專利名稱：與帶電粒子束有關的改進的制作方法
技術領域：
本發明涉及帶電粒子發射組件和發射器。本發明例如有關大功率電子束(EB)的產生和在操作壓力為約10-1毫巴到約數百毫巴(mbar)的真空室內的傳送。但本發明也可用于其他型式的帶電粒子束包括那些負離子和正離子形成的粒子束。為了便利起見，本文只論述電子束。
通過從發射器釋放自由電子并在電場內加速。便可容易地產生電子束。對于那些只是用來例如真空熔化金屬的電子束，以能量密度分布、束亮度和束分布圖表述的束質量并不重要。通常，亮度被定義為電流密度/立體弧度。
但對其他一些用途，束質量至關緊要，而且必須穩定并能復制。例如在電子束焊接(EBW)中，重復產生具有一致深度和寬度的深而窄的熔合區的能力主要取決于i)束能量密度分布ii)相對于工件表面的焦點位置iii)包括亮點大小和會聚角因素的束亮度理論上，就電子束焊接而言，重要的是要得到一個清晰形成的能量密度分布，而通常這個分布成為高斯形式。而且，為了完成深而窄的焊接，必需將束的會聚角控制在一個較緊的范圍內。對于鋼的焊接，例如截面厚度為100mm-150mm時，大于1度的束半角肯定會導致焊池不穩定和內部缺陷。在另一方面，采用接近平行的電子束可很好地適合這樣厚截面的焊接，但對1mm-10mm的鋼截面又不適合用來產生非常窄的焊縫。另外，在截面較薄的情況下，焊接的束能量分布更為重要得多。如果由于某種理由，能量分布包括有顯著的干涉條紋就會在焊接的熔合區形狀上被反映出來。因此不是獲得高斯分布中的接近平行的熔合區，而是產生具有所謂“釘子頭”特征的寬得多的不平行的熔合區。但這樣對相同的焊接深度就需要較高的電子束功率，而焊接后的側向收縮總的來說也較大，并且由于頂部的焊接寬度大于底部的焊接寬度，發生不均勻的收縮，從而造成所顯示出的構件的扭曲。對于精密的構件，這通常是不能接受的，并且還可導致焊縫的開裂。
特別是對于薄截面焊接，同樣重要的是，在焦點上要達到足夠的強度。對于產生接近平行的電子束的系統，即使沒有干涉條紋，不足的強度也會導致較寬且帶斜度的熔合區，與此伴隨的是過度的扭曲，還有開裂的危險。接近平行的電子束并不一定能聚焦，盡管強烈的正離子有中和效應，但在真空環境下仍能有空間電荷分布。這樣，進入聚焦透鏡的接近平行的電子束企圖經過長距離來聚焦時束直徑會幾乎沒有減少。在中等和高功率下束分布圖和強度特性確實在總體上常能被離子和電子的相互作用所支配。
因此從電子槍發射電子束十分重要的是該束須具有很好限定的發散(在規定的范圍內)、高亮度、低像差并且沒有干涉條紋。
用三極式電子槍在中高電子束電流的范圍內克服空間電荷分布來得到較高的會聚角的一個可能方法是使電極產生較強的聚焦場。但當柵極場成為一個附加的有力的聚焦因素時，這會導致低電流下的過度會聚。即使對于高真空EBW，會聚角的大幅擺動一般都是不希望有的，它會給下列系統帶來較大困難。該系統采用一個束轉移系統以便用于減少壓力(5×10-1到～250mbar)或非真空(～1000mbar)的操作，還采用小孔噴嘴以資限制氣體漏入槍區域。
在高電流下克服空間電荷分布來得到較大會聚的另一個方法是在設計槍時將陰極、柵極和陽極設置在緊密靠近的地方。這會導致電子較快地加速越過一個較短的軸向距離，從而減少電子互斥的可能性。遺憾的是，這種配置會增加電極上的電表面應力并能導致高壓擊穿傾向增加。
為了從槍殼內的高真空(5×10-5～5×10-6mbar)區域將電子抽出到大約在5×10-2～1000mbar的壓力范圍內操作的工作室內而必須使電子束通過狹小的孔眼發射時，極端重要的是避免產生束干涉條紋和最佳地使電子束聚焦。此時，氣體從工作室內泄漏到槍殼內的泄漏率主要取決于孔眼的數目與孔眼的直徑和長度，及級間泵的泵壓能力。
束干涉條紋有容納大量功率的傾向，即使在總功率低(例如5KW)的操作中，在孔眼噴嘴上吸收這個外加功率的能力受到限制，甚至有相當大的水冷作用的情況下，仍有這樣的傾向。與電子束功率非常小的電子顯微鏡裝置不同，要除去出現在攔截光闌上的不需要的干涉條紋是不切合實際的。由于相似的原因，重要的是應該避免采用低亮度的、接近平行的電子束，因為它有一個大的束直徑。
束質量和一個特定的電子槍是否能產生一個具有擴散度很好限定的、完全沒有像差的電子束與該槍的設計特別是陰極的設計和在緊挨陰極的附近各個電極之間的明細的幾何形狀有十分密切的關系。
EBW用的大多數電子槍是三極式的。采用柵極可以保證做到，在低的束電流下陰極發射被限制在陰極的中心部分，但由于柵極所造成的強電場的存在，能導致電子束產生相當大的像差。
在強柵極場中，外側的電子軌跡具有較短的焦距，因為它們比更靠中心的電子更接近柵極杯孔的邊緣。而且，隨著柵極電壓的降低和束電流的增大，發射區域會擴大，甚至可允許電子從陰極邊緣上釋放出去，那里的不利的幾何細節會產生與主電子流根本不同的電子軌跡飛逸路徑。再者，當電子束電流增大時，弱柵極場與電子束內增加的空間電荷結合能造成電子束的總體擴散和一次焦點的消失。而且，一次焦點腰部和虛像位置(對第一聚焦透鏡顯示的)都會隨著電子束電流電平的變化，在電子束軸線的上下移動相當大的距離。
