一种用于液态金属靶X射线源真空腔的辅助真空防污染装置的制作方法

本发明涉及液态金属靶x射线源的真空维持和泵前污染拦截技术，具体涉及一种将可拆过滤器、真空规和真空泵布置在射流真空腔辅助抽气路径上的防污染装置及方法。该防污染装置独立于电子束系统自身的真空组件运行，适用于镓基液态金属射流靶在高真空环境下长时间工作时，对金属蒸汽、微滴及固体碎屑沿抽气路径迁移的分级截留、真空状态表征与过滤介质可维护更换。

背景技术：

1、液态金属射流x射线源的真空腔处在电子束入射、靶材蒸汽生成和x射线出射的交汇位置。电子束轰击液态金属时产生的金属蒸汽、微滴和碎屑若沿抽气路径迁移，会污染真空泵、电子枪通道或真空规。

2、液态金属射流靶x射线源以高速循环的镓基合金射流作为阳极靶，电子束在微米级焦斑处沉积的功率使靶面局部温度急剧升高，靶材蒸发、射流破碎和收集飞溅共同构成真空腔内的复合污染源。与此同时，电子枪阴极发射与电子光学聚焦要求10^-6pa至10^-7pa量级的高真空环境，射流真空腔在静态下需要维持10^-5pa至10^-6pa量级的极限真空，在射流与电子束同时运行时也需要稳定在10^-4pa量级的工作真空。真空维持与污染控制因此成为该类射线源长期可靠运行的核心矛盾：真空系统既要把污染气体持续抽走，又不能把污染物带进泵体和电子束通道。

3、镓基液态金属在真空中的应用还有其特殊性：镓的饱和蒸气压在常温下极低，但焦斑轰击区的局部高温使其蒸发速率上升数个量级；镓蒸气在泵油表面凝结会形成金属与油的混合沉积，改变泵的润滑与密封特性；镓对铝合金有强烈的晶界脆化作用，真空系统中常用的铝质法兰和管件一旦被液态镓或其蒸汽长期接触即可能失效。这些特性使液态金属靶源的真空防污染不同于一般粉尘或水汽防护，不能直接沿用半导体或镀膜设备的既有过滤方案。

4、传统真空维持方案往往只关注抽速和极限真空，而液态金属射流源还需要考虑污染物拦截、过滤器可维护性、真空异常时的隔离顺序以及电子束通道保护。

5、围绕射流真空腔的真空维持与污染控制，现有技术主要沿以下几条路径演进。

6、其一为真空泵直接抽气方案：早期装置将真空泵经连接管直接连接射流真空腔，依靠泵的名义抽速维持腔体压力。该方案结构简单，但随抽气流迁移的金属蒸汽和微粒在泵入口、转子或油路中持续沉积，运行一百至三百小时后即可能出现15%至30%的抽速衰减；停机返流时，泵内沉积物还会反向污染真空腔，使腔体洁净度随运行次数累积恶化。

7、其二为泵入口滤网方案：在真空泵入口加装普通粉尘滤网或金属丝网，以期在气体进入泵前拦截颗粒。然而在分子流和过渡流区间，滤材孔隙结构直接决定通路流导：等效孔径减小一档，流导往往下降一半以上，真空建立时间成倍延长；放大孔径保流导，则对微米级和亚微米级凝结微粒基本失去截留能力，滤网很快沦为仅拦截大颗粒的形式件。

8、其三为共用电子束真空组件方案：为简化结构，将射流真空腔经阀门接入电子枪所在的同一高真空泵组，由电子束系统的真空组件一并承担射流腔抽气。该方案把射流腔的高污染负荷直接引向对洁净度最敏感的电子束通道，金属蒸汽在阴极、栅极和高压绝缘瓷件表面凝结，引起发射电流衰减、高压打火概率上升和电子光学性能退化；且任何一次射流侧维护都迫使整枪破坏真空，维护代价被指数级放大。

9、其四为远端冷阱或折流挡板方案：在远离真空腔的管路中设置冷阱或挡板，利用低温凝结或折返惯性捕集可凝组分。该方案距污染源较远，抽气接口至冷阱之间的长管路先被污染且难以在线清理，局部沉积物还可能脱落并落回射流作用区；冷阱再生时释放的凝结物需要额外处置，维护链路长，且无法对泵形成贴近式保护。

