电子枪聚焦系统的研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：纪红娜（1986），女，汉族，辽宁阜新人，硕士研究生，工程师，研究方向为电子束应用设备及电子枪。-79-电子枪聚焦系统的研究 纪红娜 李 宁 徐园园 西安智熔金属打印系统有限公司，陕西 西安 710076 摘要：摘要：介绍了电子枪聚焦系统的组成结构及设计原理，并利用 CST 电磁仿真软件分析了聚焦线圈结构形式对磁场分布的影响，通过分析发现屏蔽式电磁聚焦线圈较开启式聚焦线圈更能够将磁场聚集，窄气隙较宽气隙更能使磁场沿轴向压缩。最后阐述了磁聚焦线圈参数的计算方法，并将上述设计参数应用于公司自研的加速电压 60KV、功率 15KW 的电子枪，取得了较好的使用效果。关键词：关键词：电子枪；聚焦系统；设计原理；CST 电磁仿真；参数确定 中图分类号：中图分类号：TN14 0 引言 随着真空技术和电子技术的飞速发展，电子束作为高能量热源已被广泛运用到电子束焊接及电子束增材制造等真空设备的各个方面。电子枪作为束流的产生装置，是电子束真空设备中的核心部件，其设计的好坏直接影响电子束加工零件的质量。电子枪的主要结构包括静电透镜区和磁透镜区如图 1 所示，在静电透镜区阴极通过加热产生电子，电子在偏压聚束极及阳极的作用下聚集、加速，在通过束腰位置之后，由于电荷间的斥力作用，电子开始发散，所以在此区域必须设置能够对束流进行聚焦的聚焦系统。聚焦系统主要是通过通电线圈产生的磁场来改变束流的运动方向的，通电线圈中电流的大小又决定了磁场的大小，所以线圈的安匝数是电磁聚焦与电磁偏转线圈的关键参数，线圈的聚焦和偏转能力与它的大小直接相关，所以设计中必须按照电子枪的结构及所要实现的目标参数来确定合适的安匝数。由于电子枪的用途不同，其结构参数也有较大的差距，而有关电子枪聚焦系统参数的计算方面，还没有一套完整的、统一的方法。本文从电子枪磁聚焦原理出发，并结合实际应用情况，提出一套关于电子枪聚焦系统设计参数及结构特性的的研究方法，并用该方法设计出的聚焦线圈应用于所使用的电子枪中，证实了理论分析的正确性。1 磁聚焦原理 电子枪在静电透镜区对阴极进行加热，阴极灯丝在高温下产生的高能电子流，通过聚束极进行电子聚集，并在阴极与阳极形成的压差作用下，电子进行加速，加速电子在通过束腰位置后，由于空间电荷之间的斥力作用，电子束流开始发散，需要磁透镜对其进行二次会聚，其具体结构如图 1 所示。磁透镜一般由合轴线圈、聚焦线圈和偏转线圈组成，电子束通过合轴线圈使束流中心与机械结构中心重合，聚焦线圈对发散的束流进行会聚，偏转线圈实现束流的偏转。1-阴极 2-聚束极 3-阳极 4-合轴线圈 5-聚焦线圈 6-偏转线圈 7-工件 图 1 电子枪电子光学系统示意图 其中聚焦线圈一般是一圆环形电磁短线圈绕组，短磁透镜除了具有轴向磁场分量外，还具有很大的径向磁场分量，在此分量作用下，会使在过静电区后发散的电子重新会聚。由于短磁透镜的螺线管长度很短，造成了磁场近似均匀部分都集中在线圈中部，而在线圈两边，磁力线向离开轴线方向运动，形成了很强的径向分量。由于聚焦线圈产生的磁场具有对称性，所以可将磁聚焦线圈产生的磁场分为上下两部分。线圈上半部分产生的磁场强度沿轴向有增强趋势，在轴向由于束流没有收到力的作用，所以做匀速直线运动，而在其他两个方向，束流的运动轨迹为半径不断缩小的螺旋线。当束流进入磁聚焦线圈的下半部分时，磁场的径向分量与磁聚焦线圈左边磁场的径向分量相反，中国科技期刊数据库 工业 A-80-束流的轴向速度分量和磁场的径向分量相互作用，产生垂直于纸面向里的洛伦兹力，但是此时束流已经具有绕轴旋转的速度，只能使束流的运动速度下降，而不能改变其运动方向，所以束流进入磁聚焦线圈下半部分时，其运动仍是向轴向旋转，最终束流与轴线相交于轴线上的一点，即为磁聚焦焦点1。2 磁聚焦线圈结构形式对磁场分布的影响 聚焦线圈是由短的多层螺管线圈构成的短磁透镜，分为开启式（不带铁壳）和屏蔽式（带铁壳）两种，短磁透镜的聚焦性质在很大程度上决定于该透镜的磁场分布特性。