工业电子枪电子束偏转技术与动态聚焦的研究

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电子束作为一种高能量密度粒子束,广泛应用于各种高要求现代化加工。其中电子束流偏转与聚焦精度将直接影响着电子束加工的质量,特别是在电子束进行大角度偏转扫描时,由于受到像差等因素影响,电子束的焦点出现散焦现象,影响电子束的聚焦性能。为了提高电子束的加工质量,以及对电子束进行精准控制,实现电子束在偏转扫描的同时聚焦电流对应做出动态调整。本论文以功率6KW、加速电压60KV的工业电子枪系统为研究对象,对电子束偏转扫描动态聚焦进行研究,主要研究结果如下:(1)对电子束在电磁场中的运动轨迹进行研究,建立了电子运动轨迹的数学模型,利用MATLAB软件模拟了电子的运动轨迹,并分析了球差、像散等像差产生的原因,给出可采取偏转扫描动态聚焦的方法来减小像差对轨迹的影响。(2)根据电子枪结构,计算了电子枪的基本参数与电子束束流轮廓的参数值,重点分析了屏蔽式短磁透镜极靴附近磁场的形状及边界情况,利用ANSYS软件模拟了极靴附近矢量磁位的分布规律,深入研究电磁线圈中电流对焦点尺寸的影响规律,发现了可通过调整聚焦电流来改变电子束的工作距离和焦点尺寸。(3)基于提高电子束偏转扫描动态聚焦精度,分析并研究了电子束偏转扫描动态聚焦修正电流理论,建立了电子束偏转扫描动态聚焦的控制策略与动态聚焦二维数组,结合计算所得电子枪参数并利用CST软件建立了电子枪结构模型模拟电子束的运动仿真轨迹,验证了电子束在偏转扫描中束流焦点散焦的存在及动态聚焦修正电流对焦点尺寸的影响规律。(4)基于所得仿真结果,通过实验来验证理论方案的可行性。通过对电子束焦点尺寸与偏转角度以及聚焦电流间存在的关系、动态聚焦电流下的偏转扫描轨迹以及动态聚焦校正像差进行实验,试验结果验证了偏转扫描动态聚焦电流控制策略可有效改善电子束的偏转误差和大偏转角下的散焦。
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