由這樣一種槍、一次焦點隨著電子束電流的大小而發生的漂移、在高電流時電子束會聚角的欠缺和在低電流時較高的會聚角這樣一些問題所產生的束干涉條紋能夠有害地影響焊接性能，即使對于將電子束發射到真空度較高(5×10-3mbar)的室內的傳統系統也會造成危害。對于必須通過小孔眼才能發射的電子束可能會很難操作甚至不能操作，特別是進行高功率(如大于30KW)的操作。
按照本發明的第一方面，帶電粒子發射組件包括一個用來發射具有一種極性的帶電粒子的發射件；一個管狀的屏蔽電極，沿圓周包圍著發射件并保持使用與帶電粒子相同的極性；和一個管狀的加速電極，該加速電極被定位在與屏蔽電極基本相同的軸線上并保持使用與屏蔽電極相反的極性；上述這些元件被這樣配置，使從發射件發射出來的帶電粒子最初向側邊且向外散布，然后被聚焦成為電子束，通過管狀加速電極而被加速射出。
本發明包括一個特殊的二極式電子槍的構造。二極式電子槍與三極式電子槍相比，具有許多突出的優點，它們包括i)能夠在實際上消除像差；ii)在高電流下比三極式電子槍更容易控制電子束的形狀和質量；iii)在高電流下能夠達到足夠的束會聚，而在低電流下不會有過度的會聚，iv)在溫度受限制的模式下操作時，在用槍放電的條件下，束電流不會驟增而發生電涌，而在三極式電子槍中，在槍電極和大地之間的高壓擊穿時會促使柵極供電短路并使全部電子束功率在瞬間釋放；v)二極式電子槍只需較少的輔助電源(在傳統的間接加熱的二極管中為兩個；如果用射頻RF激勵的間接加熱的二極管為一個；如果用直接加熱的二極管為一個)；以及vi)二極式電子槍的電纜和連接比較簡單，特別是RF激勵的二極管只需一個HT(高溫)連接，不需輔助供電連接；RF功率是用感應方法與遠距離的高頻天線或定位在槍殼內的初級繞組耦合的。
就二極式電子槍而言，由于沒有柵極場的聚焦作用，特別是在高的電流電平下采用小直徑的陰極時，在電子束內的空間電荷的高密度能夠造成電子束的擴散以致不能有限定得很好的一次焦點；確實是這樣，該電子束甚至被擴散得不足以用來瞄準通過陽極孔。當然，一個辦法是采用大直徑的陰極來防止電子束的過分擴散，但這樣會從根本上降低束亮度，使設備復雜并增加費用。
在本發明中，先是使電子束顯著地膨脹，造成一個人為的大束源，然后由極間槍內的主要陰極/陽極電場用較大的會聚角聚焦。
就給定的加速電壓在電子束內所能達到的束亮度而言，這取決于許多因素，但對大功率EBW槍而言，這與陰極直徑和槍的設計有很大關系。從根本上說，極其重要的一點是要盡量縮小陰極的直徑，因為對于一個給定的束會聚角和操作電壓，在槍聚焦之后的系統內的任何地方，亮點的大小總是正比于陰極的直徑，并正比于以開氏絕對溫度計算的陰極操作溫度的平方根。
本發明能使陰極直徑或更嚴格地說為發射直徑受到限制，因此能提高束亮度。另外，限制的陰極直徑和陰極的總表面面積以及操作溫度可減少輔助加熱所需的電力、輔助供電費用，還可縮小槍的操作溫度和電極幾何形狀的熱扭曲作用。降低槍的熱輸入又可降低對冷卻的需求，該需求對于一個懸掛在真空室內而裝在一個長的高電壓絕緣件的端頭上的EBW槍總是難以滿足的，因為該絕緣件不僅是電的不良導體，也是熱的不良導體。
自然，陰極發射面積必須適當，才能在一方面產生所需的電子束電流，在另一方面達到給定的陰極使用壽命，因為離子腐蝕、氧化和氣化率都是隨著陰極溫度而增加的；這時可將有矛盾的因素如發射密度和束亮度優化來取得最佳的結果。
在本發明的一個例子中，在存在著空間電荷重大負載的槍區域內電子束聚焦是用一個深凹的陰極屏蔽電極與一個長而直徑小的陽極組合起來完成的，該陽極位在陰極屏蔽電極的端頭附近或者甚至在其內。這樣可造成一個強烈的聚焦作用，該作用在低、中、高的功率電平下都能很好工作。
電子束的膨脹或側向擴散可用多種方式達到。一種方法是選擇陰極直徑和電極幾何形狀使電子的加速初時較慢，從而使空間電荷能夠擴散而產生強烈的徑向向外運動。要做到這一點可將一個較小的陰極設置在一個深凹的陰極屏蔽杯內。這時如果陰極直徑太小，將會在該槍尚未對空間電荷限制之前，就已限制給定加速電壓所需的最大電子速電流，并且初始的擴散作用只能達到這樣大，以致在極間空隙內由一般的陰極屏蔽/陽極的電極幾何形狀所產生的會聚靜電場已不足使該電子束重新聚焦成顯著的腰部或交迭點。在另一方面，如果陰極太大，在陰極上的發射密度將會太低以致不能產生所需的初始束膨脹，這樣，該束的會聚就不足以防止在加速最后階段的擴散。因此為了得到最佳的效果，對于一個給定的加速電壓和功率操作范圍，電極形狀和陰極大小的組合至關緊要。
在陰極可不需高電流密度的條件下得到人為大電子源的第二種方法為在陰極的緊前面產生一個合適的靜電場來使電子束擴散。將陰極裝在一個圓錐形或圓柱形突起件的頂部使它高于陰極屏蔽杯的基體就可做到這一點。
陰極的面積可超過5mm2，這樣便能在超過100kW的功率電平下工作。
