一种具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备

1.本发明涉及电子束加工技术领域，具体涉及一种具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备。


背景技术：

2.电子束加工技术是利用高能聚焦电子束产生的热量对待加工样品进行焊接、熔融以及钻孔等加工。电子束加工具有功率大、能量转换率高、能量吸收率高、焊接件内应力低等优点，可加工钛合金、难熔金属和金属间化合物等常规加工车床难以加工的材料。现有的电子束加工设备通常包括加工用电子枪、成型腔室、放置待加工样品的可移动位移台以及光学观察机构或者二次电子探测器等。电子束设备在为电子束提供合适的电磁场环境外，还需要提供合适的真空环境，避免电子束在运动过程中碰撞其它粒子发生散射或反射。
3.但是，现有电子束加工设备中对电子枪内部真空度要求较高，而对成型腔室真空度要求较低，但现实工作中两部分真空室内真空度无法形成差异化。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于现有电子束加工设备中对电子枪内部真空度要求较高，而对成型腔室真空度要求较低，但现实工作中两部分真空室内真空度无法形成差异化，从而提供一种具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.一种具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，至少包括：真空腔室，适于为通过的电子束提供真空环境；至少一个第一节流气阻，设置在所述真空腔室内且位于电子束的束腰位置，所述第一节流气阻具有沿电子束的照射方向设置的缩孔结构，适于供电子束通过的同时隔离真空，以使所述第一节流气阻上游的真空腔室与下游的真空腔室的真空度形成差异。
7.进一步地，所述第一节流气阻的外壁与所述真空腔室的内壁之间采用密封连接；沿电子束的照射的方向上所述缩孔结构包括第一孔道与第二孔道，所述第一孔道的孔径大于所述第二孔道的孔径，电子束的束腰位置位于所述第二孔道内。
8.进一步地，该具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备还包括电子枪与第一电子束聚焦透镜；所述电子枪的发射部位于所述真空腔室内，以使发射出的电子束处于真空环境下；所述第一电子束聚焦透镜设置在所述真空腔室内且位于所述电子枪的下游，适于调节电子束的束腰位置。
9.进一步地，该具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备还包括扫描线圈和第二电子束聚焦透镜；沿电子束的照射方向上所述扫描线圈与所述第二电子束聚焦透镜依次设置在所述真空腔室内，且所述扫描线圈位于所述第一节流气阻的下游。
10.进一步地，该具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备还包括成型腔室，与所述真空腔室相连通且位于所述真空腔室的下游；所述成型腔室内设置有适于放置待加工
样品的位移工作台，经所述扫描线圈改变轨迹、以及经所述第二电子束聚焦透镜重新聚焦的电子束进入所述成型腔室内对位移工作台上的待加工样品进行加工。
11.进一步地，所述第二电子束聚焦透镜的下游设置有第二节流气阻，所述第二节流气阻位于电子束的束腰位置，以使所述第二节流气阻上游的真空腔室与下游的成型腔室的真空度形成差异。
12.进一步地，该具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备还包括第一涡轮分子泵以及第一屏蔽涡旋干泵；所述第一涡轮分子泵的进气口与所述真空腔室及所述成型腔室均相连通，所述第一涡轮分子泵的出气口与所述第一屏蔽涡旋干泵相连通，适于抽取所述真空腔室与所述成型腔室内的空气；所述第一涡轮分子泵与所述成型腔室之间的管路上设置有第一真空计。
13.进一步地，该具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备还包括第二涡轮分子泵以及第二屏蔽涡旋干泵；所述第二涡轮分子泵的进气口与所述真空腔室相连通，所述第二涡轮分子泵的出气口与所述第二屏蔽涡旋干泵相连通，适于抽取所述真空腔室内的空气；所述第二涡轮分子泵与所述真空腔室之间的管路上设置有第二真空计。
