劉春東 張東輝 戴美魁 倪笑宇

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

電子束轟擊爐電子槍電子束光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

劉春東 張東輝 戴美魁 倪笑宇

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

對(duì)電子束轟擊爐電子槍電子束光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，利用Solidworks對(duì)功率為60 kW、加速電壓為20 kV的轟擊爐電子槍光學(xué)系統(tǒng)部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算.

電子束發(fā)生系統(tǒng)；高壓靜電場(chǎng)；磁聚焦；磁偏掃

0 前 言

電子束熔煉技術(shù)是利用高能量密度的電子束在轟擊金屬時(shí)產(chǎn)生高溫使金屬熔化.電子束熔煉技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，電子束熔煉技術(shù)主要用于稀有、珍貴金屬材料的提純、真空澆鑄以及回收重熔，還可以用于制取半導(dǎo)體材料和難熔金屬及其合金的單晶等.要保證熔煉效果，需要合理設(shè)計(jì)電子束轟擊爐電子槍的電子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu).

1 電子束發(fā)生系統(tǒng)

電子束發(fā)生系統(tǒng)由三個(gè)電極組成，即陰極、聚束極和陽(yáng)極，他們共同構(gòu)成了電子束光學(xué)系統(tǒng)的靜電聚焦系統(tǒng)，如圖1所示.電子槍工作時(shí)，陰極上加負(fù)高壓，陽(yáng)極接地，聚束極上加負(fù)的柵極偏壓以抑制陰極電流的發(fā)射.合理地設(shè)計(jì)或選擇這三個(gè)電極的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，確定各電極之間的距離，使得各電極加上相應(yīng)的電壓之后，在其空間內(nèi)產(chǎn)生形狀分布合理的高壓靜電場(chǎng)，使得由陰極發(fā)射出來(lái)的電子能夠被聚焦成錐形束，順利地通過(guò)陽(yáng)極孔.

圖1 電子槍電子光學(xué)系統(tǒng)

1.1 陰極

陰極是發(fā)射熱電子的電極，按加熱方式的不同，可分為直熱式陰極和間熱式陰極兩種.直熱式陰極(通常為燈絲)自身加熱并發(fā)射電子流，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但易出現(xiàn)發(fā)射表面幾何形狀變形、電子發(fā)射散亂現(xiàn)象，對(duì)聚焦不利.間熱式陰極是利用傳導(dǎo)輻射或電子轟擊的方法間接加熱陰極，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，陰極表面是等位面，發(fā)射電流比較均勻，對(duì)電子束聚焦有利.本次研究的電子槍屬于高壓、小束流電子槍，采用發(fā)射面積為1.2×1.2 mm2的直熱式鎢絲陰極.

陰極(即燈絲)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)因素[1]：(1)防止燈絲高溫時(shí)變形，鎢絲在高溫狀態(tài)下工作時(shí)的熱膨脹量可達(dá)1.3%左右，需要燒氫定形處理；(2)燈絲形狀要保證發(fā)射電子均勻；(3)燈絲加熱電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)應(yīng)盡量互相抵消；(4)防止機(jī)械成形時(shí)的表面損傷，以免電阻變化引起“亮點(diǎn)”而燒斷燈絲.

1.2 聚束極

聚束極加有較陰極電位為負(fù)的偏壓，結(jié)構(gòu)如圖2所示.負(fù)偏壓影響到電子槍陰極附近電位的分布和陰極的發(fā)射性能，并能改善束流的成形.當(dāng)聚束極上加負(fù)偏壓時(shí)，陰極前電位降低，陰極發(fā)射電流減小；同時(shí)，偏壓電場(chǎng)改變了電子槍零等位線的空間分布，負(fù)偏壓越高，零等位線覆蓋的陰極面積越多，其有效發(fā)射面積也將縮小.

