CN103177921B - 电子枪电子束流控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电子枪电子束流控制系统及其方法，其增设的自稳流装置由电阻或电感等无源元件构成，自稳流装置（6）串接在电子束流回路中，其中一端接至栅偏电源单元（3）的正输出极上，另一端接至间热式电子枪的轰击电源的正输出极上或直热式电子枪的灯丝电源的任一输出极上。本发明利用电子束流通过自稳定装置产生与电子束流相关的一定电压Ue，把此电压直接叠加到栅偏电压上，形成一个局部无延时负反馈，达到稳流目的。
Description
技术领域
本发明涉及电子束加工设备，具体涉及一种电子枪电子束流控制系统及其方法。
背景技术
电子枪发射电子束的阴极有直热式和间热式两种阴极。阴极发射电子束流的工作状态有温度限制状态和空间电荷限制状态。在温度限制状态下阴极发射的饱和电子束流密度由式决定,式中is为阴极发射的饱和电子束流密度，A0为理查逊常数，T为阴极的热力学温度，k为玻耳兹曼常数，为阴极材料逸出功。在空间电荷限制状态下，在某一阴极温度下，阴极发射的电子束流密度由式决定，式中isp为在空间电荷限制下阴阳极间的电子束流密度，d为阴阳极间距，Ea为加速电压，且isp<is。阴极的有效发射面积与聚束极的膜孔直径及加在阴极和聚束极间的栅偏电压有关，阴极发射表面的有效直径由式决定，式中dk为阴极发射表面的有效直径，db为聚束极膜孔直径，Eb0为电子束流截止的栅偏电压，Eb为聚束极栅偏电压。
由以上分析可知，阴极发射电子束流与阴极材料的阴极工作温度T，阴阳极间加速电压Ea，阴阳极间距d，聚束极的膜孔直径db，截止栅偏电压Eb0，工作栅偏电压Eb有关。其中d、db和Eb0在工作中是不可控的，且Ea一般控制在某一个稳定值。要改变电子束流大小，只能通过改变阴极加热功率来改变阴极温度T，或者改变栅偏电压Eb来改变阴极的有效发射面积。
为了获得稳定的电子束流，目前一般采用负反馈的控制策略，这种控制策略存在着明显的缺陷，就是控制回路只能控制电子束流的平均值，不能控制电子束流的瞬时值，且控制回路存在高低压信号的变换，有较大时间常数的惯性环节，控制速度受到极大约束。至于加速电压的纹波系数，栅偏电源纹波等快速信号引起的电子束流瞬间变化，控制回路是无能为力的。这样对于精度要求较高的应用场合，如精密电子束焊接，常规的电子束流控制方式的局限性就显露无疑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电子枪电子束流控制系统及其方法，其能够抑制电子束流的瞬时纹波。
为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：
一种电子枪电子束流控制方法，利用电子束流和/或电子束流的变化而产生电压Ue，将此电压Ue与栅偏电压Eb叠加后作用到电子枪的阴极与聚束极间，电压Ue对电子束流形成一个快速局部负反馈作用，达到抑制电子束流瞬时纹波的目的。
上述方案中，所述电压Ue是利用电子束流通过电阻产生的压降IeR和/或利用电子束流通过电感的压降所形成的一个总压降。
在一个控制系统中，通过改变阴极加热功率来改变电子枪的阴极温度T和改变栅偏电压Eb来改变电子枪的阴极的有效发射面积这两种方式进行切换使用，来实现对不同的电子束流进行控制。
根据上述方法所实现的一种电子枪电子束流控制系统，包括栅偏电源单元、阴极电源单元、电子束流调节器、信号选通开关、自稳流装置、以及中央控制单元；其中中央控制单元有3个输出端分别连接栅偏电源单元、阴极电源单元和电子束流调节器的一个输入端；电子束流调节器的另一个输入端还与电子枪的电子束流取样电阻相连，电子束流调节器的输出端连接信号选通开关的公共输入端；信号选通开关的2个输出端分别与栅偏电源单元和阴极电源单元的另一个输入端相连；栅偏电源单元的负输出极与电子枪的聚束极相接，正输出极与电子枪的加速电源的负极相接；直热式电子枪阴极电源即灯丝电源的2个输出端分别与电子枪的灯丝两端相接，灯丝即为阴极；间热式电子枪的阴极电源包括灯丝电源和轰击电源，灯丝电源的2个输出端分别与电子枪的灯丝两端相接，轰击电源的正输出极与电子枪的阴极相接，负输出极与灯丝的任一端相接；所述自稳流装置由无源元件即电阻和/或电感组成；该自稳流装置串接在电子束流回路中，其中一端接至栅偏电源单元的正输出极上，另一端接至间热式电子枪的轰击电源的正输出极上或直热式电子枪的灯丝电源的任一输出极上。