CN117116730A - 一种改善电子束束流质量的方法 - Google Patents

Abstract

对电子枪的结构优化，通过聚焦磁场和偏转磁场的深入分析，建立磁场更加均匀的聚焦线圈和均匀磁场范围更大的偏转线圈，减小像差对电子束束斑的影响，通过建立数字化补偿控制策略和数字化控制系统，对电子束的扫描进行动态控制。通过结构优化减小像差对电子束束斑形状的影响。电子束形成的圆形焦斑，其功率密度分布呈高斯分布，能量分布均匀。

Description

一种改善电子束束流质量的方法

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束流质量的方法。

背景技术

对扫描区域内电子束束斑进行精确聚焦控制技术，是高质量电子束加工工艺的要求。对磁透镜和偏转结构进行深度的分析，用动态聚焦的方式来动态补偿电子束聚焦过程中产生的误差，来更好的形成电子束焦点，保证电子束最小束斑直径，提高电子束的能量密度，获得较好的束流品质，最终提高电子束工件的质量。

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，经过电子枪的电子光学系统，但是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，使形成的电子束无法发挥作用，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。

电子束束斑失真，形状发生改变，理论上是圆形，失真造成束斑成椭圆形，甚至成矩形，或者成花状图形，扫描的能量密度不同，通过优化和补偿使电子束的束斑更加接近圆形，束斑能量更加成高斯分布。

在电子束加工过程中，由于电子之间存在很强的空间电荷排斥力而沿着不同方向分散运动；电子运动距离越大，电子束的分散趋势越明显，电子束能量密度低，可能导致无法达到工作要求。要想达到电子束加工所需的高能量密度，必须对散射的电子进行聚焦。

附图说明

图1为本发明实例中电子束工作原理图。

图2为本发明实例中阴极放置的位置图。

图3为本发明实例中电子枪聚束极和阳极之间的距离L1。

图4为本发明实例中聚焦透镜不同位置L2的电子束轨迹图。

具体实施方式

第一步：根据设计需求，阴极的结构尺寸是固定的，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d。在其它条件不变的情况下，分别改变阴极放置的位置。位置示意图如图2所示。

改变聚束极外半径的大小R对发射电子注性能的影响情况。如图2所示，在电子枪枪区其它参数条件不变时，聚束极外半径增大，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L1，如图3所示，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。确定聚束极和阳极的距离。

第二步：要使磁透镜具有良好的聚焦成像能力，场分布必须严格旋转对称的；电子束在近轴范围内，电子所受的径向力与离轴距离成正比；电子以同样的初速度离开阴极，才能够保证电子像是清晰的，与物的几何形状相似。但实际在电子聚焦成像中，物体具有一定的尺寸，物体离轴都有一定的距离，或者电子束都有一定的张角，所以部分电子束会进入离轴较远的透镜范围，透镜场对近轴和远轴的电子作用不同，远轴所受的偏转作用更强，与近轴电子不能会聚到一起，结果得到的像将不是一个圆点，而变成了其他形状，这就产生了几何像差。电子束在偏转系统中随着偏转角的增大而直径增大。电子束偏转量也不与偏转电流成正比产生畸变，将会产生散焦，电子束在偏转过程中出现的这种现象，称为偏转像差。像差的存在直接影响电子束束斑的大小和形状，进而影响电子束加工的能量密度，所以必须对像差进行相关的研究与分析，为获得在动态聚焦电流下形成的最佳束流焦点提供理论支撑。

球差、慧差、色差的半径都与会聚角有关。为了减小空间电荷的影响，一般来说我们选择的聚角大一些；但同时为了减小球差和色差的影响，希望会聚角小一些。为了得到最小的焦斑半径，需要找到一个最佳的会聚角。

透镜的球差及色差弥散圆分别正比于球差系数及色差系数.,因此在设计透镜时,总希望选择能获得较小的像差系数的几何参量,即合理地选择透镜的气隙及透镜内径值。一般来说,选取大的内径值是获得较小象差系数的途径之一。在设计磁透镜系统时,根据系统本身结构和使用的需要,先大致确定系统的总体尺寸,首先是物距及象距的大致范围,即透镜焦距的范围。在机械结构许可的情况下,再选取尽可能大的透镜内径值。

第三步：利用comsol模拟仿真电子磁透镜模型，通过改变磁透镜的内径、线圈的匝数、聚焦电流大小，分析磁透镜的磁力线分布的均匀性，分析电子束在磁场作用下电子束产生像的偏差和畸变的原因，通过模拟仿真得出更优化的参数，提出和建立一个新的电子束磁透镜优化模型，实现最小电子束聚焦像差、几何失真的电子束磁透镜系统。

利用comsol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。

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对电子枪进行模拟。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，选取合适的缝宽。

第四步：聚焦透镜对电子枪起到聚焦的作用，其位置直接影响着电子束聚焦的开始和结束。如图4所示，模拟不同位置L2的电子束轨迹图，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。