为研究两种结构聚焦线圈的磁场分布情况，本文利用 CST 电磁仿真软件分别对开启式和屏蔽式两种聚焦线圈结构进行仿真分析，并对其磁场分布情况进行分析。由于电磁线圈是在真空中工作的，所以在 CST 仿真软件中设置背景材料为 Normal（真空），设置两种结构的线圈匝数均为 100 匝，所通电流均为1A，屏蔽式聚焦线圈屏蔽层材料选择新建材料，材料名称命名为铁氧体，设置其相对磁导率为 1000，利用M-Static Solver 求解器进行求解，得到图 2 磁场分布图，从图中可以看出有屏蔽式作用的电磁线圈，可以将图 2 中没有屏蔽的电磁聚焦线圈产生的周围发散的磁场进行收拢，并将有效磁场会都集中到中心区域。图 2 开启式与屏蔽式聚焦线圈磁场分布图 通过以上仿真分析可以看出屏蔽式电磁聚焦线圈较开启式聚焦线圈更能够将磁场聚集，而且中心磁场更强，所以屏蔽式线圈在工程实践中应用的更广泛，包围线圈的屏蔽层称为铁心或磁轭，其一般选用导磁率较高的铁磁体。铁心是与线圈配合产生磁场的导磁部件，它可以使线圈的电感值增大。此外对于屏蔽式聚焦线圈还有一个参数对磁场分布具有很大影响，那就是气隙 S，其在线圈中的位置如图 3 所示。图 3 磁透镜聚焦示意图 为了研究气隙 S 对电磁聚焦线圈磁场的影响，本文利用电磁仿真软件 CST 分别对气隙 S=10，S=8 及气隙 S=6 这三种情况的电磁聚焦线圈进行仿真分析，设置三种情况线圈匝数均为 100 匝，通电电流均为 1A，通过仿真计算，得到在上述三种气隙宽度下，磁聚焦线 圈 中 心 位 置 最 大 磁 场 强 度 分 别 为：S=10时,B=1.82V.S/m2；S=8时,B=2.84V.S/m2；S=6时,B=3.51V.S/m2。从仿真结果可以看出，气隙越小磁场沿轴向被压缩的更强烈，并在线圈中心，磁场强度更大，随着气隙 S 值的增大，电磁聚焦线圈中心处的最大磁场强度 B 呈线性下降趋势。通过上述对电磁聚焦线圈结构的分析，可以看出有磁轭的聚焦线圈较无磁轭的聚焦线圈更能使磁场会聚，得到场强更大的磁场；窄气隙较宽气隙更能使磁场沿轴向压缩，得到更大的磁场强度，但在实际应用中我们发现这个气隙宽度也不能无限的缩小，当这个宽度小到一定程度时线圈中心磁场被压缩的范围太窄，反而影响了聚焦线圈的聚焦功能，所以在取气隙宽度的时候我们要同时结合中心磁场强度的大小和电子枪能够实现聚焦功能所需磁场宽度的大小来综合考虑。3 磁聚焦线圈电流对磁场强度的影响 为了进一步研究磁聚焦线圈电流大小对磁场的影响，利用 CST 电磁仿真软件，对相同匝数下，不同电流大小的磁聚焦线圈进行仿真分析。设置背景材料为Normal（真空），线圈匝数均为 1500 匝，线圈所通电流分别为 1A，2A 和 3A，屏蔽式聚焦线圈屏蔽层材料选择新建材料，材料名称命名为铁氧体，设置其相对磁导率为 1000，网格划分采用自动划分网格，网格类型，中国科技期刊数据库 工业 A-81-选择六面体，网格精度设为 10-6。利用 M-Static Solver求解器进行求解。求得在这三种情况下，磁聚焦线圈所形成的中心磁场强度最大值分别为 1.42V.S/m2、2.84V.S/m2 和 4.25V.S/m2。从仿真结果可以看出随着磁聚焦线圈中电流的增大，线圈形成的最大磁感应强度也在增加，且存在线性关系。4 磁聚焦线圈参数的确定 磁透镜和线圈的结构改变都会引发对电子聚焦的直接影响。电子枪聚焦部件的实质是一个电磁透镜，与光学透镜一样，存在物距与像距，根据电子光学原理：1f=1u+1v（1）式中 f 为磁透镜焦距，u 为物距（由阴极、聚束极及阳极组成的静电透镜区形成的束流会聚焦点到磁聚焦透镜的距离），v 为磁透镜到工件的距离。根据式（1）求出焦距 f，再将其值带入下式，NI=50(1+106V)VSDf（2）式中 N 为线圈匝数，I 为线圈通电电流大小（单位为 A），V 为加速电压（单位为 v），S 为线圈气隙宽度，D 为线圈内径。