14.进一步地，该具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备还包括枪阀，设置在所述真空腔室内且位于所述第一电子束聚焦透镜与所述第一节流气阻之间，所述枪阀能够在所述成型腔室打开以更换待加工样品时关闭，以使所述枪阀上游的所述真空腔室内保持高真空，提高使用效率。
15.本发明技术方案，具有如下优点：
16.本发明提供的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，在真空腔室内至少设置有一个第一节流气阻用于隔离真空，使第一节流气阻上游的真空腔室与下游的真空腔室的真空度形成差异，从而可以在电子枪位置提供更高的真空度，在下游真空腔室或者成型腔室位置提供更低的真空度。对于电子枪而言，能够采用比钨片功函数更低、寿命更长的阴极材料。对于成型腔室而言，让待加工样品处于较低的真空度，在一定程度上能够减轻荷电效应。而且，由于第一节流气阻位于电子束的束腰位置，既不会遮挡电子束通过，也可以避免自身被电子束破坏，不会对设备的性能造成影响。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
18.图1为本发明实施例中的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备的示意图；
19.图2为本发明实施例中的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备中第一节流气阻的示意图。
20.附图标记说明：
21.1、电子枪；2、第一电子束聚焦透镜；3、枪阀；4、第一节流气阻；5、第二电子束聚焦透镜；6、第二节流气阻；7、成型腔室；8、第一真空计；9、第一涡轮分子泵；10、第一屏蔽涡旋
干泵；11、第二屏蔽涡旋干泵；12、第二涡轮分子泵；13、第二真空计；14、待加工样品；15、位移工作台；16、第一孔道；17、第二孔道；18、真空腔室。
具体实施方式
22.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
26.图1为本发明实施例中的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备的示意图；如图1所示，本实施例提供一种具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，至少包括：真空腔室18，适于为通过的电子束提供真空环境；至少一个第一节流气阻4，设置在真空腔室18内且位于电子束的束腰位置，第一节流气阻4具有沿电子束的照射方向设置的缩孔结构，适于供电子束通过的同时隔离真空，以使第一节流气阻4上游的真空腔室18与下游的真空腔室18的真空度形成差异。
27.本实施例提供的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，在真空腔室18内至少设置有一个第一节流气阻4用于隔离真空，使第一节流气阻4上游的真空腔室18与下游的真空腔室18的真空度形成差异，从而可以在电子枪位置提供更高的真空度，在下游真空腔室或者成型腔室位置提供更低的真空度。对于电子束的发射端而言，电子枪1能够采用比钨片功函数更低、寿命更长的阴极材料。对于电子束的工作端而言，让待加工样品14处于较低的真空度，在一定程度上能够减轻荷电效应。而且，由于第一节流气阻4位于电子束的束腰位置，既不会遮挡电子束通过，也可以避免自身被电子束破坏，不会对设备的性能造成影响。
28.图2为本发明实施例中的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备中第一节流气阻的示意图，如图2所示，其中，第一节流气阻4的外壁与真空腔室18的内壁之间采用密封连接；例如，第一节流气阻4可以通过密封垫圈安装在真空腔室18的内部，也可以通过螺纹连接的方式安装在真空腔室18的内部。考虑到电子束在形成束腰之前会有尺寸的过渡，因此为了避免缩孔结构干扰电子束通过，沿电子束的照射的方向上缩孔结构包括第一孔道16与第二孔道17，第一孔道16的孔径大于第二孔道17的孔径，电子束的束腰位置位于第二
