷绝缘电极、限位电极、固定电极、阴极冷却管、阴极法兰和触发接线柱，所述触发电极固定在所述陶瓷绝缘电极上，所述阴极靶材固定在间接冷却通道上，所述限位电极固定在所述固定电极上，所述固定电极通过螺扣将所述间接冷却通道固定在所述阴极冷却管上，所述阴极冷却管固定在所述阴极法兰上，所述触发接线柱通过导线和所述触发电极相连；

所述引出电极室中位于所述阴极正下方设置有引出电极和加速电极，所述加速电极和引出电极上均设置有引出缝隙。

优选的，所述触发电极通过螺钉固定在所述陶瓷绝缘电极上，绝缘套通过旋转螺扣固定在所述陶瓷绝缘电极上，该绝缘套采用氮化硼绝缘套。

优选的，所述阴极靶材通过螺扣固定在所述间接冷却铜套上。

优选的，所述阴极冷却管通过螺钉固定在所述阴极法兰上，且所述阴极法兰与阴极冷却管之间通过O型密封圈进行密封。

优选的，所述阴极还包括有冷却铜管，所述冷却铜管通过螺扣固定在所述阴极冷却管上。

优选的，所述阴极法兰上固定有触发绝缘套和固定绝缘套组成的公母螺扣，所述触发接线柱通过螺母固定在所述固定绝缘套上。

优选的，所述阴极与阳极之间的电阻为1-2兆欧，触发电压为 6-10kV。

优选的，设置在所述阴极正下方的所述加速电极和引出电极的大小以及引出缝隙的位置完全一致。

优选的，所述阴极法兰周向均匀设置有多个绝缘支柱，所述绝缘支柱的底端与所述引出电极室的顶部相固定，设置于所述阴极法兰和引出电极室之间的所述陶瓷筒位于所述绝缘支柱内侧。

优选的，所述引出缝隙为圆孔状或矩形状。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的金属离子源发射装置，能够在一个阳极的情况下，同时让3个阴极进行工作，增大了离子源的照射面积，提高了工作效率、能源利用率。本发明的离子源发射装置，发射源更加紧凑；一套加速电压能够实现多个发射源的加速，更加节能环保；处理面积更大，可最高处理1000mm直径样品；引出束斑形状可根据要求可控，可为长条形，也可为圆形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为离子源发射装置的整体结构示意图；

图2为阴极的组成示意图；

图3为引出电极和加速电极示意图；

图4为引出缝隙示意图；

其中，1阴极；2阴极法兰；201触发电极；202绝缘套；203陶瓷绝缘电极；204阴极靶材；205限位电极；206固定电极；207间接冷却铜套；209冷却铜管；210阴极冷却管；211触发绝缘套；212固定绝缘套；213触发接线柱；301引出电极；302加速电极；303引出缝隙；4陶瓷筒；5抑制电极；6引出电极室；7绝缘支柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种金属离子源发射装置，解决了现有金属离子源发射装置能耗高、连续工作稳定性差、束流和效率低、束流直径偏小等难题。本发明在阴极发射端进行涂铅操作，保证了各组件之间的电阻能够稳定到一定范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-4所示，本发明提供一种金属离子源发射装置，包括依次密封连接的三个并排设置的阴极1、陶瓷筒4和引出电极室6，阴极 1包括阴极靶材204、触发电极201、陶瓷绝缘电极203、限位电极 205、固定电极206、阴极冷却管210、阴极法兰2和触发接线柱213；触发电极201通过螺钉固定在陶瓷绝缘电极203上；绝缘套202通过旋转螺扣固定在陶瓷绝缘电极203上；阴极靶材204通过螺扣固定在间接冷却铜套207上；限位电极205通过螺钉固定在固定电极206上；固定电极206通过螺扣把间接冷却铜套207固定在阴极冷却管210上；阴极冷却管210通过螺钉固定在阴极法兰208上；阴极法兰208和阴极冷却管210之间通过O型密封圈密封；冷却铜管209通过螺扣固定在阴极冷却管210上；触发绝缘套211，固定绝缘套212为公母螺扣固定在阴极法兰208上；触发接线柱213通过螺母固定在固定绝缘套212上。

置于地面的引出电极室6内设置有抑制电极5；引出电极室6的引出电极301上设置有引出缝隙303；阴极法兰2周向均匀设置有多个绝缘支柱7，绝缘支柱7的底端与引出电极室6的顶部相固定。

进一步的，阴极1与触发阳极之间的电阻为1-2兆欧，触发电压 6-10kV；触发后阴阳极之间会形成打火，打火时产生等离子体即形成离子束发射。

本发明中阴极1的工作原理为阴极靶材204和触发电极201通过高压击穿形成弧光放电在阴极靶材204表面形成脉冲等离子体，然后通过后面的引出系统进行引出；触发接线柱213通过导线和触发电极 201相连输入高压进行击穿；冷却铜管209通入冷却水对阴极进行冷却。