如上所述，由空間電荷擴散所造成的初始電子束膨脹可用一個合適的靜電場來增強。在初始電子束膨脹后的表觀電子源的這種在大小上的增加使得后來能夠在寬電流范圍內產生一個具有明確限定焦點的、高度會聚的電子束。另外還有一個可能促進初始束膨脹的方法是使陰極表面如下所述地成形，使得至少發射器是基本外凸的或圓錐形的。
本發明的第一方面能被用于包括在5×10-5mbar至5×10-2mbar的壓力范圍內操作的真空室的各種焊接設備。但本發明特別適用于在中間壓力范圍內如10-1mbar到數百mbar，甚至于在高壓和非真空下操作的焊接設備。
認定這種設備的潛在利益的典型工業部門有厚截面的鋼管生產商、海上和岸上管材焊接商、核廢料處理公司、發電設備生產商及宇航構件制造商。
對許多用途來說，要在一次行程中完成焊接的材料壁厚可超過15mm并且可高達150mm或更多。在任何一種情況下，對快速焊接的需要要求電子束功率電平至少為30kW，而在某些情況下，可高達100kW或更多。
對于所有的二極式電子槍，包括上面說明的那一個，存在著一個到本發明之前大部分還沒有解決的主要問題，那就是陰極的側邊會發射出不需要的電子，其飛行路徑無法控制。為了防止發生這個問題，許多研究和開發小組曾持續數十年的努力嘗試過各種方法。其中最簡單的一種配置曾在美國專利3,878,424(1973.07.17申請)中說明過，其中曾提出采用一個平面二極管來克服柵電極的球面像差效應。在這二極管內，氧化物(如鋇鍶鈣的氧化物)被填塞在耐熔金屬的陰極“加熱板”的孔內，該板能用各種方法加熱。在另一變型中，氧化物被覆蓋在耐熔金屬板的表面上。加熱該板到溫度遠比耐熔金屬陰極板的發射點低時，便會發生低逸出功的氧化物的強烈發射，這樣便可避免邊緣效應。這種裝置極其適合用來產生電子顯微鏡所需的低能電子束，其時氧化物覆蓋層或孔內塞子的直徑只有大約100微米，但高能EBW槍卻不同，該槍不斷地受到離子轟擊、及來自焊池的氣體和微粒物質的作用，氧化物陰極會很快地被毒化以致損害其發射性能。而且，在氧化物薄膜通常只有50微米厚的情況下，在EBW系統內很快會被侵蝕。另外，平面陰極板會扭曲，從而在束擴散和束發射的方向上造成有害的和不可預計的變化。在兩個不同材料之間的不同的膨脹還能引起發射器的開裂和剝落。
在防止額外的邊緣發射的另一個嘗試中，Bull等在MetalConstruction and B.W.J.(金屬構造和英國焊接期刊)1970年11月2(11)期490頁的論文“An electrostatic electron gun”(靜電電子槍)中曾說，生產一個球形電極、間接加熱的二極式電子槍，在該槍內在耐熔金屬陰極的周圍設置許多小孔以資限制向中央區域的發射。但這種槍也要承受中央陰極區域的熱扭曲，并且小孔會允許最初被返回轟擊的電子移動通過而進入到主要電子束內，這樣會進一步引起主電子束的扭曲效應。將添加的電子阻擋層插入到陰極屏蔽的后部上可使最初電子的流動有所減少，但陰極扭曲仍然是一個問題。
我們曾研究過控制邊緣發射的多種其他方法。
按照下面將要較詳細說明的方法將陰極安裝在一個連續的圓錐件上可以阻止最初電子泄漏到電子束內。
具有類似形狀的陰極還可由顯示不同逸出功的兩種材料組合起來，其中發射器由一種低功能材料如六硼化鑭制成，該材料在EBW過程中不易被毒化，而外面的支承結構可由耐熔金屬如鉭制成。這種配置也曾在EP-A-0627121中被說明過。類似的配置曾被分開地開發過并曾在GB-A-1549127中被說明過，但這種特定的槍在許多方面都與本發明截然不同。
在這些早期的發展中，為了支承六硼化鑭鈕扣電極，必需將它放置在耐熔金屬夾持器內的一個唇狀物的后面。但該唇狀物仍會強烈地干擾電場并造成可觀的球面像差，就三極式電子槍而言，該像差表現在外側的電子比靠近軸線的電子聚焦在一較短的焦距上。唇厚可用仔細的機加工使它減少，或者可將一個薄的耐熔金屬墊圈放置在陰極的前面，但在這兩種情況下，熱扭曲都會使該唇向外扭曲，這樣又會導致額外的電子從唇或墊圈的后面發射出來。
另一個曾經部分成功的技術是將暴露的低逸出功材料的外環用高逸出功材料覆蓋起來。例如由所謂六硼化鑭制成的陰極在其周邊的周圍和在其前面的環形上都用鎢覆蓋起來。雖然在前面曾對這種技術寄以希望，但這種技術要承受在使用過程中由于離子損壞、氧化和氣化而招致的覆蓋層的損失。在組裝時，這個技術還難于避免薄的覆蓋層不被損壞。另外，夾持器的唇狀物雖然可減少對聚焦的影響，但它仍然產生不能接受的像差。
還有另一種可被應用的技術即用一種化合物如二硅化鉬將低逸出功材料的鈕扣電極釬焊到夾持器內。完成一個高質量的無孔的釬焊而不污染到LaB6材料是不能沒有問題的；在最佳的情況下在使用時由于反復的熱循環，釬焊材料也會開裂。
按照本發明的第二方面，帶電粒子發射器具有一個安裝在支承件的孔眼內的發射件，發射件與支承件電連接，發射件具有比支承件低的逸出功，從而在工作溫度下，發射件從其暴露的表面發射出帶電粒子。其特征在于，發射件的暴露表面被設置在支承件的環繞孔眼的面向外的表面之后或者最好與后一表面齊平。