偏转磁场使电子束按照一定的角度偏转或者按照一定的轨迹扫描，这就要考虑到束斑的直径，为了保证束斑直径基本不变，那么就要求偏转线圈形成的磁场为均匀磁场。因此设计线圈的匝数以及线圈的形状时，就需要以获得均匀磁场为设计目标。

电磁线圈的电磁场数值模拟采用基于通用有限元分析法，用comsol数值模拟的方法分析多种线圈结构下产生磁场的均匀性，优化电磁偏转线圈磁芯结构，提出一种可提高磁场均匀性的电磁偏转线圈结构。根据磁场均匀性分析结果和线圈磁芯加工工艺选择最优的偏转扫描线圈结构。

电子束经偏转后将会产生散焦，使电子束束斑逐渐变粗，且电子束偏转量也不与偏转电流成正比，因而产生畸变。像差的存在影响电子的运动轨迹，从而对电子束造成影响，进而影响电子束束斑的大小和形状。对像差现象进行理论分析研究，并给出相应的修正方法。

电子束扫描出现的枕形畸变、桶形畸变、不规则畸变等偏转精度问题，解决的方式就是根据偏转误差的特点改变偏转线圈的绕制方式，并在线圈外缘加永磁铁来进行误差补偿。为了修正电子束偏转时发生的散焦现象，需要对射入偏转磁场中的电子入射角进行修正，即保持电子束直径在一定范围内的前提下，使进入偏转磁场中的电子运动轨迹尽可能相互平行。减小聚焦电流的大小可以减小电子在聚焦磁场中运动的半径,改变电子在偏转磁场中的运动轨迹达到修正散焦的目的。

利用comsol软件对改变电子束偏转线圈的某个结构产生的磁力线均匀度进行分析，改变线圈的绕制方式，正弦绕制或者余弦绕制；改变偏转线圈的匝数和改变偏转线圈的电流进行分析，根据仿真的结果得出最优的参数。

利用CST软件模拟仿真，分别对改变偏转线圈匝数，改变偏转线圈的电流大小，偏转线圈和聚焦线圈的距离，分析电子束束斑直径变化的规律，选择最优化的参数，建立最优化偏转线圈模型。

第五步：当电子束在偏转磁场中发生偏转时，电子束路径发生改变，焦距的距离发生变化，而且发生偏转的电子束流也会使焦点出现散焦的现象。可以通过当电子束偏转扫描的轨迹路径长度发生改变的同时使电子束流最佳聚焦位置作出相应的调整，让电子束的最佳聚焦点聚焦到特定的位置，以此来实现动态聚焦补偿。研究聚焦电流对应聚焦距离的变化过程，根据此时焦距需要的磁场来调控聚焦电流值。建立聚焦距离与聚焦电流的线性函数模型，为电子枪聚焦的精确控制提供依据。

电子束在偏转扫描中，磁感应强度与偏转距离的关系是以线性关系来考虑的，但是在大角度偏转时，偏转线圈的磁场均匀度发生改变，偏转电流与偏移量呈非线性关系，如果偏移量与磁场关系仍按线性考虑，电子束就会出现非线性误差。对电子束大角度偏转所经过的区域的磁场进行动态控制，根据偏转位移需要的磁场对偏转电流进行实时控制。

将工作区间通过网格进行划分，相邻的点间隔0.2mm,扫描时，通过计算出扫描点与电子束下束中心点的距离，通过聚焦电流补偿公式，计算出每个点所对应的聚焦电流补偿值。将成形区域中网格点坐标与控制的数字量一一对应，通过数组任一网格点位置信息所对应的偏转数字量和聚焦数字量，为了保证扫描的连续稳定性，减小束斑的发散，在编写的程序中采用多线程实现了成形过程的紧密衔接，在运行当前层电子束扫描的线程时，另外一个线程开始计算下一个扫描点的控制数据。

当电子束进行扫描的时候，ARM数字处理器根据扫描的位置信息，调用数据库，根据电子束的焦距和电流的数学关系和偏转电流和偏转角度偏转位移的数学关系，建立与位置相对应的聚焦电流和偏转电流的数据库，ARM根据位置信息输出相对应的数据。

Claims (4)

1.一种改善电子束束流质量的方法，其特征在于，从电子光学原理出发，分析了焊接用电子枪的电子光学结构的特点与作用，找到了提高电子枪束功率的方法。

2.根据权利要求1所述的一种改善电子束束流质量的方法，其特征在于，确保被聚束的电子注有较高的稳定性，即所谓的“刚度”好。

3.根据权利要求1所述的一种改变电子束束流质量的方法，其特征在于，保证电子注外层电子的运动状态及外层电子运动中半径的变化。

4.根据权利要求1所述的一种改善电子束束流质量的方法，其特征在于，要得到具有更优偏转效果的偏转扫描线圈，需要重点研究线圈参数，设计线圈结构以及绕组分布方式。