本發(fā)明涉及高能帶電粒子束加工制造裝備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高能帶電粒子束從真空到大氣的引出窗口。

背景技術(shù)：

高能帶電粒子束加工技術(shù)以其優(yōu)越的加工性能在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，但是由于高能帶電粒子束粒子質(zhì)量極小，從粒子束產(chǎn)生到發(fā)射到大氣的過程中，會受到大氣分子的撞擊，導(dǎo)致粒子束能量與密度的降低，使加工效果變差，因此目前傳統(tǒng)的高能帶電粒子束加工技術(shù)被限制在真空環(huán)境中進(jìn)行，但真空環(huán)境的維系需要耗費(fèi)巨大的加工成本，同時(shí)降低加工效率，更是制約高能帶電粒子束加工技術(shù)應(yīng)用于大型工件的加工制造。

為了破除真空機(jī)制的制約，高能帶電粒子束的引出需要解決兩大關(guān)鍵技術(shù)難題：一是高能帶電粒子束由真空環(huán)境引出到大氣中的能量損失不能太大，二是高能帶電粒子束由真空環(huán)境通過引出窗口到達(dá)工件前的能量密度不能降得過低。然而，目前的引出窗口，隔絕真空能力有限,遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足日益復(fù)雜的高能帶電粒子束非真空加工技術(shù)需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決現(xiàn)有高能帶電粒子束加工制造裝備在大氣環(huán)境中進(jìn)行加工制造存在的兩大關(guān)鍵技術(shù)難題，提供一種高能帶電粒子束從真空到大氣的引出窗口。

為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種高能帶電粒子束從真空到大氣的引出窗口，其整體為中間開有軸向貫通的通孔的軸對稱結(jié)構(gòu)；該引出窗口本體主要由窗口外殼、上電極、下電極、等離子體腔殼、引弧電極、主電源和引弧電源組成；

窗口外殼為中空的金屬外殼體；窗口外殼的上端面與真空環(huán)境相接；窗口外殼的內(nèi)腔形成密閉的第二真空腔，該第二真空腔上接有第二真空泵；窗口外殼的下端面與大氣環(huán)境相接，工件放置在窗口外殼的下方；

上電極嵌于窗口外殼的上端面上，并直接與窗口外殼電氣導(dǎo)通；下電極嵌于窗口外殼的下端面上，并通過絕緣墊層與窗口外殼電氣絕緣；上電極和下電極的中心均開設(shè)有軸向貫通的通孔，上電極上的通孔與下電極上的通孔位置軸向正對，以供粒子束通過；

等離子體腔殼環(huán)設(shè)在窗口外殼的內(nèi)腔中，并處于上電極與下電極之間；等離子體腔殼的內(nèi)側(cè)壁所圍空間形成柱狀開放的等離子體腔，粒子束從該等離子體腔的中軸線處通過；等離子體腔殼外側(cè)壁與窗口外殼的內(nèi)側(cè)壁所圍空間形成環(huán)狀密閉的水冷腔，該水冷腔上設(shè)有進(jìn)水口和出水口；

上電極呈倒錐臺形，上電極和等離子體腔殼之間的窗口外殼上開設(shè)有進(jìn)氣口；上電極的下側(cè)表面與等離子體腔殼的上表面之間形成狹窄的導(dǎo)氣隙，導(dǎo)氣隙的一端接進(jìn)氣口，導(dǎo)氣隙的另一端接等離子體腔；2個(gè)以上的引弧電極環(huán)繞均布在上電極的外側(cè)，并經(jīng)由導(dǎo)氣隙指向上電極；

下電極與主電源中與粒子束極性相反的電極相連；所有引弧電極與引弧電源中與粒子束極性相反的電極相連；引弧電源中與粒子束極性相同的電極、主電源中與粒子束極性相同的電極、窗口外殼和工件和大地相連。

上述方案中，當(dāng)粒子束為帶負(fù)電的粒子束時(shí)，下電極與主電源的正極相連；所有引弧電極與引弧電源的正極相連；引弧電源的負(fù)極、主電源的負(fù)極、窗口外殼和工件和大地相連。當(dāng)粒子束為帶正電的粒子束時(shí)，下電極與主電源的負(fù)極相連；所有引弧電極與引弧電源的負(fù)極相連；引弧電源的正極、主電源的正極、窗口外殼和工件和大地相連。