圖2聚束極結(jié)構(gòu)圖3平頭陽(yáng)極結(jié)構(gòu)

1.3 陽(yáng)極

陽(yáng)極是很重要的一個(gè)電極，電子束發(fā)生系統(tǒng)工作時(shí)，陽(yáng)極接地，陰極和聚束極加負(fù)高壓，從而在陰極和陽(yáng)極之間形成高壓靜電場(chǎng)，在高壓靜電場(chǎng)的加速作用下，產(chǎn)生的電子被加速到很高的速度，從而獲得了足夠的動(dòng)能，圖3所示為通用的典型平頭陽(yáng)極.

由于電子束槍在實(shí)際工作中的放電等復(fù)雜現(xiàn)象，往往要求陽(yáng)極孔的實(shí)際尺寸要大于理論計(jì)算的尺寸，所以，在設(shè)計(jì)中考慮了實(shí)際因素后，陽(yáng)極孔徑的設(shè)計(jì)分為理論計(jì)算的陽(yáng)極孔徑和實(shí)際要求的陽(yáng)極孔徑[2].

由陰極結(jié)構(gòu)和聚束極結(jié)構(gòu)知陰極的半錐角，陰、陽(yáng)極曲率半徑的比值，可得陽(yáng)極孔的理論直徑為：

dat=2Rasinθ

(1)

為了防止束邊緣電子過(guò)多地被陽(yáng)極捕獲(一般束流在陽(yáng)極上的損失應(yīng)小于2%～3%)，所以陽(yáng)極孔徑按計(jì)算值尚需擴(kuò)孔20%～60%，因此，陽(yáng)極的實(shí)際孔徑為：

da=(1.2～1.6)×dat

(2)

設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要防止電子束在陽(yáng)極放電，另一方面為設(shè)計(jì)中留有足夠的余量.

2 電子束磁聚焦系統(tǒng)

磁聚焦系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)對(duì)電子束的聚焦效果影響很大[3].因此，為了使電子束的聚焦達(dá)到最優(yōu)，合理的設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和選取相關(guān)參數(shù)是至關(guān)重要的[4].設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循如下幾點(diǎn)原則：(1)每個(gè)磁透鏡上束流功率損耗應(yīng)小于，因此透鏡極靴中心處的電子束直徑與透鏡內(nèi)徑之比不能過(guò)大.(2)透鏡應(yīng)帶冷卻裝置，用于吸收損耗在磁透鏡上的熱量，可采用水冷.(3)在雙磁透鏡的磁聚焦系統(tǒng)中，第一磁透鏡對(duì)電子束實(shí)行預(yù)聚焦，稱之為輔助磁透鏡；第二磁透鏡用來(lái)調(diào)節(jié)在待熔金屬上的電子束直徑大小，也稱為主磁透鏡.因此，要求第一透鏡內(nèi)徑小于第二透鏡內(nèi)徑[5].

2.1 光欄

光欄在電子槍調(diào)試過(guò)程中，當(dāng)電子束偏心時(shí)進(jìn)行防護(hù)和檢測(cè)，在第一磁透鏡和第二磁透鏡之間以及第二磁透鏡和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)之間設(shè)置光欄，還有一個(gè)作用，就是為了增加氣阻造成氣壓差，保證槍內(nèi)的真空度比熔煉室的真空度高兩個(gè)數(shù)量級(jí).因此，光欄孔直徑不能過(guò)大，通常該處的電子束直徑與光欄孔直徑之比大約0.3左右[6].圖3是光欄及光欄座的模型圖.

1-表面帶有外螺紋；2-表面帶有內(nèi)螺紋

圖3光欄及光欄座模型圖

2.2 磁透鏡極靴的徑隙比S/D

由多匝線圈構(gòu)成的短磁透鏡，其磁場(chǎng)作用區(qū)的寬度比焦距小很多.而帶極靴的屏蔽式短磁透鏡會(huì)使焦距進(jìn)一步變小.這樣，在安匝數(shù)相同的情況下，磁場(chǎng)分布更加集中，而且峰值磁場(chǎng)更強(qiáng).極靴的形狀和幾何尺寸決定了透鏡的場(chǎng)分布，尤其是透鏡的內(nèi)徑D和極靴的徑隙比S/D.實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)極靴寬度約為線圈內(nèi)徑的1/5時(shí)，軸上磁場(chǎng)最強(qiáng)[7].圖4和圖5為該電子槍磁聚焦系統(tǒng)第一、二磁透鏡的模型圖[8].