10、液态金属自由射流在真空环境中工作时，会产生由微滴、喷溅碎屑、表面氧化物和可凝金属蒸汽构成的复合污染负荷。不同污染物的迁移机制不同：较大颗粒受惯性支配，可凝蒸汽沿压力梯度迁移并在较冷表面凝结。仅在真空泵入口设置普通粉尘滤网，难以同时兼顾真空流导和污染截留。

11、若真空泵直接连接真空腔，蒸汽凝结物可能在泵入口形成沉积，长期运行后造成抽速下降或反污染。若只依靠远端过滤器，局部沉积又可能落回射流作用区。

12、真空规在金属蒸汽环境中同样脆弱：热阴极电离规的灯丝会被镓蒸汽侵蚀而改变发射特性，冷阴极规的电极溅射物与金属凝结层会改变放电状态，皮拉尼规的热丝表面凝结会改变热传导系数。规管读数漂移若不与抽气过程曲线结合分析，极易被误判为腔体真空恶化，因而真空状态表征手段本身也需要纳入防污染设计。

13、上述演进方案在液态金属靶x射线源的工程应用中暴露出如下技术缺陷：

14、（1）污染物沿抽气路径直达真空泵，泵体成为事实上的沉积末端。金属蒸汽在泵入口和涡轮转子表面凝结、微粒随气流进入泵腔，抽速随运行时间持续衰减；更隐蔽的是，早期泵性能下降并不表现为明显失效，待真空腔无法建立工作真空时，泵体内部已发生难以现场修复的污染，只能返厂拆解清洗或更换。

15、（2）单一滤网无法调和截留精度与真空流导的矛盾。分子流区间内通路流导与孔隙结构强相关，提高过滤精度必然牺牲有效抽速、延长真空建立时间；而保流导的粗孔结构对亚微米凝结微粒的截留率极低，微粒仍长驱直入。现有方案未按污染物粒径与形态分级配置截留结构，使精度与流导在同一层滤材上直接对撞。

16、（3）射流真空腔与电子束通道共用真空组件，使污染沿错误路径扩散。电子枪阴极与高压绝缘部件对金属蒸汽极为敏感，共用抽气使射流侧污染负荷直接威胁电子束系统的寿命与稳定性；两套本应对不同洁净等级负责的真空边界被混为一体，故障定位与维护互相牵制，一处污染全线停机。

17、（4）真空状态表征手段单一，无法区分故障类型。仅在腔体或泵侧设置单一真空规时，真空腔真实漏气、过滤器逐渐堵塞与真空泵抽速下降在读数上表现相近，维护人员难以判断该更换滤芯、检漏还是修泵；误诊导致的无效拆装反而引入新的漏点和污染，形成越修越差的恶性循环。

18、（5）维护过程本身造成二次污染。带压差拆卸过滤元件时，已截留的沉积物会被气流卷吸进入真空腔或泵侧管路；滤芯污染面朝向不明、壳体无承接结构时，取出过程刮落的附着层同样跨越洁净边界，一次维护即抵消多次拦截的效果，使过滤装置的实际防护价值大打折扣。

19、因此，本领域亟需解决的技术难题在于：如何在保持射流真空腔真空度分级维持能力的同时，在污染源与真空泵之间建立一条独立于电子束系统真空组件、兼具按粒径分级截留、抽气状态可诊断与过滤介质可安全更换的泵前污染拦截链路，使真空维持从单纯的抽速配置问题转化为污染物迁移路径的控制问题。

技术实现思路

1、针对上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种用于液态金属靶x射线源真空腔的辅助真空防污染装置及方法。该装置以独立于电子束系统真空组件的辅助抽气链为骨架，在射流真空腔与真空泵之间设置气流必经的第二过滤器，将随抽气流迁移的液态金属微滴、固体碎屑和金属蒸汽凝结物按粒径与形态分级截留在可维护位置，并以同一抽气链上的真空规建立可比较的洁净基线与运行曲线，使真空腔的真空维持、污染物拦截与故障诊断具有明确的空间顺序和可核验的对应关系，从而在不牺牲真空度分级维持能力的前提下，解决泵前污染拦截与维护二次污染之间的矛盾。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下相互配合的技术方案：