孔道17内。其中，第一孔道16及第二孔道17的长度以及孔径均可以根据实际情况进行设计，例如，可以通过电子光学计算结果确定电子束的束腰位置，也就是束腰与电子枪1的阴极发射面的距离，之后可以获取到该距离区间内的束斑最大直径，最后确定第一孔道16及第二孔道17的尺寸数据。
29.其中，该具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备还包括电子枪1与第一电子束聚焦透镜2；电子枪1的发射部位于真空腔室18内，以使发射出的电子束处于真空环境下；第一电子束聚焦透镜2设置在真空腔室18内且位于电子枪1的下游，适于调节电子束的束腰位置。例如，根据电子枪1到成型腔室之间的真空量级差值，配合电子光学计算可以在真空腔室18内间隔设置多个第一节流气阻4，以将真空腔室18分成具有不同真空度的多个子腔，以降低抽取各个子腔真空度的难度，但相应真空系统会变得更加复杂，因此在真空系统设计初期需要考虑合适的级数，达到性能和成本相平衡。其中，对应的，每个第一节流气阻4的上游均对应设置一个第一电子束聚焦透镜2，以保证所有的第一节流气阻4均位于电子束的束腰位置。
30.其中，该具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备还包括扫描线圈和第二电子束聚焦透镜5；沿电子束的照射方向上扫描线圈与第二电子束聚焦透镜5依次设置在真空腔室18内，且扫描线圈位于第一节流气阻4的下游。例如，当真空腔室18内有多个第一节流气阻4时，扫描线圈可以位于最末级的第一节流气阻4的下游。
31.其中，该具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备还包括成型腔室7，与真空腔室18相连通且位于真空腔室18的下游；成型腔室内设置有适于放置待加工样品14的位移工作台15，经扫描线圈改变轨迹、以及经第二电子束聚焦透镜5重新聚焦的电子束进入成型腔室内对位移工作台15上的待加工样品14进行加工。在一些情况下，可以在第二电子束聚焦透镜5的下游设置第二节流气阻6，第二节流气阻6位于电子束的束腰位置，以使第二节流气阻上游的真空腔室18与下游的成型腔室的真空度进一步的形成差异。第二节流气阻6的结构及原理与第一节流气阻4的结构和原理相同，在此不再赘述。
32.其中，该具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备还包括第一涡轮分子泵9以及第一屏蔽涡旋干泵10；第一涡轮分子泵9的进气口与真空腔室18及成型腔室均相连通，第一涡轮分子泵9的出气口与第一屏蔽涡旋干泵10相连通，适于抽取真空腔室18与成型腔室内的空气；第一涡轮分子泵9与成型腔室之间的管路上设置有第一真空计8。
33.其中，该具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备还包括第二涡轮分子泵12以及第二屏蔽涡旋干泵11；第二涡轮分子泵12的进气口与真空腔室18相连通，第二涡轮分子泵12的出气口与第二屏蔽涡旋干泵11相连通，适于抽取真空腔室18内的空气；第二涡轮分子泵12与真空腔室18之间的管路上设置有第二真空计13。
34.例如，可以事先确定各个子腔内的第一节流气阻4或第二节流气阻6的尺寸，从而选取匹配的第一涡轮分子泵9或第二涡轮分子泵12的规格。
35.例如，也可以先确定第一涡轮分子泵9或第二涡轮分子泵12的规格，再获取各个子腔中的第一节流气阻4或第二节流气阻6的流导的应取值，然后确定第一节流气阻4或第二节流气阻6的尺寸。
36.利用第一涡轮分子泵9以及第一屏蔽涡旋干泵10，结合第二涡轮分子泵12以及第二屏蔽涡旋干泵11，可以保证整个加工设备的电子枪1所在的真空腔室18的真空度与待加
工样品14所在的成型腔室的真空度满足需求。
37.利用第一真空计8以及第二真空计13可以实时监控真空腔室18以及成型腔室内的真空度。
38.其中，该具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备还包括枪阀3，设置在真空腔室18内且位于第一电子束聚焦透镜2与第一节流气阻4之间，枪阀3能够在成型腔室打开以更换待加工样品14时关闭，以使枪阀3上游的真空腔室18内保持高真空，在更换待加工样品时，电子枪1可以不需要放气，提高使用效率。