在本發明的較優形式中，低逸出功的陰極材料被機加工成“帽”狀形式而可適貼配合到一個中心孔內。順便說一下，發射件在支承件的孔內為緊配合。
部分支承件和部分發射件可制出相應的斜度。
可替代地或增添地用一與發射件和支承件接合的夾子將發射件固定到支承件上。
在最佳的配置中，發射件的暴露表面和支承件的面向外的表面形成一個共同的平面。
按照本發明的第三方面，用來安裝到一個抽真空的帶電粒子束源室內的帶電粒子束柱狀組件具有一系列被控制的壓力室，每一壓力室都有輸入孔和輸出孔，帶電粒子束可流動通過這些孔，還有一個抽真空口可用來連接到泵上使室內的壓力能被控制，從而在使用時可使連續室內的壓力逐漸增加，其特征在于，抽真空口通過一個導管被連接到一個在下游的室內，而該導管在該組件內延伸經過至少一個在上游的室。
這樣便能在維修時迅速地拿掉和插入要更換的槍柱件。傳統上采用含有側邊接入的多級泵壓系統以資在各噴嘴之間進行泵壓。這樣對不能容易地插入真空室內和從其內抽出的具有復雜的幾何形狀的柱件有利。采用同心泵壓的革新步驟可克服上述困難并且對某些用途如在海上敷設J形管特別重要，因為在那里由于大型敷設平底船的租費極高，時間成為重要因素，并且事實上在任何一個時間都只有一條管線能被焊接和敷設。
更詳細地說，本發明的這個方面關系到以緊湊的配置或設備提供一系列的真空或部分真空的室或開口。特別是，本發明能被用于所謂非真空或壓力減少的EB系統，在該系統內槍的頭部具有多個室，范圍從陰極區內的真空到出口端的接近大氣壓力，在出口端電子束發散到開闊的環境中。這些室需在允許電子束通過的合適的部分真空壓力下進行維護。本發明也可在最末一個室為大氣壓或者甚至超過大氣壓時使用，例如在水下進行焊接時。
這種設備通常構造龐大，因為它需要好幾個不同的真空泵壓管線連接到槍頭內的各該室內。這些連接管線限制人們進入到輸出電子束的區域內。不僅由于這種設備的笨重，而且由于進入到各室區域內的困難限制著真空泵壓的效率。因此，這幾條真空管線必須具有較大的孔徑，使它不再限制和妨礙真空泵壓。
本發明在這方面為這種一系列的室，例如用在非真空和壓力減少的EB系統中的室提供一個比較緊湊和細長的設計。本發明還能提供多個室，特別是在槍頭的輸出區域內，至少在頭部組件的下面的(或輸出的)半部上，這些室的直徑通常可小于170mm。這樣便可避免在操作槍頭輸出的附近使用真空管線或管道，另外還能提供使這些室(它們最好被維持在從接近真空到接近大氣壓的壓力下)的泵壓有效的設施。
在一種配置中，這些室是由位于一個外管內的一組管段形成的，每一管段有一沿徑向面向外的孔眼，每一室的沿徑向面向外的孔眼在圓周上與所有其他室的沿徑向面向外的孔眼偏離；并且有一組沿軸向延伸的分隔壁設置在管段與外管之間，從而形成各個導管，每一導管將一個室的沿徑向面向外的孔眼與相應的抽真空口連接起來。
或者，多個室可被布置成為一連串具有合適孔眼的碟片，該碟片組被配裝在一個公用而分段的套筒內。每一段都允許通過足夠的橫截面進入到其相關室或口內，如同心布置的那樣。
還有，可將同心管段和分段圓筒組合起來以資在所需壓力的地方提供合適而有效的真空泵壓，同時給予合適的橫截面以便進入到相關的口或室內。
室的行列能容易地被拆散以便更換孔眼，這些孔眼由于金屬的濺射會部分被堵塞，或者由于與電子束交叉會被破壞。因此已做好準備可以分別對這些同心管段(或杯)或分段的圓筒進行裝、拆，同時仍保持孔眼對電子束軸線的合適的對準。這種布置還可減少在部分壓力和周圍大氣壓下操作的各室之間的泄漏路徑。應該知道，在同心的布置中，具有較高真空的區域被包含在具有部分壓力的區域內，因此并不直接向周圍環境的大氣暴露，這樣可以大大減少密封內細小泄漏的影響。
在同心杯的布置中，每一部分都可有整體螺釘配裝到設有相應螺紋部的公用基體上，如果需要，可配上O形環密封。在各杯上可設有葉片、間隔片或等同物以資保持它們在組件內的同心度。
對分段的布置，同樣，相應的部分可用可壓縮的密封配合在一起，同時用機械的方式保持合適的間距和同心度。在所有這些布置中，真空泵壓管線基本上被安排在槍頭的后面，離開輸出的電子束，并通過合適的連接器連接到在不同壓力下操作的各室的緊湊組件的有關區段或環形孔眼上。
現在結合


電子束發生組件和采用這種組件的焊接設備的一些例子，并與已知的組件對比，在附圖中圖1為通過一個已知的三極式電子槍的部分剖面，圖中示出電子的軌跡和等電位線；圖2a-2d示出圖1所示的三極式電子槍中，改變柵極偏壓對束分布圖和束電流的影響；