3、一方面，提供一种用于液态金属靶x射线源真空腔的辅助真空防污染装置，包括由真空腔引出的辅助抽气通路、设置在辅助抽气通路上的第二过滤器、真空规和真空泵；第二过滤器位于真空腔与真空泵之间并具有朝向真空腔的污染物承接侧和朝向真空泵的洁净侧，使由真空腔抽出的气体在到达真空泵之前通过过滤介质，真空规用于表征辅助抽气通路的压力状态，第二过滤器被配置为截留随抽气流迁移的液态金属微滴、固体碎屑或金属蒸汽凝结物；沿辅助抽气通路的抽气方向，第二过滤器、真空规与真空泵依次串联，且第二过滤器构成由真空腔流向真空泵的全部辅助抽气流的必经部件。

4、可选地，所述第二过滤器包括具有真空腔侧接口、真空泵侧接口和可拆端盖的过滤壳体，以及由端盖压紧并限定气体必须穿过的可更换滤芯；可更换滤芯的周缘与过滤壳体之间设有连续密封件，使气流不能自滤芯周缘旁通，且滤芯在过滤壳体内具有与抽气方向一致的定位面，复装后仍恢复与原抽气方向一致的定位。

5、可选地，所述可更换滤芯包括烧结不锈钢多孔体、金属纤维毡、陶瓷多孔体或由其构成的分级过滤结构；分级过滤结构沿气流方向包括等效孔径由大至小依次布置的至少两层过滤介质，上游层用于截留液态金属微滴及较大碎屑，下游层用于拦截细小凝结微粒，各层均不在真空中释放松散纤维。

6、可选地，所述过滤壳体在可更换滤芯的真空腔侧设有扩散空间和可拆污染物承接部，污染物承接部位于主抽气通道之外；扩散空间的通流截面积大于真空腔侧接口的通流截面积，使随气流进入的液态金属微滴降速并因惯性撞击被污染物承接部承接，承接部的收集区与壳体密封面分开设置。

7、可选地，所述第二过滤器的真空腔侧接口与真空腔上部连通；真空腔侧接口位于液态金属射流作用区的侧上方并设有几何遮挡，使射流主体及喷溅微滴不能沿直线进入真空腔侧接口，接口通径与第二过滤器入口匹配，避免在滤芯尚未污染时即由接口成为主节流件。

8、可选地，所述辅助真空防污染装置与电子束系统自身的真空组件相互独立；辅助真空防污染装置具有可识别的独立抽气边界，真空腔内的污染气流不经由电子束系统自身的真空组件排出，电子束系统自身的真空组件亦不替代真空泵对真空腔抽气，二者可以分别服务于射流真空腔和电子束通道并通过刚性连接界面相邻布置。

9、可选地，所述真空规设置在真空泵与第二过滤器之间，用于检测辅助抽气路径的真空状态；真空规的测点位置能够反映第二过滤器洁净侧的压力，量程覆盖1×10^5pa至5×10^-7pa，以通过洁净状态抽气曲线与运行抽气曲线的比较判断辅助抽气通路的流导变化；需要区分过滤器两侧状态时，可在真空腔或过滤器上游增设腔压测点，与泵侧真空规形成压差诊断。

10、可选地，所述第二过滤器的过滤介质采用耐液态金属腐蚀且适于真空环境的材料；过滤介质经真空烘烤除气处理，其孔隙结构中不含在真空中释放挥发物或松散纤维的粘结组分，并使真空腔能够维持1×10^-3pa至1×10^-7pa的工作真空范围。

11、可选地，所述第二过滤器以可拆滤芯安装在具有真空腔侧接口和真空泵侧接口的壳体内，壳体在滤芯污染侧设有防止拆卸时截留物落入真空腔或真空泵侧管路的承接部；承接部为可拆承接杯或防落挡边，拆卸滤芯时承接部保持截留物位于污染侧并随滤芯一并移出。

12、上述技术方案在层次上分为相互支撑的三层：第一层为空间顺序层，确立真空腔-第二过滤器-真空规-真空泵的不可调换串联顺序，使污染物迁移路径在结构上闭合；第二层为截留结构层，以扩散承接、粗滤、精滤的分级组合覆盖微滴、碎屑与凝结微粒三类负荷；第三层为运行诊断层，以真空规、洁净基线与压差判据使拦截能力可监测、可恢复。三层共同作用，使本装置区别于任何仅设置滤网、仅移动泵位或仅增加测点的局部改进。