1-線圈；2-極靴；3-引線座1-引線座；2-線圈；3-極靴

圖4第一磁透鏡模型圖圖5第二磁透鏡模型剖面圖圖6 60 KW電子槍磁偏轉(zhuǎn)模型

3 電子束偏掃系統(tǒng)

功率為60 kW、加速電壓為20 kV電子槍磁偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型如圖6所示.電子束經(jīng)過(guò)磁聚焦以后，在到達(dá)待熔金屬之前還要經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)，其作用是使電子束按照一定的規(guī)律在待熔金屬上進(jìn)行偏轉(zhuǎn)掃描，從而使電子束可以轟擊到待熔金屬上的任何一點(diǎn).設(shè)計(jì)和計(jì)算偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的偏轉(zhuǎn)參數(shù)時(shí)，要遵循如下幾點(diǎn)原則[7]：

1)偏移量要正比于外加信號(hào)(偏轉(zhuǎn)電壓或通過(guò)偏轉(zhuǎn)線圈的電流)；

2)保證偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)不改變電子束直徑的大小，即偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)只起偏轉(zhuǎn)作用，不帶附加的聚焦和散焦作用；

3)偏轉(zhuǎn)靈敏度高，即用最小的偏轉(zhuǎn)功率，便能達(dá)到預(yù)期的偏轉(zhuǎn)效果.

要想使偏掃系統(tǒng)形成的磁場(chǎng)為均勻磁場(chǎng)，偏掃線圈可以按照余弦法則繞制.

4 結(jié)束語(yǔ)

掌握了電子槍電子束光學(xué)系統(tǒng)，特別是關(guān)鍵部件的具體結(jié)構(gòu)，就可以進(jìn)行電子束運(yùn)行軌跡、磁透鏡的矢量磁位分布等方面的研究，更好地分析電子束的發(fā)生、聚焦及偏掃效果.

[1]范玉殿.電子束和離子束加工[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1989.6

[2]機(jī)械、電機(jī)工程手冊(cè)編輯委會(huì).電機(jī)工程手冊(cè).第6卷.工業(yè)電氣設(shè)備.機(jī)械工業(yè)出版社,1982.11

[3]Lei Wei.Accurate Calculation of Influence of Electrode Perturbation in Electromagnetic Focusing System in Particle Trajectory[J].Acta Electronica Sinica,Vol.27 No.3,1999：139～141

[4]趙國(guó)駿.電子和離子光學(xué).國(guó)防工業(yè)出版社,1994

[5]Wang Jun,Ran Qijun.Magnetic Focusing Electron Gun Used in Projection CRT[J].Journal of UEST of China,Vol.28 No.3,1999：329～332

[6]張以忱.電子槍與離子束技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.1

[7]杜秉初，汪健如.電子光學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.10

[8]楊麗,楊勇生,李光耀.Solidworks零件設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2002.6

StructuralAnalysisofElectronOpticalSystemoftheElectronGuninElectron-beamBombardmentFurnace

LIUChun-dong,ZHANGDong-hui,DAIMei-kui,NIXiao-yu

(Hebei University of Architecture,Hebei Zhangjiakou 075000)

The structure of electron optical system of the electron gun in electron-beam bombardment furnace is dissected，and taking electron-beam bombardment furnace with 60 kW power and 20kV accelerating voltage for example,3D model of the key structure of electron optical system of it is built using solidworks software,correlated parameters of it are calculated simultaneously in paper.

electron beam generating system;high voltage electro-static field;magnetic focusing;magnetic deflection scanning

2017-03-25

河北省教育廳青年基金項(xiàng)目(QN2015078)

劉春東(1979-)，男，副教授.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.03.019

TF134

A