增设的自稳流装置利用电子束流通过电阻产生的压降IeR和/或利用电子束流通过电感的压降形成一个总压降Ue；该总压降Ue与栅偏电压Eb叠加后作用到电子枪的阴极与聚束极间，总压降Ue对电子束流形成一个快速局部负反馈作用，达到抑制电子束流瞬时纹波的目的。
上述方案中，所述自稳流装置可以采用以下四种方案，即：可以由1个电阻Re3及1个压敏电阻Ry3并联组成；也可以由1个电感Le4及1个压敏电阻Ry4并联组成；也可以由1个电感Le5和1个电阻Re5串联之后再与1个压敏电阻Ry5并联组成；也可以由1个电感Le6、1个电阻Re6和1个压敏电阻Ry6并联组成。
本发明利用电子束流通过自稳定装置产生与电子束流相关的一定电压Ue，把此电压直接叠加到栅偏电压上，形成一个局部无延时负反馈，达到稳流目的。自稳流装置由电阻或电感等无源元件构成，利用电子束流通过电阻时产生成比例的电压，通过电感时电子束流如果发生变化便产生与变化率成比例的电压。在一个控制系统中，改变阴极加热功率来改变阴极温度T，或者改变栅偏电压Eb来改变阴极的有效发射面积两种不同的电子束流控制方式可以切换使用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、保持电子束流常规负反馈控制模式的精度，兼备电子束流瞬时变化局部负反馈功能，能有效抑制电子束流的纹波；
2、有利于改变电子束斑的形状电子束流局部负反馈使电子束斑能量分布更趋于均匀化；
3、有利于抑制电子束发生器的放电，电子束流局部负反馈减少阴极放电时的电子束流。
附图说明
图1为电子枪电子束流控制系统原理示意图；
图2为电子枪电子束发生系统的电源、自稳流装置与电子枪连接示意图；
图3为一种自稳流装置的电路原理图。
图4为另一种自稳流装置的电路原理图。
图5为又一种自稳流装置的电路原理图。
图6为再一种自稳流装置的电路原理图。
图中标号为：1、中央控制单元；1-1、栅偏电源单元设定信号发生器；1-2、阴极电源单元设定信号发生器；1-3、电子束流设定信号发生器；2、电子束流调节器；3、栅偏电源单元；4、阴极电源单元；5、信号选通开关；6、自稳流装置；7、电子枪的聚束极；8、电子枪的阴极；9、、电子枪的加速电源；10、电子枪的电子束流取样电阻。
具体实施方式
一种电子枪电子束流控制系统，其主要由栅偏电源单元3、阴极电源单元4、电子束流调节器2、信号选通开关5、自稳流装置6、以及中央控制单元1组成。图1给出了本发明电子枪电子束流控制系统原理示意图的原理示意图。图2则给出电子枪电子束发生系统的电源、自稳流装置6与电子枪连接示意图。
其中中央控制单元1包含有栅偏电源单元设定信号发生器1-1、阴极电源单元设定信号发生器1-2和电子束流设定信号发生器1-3。其中栅偏电源单元设定信号发生器1-1在计算机或可编程控制器(PLC)的数字设定下经数模转换(DAC)产生栅偏电源的电压预设定信号，送至栅偏电源单元3。阴极电源单元设定信号发生器1-2在计算机或可编程控制器(PLC)的数字设定下经数模转换(DAC)产生阴极电源的电压或电流预设定信号，送至阴极电源单元4。电子束流设定信号发生器1-3在计算机或可编程控制器(PLC)的数字设定下经数模转换(DAC)产生电子束流设定信号，送至电子束流调节器2。
电子束流调节器2的另一个输入端还与电子枪的电子束流取样电阻10相连，电子束流调节器2的输出端连接信号选通开关5的公共输入端。信号选通开关5的2个输出端分别与栅偏电源单元3和阴极电源单元4的另一个输入端相连。栅偏电源单元3的负输出极与电子枪的聚束极7相接，栅偏电源单元3的正输出极与电子枪的加速电源9的负极相接。直热式电子枪阴极电源即灯丝电源的2个输出端分别与电子枪的灯丝两端相接，灯丝即为阴极；间热式电子枪的阴极电源包括灯丝电源和轰击电源，灯丝电源的2个输出端分别与电子枪的灯丝两端相接，轰击电源的正输出极与电子枪的阴极相接，负输出极与灯丝的任一端相接。