上述方案中，引弧電極呈中心對稱地環(huán)設(shè)在上電極的外側(cè)。

上述方案中，等離子體腔殼的材料為高溫陶瓷。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：

1、引出窗口的主體由等離子體縱向引射式氣動窗口組成，利用了超音速等離子體的動能壓力和等離子體高溫雙重隔離作用，引出窗口能獲得極大的真空梯度，真空隔離效果極佳。

2、通過改變電極與主電源的正負(fù)極接線，可實(shí)現(xiàn)等離子體對通過其的帶不同電性粒子束起向心匯聚作用。

附圖說明

圖1為一種高能帶電粒子束從真空到大氣的引出窗口(高能帶負(fù)電粒子束引出窗口)的示意圖。

圖2為另一種高能帶電粒子束從真空到大氣的引出窗口(高能帶正電粒子束引出窗口)的示意圖。

圖中標(biāo)號：1、粒子束；2、第一真空腔；3、第一真空泵；4、上電極；5、導(dǎo)氣隙；6、引弧電極；7、出水口；8、水冷腔；9、等離子體腔；10、等離子體腔殼；11、第二真空泵；12、第二真空腔；13、工件；14、下電極；15、絕緣墊層；16、主電源；17、進(jìn)水口；18、窗口外殼；19、引弧電源；20、進(jìn)氣口。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明具體實(shí)施例中的附圖,對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)地描述。

一種高能帶電粒子束從真空到大氣的引出窗口，其整體為中間開有軸向貫通的通孔的軸對稱結(jié)構(gòu)。引出窗口本體主要由窗口外殼18、上電極4、下電極14、等離子體腔殼10、引弧電極6、主電源16和引弧電源19組成。

窗口外殼18為中空的金屬外殼體。窗口外殼18的上端面與真空環(huán)境相接，窗口外殼18的上端面的上方為第一真空腔2，帶電粒子束1從發(fā)生器發(fā)射出來后首先進(jìn)入第一真空腔2。第一真空腔2上接有第一真空泵3，第一真空泵3由機(jī)械泵和分子泵串聯(lián)組成，由第一真空泵3對第一真空腔2抽真空，使得第一真空腔2的空腔真空度優(yōu)于5×10^-2pa。窗口外殼18的內(nèi)腔形成密閉的第二真空腔12，帶電粒子束1從第二真空腔12射入大氣環(huán)境。第二真空腔12上接有第二真空泵11，該第二真空泵11為機(jī)械泵，由第二真空泵11對第二真空腔12抽真空，使得第二真空腔12真空度優(yōu)于3×10³pa。窗口外殼18的下端面與大氣環(huán)境相通，工件13放置在引出窗口的下方，且工件13接地。

上電極4呈倒錐臺形，上電極4嵌于窗口外殼18的上端面上，并直接與窗口外殼18電氣導(dǎo)通。下電極14呈錐臺形，下電極14嵌于窗口外殼18的下端面上，并通過絕緣墊層15與窗口外殼18電氣絕緣。上電極4和下電極14的中心均開設(shè)有軸向貫通的通孔，上電極4上的通孔與下電極14上的通孔位置軸向正對，以供粒子束1通過。

等離子體腔殼10環(huán)設(shè)在窗口外殼18的內(nèi)腔中，并處于上電極4與下電極14之間。等離子體腔殼10的材料為高溫陶瓷。等離子體腔殼10的內(nèi)側(cè)壁所圍空間形成柱狀開放的等離子體腔9，粒子束1從該等離子體腔9的中軸線處通過。等離子體腔殼10外側(cè)壁與窗口外殼18的內(nèi)側(cè)壁所圍空間形成環(huán)狀密閉的水冷腔8，該水冷腔8上設(shè)有進(jìn)水口17和出水口7，冷卻水從進(jìn)水口17流入，從出水口7流出，冷卻水主要作用是冷卻離子體腔殼10。