例如在我司自主研发的 60KV，15KW 电子枪中预聚焦线圈的物距 u=150mm，一般假设经过预聚焦后，束流以平行光传播，所以相距为无穷远，所以此时 f=u=150mm，根据预聚焦结构尺寸，S=12mm，D=38mm，V=60000v，将各值代入（2）式得 NI=827 安匝，考虑预留适量的裕度，将所得值放大 1.2 倍得 NI=992 安匝。实际电子枪工作中，N 取 1000 匝，电流最大值为 2A，该枪在工作过程中要达到使用要求，工艺人员一般设定电流值在0.9-1.2 区间，这与我们的理伦计算值是吻合的。对于主聚焦线圈，其物距为 300mm，像距为 700mm（根据工件放置高度确定），根据主聚焦线圈的结构尺寸，S=55mm，D=35mm，V=60000v，将各值代入式（2）中，最终求得主聚焦线圈的安匝数 NI=852 安匝，考虑预留一定的裕度，取主聚焦线圈安匝数 NI=1500，主聚焦电流最大值设定为 2A。实际在电子枪工作过程中，主聚焦线圈匝数 N=1500，根据工件的距离，需要对电流值做相应的微调，根据工作参数，一般取电流值在0.9-1.5 区间，这与我们的理论值相吻合。为了进一步研究磁聚焦线圈安匝数对电子枪聚焦性能的影响，考虑工件距离到主聚焦线圈的距离（相距 v）分别为 500mm，600mm，700mm，800mm，900mm时，计算主聚焦线圈安匝数的变化。在电子枪设计过程中，磁聚焦的线圈匝数是确定值，只有通过改变电流的大小来改变聚焦线圈形成的磁场大小，从而改变焦点的位置，通过计算可得出在以上五种情况下，磁聚焦线圈所需安匝数分别为 1590，1540，1500，1475，1450，由于设计电子枪磁聚焦线圈匝数取 N=1500 匝，则线圈电流分别为 1.06A，1.03A，1A,0.98A,0.97A。从计算数据可以看出随着焦点位置逐渐变远，磁聚焦所需的磁场强度逐渐减小，线圈所需电流也在逐渐减小。安匝数变化之后，磁透镜的焦距发生改变，在物距不变的情况下，像距发生变化，即电子束的工作距离发生变化，因此，可以通过调整聚焦电流的大小来调整电子枪的工作距离和束斑的大小 5 结论 本文详细介绍了电子枪磁聚焦线圈组成结构及工作原理，在此基础上利用 CST 电磁仿真软件分析了不同结构形式的聚焦线圈对磁场的影响，通过分析发现屏蔽式电磁聚焦线圈较开启式聚焦线圈更能够将磁场聚集，而且峰值磁场更强；窄气隙较宽气隙更能使磁场沿轴向压缩，得到更大的磁场强度。但这个气隙宽度也不能无限的小，根据实践经验，当这个宽度小到一定程度时线圈中心磁场被压缩的范围太窄，反而影响聚焦线圈的聚焦功能，所以在取气隙宽度的时我们要同时结合中心磁场强度的大小和电子枪能够实现聚焦功能所需磁场宽度的大小来综合考虑。为了更好的分析磁聚焦线圈电流大小对磁场强度的影响，利用 CST软件对不同电流下磁聚焦线圈的磁场强度进行了分析，从仿真结果可以看出随着磁聚焦线圈中电流的增大，线圈形成的最大磁感应强度也在增加，且存在线性关系。最后给出了一种计算磁聚焦线圈安匝数的计算方法，利用该方法对已有的 60KV，15kW 电子枪磁聚焦线圈的安匝数进行计算，计算结果与实际情况相吻合，证实了该方法的正确性，通过该方法计算出线圈的安匝数后就可以以此为依据设计线圈绕组的匝数和控制电路的输出电流。并根据工件在不同高度，分析了在不同相距的情况下，主聚焦线圈匝数一定时，所需电流的大小，根据计算发现随着工件位置不断远离主聚焦线圈，磁聚焦所需的磁场强度逐渐减小，线圈所需电流也在逐渐减小。中国科技期刊数据库 工业 A-82-参考文献 1杜秉初,汪健如.电子光学M.北京:清华大学出版社,2002.2何成旦,李鹤岐,李春旭,等.电子束焊接电子枪电子光学系统设计J.兰州理工大学学报,2004(30):5-8.3王之康.真空电子束焊接设备及工艺M.北京:原子能工业出版社,1990.4张业成,周琦,彭勇.焊接用三极电子枪设计及电磁聚焦系统研究J.机械制造,2017(2).5宇彤,等.强流电子束聚焦数值模拟J.强激光与粒子束,2012,24(8):1970-1974.