对于本发明而言，其核心点为在上述原有电子枪电子束流控制系统的基础上增设了一个由无源元件即电阻和/或电感组成的自稳流装置6。该自稳流装置6串接在电子束流回路中，其中一端接至栅偏电源单元3的正输出极，另一端接至间热式电子枪的轰击电源的正输出极上或直热式电子枪的灯丝电源的任一输出极上。
在本发明中，所述自稳流装置6利用电子束流通过电阻时产生成比例的电压，通过电感时电子束流如果发生变化便产生与变化率成比例的电压。参见图3-图6。
上述自稳流装置6为以下四种结构之一，即：
如图3所示，自稳流装置6由一个电阻Re3及一个保护元件压敏电阻Ry3并联组成。正常工作时Ry3不起作用，电子束流Ie只流过Re3，产生Ue=IeRe3的电压，Ue与栅偏电源单元3Eb叠加后共同作用于阴极与聚束极7间，Re3对电子束流的稳态值与动态值都有局部负反馈作用。Ry3的作用是发生故障时Ie过大，限制Ue过大，保护Re3不受损坏，同时限制阴极与聚束极7间的过电压，防止阴极与聚束极7的绝缘被击穿。
如图4所示，自稳流装置6为由一个电感Le4及一个保护元件压敏电阻Ry4并联组成。正常工作时，Ry4不起作用，电子束流Ie流过Le4，如果Ie发生变化，Le4上产生的电压，Ue与栅偏电源单元3Eb叠加后共同作用于阴极与聚束极7间，Ie的稳定值无局部负反馈作用，只有Ie的动态值有局部负反馈作用。Ry4的作用是发生故障时过大，限制Ue过大，保护Le4不被击穿，同时限制阴极与聚束极7间的过电压，防止阴极与聚束极7的绝缘被击穿。
如图5所示，自稳流装置6由一个电感Le5和一个组成一个电阻Re5串联之后再与一个压敏电阻Ry5并联组成。正常工作时，Ry5不起作用，电子束流Ie流过Le5和Re5组成的串联支路，产生Ue与栅偏电源单元3Eb叠加后共同作用于阴极与聚束极7间，Ie的稳定值与动态值都有局部负反馈作用。Ry5的作用是发生故障时，限制Ie和/或过大，限制Ue过大，保护Le5和/或Re5不被击穿，同时限制阴极与聚束极7间的过电压，防止阴极与聚束极7的绝缘被击穿。
如图6所示，自稳流装置6由一个电感Le6、一个电阻Re6和一个压敏电阻Ry6并联组成。正常工作时，Ry6不起作用，电子束流流过Le6和Re6组成的并联支路，如果Ie产生变化，便产生Ue，在复域中Ue与Ie的关系为Ue与栅偏电源单元3Eb叠加后共同作用于阴极与聚束极7间，Ie的稳态值无局部负反馈作用，只有Ie的动态值有局部负反馈作用。Ry6的作用是发生故障时过大，限制Ue过大，保护Le6和/或Re6不被击穿，同时限制阴极与聚束极7间的过电压，防止阴极与聚束极7的绝缘被击穿。
上述电子枪电子束流控制系统所实现的电子枪电子束流控制方法，包括如下过程：
中央控制单元1分别产生电子束流的设定信号栅偏电源的预工作电压设定值以及阴极电源预工作电压或电流的设定信号并将电子束流的设定信号送入电子束流调节器2、栅偏电源的预工作电压设定信号送入栅偏电源单元3、以及阴极电源预工作电压或电流的设定信号送入阴极电源单元4；
电子束流调节器2一路接收中央控制单元1输出的电子束流的设定信号另一路接收来自电子束流取样电阻10输出的电压信号ue；正常工作时，电子束流调节器2把两输入信号和ue进行比较，得到偏差信号，然后把此偏差信号进行比例、积分运算后输出信号uc，该输出信号uc接入信号选通开关5的公共输入端；
信号选通开关5的选通控制由外部电路执行；当电子束流调节器2与栅偏电源单元3接通时，送入信号ub（=uc）至栅偏电源单元3，电子束流调节器2与阴极电源单元4分断，即uf=0；当电子束流调节器2与阴极电源单元4接通时，送入信号uf（=uc）至阴极电源单元4，电子束流调节器2与栅偏电源单元3分断，即ub=0；
