电子束轰击炉电子枪磁偏扫系统偏转线圈研究

万冀杰 刘春东 张东辉 李常胜 石树正

（1.河北省送变电公司；2.河北建筑工程学院，河北 张家口075024）

0 前 言

电子束经过磁聚焦以后，在到达待熔金属之前还要经过偏转扫描系统，其作用是使电子束按照一定的规律在待熔金属上进行偏转扫描，从而使电子束可以轰击到待熔金属上的任何一点.

1 磁场强度与偏转角

磁偏转磁场主要分为三种：一种是磁力线呈枕形分布，即枕形场（见图1a），一种是磁力线呈桶形分布，即桶形场（见图1b），还有一种磁力线是平行分布，此时的磁场分布类似于一个钟形场分布（见图2）.

图1 两种磁偏转场的磁力线分布

图2 均匀场的磁场分布

磁偏转系统应保证轰击到待熔金属上的电子束的位置合理、功率分配均匀.电子束偏转γ角所需的磁场强度

其中，γ为偏转角；Ur为相对论修正后的加速电压；a为偏转磁场的宽度.

2 线圈安匝数与偏转角

偏转线圈的安匝数是磁偏转系统的一个最重要参数，安匝数的大小体现了磁偏转能力的强弱.确定安匝数时，已知的条件不同，求解公式也不同：

1）磁偏转系统产生磁场强度所需的安匝数为式中，H为磁场强度，A／mm；C为偏转板间距（即磁场的宽度），mm；λ为考虑铁心、磁轭等损耗以及偏转系统漏磁的修正系数，一般取1.5～2.

2）将式（1）代入式（2）中，就可以得到偏转线圈的安匝数NI和偏转角γ的关系

3 线圈具体绕制

将磁偏转线圈按照各种不同方式绕制，就可以产生各种不同的场分布，其中常用的是按余弦法则进行线圈绕制［63］，可以获得均匀磁场.下面具体描述线圈的余弦绕制法则.

图3 均匀场线圈匝数分布

如图3所示，线圈边缘处（β＝0°）绕得最厚，然后按β角的余弦分布逐渐变薄.这种偏转装置可以在很大的偏转角下工作，并能保持很好的线性.

磁环的另一半绕同样的对称绕组，这一对绕组产生的磁场强度为

其中，d—— 磁环内径，mm.

如果在这个磁环上，再绕同样一对绕组，相位相差90°就产生了Hx.这两对绕组如果一对通上电流Isinωt，另一对通上，这样就得到了圆扫描.

图4 功率为60kW、加速电压为20kV电子枪磁偏扫系统的结构模型图

图4 所示为采用SolidWorks绘制的功率为60 kW、加速电压为20 kV电子束轰击炉电子枪磁偏扫系统的结构模型图.为使该系统形成的磁场为均匀磁场.现根据图3所示，对线圈重新按照余弦法则绕制.

该系统要求偏转角为13°，又已知：偏转线圈内径d＝60 mm，磁场区的长度l＝60 mm，修正后的加速电压Ur＝20.4×103V，经计算可得偏转线圈的安匝数NI＝88.7安匝，线圈匝数按余弦法则分布如表1所示：

绕组总匝数为

N＝15+2×（14+13+11+8+6）＝119匝则，绕组通电电流为

表1 偏转线圈按余弦分布的具体绕制

另一半绕组也按照同样的方法对称绕制.因此，根据式（5），可得这对绕组产生的磁场强度为

磁偏转系统偏转线圈的安匝数确定之后，如果想要满足不同偏转角度的电子束偏转，通常不会改变线圈匝数，而是通过改变线圈中的电流大小来实现.

4 结束语

通过利用余弦法则具体绕制功率为60kW、加速电压为20kV电子束轰击炉电子枪磁偏扫系统的偏转线圈，使该系统获得了均匀磁场.这样，就可以更容易地了解和控制电子束在磁偏扫过程中的轨迹了.

［1］毛智勇.双聚焦电子枪电子束焊接初探［J］.北京航空工业研究所，1995.8

［2］Anjam Khursheed.Aberration Characteristics of Immersion Lenses for LVSEM［J］.Ultramicroscopy93，2002：334

［3］［苏］Д.Л.布利里安托夫.高效磁偏转系统的设计［M］.上海无线电二十七厂，1979.1

［4］［美］SolidWorks.Solidworks基本建模技术：零件与装配体 ［M］.北京：清华大学出版社，2003.4