39.实际使用时，电子枪1可以采用六硼化镧(lab6)或者六硼化铈(ceb6)等功函数较低的阴极材料，在高压作用下，阴极发射电子束，其能量足够加工目标金属样品。在第一电子束聚焦透镜2的作用下能够调整电子束的束腰的位置，即最小电子束束斑直径的位置。在扫描线圈和第二电子束聚焦透镜5的作用下，电子束能够按照设定轨迹对待加工样品14进行熔融焊接或者加工。
40.以六硼化镧阴极为例，其工作所需的真空值为10-5
pa量级，而成型腔室7内可以采用压力大于1pa，一定程度上在273k温度时可以维持待加工样品14内部或者表面的少量液态水相，因此电子枪1和成型腔室7之间的真空值相差近5个量级。
41.设备中采用缩孔结构气阻，当环境为20℃时，该缩孔结构的流导u0计算公式为：
[0042][0043][0044][0045]
其中，α1和α2为加权系数，d1为第一孔道16的直径，l1为第一孔道16的长度，a1为第一孔道16的截面积，d2为第二孔道17的直径，l2为第二孔道17的长度，a2为第二孔道17的截面积，μ为传输效率。
[0046]
根据公式可以看出，第一节流气阻4的流导的和缩孔通道中第一孔道16及第二孔道17的直径的三次方成正比，和第一孔道16及第二孔道17的长度成反比。因此把第一节流气阻4安装在电子束的束腰位置可以达到最优的节流效果。根据流导可以计算目标位置的真空压力：
[0047][0048]
其中，p2为第一节流气阻4的上游真空腔室18的真空压力值，p1为第一节流气阻4下游的真空腔室18的真空压力值，q为出气流量。
[0049]
从公式可以看出第一节流气阻4相邻的两个子腔的压力差值在出气流量一定的情况下，和流导成反比。流导越小，相邻子腔的压力差值越大。因此，减小第一孔道16及第二孔道17的直径或增加第一孔道16及第二孔道17的长度可以增加相邻子腔的压力差值。但直径
和长度并不能没有限制地减小和增加，尺寸不合适必然会和电子束产生相互影响，情况严重时会造成设备的损坏。
[0050]
根据理论计算结果，节流气阻至少需要两个，此时，可以选用两个第一节流气阻4，或者选用一个第一节流气阻4和一个第二节流气阻6，才能达到电子枪1工作所需的真空值。
[0051]
以选用一个第一节流气阻4和一个第二节流气阻6为例，根据电子光学计算结果，可以确定电子束的束腰的位置，以第一节流气阻4为例，在整个发射过程中，根据聚焦状态的不同，电子束的束腰位置距阴极发射面的距离在5mm-55mm范围内，在这个区间内电子束的束斑最大直径为265μm，第二孔道17的直径可以选用4.5mm，约为电子束的束腰处直径的17倍，电子束的运动不会对第一节流气阻4产生影响，同时第一节流气阻4能起到隔离真空的作用。使其满足束流0ma-50ma、束斑直径50μm-200μm的变化范围，同时阴极工作寿命可达上百小时。同理，进行第二节流气阻6的设置。
[0052]
最终，通过选用匹配的涡轮分子泵及屏蔽涡旋干泵使得成型腔室7的真空值约为10e-1pa，电子枪1所在的子腔的真空度不超过5e-5pa,，能够满足阴极工作的需求。
[0053]
在实际使用过程中，如果用户对加工设备的成型腔室7提出更高的要求，例如，要求成型腔室处于环境大气压下，也可以通过相同的方法，增加第一节流气阻4或者第二节流气阻6的数量，在电子枪1所在的子腔和成型腔室之间建立更多的差分真空腔室18达到目标，但由此会造成设备的成本增加，因此多级差分真空的设计应综合考虑设计目标和成本。
[0054]
综上，本技术中的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，可以集成在设备中，不影响设备的整体性能，同时能够采用比钨片功函数更低、寿命更长的阴极材料。而且，在成型腔室内形成较低的真空度，在一定程度上能够减轻荷电效应。