圖3為按照本發明的電子束槍的第一例的概略的縱剖面圖；圖4為按照本發明的電子束槍的第二例的概略的縱剖面圖；圖5為通過圖4所示槍的部分陰極組件的橫剖面圖；圖6到14為通過一組不同安裝配置的陰極組件的橫剖面圖；圖15為按照本發明的電子束槍的第三例的縱剖面圖；圖16為圖15所示電子束槍的束電流為3mA時的電子軌跡；圖17到19為與圖16類似的視圖，只是束電流分別為166、225和358mA；圖20為采用按照本發明的電子束槍的一例的焊接設備的部分為剖面的概略視圖；圖21示出真空室的新穎配置的一例；圖22示出圖20的電子束槍連同圖21所示的真空室的配置；圖23為與圖20類似的視圖只是所示為一種不同的真空室配置；圖24為與圖5類似的視圖只是所示為另一種發生一次電子的配置；圖25為圖24所示配置的部分剖掉的透視圖；圖26為一電路圖，示出圖24和25的配置所用電路。
為了理解本發明，在圖1中示出已知三極式電子槍的一例，束條件為150kV×15.3mA，柵極偏壓為-2kV。該槍包括一個電子發射絲極1，被一柵極杯2環繞著，并與一個間隔開的陽極3對準。等電位線100連同一些電子軌跡101在圖1中被示出。從圖可見，在強烈的柵極場中，外側的電子軌跡具有較短的焦矩，因為它們比中央的電子更接近柵極杯孔的邊緣。另外，當電子束電流增加時，減弱的柵極場連同電子束內增加的空間電荷能造成電子束的總體擴散和一次焦點的消失。而且，一次焦點腰部4有一虛像位置能根據電子束電流電平在束軸線的上下移動相當大的距離，如從圖2a-2d可見(電子束電流“i”如圖中所示)。
本發明涉及一種二極式電子槍，其中沒有柵極場提供任何聚焦作用。因此，特別是在采用小直徑陰極和高電流電平時，電子束內的空間電荷的高密度能造成電子束的擴散和缺乏很好限定的一次焦點。在圖3所示的一個實施例中，陰極5設在一個深凹的陰極屏蔽電極6內，陰極5與具有較大長度的圓筒形陽極7對準。陽極7的面向陰極5的一端定位成靠近陰極屏蔽6的端頭所形成的平面或者可以深入到陰極屏蔽6的容積內。這樣便可造成在低、中和高功率電平都能很好發揮的強烈聚焦作用。電子束的形狀如標號8所示，可以看到一開始電子就向側邊擴散，形成一個膨脹9，然后向陽極7內的一個腰部10聚焦。膨脹9的作用是產生一個人為大束源，使它能被極間空隙內的主要陰極/電極場用較大的會聚角聚焦。在本例中，陰極5由絲極11以傳統方式加熱以資造成電子的發射。
將陰極5設置在深凹陰極屏蔽杯6內的作用是使電子的加速最初較慢，這樣便可使空間電荷擴散，從而產生一個強烈的沿徑向向外的運動。
圖4示出在陰極不需高電流密度的條件下也可得到人為大電子源的第二種方法。該方法包括在陰極的緊前面產生一個靜電場使電子束擴散。在本例中，陰極5裝在一個圓錐形支承21的頂部，該圓錐形支承21構成陰極屏蔽6的部分基部，并突起到屏蔽6的空間內。
如前所述，已知二極式電子槍的一個問題是從陰極的側邊或邊緣發射不需要的電子。圖5所示的配置可縮小或免去這個問題。陰極5裝在陰極屏蔽6的基部的一個圓錐形突起20A的孔眼內的陰極圓錐21內。位在陰極之下為由絲極夾持器23支承著的絲極22。絲極22通過圓錐形保護器25的孔眼向陰極5露出。
這樣就可限制在一次絲極22和陰極圓錐21之間的電子。在這特殊的例子中，由于陰極被安裝在主要陰極屏蔽上的圓錐包圍，固體耐熔金屬陰極5的邊緣發射可被減少。沿徑向的圓錐到陰極的間距在室溫下對4.5mm直徑的陰極鈕扣測量時最好在0.05mm到0.1mm的范圍內。這樣可減少邊緣發射但不能予以消除。將陰極設置在圓錐21之后0.3mm可進一步改善電子束，但由于在陰極附近、在陰極和陰極屏蔽之間幾何形狀的不連續而造成一些邊緣發射和球面像差仍會發生。盡管如此，這種槍的設計能在150kV時產生功率高達100kW的電子束并且當發射到一個較高真空(5×10-3mbar)的環境內時能產生高質量的焊縫。
陰極5的一種可替代的安裝布置在圖6中示出。在本例中，陰極5被保持抵壓在陰極保持器31的沿徑向面向內的唇部30，該保持器31有一插接段32例如用焊接保持在陰極圓錐21的圓筒形部內。陰極5用一開口簧環33被夾持在位，該簧環33定位并保持在插接段32的一個凹槽34內并作用在一環形墊片35上。對于約為4mm的發射直徑，唇部30的厚度通常為0.1mm-0.3mm。將一個薄的耐熔金屬墊圈36放置在陰極5的前面能夠減少有效的不連續性，但不論放置還是不放置，熱扭曲部能使墊圈或唇部向外扭曲，又一次會導致額外的電子發射從墊圈或唇部之后發出。
較好的方法在圖7中示出，從圖可見，低逸出功的陰極材料被機加工成一個帽狀形式，適貼地配合在由唇部30形成的陰極保持器31的中心孔內。
六硼化鑭和其他材料的機加工用激光技術或電火花燒蝕來實現。這種形式的陰極的發射件鈕扣5被一裝在槽34內的耐熔金屬C形簧環33保持在位，可產生極少的額外發射，已被使用有限元軟件的詳細計算機分析證實，而且也被束功率電平達100kW、操作電壓達200kV的大范圍的實地試驗證實。陰極鈕扣表面可被理想地設置得與金屬保持器的邊緣齊平或者可從保持器的邊緣縮進去最大為0.04mm。
墊圈35、36、37由鉭制成，但應注意封裝墊圈35正好突起到槽34的邊緣之上通常約0.03mm，使鎢絲簧環33維持一個壓縮力。
