电子束轰击炉电子枪电子束光学系统结构分析

刘春东 张东辉 戴美魁 倪笑宇

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

电子束轰击炉电子枪电子束光学系统结构分析

刘春东 张东辉 戴美魁 倪笑宇

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

对电子束轰击炉电子枪电子束光学系统的结构进行了分析，利用Solidworks对功率为60 kW、加速电压为20 kV的轰击炉电子枪光学系统部分关键结构进行了建模，并对相关参数进行了计算.

电子束发生系统；高压静电场；磁聚焦；磁偏扫

0 前 言

电子束熔炼技术是利用高能量密度的电子束在轰击金属时产生高温使金属熔化.电子束熔炼技术在多个领域都得到了应用，电子束熔炼技术主要用于稀有、珍贵金属材料的提纯、真空浇铸以及回收重熔，还可以用于制取半导体材料和难熔金属及其合金的单晶等.要保证熔炼效果，需要合理设计电子束轰击炉电子枪的电子光学系统结构.

1 电子束发生系统

电子束发生系统由三个电极组成，即阴极、聚束极和阳极，他们共同构成了电子束光学系统的静电聚焦系统，如图1所示.电子枪工作时，阴极上加负高压，阳极接地，聚束极上加负的栅极偏压以抑制阴极电流的发射.合理地设计或选择这三个电极的结构和参数，确定各电极之间的距离，使得各电极加上相应的电压之后，在其空间内产生形状分布合理的高压静电场，使得由阴极发射出来的电子能够被聚焦成锥形束，顺利地通过阳极孔.

图1 电子枪电子光学系统

1.1 阴极

阴极是发射热电子的电极，按加热方式的不同，可分为直热式阴极和间热式阴极两种.直热式阴极(通常为灯丝)自身加热并发射电子流，其结构比较简单，但易出现发射表面几何形状变形、电子发射散乱现象，对聚焦不利.间热式阴极是利用传导辐射或电子轰击的方法间接加热阴极，特点是结构复杂，阴极表面是等位面，发射电流比较均匀，对电子束聚焦有利.本次研究的电子枪属于高压、小束流电子枪，采用发射面积为1.2×1.2 mm2的直热式钨丝阴极.

阴极(即灯丝)设计时应考虑以下几点因素[1]：(1)防止灯丝高温时变形，钨丝在高温状态下工作时的热膨胀量可达1.3%左右，需要烧氢定形处理；(2)灯丝形状要保证发射电子均匀；(3)灯丝加热电流产生的磁场应尽量互相抵消；(4)防止机械成形时的表面损伤，以免电阻变化引起“亮点”而烧断灯丝.

1.2 聚束极

聚束极加有较阴极电位为负的偏压，结构如图2所示.负偏压影响到电子枪阴极附近电位的分布和阴极的发射性能，并能改善束流的成形.当聚束极上加负偏压时，阴极前电位降低，阴极发射电流减小；同时，偏压电场改变了电子枪零等位线的空间分布，负偏压越高，零等位线覆盖的阴极面积越多，其有效发射面积也将缩小.

图2聚束极结构图3平头阳极结构

1.3 阳极

阳极是很重要的一个电极，电子束发生系统工作时，阳极接地，阴极和聚束极加负高压，从而在阴极和阳极之间形成高压静电场，在高压静电场的加速作用下，产生的电子被加速到很高的速度，从而获得了足够的动能，图3所示为通用的典型平头阳极.

由于电子束枪在实际工作中的放电等复杂现象，往往要求阳极孔的实际尺寸要大于理论计算的尺寸，所以，在设计中考虑了实际因素后，阳极孔径的设计分为理论计算的阳极孔径和实际要求的阳极孔径[2].

由阴极结构和聚束极结构知阴极的半锥角，阴、阳极曲率半径的比值，可得阳极孔的理论直径为：

dat=2Rasinθ

(1)

为了防止束边缘电子过多地被阳极捕获(一般束流在阳极上的损失应小于2%～3%)，所以阳极孔径按计算值尚需扩孔20%～60%，因此，阳极的实际孔径为：

da=(1.2～1.6)×dat

(2)

设计时，一方面要防止电子束在阳极放电，另一方面为设计中留有足够的余量.