上電極4和等離子體腔殼10之間的窗口外殼18上開設(shè)有進(jìn)氣口20。上電極4的下側(cè)表面與等離子體腔殼10的上表面之間形成狹窄的導(dǎo)氣隙5。導(dǎo)氣隙5的一端接進(jìn)氣口20，導(dǎo)氣隙5的另一端接等離子體腔9，正壓氣體由進(jìn)氣口20進(jìn)入導(dǎo)氣隙5，并經(jīng)導(dǎo)氣隙5進(jìn)入等離子體腔9形成超音速氣流，超音速氣流由上至下穿越等離子體腔9。2個(gè)以上的引弧電極6環(huán)繞均布在上電極4的外側(cè)，并經(jīng)由導(dǎo)氣隙5指向上電極4。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，引弧電極6呈中心對稱地環(huán)設(shè)在上電極4的外側(cè)。

下電極14與主電源16中與粒子束1極性相反的電極相連。所有引弧電極6與引弧電源19中與粒子束1極性相反的電極相連。引弧電源19中與粒子束1極性相同的電極和主電源16中與粒子束1極性相同的電極相連接，并與窗口外殼18、工件13和大地相連。具體來說：當(dāng)粒子束1為帶負(fù)電的粒子束1時(shí)，下電極14通過導(dǎo)線與主電源16的正極相連，所有引弧電極6通過導(dǎo)線與引弧電源19的正極相連，引弧電源19的負(fù)極和主電源16的負(fù)極相連接，并與窗口外殼18、工件13和大地相連，參見圖1。當(dāng)粒子束1為帶正電的粒子束1時(shí)，下電極14通過導(dǎo)線與主電源16的負(fù)極相連。所有引弧電極6通過導(dǎo)線與引弧電源19的負(fù)極相連，引弧電源19的正極和主電源16的正極相連接，并與窗口外殼18、工件13和大地相連，參見圖2。

高壓脈沖引弧電源19作用于引弧電極6與上電極4，使得引弧電極6與上電極4產(chǎn)生尖端放電。當(dāng)正壓氣體經(jīng)進(jìn)氣口20通過導(dǎo)氣隙5進(jìn)入等離子體腔9時(shí)，同時(shí)把引弧電極6與上電極4產(chǎn)生尖端放電所產(chǎn)生的帶電粒子中的與粒子束1極性相同的帶電粒子(圖1為帶負(fù)電，圖2為帶正電)吹向下電極14，在主電源16的作用下，使得上電極4和下電極14產(chǎn)生電離，最終發(fā)展成等離子體腔9中充滿超音速的等離子體，上電極4和下電極14間等離子體電流產(chǎn)生的磁場對穿越等離子體腔9的高能帶電粒子束1始終產(chǎn)生向心匯聚作用。

所述的高能帶電粒子束1束流引出窗口主體部分由縱向引射式氣動窗口部分與等離子體窗口部分耦合形成。縱向引射式氣動窗口部分中間開有縱向貫通的通孔，包括進(jìn)氣口20，導(dǎo)氣隙5和等離子體腔9。等離子體窗口部分包括上電極4、引弧電極6、等離子體腔9和下電極14。等離子窗口中高溫等離子體與低溫氣體達(dá)到壓力平衡時(shí)產(chǎn)生氣體密度差，在下電極14上下出口產(chǎn)生氣體密度為1:40-1:50的動態(tài)平衡?？v向引射式氣動窗口利用氣體的動能壓和靜壓的合作用使窗口的上出口和下出口產(chǎn)生氣體密度為1:100-1:150的動態(tài)平衡。兩者耦合上下出口產(chǎn)生氣體密度為1:4000-1:7500的動態(tài)平衡。同時(shí)利用等離子體電流產(chǎn)生的磁場對穿越窗口的高能帶電粒子束1始終產(chǎn)生向心匯聚作用。因此本引出窗口隔絕真空效果更好，對引出的粒子束1的加工性能也更佳。

需要說明的是，盡管以上本發(fā)明所述的實(shí)施例是說明性的，但這并非是對本發(fā)明的限制，因此本發(fā)明并不局限于上述具體實(shí)施方式中。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，凡是本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下獲得的其它實(shí)施方式，均視為在本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。