陰極5和保持器31能被成形成多種式樣來得到適貼配合，為的是減少邊緣發射，同時避免表面的不連續或有臺階如圖8到10所示。在圖8中，唇部30的邊緣和陰極5的相應表面都被以相似方式制有斜度。在圖9中，陰極5只是有一制有斜度的導引部，不像以前的例子那樣，還有一個凹槽。在圖10中，陰極5具有一個截圓錐形狀，與保持器31的內表面的形狀對應。
還曾證實有可能在初始時將陰極5安裝得略微突起，這樣便可在隨后仔細研磨，從而可使在發射件和環繞的夾持器邊緣之間沒有不連續或臺階。
最好，在陰極鈕扣5的邊緣和耐熔金屬保持器31之間的接觸面積應盡可能小，例如在圖7和9中所示的那樣，借以減少熱損失。
當然，也可能使組合的陰極和保持器的剖面輪廓成為外凸形、圓錐形、內凹形或在凸面上重新凹入的圓錐形以資增強電子束的成形效果，這些形狀分別如圖11到14所示。
當結合二極式電子槍使用陰極鈕扣和防止邊緣發射的安裝方法時，在該槍內先誘導出一個初始的電子束膨脹為的是可以得到以后的強烈的電極聚焦，這種做法曾被證實對高真空、一般的壓力減少和非真空的操作都極為有效。在后兩種情況下，噴嘴的被交切和加熱在寬的功率和電壓操作電平范圍內都曾被降低到可以忽略的程度。另外，即使束電流從零功率被調節到全功率，在一次焦點位置上也只有較小的變化，以致對通過噴嘴組件用來聚焦電子束的一次聚焦透鏡電流只需作極小的調節甚至不需調節。這樣便可使設備的操作十分簡單，這是與以前使用的二極式電子槍，特別是三極式電子槍對比而言，在這兩種槍中，球面像差作用和一次交迭點的嚴重移動為其固有特征。
電極的一種較優形式在圖15中示出。其中包括一個具有多重孔構造的狹長陽極40(長度在70-90mm的范圍內)和一個深凹的陰極屏蔽41(深度在30-40mm的范圍內)。有一陰極發射件42被安裝一個中空的圓錐形支承43上并坐落在陰極屏蔽內的一個井44內。如圖15所示，還有一個絲極45位在陰極42之后。這種特定的電極形式當束電流電平分別為3mA、166mA、225mA和358mA而加速電壓為175kV時，所產生的電子束通過有限元計算機分析得出的電子軌跡如圖16到19所示。在圖16的低電流(3mA)時，尚無可觀的空間電荷，由安裝在陰極屏蔽42中心凹腔44內的突起陰極42的擴散透鏡作用造成一個小而顯著的膨脹46。一次交迭點47被明確地形成，電子軌跡被聚焦到差不多集中一點，再從該點差不多沿徑向發散。當束電流增大時(圖17的166mA、圖18的225mA、圖19的358mA)，電子束逐漸增大以資提供一個顯然越來越大的電子源，從該電子源電子束能重新被聚焦。電子束的某些擴散和軸向運動被保持著，但即使在358mA，仍可在電子束上維持一個明顯的腰部47(圖19)，這樣在走出陽極成為一個擴散的電子束后能立即被重新聚焦成一個直徑極小的電子束，從而可通過細孔噴嘴。
采用圖15所示配置的焊接設備的例子在圖20中示出。圖15中的電子束槍被設置在一個真空殼體100內。直流電源102被偶聯到陰極屏蔽41和陰極42，而RF射頻電源101則通過感應器103與絲極45偶聯。絲極45被加熱并發射電子，該電子被加速走向陰極42于是產生電子束104，該電子束在流動通過陽極40后流出真空室100，進入到一個壓力被保持得比室100高的室105內。電子束104被限制在一個延伸通過該室105的導管106內，該導管106被一個聚焦線圈107和兩組對準線圈108包圍著。在室105內的壓力被一通過管109與室105偶聯的泵(未示出)控制著。該室105延伸通過一個在焊接室111的壁上的孔眼110。室105遠離陽極40的一端被制成一個噴嘴112，通過該噴嘴電子束104被聚焦，這樣就進入到另一個壓力保持得比室105還要高的室113內，該室113通過一個連接到另一個泵(未示出)的管子116被抽真空。該室113包括一個與噴嘴112對準的噴嘴113A，與另一個室130連通，而這另一個室130又包括另一個聚焦線圈114和使電子束偏轉的束致偏線圈115。室111通過一個孔眼131通往室111。有一對要被焊接的工件如鋼管117、118被安裝在室111內的支承119上，工件的連接線120與聚焦在連接線上的電子束104對準。在本例中，支承119可環繞其軸線旋轉使連接線120橫越電子束移動。在另一個布置(未示出)中，支承119可保持固定，而室和槍可轉動。
圖20所示配置的缺點之一是，從每一個泵必須用分開的管109、116延伸通過室111的壁連接到相關的室105、113內。
圖21以部分切開的形式示出一種新型的室配置。沿著一個圓筒形的管子設有四個壁51-54，從而形成三個相關的室55-57。每一壁51-54都有一個設在中央的噴嘴51A-54A(在圖21中不能見到噴嘴52A)。這些噴嘴都互相對準使一個電子束能夠流動通過。一組三個扁長的分隔板150被安裝在管子50的外側。當圖21所示的組件位在一個與分隔板150接合的圓筒形外管之內時，就在每一對分隔板150和外管之間形成各自的空氣通道。
每一室55-57通過管子50上一個切開的部分55A-57A與各自的空氣通道連通。每一個空氣通道又通過導管59與各自的真空泵連通。