2 电子束磁聚焦系统

磁聚焦系统的机械结构和相关参数对电子束的聚焦效果影响很大[3].因此，为了使电子束的聚焦达到最优，合理的设计机械结构和选取相关参数是至关重要的[4].设计时，要遵循如下几点原则：(1)每个磁透镜上束流功率损耗应小于，因此透镜极靴中心处的电子束直径与透镜内径之比不能过大.(2)透镜应带冷却装置，用于吸收损耗在磁透镜上的热量，可采用水冷.(3)在双磁透镜的磁聚焦系统中，第一磁透镜对电子束实行预聚焦，称之为辅助磁透镜；第二磁透镜用来调节在待熔金属上的电子束直径大小，也称为主磁透镜.因此，要求第一透镜内径小于第二透镜内径[5].

2.1 光栏

光栏在电子枪调试过程中，当电子束偏心时进行防护和检测，在第一磁透镜和第二磁透镜之间以及第二磁透镜和偏转系统之间设置光栏，还有一个作用，就是为了增加气阻造成气压差，保证枪内的真空度比熔炼室的真空度高两个数量级.因此，光栏孔直径不能过大，通常该处的电子束直径与光栏孔直径之比大约0.3左右[6].图3是光栏及光栏座的模型图.

1-表面带有外螺纹；2-表面带有内螺纹

图3光栏及光栏座模型图

2.2 磁透镜极靴的径隙比S/D

由多匝线圈构成的短磁透镜，其磁场作用区的宽度比焦距小很多.而带极靴的屏蔽式短磁透镜会使焦距进一步变小.这样，在安匝数相同的情况下，磁场分布更加集中，而且峰值磁场更强.极靴的形状和几何尺寸决定了透镜的场分布，尤其是透镜的内径D和极靴的径隙比S/D.实验证明，当极靴宽度约为线圈内径的1/5时，轴上磁场最强[7].图4和图5为该电子枪磁聚焦系统第一、二磁透镜的模型图[8].

1-线圈；2-极靴；3-引线座1-引线座；2-线圈；3-极靴

图4第一磁透镜模型图图5第二磁透镜模型剖面图图6 60 KW电子枪磁偏转模型

3 电子束偏扫系统

功率为60 kW、加速电压为20 kV电子枪磁偏转扫描系统的结构模型如图6所示.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.设计和计算偏转扫描系统的结构以及相关的偏转参数时，要遵循如下几点原则[7]：

1)偏移量要正比于外加信号(偏转电压或通过偏转线圈的电流)；

2)保证偏转系统不改变电子束直径的大小，即偏转系统只起偏转作用，不带附加的聚焦和散焦作用；

3)偏转灵敏度高，即用最小的偏转功率，便能达到预期的偏转效果.

要想使偏扫系统形成的磁场为均匀磁场，偏扫线圈可以按照余弦法则绕制.

4 结束语

掌握了电子枪电子束光学系统，特别是关键部件的具体结构，就可以进行电子束运行轨迹、磁透镜的矢量磁位分布等方面的研究，更好地分析电子束的发生、聚焦及偏扫效果.

[1]范玉殿.电子束和离子束加工[M].机械工业出版社,1989.6

[2]机械、电机工程手册编辑委会.电机工程手册.第6卷.工业电气设备.机械工业出版社,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]赵国骏.电子和离子光学.国防工业出版社,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]张以忱.电子枪与离子束技术[M].北京：冶金工业出版社，2004.1

[7]杜秉初，汪健如.电子光学[M].北京：清华大学出版社，2002.10

[8]杨丽,杨勇生,李光耀.Solidworks零件设计[M].北京：清华大学出版社,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

河北省教育厅青年基金项目(QN2015078)

刘春东(1979-)，男，副教授.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.03.019

TF134

A