CN117316745A - 一种改善电子束聚焦的方法 - Google Patents
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Abstract
一种改善电子束聚焦的方法。电子枪的结构是电子束聚焦的关键，首先阐述了电子枪工作的原理和过程，经过理论分析的同时利用CST软件模拟仿真分析了电子枪阴极和聚束极的位置关系，阳极和阴极的距离，磁透镜的结构大小，铁壳对磁透镜的影响，铁壳的径隙大小对聚焦的影响，选择合适的结构参数，进而提高焦点质量。
Description
技术领域
本发明涉及电子束加工技术领域，尤其是一种提高电子束聚焦状态的方法
背景技术
电子束设备由于具有高能量密度，可控性优良，加工精度高，近年来，在电子束焊接、电子束选区熔炼领域，在航天、航空、核工业、兵器、电子精密设备、新材料新工艺装备加工应用方面，得到越来越多广泛的应用。但是在电子束技术加工设备中会遇到一个关键的问题：在电子束聚焦过程中，横截面积相对较大的电子束在通过很大距离时很难维持统一聚焦标准的状态。
发明内容
电子枪中阴极上产生的电子在经过聚束极和阳极之间电压的加速后，会继续的沿着束流的轨迹方向继续运动，但由于加速后电子的速度不同且电子自身的空间电荷排斥力会使电子在各个方向上发散运动，这样的电子便会在到达工件扫描处形成大片的散射电子云，直接影响电子束的扫描，因此，需要将散射的电子进行聚焦，使其会聚成截面半径极小的圆斑点。进而形成束流焦点尺寸极小的电子束。电子束工作原理图如图1所示。
比较理想的电子束的能量密度分布应当呈高斯分布，但受到机械、电磁等特性的影响以及聚焦系统的对其进行的控制，实际获得的能量密度分布经常呈非对称的近高斯分布。聚焦特性对束流品质具有十分重要的影响，当束流在试件表面为表面聚焦状态时，电子束焦斑直径最小，平均束流密度最高，随束流在表面状态向上聚焦或下聚焦态，电子束在工件表面焦斑直径增大，平均束流密度降低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的电子束工作原理图。
图2为本发明实施例提供的阴极放置的位置图。
图3为本发明实施例提供的聚束极和阳极的距离图。
图4为本发明实施例提供的中心轴附近磁场分布图。
图5为本发明实施例提供的气隙宽度图。
图6为本发明实施例提供的聚焦透镜位置放置图。
具体实施方式
第一步：根据实际工业生产加工应用中较为成熟的电子枪模型结构，然后采用1:1比例模拟仿真电子枪的结构使用CST软件对电子枪进行仿真建模并掌握电子枪各主要参数变化对聚焦性能的影响情况，最后在以上仿真规律的基础上，优化电子枪结构，最终确定强流电子枪的枪区模型尺寸。
电子枪其阴极我们采用钨阴极，阴极发射面的直径大小确定为直径2mm，故而电子注注腰处的直径大小要达到0.3mm，对于强流电子枪系统，我们在实际使用中为其采用的加速电压为30kV。
空间电荷限制发射受电子枪结构的影响，电子枪在阴阳极结构尺寸及相对位置决定了空间电荷限制发射，加速电压固定时所能传输的最大电流大小。电子枪仿真中，我们主要结合使用空间电荷限制发射。
第二步：根据设计需求，阴极的结构尺寸是固定的，阴极半径大小要求为1mm，这一结构我们是不能改变的，我们可以改变阴极和聚焦极的相对位置。如图2示为，在其它条件不变的情况下，分别改变阴极放置的位置，在这三种情况下，阴极发射面的安放位置缩进聚束极倾斜面d＝-1、和聚束极平面平齐d＝0、凸出聚束极倾斜面d＝1mm
如图2所示，改变聚束极外半径的大小，电子束外径分别为R＝8mm、R＝10mm、R＝12mm，对发射电子注性能的影响情况。在电子枪枪区其它参数条件不变时，聚焦极外半径增大，阴极发射面附近的切向电场分量发生改变，电子注受到枪区电场的压缩作用发生改变，电子注注腰半径发生变化，通过电子束束腰的结果来选择合适的聚束极外径直径。
通过改变电子枪聚束极和阳极之间的距离，如图3所示，分别为L1＝10mm和L1＝12mm、L1＝14mm电子枪枪区其它参数均保持不变。通过仿真结果轨迹及径向电场的分布情况。最终确定聚束极和阳极的距离。
电子注从电子枪加速系统发射出来后，由于带电粒子之间空间电荷斥力的存在，在不加外界约束场的情况下，势必要产生发散，这使得电子注的流通性严重降低并且难以按照要求进行远距离传输，所以必须要在电子枪枪区之后适当位置合理设置聚焦系统，以此完成对传输电子注的聚束作用。合理设计聚焦系统，最终的目的就是使得外加场产生的聚焦力和电子注中空间电荷的发散力之间达到平衡状态，从而让电子注在其传输过程中的波动大大降低。均匀磁聚焦系统其结构往往比较简单，方便设计和调节，用其对电子注进行约束可以产生刚度好、噪声低和散焦小的高质量电子注。