采用這種配置便能將導管59設置在組件的一端，使每一個泵用各自的導管59與相應的室55-57連接。
圖22示出圖20中的焊接設備只是改用了圖21所示型式的室配置。電子束發生器概略地用標號100′指出，并可用與圖20所示發生器100類似的構造。如同以前一樣，電子束被限制在一導管106內，環繞該導管設有一個聚焦線圈107和一對對準線圈108，所有這些都包含在室55內。另一個聚焦線圈114和一對對準線圈115則被設在室57內。將這些室配置安裝在其內的外套筒在圖22中用虛線示出。
圖23示出采用室配置第二例的另一個焊接設備的例子，圖23中那些與圖20中對應的類似構件也用相同的標號指出。室組件具有一個延伸通過室111上孔眼110的外套140。在外套140的先導端上形成室130′，在其內設有聚焦線圈114和一對對準線圈115。有一壁141延伸越過外套140的全部橫剖面并形成一個中心噴嘴142，電子束104就通過該噴嘴噴出。
有一在內部的圓筒形套筒143被支承在外套140的后部，從而形成室105′。在內、外套筒143、140之間的空間144形成室113′，該室113′通過通道145被一泵(未示出)抽成真空。室105′通過延伸通過外套140的通道146與一泵(未示出)連通。
特別應該注意到，這兩個通道145、146都是位在室111的外側，因此特別容易將它們連接到泵上，因此可避免要另外提供通道通過室111的壁的復雜性。
在迄今為止所有上述例子中，絲極(例如圖23中的絲極45)曾被用來產生一次電子，該一次電子沖撞在陰極上，陰極便產生構成電子束的二次電子。在許多用途中，這樣做是令人滿意的，但對某些用途如電子束焊接，由于電子束必須維持一個相當長的時間，致使絲極的壽命很短。因此，在一較優的方法中，就用感應加熱的一次發射件來代替絲極，圖24-26就示出這種情況。如同以前那樣，一次陰極5被安裝在一圓錐形支承21上(如在圖5的例子中)。在陰極5之后隔開一個距離為一個一次發射圓盤200，該圓盤可由任何一種合適的導熱陶瓷如六硼化鑭或耐熔金屬如鎢或鉭制成。這個盤200被支承在一個支桿201上，而該支桿201又被一個支桿夾持器202夾持在位，該夾持器202則在206處被螺釘217旋緊到一個裂開的耦合環基體208上。有一平頭螺絲(未示出)設在螺釘217內可將支桿201鎖定在銅件202內。
一次發射件200可用任何一種方便的形式裝在支桿201上，但是由于圓錐形支承21能將從陰極5返回發射到發射件200上的電子聚焦，因此最好用一能接受聚焦束的中心鉚釘來固定發射件200，這樣來避免損壞一次發射件。
為了加熱一次發射件200，環繞一次發射件200設有一個感應耦合環203，該環被連接到如圖26所示的電路內。感應耦合環203被一陶瓷絕緣子204支承著。
感應耦合環203被連接到分裂式的耦合環基體208上。方便的做法是用一個單一的金屬塊例如銅塊將感應耦合環203和分裂式的耦合環基體208同時機加工出來。
如圖2b所示，用來使圖24和25所示組件充電的電路一般如同EP-A-0627121中所說明的那樣，包括一個連接到RF放大器(未示出)上的匹配電路，該電路包括連接在一次線圈(天線)213上的感應器211和可調電容器212。天線213在一個與諧振電容器215耦合的二次線圈214內誘導出一個電壓，該電壓通過裂開的耦合環基體208來到感應耦合環203。二次線圈214還被連接到一次發射件200和主陰極5上。產生的越過感應器214和電容器215的電壓當陰極相對于一次發射件為正時被用來使從一次發射件200到陰極5的電子加速。
圖25示出的多個帶螺紋的孔216是為接納圖26所示電路構件如二次線圈214和諧振電容器215用的。
曾經發現采用感應加熱的一次發射件可得到有相當增長的使用壽命(與傳統的絲極相比)致使這種配置特別適用于電子束焊接。
權利要求
1.一種帶電粒子發射組件，具有一個發射件，用來發射一種極性的帶電粒子；一個沿圓周環繞發射件的管狀屏蔽電極，并在使用時保持與帶電粒子相同的極性；和一個基本上與屏蔽電極同軸的加速電極，并在使用時保持與屏蔽電極相反的極性；這樣配置能使從發射件發射的帶電粒子在初時沿側向向外擴散，然后被聚焦成能通過管狀加速電極的電子束。
2.按權利要求1的組件，其特征為，電極被這樣配置，使所產生的靜電場能使在初時沿著從發射件射向管狀電極的方向發射的帶電粒子束擴散。
3.按權利要求2的組件，其特征為，發射件被安裝在從屏蔽電極基體突起的中心部分上。
4.權利要求3的組件，其特征為，突起的中心部分在朝向屏蔽電極基體的方向上向外傾斜。
5.按以上權利要求中任一項的組件，其特征為，它還具有用來使發射件發射帶電粒子的裝置。
6.按權利要求5的組件，其特征為，用來使發射件發射帶電粒子的裝置具有一個被安排用來轟擊發射件的第二帶電粒子的供源。
7.按權利要求6的組件，其特征為，供源所發射的帶電粒子為電子。
8.按以上權利要求中任一項的組件，其特征為，發射件所發射的帶電粒子為電子。