具体地，阴极中各组件的相关参数如下：

触发电极201的触发电压为5-7KV，触发频率为0-100Hz；绝缘套202为氮化硼绝缘套，绝缘套本身绝缘电阻大于1015欧姆，直径比阴极靶材204直径不大于0.1mm；陶瓷绝缘电极203的绝缘套本身绝缘电阻大于1015欧姆，可加工；阴极靶材204本身电阻小于1 兆欧，可加工直径10-30mm，寿命大余30h；限位电极205为可加工金属材料；固定电极206为可加工金属材料；间接冷却铜套207 为可加工金属材料；阴极法兰2也为可加工金属材料；冷却铜管209 为可加工金属材料，最大直径10-25mm；阴极冷却管210为铜管，直径1-15mm，长度40-60mm；触发绝缘套211为可加工聚合物材料，耐压1-20kV；固定绝缘套212为可加工聚合物材料，耐压1-20kV；触发接线柱213为可加工金属材料，最大直径1-15mm。上述相关参数可以根据具体的使用进行适当的调整和改变，均在本发明的保护范围内。

该金属离子源发射装置的工作过程为：

触发电极接入高压与阴极1之间形成电位差；当高压达到一定数值时(>3KV)触发电极和阴极1之间短路，形成弧光放电，喷射出等离子体；等离子体经过陶瓷筒4内的加速电极3进行加速；加速电压接在加速电极3上，引出电离室内设置了抑制电极5，因为高能金属轰击不锈钢时容易产生电子，为排除电子束的干扰，抑制电极5的电压在0-800V，能有效抑制电子的产生和引出，引出的全为离子束。

引出电极301上引出缝隙303的形状决定了引出束流的形状；引出缝隙303为圆形，引出束流为圆形束斑；引出缝隙303为矩形条，引出束斑为矩形，该矩形长条方向与引出缝隙长条方向垂直。引出电极301是对弧光放电形成的等离子体进行引出，加速电极302是通过设置高负压对等离子体中的正离子进行加速。引出电极301和加速电极302大小和开缝位置完全一致，设置在阴极1的正下方；引出细缝位置设置在阴极1正下方。等离子体在细缝的地方不损失，无缝的地方等离子体发生损失，进入细缝后受到加速电极电场的加速，通过加速缝引出到真空室进行离子注入。

本实施例中，引出电极301的规格为长200-500mm，宽 100-300mm；加速电极302的规格为长200-500mm，宽100-300mm；引出缝隙303的规格为长100-300mm，宽1-5mm，数量为80-400条。加速电极302和引出电极301的引出缝一致，加速电极302和引出电极301间距3-10mm；

三套脉冲离子源同时工作，共用一套加速电极302和引出电极 301；正常工作电压10-20Kv，引出束流1-100mA，引出束流直径最大可为1000-1200mm。

三套离子源工作时互相不发生干扰，触发接线柱201为导磁部件，在三套脉冲离子源工作时可形成天然屏蔽体，使得离子源工作时产生的等离子体发生串扰，使得引出束流大幅减小，同时触发点位置无规律影响阴极靶材204寿命。

阴极法兰2主要用来安装阴极1靶材，触发电极(阳极)以及相关冷却装置；引出电极室6为地电位，绝缘支柱7和磁环主要用来绝缘地和高压加速电极3。抑制电极5主要是抑制和阻止电子的产生和引出。阴极法兰2、磁筒、加速电极302以及引出电极室6均为O 圈连接进行密封。

本发明中的离子源发射装置，是一种新型的离子源引出-加速电极结构，其中，引出电极由圆孔型引出设计为等宽的长条形引出形状，同时加速电极302之间的距离不再恒定，设计为连续变化的引出间距，即加速电极302之间的距离由5mm变为可变区间3-7mm。通过实施本发明，离子束斑的形状发生明显的改变，由原来的圆形束斑变成长条形束斑，束斑尺寸可为(100-200mm)×(300-800mm)，大大提高了离子束斑的纵向宽度，在处理长条形工件时有着非常明显的优势。同时，通过引出-加速电极302的改变离子束流大大增加，在相同束流强度下能够大大增加阴极1靶材的寿命。将整个装置的阴极1组件扩展为三个并排，阳极仍为一个，相应的引出电极室6的形状转换为矩形，以放置三个阴极1组件。这样能够在一个阳极的情况下，同时让 3个阴极1进行工作，增大了离子源的照射面积，提高了工作效率、能源利用率。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。