13、另一方面，提供一种利用上述任一项所述装置维持液态金属靶x射线源真空腔真空并抑制污染迁移的方法，包括以下步骤：

14、s1、在液态金属射流和电子束关闭的条件下启动真空泵，使真空腔内气体经第二过滤器向真空泵流动，并记录洁净状态的抽气压力-时间曲线；

15、s2、在液态金属射流运行期间保持辅助抽气通路连通，由第二过滤器截留随抽气流迁移的液态金属微滴、固体碎屑或凝结物，并由真空规监测辅助抽气状态；

16、s3、将运行后的抽气曲线与洁净状态曲线比较，依据达到目标压力的时间、稳定压力和测量有效性区分过滤阻力增加、真空腔漏气或真空泵性能变化；

17、s4、在确认射流停止、电子束禁止且过滤器两侧压差解除后拆卸受污染滤芯，保持截留物位于污染侧并清理壳体；

18、s5、复装滤芯后进行静态密封检查和洁净抽气复测，抽气状态恢复至允许范围后再启动液态金属射流。

19、基于上述结构关系和运行边界，本发明至少具有以下有益效果：

20、（1）泵前必经拦截使真空泵退出污染沉积末端的角色。第二过滤器位于真空腔与真空泵之间的气流必经位置，全部辅助抽气流在到达真空泵之前穿过过滤介质，对0.3μm及以上颗粒的总截留效率可达99.9%以上；泵入口长期保持洁净，因污染导致的抽速衰减由直接抽气方案的15%至30%（每百至三百小时）降低至可忽略水平，真空泵的服役寿命不再由污染决定，而由其自身机械寿命决定。

21、（2）按粒径与形态分级截留化解了截留精度与真空流导的矛盾。扩散空间与承接部先以惯性方式承接高速微滴且不引入多孔介质阻力，上游粗层截留较大碎屑，下游细层拦截凝结微粒，各层按污染负荷分配截留任务；洁净状态引入的流导损失可控制在25%以内，而等效截留精度提高到亚微米级，分级结构还使污染分布沿气流方向展开，滤芯有效寿命较单一均质滤材延长两至三倍。

22、（3）与电子束真空组件相互独立的抽气边界阻断了污染的错误扩散路径。射流真空腔的高污染负荷由辅助抽气链独立承担，电子枪阴极、栅极和高压绝缘部件不再面对金属蒸汽的直接凝结，发射衰减与高压打火风险显著降低；两套真空系统各自具有可识别的服务边界，维护辅助抽气链时不破坏电子束通道真空，故障定位与检修互不牵制，一处维护不再全线停机。

23、（4）真空规与洁净基线抽气曲线使真空异常可诊断、可区分。以洁净状态压力-时间曲线为基准，依据达到目标压力的时间、稳定段压力和测量有效性三项特征，可区分过滤阻力增加、真空腔漏气和真空泵性能变化三类故障，避免把不同原因导致的真空退化混为一谈，减少误诊性拆装引入的新漏点，维护由经验判断转为曲线判据。

24、（5）承接部与解除压差的维护顺序消除了维护过程的二次污染。拆卸前确认射流停止、电子束禁止且过滤器两侧压差解除，承接杯或防落挡边保持截留物位于污染侧并随滤芯一并移出，截留的液态金属沉积物不会在拆卸瞬间被气流卷吸跨越洁净边界；单次滤芯更换可在约30至45分钟内完成且不触及电子束真空组件，一次维护不再抵消多次拦截的效果。

25、（6）复装后的洁净基线可复现，支撑真空度分级的长期维持。静态密封检查与洁净抽气复测作为恢复运行的验收条件，使每次滤芯更换后的抽气状态与初始基线偏差可控，射流真空腔10^-4pa量级工作真空的建立时间和稳定压力在长期运行中保持可预期，真空维持由经验性操作转化为可记录、可追溯的受控过程。

26、上述各项效果共同表明，本方案以污染物迁移路径控制为主线，将第二过滤器置于真空腔与真空泵之间的必经位置、将真空规置于同一辅助抽气链、并将整条链路与电子束真空组件独立布置，各技术特征之间具有可由附图和实施例核验的作用联系，而非彼此孤立的元件并列；单独在真空腔设置过滤网、单独监测真空或单独设置真空泵，均不能得到相同的泵前污染拦截关系。