[0055]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，其特征在于，至少包括：真空腔室，适于为通过的电子束提供真空环境；至少一个第一节流气阻，设置在所述真空腔室内且位于电子束的束腰位置，所述第一节流气阻具有沿电子束的照射方向设置的缩孔结构，适于供电子束通过的同时隔离真空，以使所述第一节流气阻上游的真空腔室与下游的真空腔室的真空度形成差异。2.根据权利要求1所述的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，其特征在于，所述第一节流气阻的外壁与所述真空腔室的内壁之间采用密封连接；沿电子束的照射的方向上所述缩孔结构包括第一孔道与第二孔道，所述第一孔道的孔径大于所述第二孔道的孔径，电子束的束腰位置位于所述第二孔道内。3.根据权利要求1所述的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，其特征在于，还包括电子枪与第一电子束聚焦透镜；所述电子枪的发射部位于所述真空腔室内，以使发射出的电子束处于真空环境下；所述第一电子束聚焦透镜设置在所述真空腔室内且位于所述电子枪的下游，适于调节电子束的束腰位置。4.根据权利要求1所述的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，其特征在于，还包括扫描线圈和第二电子束聚焦透镜；沿电子束的照射方向上所述扫描线圈与所述第二电子束聚焦透镜依次设置在所述真空腔室内，且所述扫描线圈位于所述第一节流气阻的下游。5.根据权利要求4所述的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，其特征在于，还包括成型腔室，与所述真空腔室相连通且位于所述真空腔室的下游；所述成型腔室内设置有适于放置待加工样品的位移工作台，经所述扫描线圈改变轨迹、以及经所述第二电子束聚焦透镜重新聚焦的电子束进入所述成型腔室内对位移工作台上的待加工样品进行加工。6.根据权利要求5所述的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，其特征在于，所述第二电子束聚焦透镜的下游设置有第二节流气阻，所述第二节流气阻位于电子束的束腰位置，以使所述第二节流气阻上游的真空腔室与下游的成型腔室的真空度形成差异。7.根据权利要求5所述的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，其特征在于，还包括第一涡轮分子泵以及第一屏蔽涡旋干泵；所述第一涡轮分子泵的进气口与所述真空腔室及所述成型腔室均相连通，所述第一涡轮分子泵的出气口与所述第一屏蔽涡旋干泵相连通，适于抽取所述真空腔室与所述成型腔室内的空气；所述第一涡轮分子泵与所述成型腔室之间的管路上设置有第一真空计。8.根据权利要求1所述的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，其特征在于，还包括第二涡轮分子泵以及第二屏蔽涡旋干泵；所述第二涡轮分子泵的进气口与所述真空腔室相连通，所述第二涡轮分子泵的出气口与所述第二屏蔽涡旋干泵相连通，适于抽取所述真空腔室内的空气；所述第二涡轮分子泵与所述真空腔室之间的管路上设置有第二真空计。9.根据权利要求5所述的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，其特征在于，
还包括枪阀，设置在所述真空腔室内且位于第一电子束聚焦透镜与所述第一节流气阻之间，所述枪阀能够在所述成型腔室打开以更换待加工样品时关闭，以使所述枪阀上游的所述真空腔室内保持高真空。

技术总结
本发明涉及电子束加工技术领域，提供了一种具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，至少包括：真空腔室，适于为通过的电子束提供真空环境；至少一个第一节流气阻，设置在真空腔室内且位于电子束的束腰位置，第一节流气阻具有沿电子束的照射方向设置的缩孔结构，适于供电子束通过的同时隔离真空，以使第一节流气阻上游的真空腔室与下游的真空腔室的真空度形成差异。本发明提供的具有多级差分真空系统的环境电子束加工设备，在真空腔室内至少设置有一个第一节流气阻用于隔离真空，使第一节流气阻上游的真空腔室与下游的真空腔室的真空度形成差异，从而可以在电子枪位置提供更高的真空度，在下游真空腔室或者成型腔室位置提供更低的真空度。供更低的真空度。供更低的真空度。


技术研发人员：王岩 王鹏飞 刘俊标 殷伯华 韩立
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/7