9.按權利要求6到8中任一項的組件，其特征為，第二帶電粒子的供源包括感應加熱的輔助發射件。
10.按以上權利要求中任一項的組件，其特征為，屏蔽電極有一基本上為圓筒形的側邊。
11.按以上權利要求中任一項的組件，其特征為，管狀電極終止在屏蔽電極的邊緣所形成的一個平面的附近。
12.按以上權利要求中任一項的組件，其特征為，發射器有一發射件安裝在支承件的一個孔眼內并在電路上與支承件連通，發射件具有比支承件低的逸出功，從而在工作溫度下，發射件從暴露的表面上發射帶電粒子。
13.一種帶電粒子發射器，有一發射件安裝在支承件的孔眼內，并在電路上與支承件連通，發射件具有比支承件低的逸出功，從而在工作溫度下，發射件從暴露的表面上發射帶電粒子，其特征為，發射件的暴露表面基本上與孔眼周圍的面向外的表面齊平或從該表面向后設置。
14.按權利要求13的發射器，其特征為，發射件以緊配合裝在支承件的孔眼內。
15.按權利要求13或14的發射器，其特征為，部分支承件和部分發射件制有相應的錐度。
16.按權利要求15的發射器，其特征為，部分支承件和發射件的錐度在朝向發射件暴露表面的方向上向內傾斜。
17.按權利要求13到16中任一項的發射器，其特征為，發射件用開口簧環固定在支承件上，該簧環同時與這兩個件接合。
18.按權利要求17的發射器，其特征為，開口簧環被接納在支承件的一個槽內。
19.按權利要求13到18中任一項的發射器，其特征在為，發射件的暴露表面和支承件的面向外的表面形成一個共同平面。
20.按權利要求19的發射器，其特征為，發射件的暴露表面和支承件的面向外的表面形成一個外凸的、圓錐的、內凹的、或在凸面上重新凹入的形狀。
21.按權利要求13到20中任一項的發射器，其特征為，支承件包括一個圓錐形的部分。
22.按權利要求13到21中任一項的發射器，其特征為，發射件當加熱到工作溫度時發射電子。
23.按權利要求13到22中任一項的發射器，其特征為，發射件含有六硼化鑭。
24.按權利要求13到23中任一項的發射器，其特征為，支承件含有鉭。
25.至少按權利要求12的發射器，其特征為，發射器具有一個按照權利要求13到24中任一項的帶電粒子發射件。
26.焊接設備，包括一個按照權利要求1到12中任一項的帶電粒子發射組件；一個工件支承用來支承對帶電粒子束暴露的工件；和用來在帶電粒子束和工件支承之間造成相對運動的設施。
27.一種帶電粒子束柱組件，用來安裝到一個抽真空的帶電粒子束源室內，該組件具有一系列被控制的壓力室，每一壓力室都有輸入孔和輸出孔，帶電粒子束可流動通過這些孔，還有一個抽真空口可用來連接到泵上使室內的壓力能被控制，從而在使用時可使連續室內的壓力逐漸增加，其特征為，抽真空口通過一個導管被連接到一個在下游的室內，而該導管在該組件內延伸至少經過一個在上游的室。
28.按權利要求27的組件，其特征為，這些室是由多個套疊的管形成的，而每一個導管是由形成該導管所連接的室的管壁和下一個上游室的管壁形成的。
29.按權利要求28的組件，其特征為，這些套疊的管基本上是同軸的。
30.按權利要求27到29中任一項的組件，其特征為，這些室由位在一個外管內的一組管段形成，每一管段有一沿徑向面向外的孔眼，每一室的沿徑向面向外的孔眼在圓周上與所有其他室的沿徑向面向外的孔眼偏離；并且有一組沿軸向延伸的分隔壁設置在管段與外管之間，從而形成各個導管，每一導管將一個室的沿徑向面向外的孔眼與相應的抽真空口連接起來。
31.按權利要求30的組件，其特征為，這些管段具有基本相同的直徑。
32.按權利要求28到31中任一項的組件，其特征為，套疊的管或管段基本上都是圓筒形的。
33.按權利要求27到32中任一項的組件，其特征為，一個室的輸入孔是由上一個鄰近的上游室的輸出孔形成的。
34.按權利要求27到33中任一項的組件，其特征為，輸入孔和輸出孔形成一條電子束的直線路徑。
35.一種帶電粒子束組件，具有一個與按照權利要求27到34中任一項的組件耦聯的真空帶電粒子束源室。
36.按權利要求35的組件，其特征為，離開帶電粒子束源室最遠一個室的壓力被保持在大氣壓之下。
37.按權利要求35或36的帶電粒子束組件，其特征為，真空帶電粒子束源室包括一個供源，該供源具有一個按照權利要求1到12中任一項的帶電粒子發射組件。
全文摘要
一種帶電粒子發射組件具有:一個發射件(5)用來發射一種極性的帶電粒子;一個沿圓周環繞發射件的管狀屏蔽電極(6),并在使用時保持與帶電粒子相同的極性;和一個基本上與屏蔽電極(6)同軸的加速電極(7),并在使用時保持與屏蔽電極相反的極性。這樣配置能使從發射件(5)發射的帶電粒子在初時沿側向向外擴散,然后被聚焦成能通過管狀加速電極(7)的電子束。
文檔編號H01J37/301GK1271460SQ9880948
公開日2000年10月25日 申請日期1998年9月24日 優先權日1997年9月24日
發明者阿倫·桑德森 申請人:焊接研究院