栅偏电源单元3把2个输入信号和ub进行比较，得到偏差信号，然后把此偏差信号进行放大、高电位绝缘隔离处理后输出栅偏电压Eb控制电子束流的大小；
阴极电源单元4把2个输入信号和uf进行叠加，再经过放大、高电位绝缘隔离处理后输出阴极电压Ef控制电子束流的大小；
自稳流装置6利用电子束流通过电阻产生的压降IeR和/或利用电子束流通过电感的压降形成一个总压降Ue；该总压降Ue与栅偏电压Eb叠加后作用到电子枪的阴极8与聚束极7间，总压降Ue对电子束流形成一个快速局部负反馈作用，达到抑制电子束流瞬时纹波的目的。
此外，当电子枪设备出现故障时，外部电路产生的故障信号uer同时送至电子束流调节器2和阴极电源单元4，让电子束流调节器2和阴极电源单元4的输出被封锁。
在一个控制系统中，改变阴极加热功率来改变阴极温度T，或者改变栅偏电压Eb来改变阴极的有效发射面积两种不同的电子束流控制方式可以切换使用。
本发明的实施例给出了4种电子束自稳流装置6，但本发明保护范围不限于此，利用电子束流和/或电子束流的变化而产生电压Ue，将此电压Ue与栅偏电压Eb叠加后作用到电子枪的阴极8与聚束极7间，电压Ue对电子束流形成一个局部负反馈作用，凡利用上述方法即属于本专利保护范围。
本发明的实施例针对直热式电子枪的电子束流控制系统，但本发明保护范围不限于此，在间热式电子枪电子束流电子束流控制系统中，利用电子束流和/或电子束流的变化而产生电压Ue，将此电压Ue与栅偏电压Eb叠加后作用到电子枪的阴极8与聚束极7间，电压Ue对电子束流形成一个局部负反馈作用，亦属于本专利保护范围。
Claims (4)
1.电子枪电子束流控制方法，其特征是，利用电子束流和/或电子束流的变化而产生电压Ue，将此电压Ue与栅偏电压Eb叠加后作用到电子枪的阴极(8)与聚束极(7)间，电压Ue对电子束流形成一个快速局部负反馈作用，达到抑制电子束流瞬时纹波的目的；其中所述电压Ue是利用电子束流通过电阻产生的压降IeR和/或利用电子束流通过电感的压降所形成的一个总压降。
2.根据权利要求1所述的电子枪电子束流控制方法，其特征是，还包括通过改变阴极加热功率来改变电子枪的阴极温度T和改变栅偏电压Eb来改变电子枪的阴极的有效发射面积这两种方式进行切换使用，来实现对不同的电子束流进行控制的步骤。
3.一种电子枪电子束流控制系统，包括栅偏电源单元(3)、阴极电源单元(4)、电子束流调节器(2)、信号选通开关(5)、以及中央控制单元(1)；其中中央控制单元(1)有3个输出端分别连接栅偏电源单元(3)、阴极电源单元(4)和电子束流调节器(2)的一个输入端；电子束流调节器(2)的另一个输入端还与电子枪的电子束流取样电阻(10)相连，电子束流调节器(2)的输出端连接信号选通开关(5)的公共输入端；信号选通开关(5)的2个输出端分别与栅偏电源单元(3)和阴极电源单元(4)的另一个输入端相连；栅偏电源单元(3)的负输出极与电子枪的聚束极(7)相接，正输出极与电子枪的加速电源(9)的负极相接；直热式电子枪阴极电源即灯丝电源的2个输出端分别与电子枪的灯丝两端相接，灯丝即为阴极；间热式电子枪的阴极电源包括灯丝电源和轰击电源，灯丝电源的2个输出端分别与电子枪的灯丝两端相接，轰击电源的正输出极与电子枪的阴极相接，负输出极与灯丝的任一端相接；其特征是，
还进一步包括自稳流装置(6)，该自稳流装置(6)由无源元件组成，其中无源元件为电阻和/或电感；自稳流装置(6)串接在电子束流回路中，其中一端接至栅偏电源单元(3)的正输出极上，另一端接至间热式电子枪的轰击电源的正输出极上或直热式电子枪的灯丝电源的任一输出极上。
4.根据权利要求3所述的电子枪电子束流控制系统，其特征是，所述自稳流装置(6)由1个电阻Re3及1个压敏电阻Ry3并联组成；或由1个电感Le4及1个压敏电阻Ry4并联组成；或由1个电感Le5和1个电阻Re5串联之后再与1个压敏电阻Ry5并联组成；或由1个电感Le6、1个电阻Re6和1个压敏电阻Ry6并联组成。
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