卷绕蒸镀设备偏置线圈设计及参数分析.pdf
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1、真空VACUUM卷绕蒸镀设备偏置线圈设计及参数分析尹翔1,陈世斌1,张艳鹏1,刘旭1,龙连春2(1.北京北方华创真空技术有限公司,北京100015;2.北京工业大学,北京100124)摘要:在卷绕蒸镀设备生产过程中,电子束引起的较高能二次电子会影响复合集流体的质量。较高能二次电子的发射率与电子束的入射角在一定范围内成正比,因此利用额外磁场可以使电子束轨迹发生偏置,从而减小入射角。本文依靠仿真软件及 CAD 建模技术对电磁偏置线圈进行了开发设计,通过参数优化,得到匹配的磁场强度以及电子偏置轨迹,成功完成电子偏置线圈的设计。同时对电磁线圈参数对偏置的影响进行了对比分析。结果表明:增加电磁线圈的电流
2、、匝数、尺寸、数量,以及减少线圈与电子枪的距离,都能减少电子束偏置半径。通过优化这些参数可以得到预定入射角度,实现低的二次电子发射率,为将来设备的迭代升级提供设计依据。关 键 词:卷绕蒸镀;电子束;偏置线圈;参数优化中图分类号:TB43文献标识码:A文章编号:1002-0322(2024)02-0016-06doi:10.13385/ki.vacuum.2024.02.03Design and Parameter Analysis of Bias Coil for Roll to Roll Evaporation EquipmentYIN Xiang1,CHEN Shi-bin1,ZHANG
3、Yan-peng1,LIU Xu1,LONG Lian-chun2(1.Beijing Naura Vacuum Technology Co.,Ltd.,Beijing 100015,China;2.Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)Abstract:The high energy secondary electrons caused by electron beam will affect the quality of composite current collectorduring the roll to roll
4、 evaporation equipment working.The emissivity of secondary electron is proportional to the incident angle of theelectron beam in a certain range,and the trajectory of electron beam can be biased in magnetic field.In this paper,one kind ofelectromagnetic bias coil was developed and designed based on
5、simulation software and CAD modeling technology.Throughparameter optimization,the matching magnetic field intensity and electron bias trajectory were obtained to reduce the incidence angle.At the same time,the influence of the electromagnetic coil parameters on bias were compared and analyzed.The re
6、sults show thatincreasing the current,number of turns,coil size,coil number,and reducing the distance between the coil and the electron gun canall reduce the electron beam bias radius.By optimizing these parameters,the predetermined incidence angle can be obtained,andachieving low secondary electron