即合理地选择透镜的气隙S及透镜内径D值。一般来说，选取大的(S+D)值是获得较小象差系数的途径。实际上，在电子光学系统被设计时,往往不是先确定(S+D)值，而是根据系统本身结构和使用的需要，在机械结构许可的情况下，再选取尽可能大的D值及S/D值。
第三步：在系统其他参数不变的情况下，模拟仿真不同聚焦线圈内径的大小对电子注传输性质的影响。如图4，线圈外半径大小分别为D＝50mm、D＝60mm和D＝70mm、D＝80mm。四种不同结构，通过仿真结果观察磁场的分布情况，以及在中心轴附近磁场分布的大小，确定电子束聚焦线圈内径的大小。
利用CST软件模拟出的无铁甲透镜的磁感应强度等值线分布及对应的Z轴上磁感应强度曲线和有铁甲透镜的磁感应强度等值线分布及对应的Z轴上磁感应强度曲线。通过对比含有铁甲透镜的电磁感应强度和无铁甲透镜磁感应强度和磁场分布情况和对比无铁甲透镜对电子束的会聚效果和有铁甲透镜对电子束的会聚效果。根据电子束束形和能量,选择是否需要铁甲。
第四步：在保证系统其它参数不变，仅改变包裹线圈的铁壳的开缝大小时，研究铁壳开缝大小对电子注传输的影响。在不改变聚焦线圈位置的情况下改变气隙宽度。如图5所示，在气隙宽度分别为S＝40mm、S＝30mm、S＝20mm和S＝10mm的情况下对电子枪进行模拟，隙缝大小不能超过铁甲材料饱和磁场的极限，否则感应磁场形状要产生变形。如果气隙宽度过小，电磁感应的磁场将会大部分包络在铁甲内，很小的气隙宽度不能“逸出”更多的磁场，这对电子的聚焦是不利。
改变线圈铁壳缝宽对中心轴上磁感应强度大小的影响情况，通过仿真结果观察改变铁壳开缝大小对通电线圈产生的磁感应强度的影响，磁感应强度的峰值和峰值出现的位置均随随缝宽大小而变化，选取合适的缝宽。
第五步：聚焦透镜对电子枪起到聚焦的作用，其位置的放置对电子束的发射后的运行轨迹以及最终照射的位置有非常大的影响。如图6所示，把聚焦透镜分别设置在距离聚束极基础坐标系Z轴上的L2＝260mm、L2＝270mm、L2＝280mm、L2＝290mm、L2＝300mm的5个位置上进行模拟。观察5个不同位置的电子束轨迹图，和聚焦磁场的磁感应强度轴向分量，聚焦原理可知，透镜的磁场分量Bz越大，电子所受到的向轴作用力越大，聚焦越明显。通过观察电子束的电子束状态图、电子束束斑的形状和直径大小确定聚焦透镜合适的位置。
Claims (5)
1.一种改善电子束聚焦的方法，其特征在于，通过三维全波电磁场仿真软件(CST)对电子枪系统建立1:1的三维模型，通过仿真进行模拟，呈现出电磁场的变化过程及电子束束流轨迹形态，进一步得出一定像距条件下最佳电子束束斑尺寸,同时确定此时相关参数值。
2.根据权利要求1中一种改善电子束聚焦的方法，其特征在于，初始模型中的电子注轨迹，传输波动较大，稳定性较差，需要对其进行优化。
3.根据权利要求1中一种改善电子束聚焦的方法，其特征在于，初始电子枪的聚焦能力较差，影响了电子注的稳定传输，需要对其进行优化。
4.根据权利要求1中一种改善电子束聚焦的方法，其特征在于，初始电子枪枪区结构中，聚焦极和阳极之间的距离对电子束束腰影响较大，需要对阴极和聚焦极的间距进行调整。
5.根据权利要求1中一种改善电子束聚焦的方法，其特征在于，确保被聚束的电子注有较高的稳定性，保证电子外层电子的运动状态及外层电子运动中半径的变化。
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|---|---|---|---|---|
| CN117733305A (zh) * | 2024-02-20 | 2024-03-22 | 四川华束科技有限公司 | 一种封离式电子枪及非真空电子束焊接机器人 |
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2023
- 2023-09-27 CN CN202311258664.3A patent/CN117316745A/zh active Pending
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