[发明专利]一种微孔成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及仪器仪表（分析仪器）领域，特别是一种在电子显微镜的钼薄片上成型微孔的方法。 

背景技术

场发射电子显微镜的电子枪是一个微小的高亮度电子源，由涂有氧化锆（ZrO）的钨单晶（W（100））肖特基发射阴极或者冷场发射阴极、抑制极、吸出极、聚焦极和阳极等组成，其作用是为整个系统提供稳定的电子源。当处于真空中的阴极钨丝尖端表面受到10⁸V/cm大小的电子加速电场作用时，钨尖端表面就会发射出数量可观的电子，此过程称为场发射。场发射的原理是高电场使电子的势垒产生肖特基（Schottky）效应，势垒宽度变窄，高度变低，电子可穿越势垒、离开阴极，形成发射。场发射电子从阴极尖端发射出来后形成极细而又具高电流密度的电子束；另外，通过改变肖特基场发射电子枪吸出极的电压，可改变其阴极尖端的电场，从而控制阴极场发射的电流强度。

由于场发射电子枪阴极周围电场极强，同时电子束流密度和电子束形状都有很高要求，所以对电子枪各电极的精度要求非常高，特别是吸出极小孔，其直径要求为Ф0.38mm，精度要求达到圆度0.01mm、粗糙度 Ra0.1以上，并且小孔两端不能有毛刺，这样才能既保证在阴极尖端表面形成轴对称的均匀强电场，又保证吸出极在高压下不打火、放电。因此，吸出极小孔加工的好坏对于电子枪来说至关重要。

现有技术中，电子枪的吸出极大多选用钼材料，其电真空性能很好，但是硬度很高，要在其上进行微孔加工（成型直径小于3.175mm的孔通常被称为微孔加工）难度很大。因此，现有技术中在电子枪钼薄片上进行微孔加工都是采用激光微加工的方式。如中国专利CN101131470公开了一种应用于扫描电子显微镜中的微孔和小孔光阑的紫外激光微加工系统和方法，主要由紫外激光器、计算机、扫描振镜系统、被加工材料钼薄片、工作台和夹具构成,通过激光微钻孔和激光微切孔两种方法加工不同孔径的光阑。对于15微米～50微米的微孔采用微钻孔方法加工,把钼薄片放在焦点位置,通过调整激光脉冲重复频率或者调节离焦量来加工;对于50微米～300微米的孔径采用激光微切割的方法进行加工,首先使钼片固定在激光束焦点位置,其次在扫描振镜控制软件中绘制所要加工的孔径大小,最后控制激光器对绘制的孔径进行激光微切孔。

但是上述方法存在以下不足：①利用激光切割的方法对钼薄片光阑进行加工，虽然能够达到精度要求，但是需要预先配置紫外激光器、计算机等硬件设备并搭建相应的工作台和扫描振镜系统，设备投入较大，后期维护费用也很高，导致钼薄片光阑的制造成本大幅上升；②作业人员长期处于紫外激光照射的环境下，易对人体造成伤害，比如可能引起皮肤红斑、老化，严重的可能致癌，而且紫外激光对于眼睛的危害也非常大，因此，作业人员在使用上述方法对钼薄片进行加工时，即使做好了必要的安全保护措施，紫外激光也有可能对人体产生危害。

为此，本领域的技术人员试图采用传统机械加工方法进行微孔加工。然而，传统机械加工工艺的钻孔尺寸公差等级低且粗糙度大，即使扩孔公差等级和表面粗糙度也只能达到IT10～IT9和Ra6.3～Ra3.2，纵然不计算成本地利用钳工铰孔，表面粗糙度也只能达到Ra1.6～Ra0.4，均无法达到吸出极小孔的精度要求，如图1所示，而且钻削后小孔周围表面光洁度很差，钻头出口处的毛刺也非常明显，如图2所示。不仅如此，采用机械加工方式钻削微孔还容易出现裂纹、起鳞、缺角等缺陷，需要进一步采用研磨工艺，才能提高其表面光洁度。然而，由于现有研磨工艺的研磨头体积都比较大，无法深入微孔内对孔内壁进行研磨。另外，由于钼材料的硬度很高，属于金属中较难加工的材料，如果利用传统机械加工方式对其进行加工，刀具磨损很快，需要技术人员频繁地更换、打磨刀具，将造成加工效率的降低和时间成本的提高。