7、 emissivity,and providing a design basis for future equipment iteration upgrades.Key words:roll to roll evaporation;electron beam;bias coil;parameter optimization收稿日期:2023-08-07作者简介:尹翔(1982-),男,山东淄博人,硕士,工程师。随着新能源、储能等新兴产业的快速发展,锂电池的需求也呈现出几何倍数的增长,这对锂电池材料的高能量密度、安全性等提出更高的要求。集流体作为电池的重要组成部分,承担着将电池化学能转化为电能并
8、对外输出的关键作用。传统集流体由金属制成,厚度在 612 m,在减薄并提高能量密度的需求下,其力学性能会变差,甚至出现裂缝或发生断裂,易引起发热、短路等问题。而复合集流体中部分金属材料被高分子材料替代,其机械性能均优于金属集流体,并且质量更轻、成本更低。可见复合集流体在未来将逐步代替传统的金属集流体。真空蒸镀作为复合集流体三步法工艺中的一步,其优点是可以提高沉积效率以及具有良好的镀膜均匀性1。根据加热方式的差异,真空蒸发镀膜技术又可以分为电阻加热蒸镀法、电子束轰击加热蒸镀法等。相较于电阻加热蒸镀,电子束蒸镀只作用于加热镀料,因此能量转化率高。第 61 卷第 2 期2024年3月Vol.61,N
9、o.2Mar.2024第 2 期尹翔,等:卷绕蒸镀设备偏置线圈设计及参数分析但由于较高能二次电子的作用,高分子膜的内部微观结构会被破坏,造成力学性能下降2-3,同时大量较高能二次电子还会引起高分子基膜的烫损或卷皱,因此需要尽可能地减少较高能二次电子的发射率。目前已有许多文献对原电子入射角度与二次电子发射系数的关系进行了探究,发现二次电子发射系数与电子束入射角度在一定范围内成正比4-9。本文在原有卷绕镀膜设备的结构基础上,依靠仿真技术,探究通过额外电磁线圈控制电子束轨迹,以实现低二次电子发射率,进而完成电磁线圈的设计开发,最终实现卷绕蒸镀设备优化升级。1卷绕蒸镀设备及电子束偏置机理1.1卷绕蒸镀
10、设备结构本公司目前开发的卷绕蒸镀设备如图 1 所示,其主要由收放卷、主辊、坩埚、电子枪、蒸镀腔室等部分组成。蒸镀工艺如下:电子枪发出的电子束轰击坩埚中的镀料,镀料在高温下蒸发后沉积到主鼓的基膜上,形成金属镀膜10-12。考虑到实际生产过程中,基膜会受镀料产生的二次电子影响而破损或褶皱,故需要对电子束施加额外磁场,使其出现偏置,以较小入射角轰击镀料,从而减少二次电子的发射率。图 1卷绕蒸镀设备示意图Fig.1Schematic diagram of roll to roll evaporation equipment1.2偏置机理蒸镀时,电子枪内热电子由加速阳极加速后获得动能,若不考虑电子的初速
11、度,被阳极加速后的电子动能为12mv2,与初始位置时电子的电势能相等,即12mv2=eU(1)式中:m为电子质量;e为电子电量;U为加速电压。由式(1)得出电子轰击镀料的速度为v=5.93 105U(2)在与电子束垂直的方向设置均匀磁场,电子将在磁场作用下产生偏转,其偏转半径 r 由洛伦兹力作为向心力的关系式确定:evB=mv2rr=mveB(3)将式(2)代入式(3),并同时将 m,e 的值代入,得r=3.37 10-6UB(4)式中:B为磁感应强度。可见,当电子束加速电压固定后,通过调整磁感应强度就可以改变电子束的运动轨迹,使其偏置。2电磁线圈设计2.1磁场分析计算将图 1 简化为图 2
12、所示模型。图中电子束 1未偏置,其入射角度为 38.8,打在坩埚边缘位置,若要使其如电子束 2 一般打在坩埚的中心位置,则需要在电子枪与坩埚之间施加磁场,通过磁场的作用使电子束产生偏置。偏置半径可通过 CAD 软件进行建模及测量,测得偏置半径 r=11 m,入射角度减少到 33.6。图 2 偏置半径估算图 3电磁线圈位置Fig.2 Bias radius estimationFig.3Electromagnetic coil position将偏置半径 r 测量值 11 m,以及电子枪加速电压 U 实测值 44 kV,代入式(4),可以得到磁感应强度 B=6.410-5T。因此只要在腔室内部安
13、装电磁线圈,使其工作时在坩埚与电子枪区域的磁感应强度不低于 6.410-5T 就可以满足电子束偏置需求。通过现有腔室结构对比分析发现,坩埚底部是放置电磁线圈的最优位置,据此设计出的新结构如图 3 所示。17真空VACUUM第 61 卷2.2磁场模拟验证载流导线产生磁场的基本规律符合比奥-萨伐尔定律13,其微分形式为dB=04Idl err2(5)整个闭合回路产生的磁场是各电流单元Idl所产生的元磁场dB的矢量叠加,式(5)中单位矢量er从源点指向场点,dB垂直于dl与er构成的平面。基于比奥-萨伐尔定律,通过简化电磁线圈模型,就可以计算出空间中任一点的磁感应强度14。由于计算数据庞大,为了较快
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